金屬管厚度對明敷消防供配電線路保護效果的模擬研究

馬 寧，湯 昊

(武警學院 研究生隊，河北 廊坊 065000)

0 引言

為保證滅火救援行動的有效開展，消防供配電系統(tǒng)的安全可靠十分重要。在工程中，電氣線路的敷設方式主要有明敷和暗敷兩種方式。對于明敷方式，由于線路暴露在外，火災時會受到火焰或高溫的作用而損毀。因此，《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)[1]中規(guī)定：消防配電線路應滿足火災時連續(xù)供電的需要，明敷時(包括敷設在吊頂內(nèi))，應穿金屬導管或采用封閉式金屬槽盒保護，金屬導管或封閉式金屬槽盒應采取防火保護措施。但是規(guī)范中并沒有明確規(guī)定金屬管的厚度。為了研究穿管的有效性，舒中俊[2]等人采用自主設計的紅外輻射加熱爐研究了不同保護狀態(tài)下的電纜受熱時的絕緣失效時間，得到了當環(huán)境的熱通量比較低時，穿阻燃聚氯乙烯管的保護效果比穿金屬管好；當環(huán)境的熱通量較高時，金屬管的保護效果優(yōu)于阻燃聚氯乙烯管。但針對金屬管并沒有研究其厚度與保護效果之間的關系。本文通過ANSYS軟件模擬明敷電線穿金屬管涂敷防火涂料的模型在標準火災條件下的溫度分布情況和規(guī)律，研究金屬管厚度對線路保護效果的影響，為實際工程中明敷消防供配電線路的消防安全設計提出解決方案。

1 參數(shù)設定與模型建立

1.1 ANSYS模擬參數(shù)

利用ANSYS建立明敷消防配電線路穿金屬管涂覆防火涂料的模型。消防供配電線路通常采用阻燃電線和耐火電線，本文建立的模型主要有三部分：阻燃電線(銅芯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電線)、304不銹鋼管、防火涂料。在ANSYS前處理階段，需要定義材料屬性，在進行熱分析中，所涉及的材料本身的特性包括導熱系數(shù)、密度、比熱容等。結(jié)合經(jīng)驗參數(shù)[3]與理論計算給出各種材料的參數(shù)如表1所示。

1.2 建模與計算

將模擬簡化為沿截面的二維溫度場問題，使用ISO-834標準火災升溫曲線來進行火災升溫情況的模擬，溫度場模型中采用PLANE55[4]單元。將防火涂料、金屬管以及空氣部分的單元尺寸劃分為1 mm，電線對應的區(qū)域劃分為0.5 mm。建立的具體幾何模型如圖1所示，網(wǎng)格劃分完成后如圖2所示。模型施加對流和熱生成率兩種載荷，對流是施加在模型表面的面載荷，模擬平面和周圍流體之間的熱量交換，載荷的施加方式為通過數(shù)據(jù)表格來施加載荷；熱生成率作為體載荷施加，載荷的施加方式是直接施加實常數(shù)載荷，通過計算電線單元內(nèi)電流效應生成的熱，得出電線的熱生成率為6 500 W·m-3。ANSYS讀取有限元模型及其上的載荷信息，建立聯(lián)立方程并使用不同求解器得出求解結(jié)果。設置加載時間為1 800 s，進行求解后即可得出模型內(nèi)部的溫度分布。

表1 材料熱物性參數(shù)表

圖1 幾何模型示意圖

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

2 金屬管厚度對明敷消防供配電線路的影響分析

2.1 溫度場計算結(jié)果

2.1.1 溫度分布

1 800 s耐火試驗結(jié)束后，厚度分別為2,3,4,5 mm的金屬管保護下的各組材料不同部位溫度如表2所示。由表2可知，金屬管的厚度越大，電線的溫度越低，即隨著金屬管厚度的增大，金屬管對電線的保護作用增強。304不銹鋼管的最高耐熱溫度是650 ℃左右，當溫度超過650 ℃時，金屬管會因為強度的大幅下降和變形程度的增加而失去對電線的保護能力。由表2可知，當金屬管厚度為2 mm時，金屬管的溫度最高，為571.29 ℃，低于650 ℃。說明金屬管在火焰作用下半小時內(nèi)不會失去對電線的保護作用。工程中，阻燃電線外表面絕緣材料是聚氯乙烯，其最高耐熱溫度為250 ℃。從表2可以看出，在火災發(fā)生半小時后，厚度為2,3,4 mm的金屬管所保護的電線溫度均大于250 ℃。說明這三組金屬管不能滿足半小時的連續(xù)供電。當金屬管厚度為5 mm時，電線溫度為246.85 ℃，小于電線的失效溫度250 ℃。即當電線直接受到火焰作用時，5 mm壁厚的金屬管能有效保護消防供配電線路保持半小時的有效供電。要想進一步知道每組電線的失效時間，需要觀察電線外表面一點溫度隨時間變化情況。

表2 穿有不同厚度金屬管電線各部位溫度(℃)

2.1.2 節(jié)點溫度隨時間變化規(guī)律

為更好地得出在ISO-834標準火災條件下模型內(nèi)部節(jié)點溫度隨時間變化的規(guī)律，模擬得出厚度分別為2,3,4,5,6 mm的金屬管保護下的電線外表面某點溫度隨時間變化的曲線如圖3所示。分析可以得出：(1)隨著金屬管厚度的增加電線溫升曲線的斜率降低，即電線溫度升高的速度越慢。說明金屬管厚度越大，在相同時間內(nèi)，所保護電線的溫度升高越小，電線達到失效的時間越長，對電線的保護效果越強。(2)由圖3曲線斜率對比可知，對于電線外表面一點，穿金屬管明顯減慢了其在耐火試驗下的溫升速率。隨著管壁厚度的增加，曲線斜率逐漸降低，電線外表面的最高溫度逐漸降低。由于阻燃電線的失效溫度為250 ℃，由圖3可知，厚度分別為2,3,4,5,6 mm的金屬管保護下電線的絕緣失效時間分別為18,25,28,31,33 min，可見管壁厚度越厚，電線的絕緣失效時間越長。

2.2 模擬結(jié)果在實際工程中的應用

《民用建筑電氣設計規(guī)范》(JGJ/T 16—2008)[5]中對消防用電設備在火災發(fā)生期間的最少連續(xù)供電時間有明確規(guī)定，結(jié)合金屬管厚度對電線絕緣失效時間的影響可以得出，在保證電線完好且能持續(xù)供電的情況下，得到采用不同厚度的金屬管保護時，能滿足連續(xù)供電時間要求的消防用電設備類型如表3所示。由于明敷配電線路金屬管的管壁不宜過厚，所以如果想要滿足自動噴水滅火系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)等設備更久的連續(xù)供電時間，在本文的模擬條件下無法達到，可以試著改變防火涂料的參數(shù)，或者改變金屬管的內(nèi)外徑以獲得更久的連續(xù)供電時間。

圖3 電線外表面某點溫度隨時間變化圖

3 結(jié)語

本文運用ANSYS軟件對標準火災試驗條件下的明敷消防供配電線路進行了有限元分析及研究，獲得了穿不同厚度金屬管條件下的模擬數(shù)據(jù)；通過比較和分析，得出金屬管厚度對明敷消防供配電線路的影響；并結(jié)合消防供電設備所需的有效供電時間，為實際工程中明敷消防供配電線路所穿金屬管厚度提供了數(shù)值依據(jù)和建議。但在模型簡化、模擬計算等方面仍然存在一定的局限性，下一步將結(jié)合模擬結(jié)果，進行明敷消防電線防火措施有效性試驗，方法及結(jié)論有待進一步研究與開發(fā)。

表3 不同厚度金屬管與消防用電設備對應表

[1] 中華人民共和國公安部.建筑設計防火規(guī)范:GB 50016—2014[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[2] 舒中俊,孫清輝,陳南,等.穿管保護對ZR-VV電纜絕緣失效條件的影響[J].消防科學與技術,2010,29(6):473-477.

[3] 上海電纜研究所.額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件 第1部分:額定電壓1 kV和3 kV電纜:GB/T 12706.1—2008[S].北京:中國標準出版社,2009.

[4] 李雪松.高溫條件下采用不同防火涂層的鋼柱溫度場數(shù)值模擬分析[J].基礎與結(jié)構(gòu)工程,2015,6(33):144-147.

[5] 中國建筑東北設計研究院.民用建筑電氣設計規(guī)范:JGJ/T 16—2008[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.