新型阻火墻對電纜溝的防火效果研究*

白 云， 任鑫峰， 茍瑞君

(1. 中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 山西省公安廳治安總隊(duì)， 山西 太原 030000)

電纜主要通過電纜溝、 電纜隧道等敷設(shè)， 隨著電纜的廣泛使用， 敷設(shè)范圍也變得越來越大. 生活中諸多原因會引發(fā)電纜火災(zāi),而且火焰蔓延速度特別快. 近年來關(guān)于電纜引發(fā)的火災(zāi)不勝枚舉， 所造成的損失是無可估量的. 因此， 對電纜進(jìn)行合理的阻燃是非常有必要的.

國內(nèi)外專家學(xué)者對于電纜自身的阻燃性能、 滅火系統(tǒng)以及合理的通風(fēng)模式對電纜火災(zāi)的有效性進(jìn)行了大量的研究. Grayson等[1]通過電纜燃燒試驗(yàn), 評估了電纜的防火性能. 李殿臣等[2]通過燃燒試驗(yàn),結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù),主要分析電纜隧道火災(zāi)中各類型電纜的阻燃性能. 曲磊[3]采用火災(zāi)試驗(yàn)的方法， 對細(xì)水霧滅火系統(tǒng)撲救電纜隧道火災(zāi)的有效性進(jìn)行了研究.

李營等[4]研究了阻燃電纜的良好抗火性能. 張佳慶等[5]通過設(shè)置合理的隧道縱向通風(fēng)， 對火災(zāi)情況下的電纜隧道進(jìn)行了防護(hù)研究. 陶海軍等[6]通過電纜火災(zāi)燃燒實(shí)驗(yàn)， 研究了電纜燃燒的煙氣溫度特征以及防火設(shè)計(jì). 羅夏等[7]通過分析不同間隙的豎向電纜燃燒試驗(yàn)， 得到電纜之間的間隙決定著豎向電纜燃燒速率. 彭玉輝等[8]通過對不同外加熱輻射、 電纜護(hù)套厚度情況下的核級電纜進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)測試， 得出熱釋放速率、 質(zhì)量損失速率等燃燒特性.

研究者們已經(jīng)針對電纜采取了一系列的防火措施， 但是阻燃效果慢， 時(shí)間有限制， 故采用阻火墻對電纜實(shí)現(xiàn)更好的阻燃效果. 電纜防火封堵是火電機(jī)組阻止電纜起火蔓延的一項(xiàng)主要措施， 阻火墻在電纜溝的防護(hù)方面發(fā)揮著非常重要的作用. 傳統(tǒng)的阻火墻雖起到阻擋作用， 但對阻火、 阻煙和阻止電纜延燃效果較差. 因此,本文研究一種新型阻火墻來實(shí)現(xiàn)對電纜更好的防火效果.

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

電纜試驗(yàn)的計(jì)算區(qū)域在長×寬×高= 18 m×8 m×5 m的受限空間內(nèi)進(jìn)行[9]， 阻火墻的設(shè)置示意圖和試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D 1 所示. 模擬中設(shè)置了熱電偶， 煙霧探測器和層區(qū)設(shè)備.

傳統(tǒng)阻火墻是用兩側(cè)為耐火磚， 中間填沙； 新型阻火墻采用“工字型”結(jié)構(gòu)， 兩側(cè)是防火隔板， 采用玻鎂防火板. 玻鎂防火板是不燃板材， 達(dá)到最高防火不燃級別A1級； 遇火無煙、 無毒、 無異味， 節(jié)能環(huán)保、 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、 能抗腐蝕、 抗酸抗堿、 堅(jiān)固耐用、 防蟲防霉.

傳統(tǒng)阻火墻中間是阻火包， 阻火包是一種綠色環(huán)保建材， 采用巖棉、 硅藻土、 水泥砂漿作為填充料. 底部鋪設(shè)3層粉煤灰磚， 對阻火包墊層形成支撐； 頂部用有機(jī)堵料， 加蓋防火板.

圖 1 阻火墻設(shè)置示意圖和電纜試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Distribution map of fireproof wall and cable test model

2 參數(shù)設(shè)置及模擬工況

2.1 主要參數(shù)設(shè)置

新型阻火墻中間采用阻火包堆砌， 其厚度為500 mm， 兩側(cè)采用20 mm厚度的防火板封隔. 電纜支架材料為Steel ， 設(shè)置通風(fēng)口為兩個(gè)窗口，進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口都為0.5 m×0.5 m的正方形， 風(fēng)速為1.5 m/s. 模擬時(shí)間設(shè)定為600 s. 模型中的網(wǎng)格劃分為(60， 60， 30)， 共 216 000個(gè)網(wǎng)格. 選取電纜溝內(nèi)中心處的縱向溫度作為特征溫度， 在中心沿垂直方向自左而右安裝6個(gè)熱電偶. 其中， A區(qū)和B區(qū)最高點(diǎn)處的熱電偶距頂棚2m， 以測定頂棚射流溫度， 其余 2 個(gè)熱電偶以1m的間隔等距分布， 用來測定不同高度的溫度變化[10].

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)所使用的電纜， 本論文對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單處理,不考慮電纜本身因素. 電纜結(jié)構(gòu)主要由金屬導(dǎo)體層、 絕緣層和護(hù)套層組成， 這3層的材料屬性見表 1. 阻火墻內(nèi)各材料的屬性見表 2.

設(shè)置火是從A區(qū)域的電纜支架底端開始燃燒的， 即A區(qū)域?yàn)榛鹪炊耍?B區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)離火源端. 選擇T2模型作為火源的模型[11]， 火源功率設(shè)定為8 000 kW， 大小為0.5 m×0.5 m.

表 1 電纜不同結(jié)構(gòu)層材料的性質(zhì)

表 2 阻火墻各材料的性質(zhì)

2.2 模擬工況

模擬主要采用新、 舊阻火墻對比分析法. 通過考察傳統(tǒng)阻火墻的弊端， 建立新型阻火墻結(jié)構(gòu). 工況1為傳統(tǒng)阻火墻作用下， 電纜溝發(fā)生火災(zāi)的情況； 工況2為新型阻火墻作用下， 電纜溝發(fā)生火災(zāi)的情況.

3 火災(zāi)模擬結(jié)果分析

通過運(yùn)用 Pyrosim 軟件， 模擬出電纜溝內(nèi)兩種工況下， 電纜著火后火焰的傳播情況以及煙氣含量、 溫度和熱釋放速率、 燃燒速率的變化曲線.

3.1 火焰?zhèn)鞑デ闆r分析

為了更直觀地觀察火焰?zhèn)鞑ミ^程， 在模擬中設(shè)置了溫度切片， 切片位置在y=3.5 m. 用溫度切片云圖來顯示火焰的傳播過程[12]. 工況1和工況2的火焰?zhèn)鞑デ闆r對比如圖 2 所示.

圖 2 火焰的傳播情況Fig.2 Propagation of flame

由圖2可知， 舊阻火墻下， 電纜在90～120 s燃燒速度加快， 說明在通風(fēng)條件下， 電纜的燃燒火焰沿著電纜的敷設(shè)方向快速蔓延， 從而擴(kuò)大火勢. 120 s后電纜火焰延燃至B區(qū)域， 120～360 s之間， 電纜燃燒速度相對緩慢. 420 s電纜在B區(qū)域急劇燃燒， 一直到600 s都有火焰?zhèn)鞑サ嫩E象. 對于新阻火墻， 電纜在90～120 s 燃燒劇烈， 之后火焰?zhèn)鞑ゾ徛?未延燃至B區(qū)域， 說明新阻火墻有效地阻擋了火焰的傳播.

3.2 煙氣含量曲線圖分析

圖 3 是B區(qū)煙氣含量對比分析圖. 由于火災(zāi)煙氣受熱浮力作用上升至撞擊頂棚， 繼而在頂棚上方發(fā)生射流現(xiàn)象， 卷吸下部空間冷空氣， 造成火災(zāi)煙氣層厚度增加[13]. 分析圖可以看出， 舊阻火墻作用下， 22.8 s煙氣含量開始上升， 108 s煙氣含量達(dá)到83.8%， 此后一直到600 s內(nèi)， 煙氣含量保持在高濃度范圍內(nèi). 而新阻火墻作用下， 600 s內(nèi)無煙氣釋放， 說明新阻火墻在有效時(shí)間內(nèi)抑制了煙氣的蔓延， 給B區(qū)域提供了安全的空間. 由此可見， 新阻火墻起到了良好的抑煙效果.

3.3 溫度曲線分析

圖 4 是A區(qū)域和B區(qū)域的溫度對比分析圖. 電纜材料在室內(nèi)燃燒， 釋放的熱量使周圍的環(huán)境溫度升高[14]. 由圖4(a)可知， 在0～100 s內(nèi)， A區(qū)電纜燃燒劇烈， 兩曲線急速上升. 100 s后， 兩曲線開始回落， 呈下降趨勢. 舊阻火墻作用下， 600 s時(shí)區(qū)域內(nèi)溫度為105 ℃. 而新阻火墻作用下， 600 s溫度達(dá)到99.3 ℃， 說明新阻火墻的表面材料吸收了部分熱量， 使溫度有所下降. 分析圖4(b)可知， 在舊阻火墻作用下， 69 s 之前溫度保持在20 ℃， 69 s后曲線出現(xiàn)了上升的趨勢， 486 s出現(xiàn)最大峰值695 ℃， 這說明在486 s時(shí)， 電纜劇烈燃燒， 釋放出大量的熱量， 導(dǎo)致溫度急劇上升. 600 s溫度降至300 ℃. 而新阻火墻作用下， 600 s內(nèi)溫度保持在20 ℃不變， 有效抑制了熱量的傳播. 由此可見， 新型阻火墻達(dá)到了隔溫的效果.

圖 3 煙氣含量對比分析圖Fig.3 Comparative analysis of smoke content

圖 4 溫度對比分析圖Fig.4 Temperature contrast analysis diagram

3.4 熱釋放速率曲線分析

熱釋放速率是衡量電纜材料在火災(zāi)燃燒過程中所釋放的熱量[15]. 圖 5 是電纜溝內(nèi)工況1與工況2關(guān)于熱釋放速率和燃燒速率的對比分析圖.

圖 5 熱釋放速率和燃燒速率對比分析圖Fig.5 The contrast analysis diagram of heat release rate and combustion rate

如圖5(a)所示： 舊阻火墻作用下， 92 s時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)熱釋放速率峰值為20 300 kW， 隨后出現(xiàn)一個(gè)回落， 這是由于可燃性揮發(fā)物發(fā)生燃燒后， 消耗量大于生成量. 319 s時(shí)， 曲線又出現(xiàn)第二個(gè)峰值8 230 kW. 這是由于生成了大量的可燃性揮發(fā)物， 使得電纜材料的熱釋放速率迅速升高. 由于風(fēng)速的影響而導(dǎo)致電纜燃燒出現(xiàn)不穩(wěn)定的跡象， 因此圖5(a)中熱釋放速率曲線波動(dòng)很大， 而隨著電纜持續(xù)燃燒， 熱釋放速率有上升的趨勢. 485 s出現(xiàn)峰值， 此后曲線回落， 600 s熱釋放速率達(dá)到10 800 kW. 而新阻火墻作用下， 熱釋放速率曲線在50 s開始迅速上升， 93.6 s到達(dá)最大值20 300 kW， 此后曲線平緩. 118～600 s內(nèi)， 熱釋放速率的值在1 570～2 780 kW內(nèi)波動(dòng). 600 s達(dá)到2 220 kW. 這說明新阻火墻有效地降低了電纜燃燒過程中所釋放的熱量， 給救援工作提供了更充足的時(shí)間. 分析圖5(b)可以得出， 0～100 s左右兩曲線都呈上升趨勢. 舊阻火墻作用下， 104 s燃燒速率達(dá)到0.578 kg/s； 104～400 s之間， 曲線相對平緩. 400 s后曲線開始上升， 504 s達(dá)到最大值1.65 kg/s， 之后到600 s保持不變. 而新阻火墻作用下， 燃燒速率緩慢， 107 s達(dá)到最大值0.586 kg/s， 之后一直到600 s 燃燒速率保持不變， 600 s時(shí)達(dá)到0.59 kg/s. 由此可見， 新阻火墻作用下， 單位時(shí)間內(nèi)電纜的燃燒量有所減少， 對電纜起到了良好的阻燃效果.

4 結(jié) 論

本文針對阻火墻作用下電纜在火災(zāi)條件下的燃燒， 利用 PyroSim 軟件對火災(zāi)的影響因素進(jìn)行著重分析. 主要研究工作及結(jié)論如下：① 針對傳統(tǒng)阻火墻的弊端， 設(shè)置的新型阻火墻可以有效減緩火焰的傳播速度， 進(jìn)而減緩電纜的延燃. ② 對于有效時(shí)間內(nèi)的電纜火災(zāi)模擬， 新型阻火墻作用下， 火源區(qū)域外圍沒有產(chǎn)生煙氣， 起到隔煙的效果； 溫度達(dá)到20 ℃， 起到隔熱的效果； 熱釋放速率達(dá)到2 220 kW， 下降了8 580 kW； 燃燒速率達(dá)到0.59 kg/s， 降低了1.06 kg/s， 新型阻火墻降低了熱釋放速率和電纜的燃燒量. ③ 通過對傳統(tǒng)阻火墻結(jié)構(gòu)和材料方面的改進(jìn)， 實(shí)現(xiàn)了新型阻火墻良好的防火效果. 因此， 新阻火墻對電纜溝的防火設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值, 堅(jiān)固耐用. 而任何一種阻火措施都不是萬能的， 電纜的防火設(shè)計(jì)必須進(jìn)行系統(tǒng)考慮,這樣才能有效保護(hù)電纜溝的安全.

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