基于錐型量熱儀的核級(jí)與非核級(jí)電纜燃燒性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

(1.海裝駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海200000；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

核電電纜火災(zāi)是影響核電廠安全的主要火災(zāi)隱患之一。考慮到影響電纜火災(zāi)行為的許多因素，包括電纜材料、電纜尺寸、電纜配置、通風(fēng)條件、外部熱量和電纜安裝類型等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者總結(jié)出許多經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)驗(yàn)理論模型[1-2]。本文利用錐形量熱儀，開展不同輻射強(qiáng)度、電纜布置方式(電纜間距)下不同電纜類型的燃燒特性實(shí)驗(yàn)，分析不同參數(shù)條件下電纜燃燒過(guò)程中熱釋放速率、有效燃燒熱和質(zhì)量損失速率的變化規(guī)律，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)大尺寸核電場(chǎng)景電纜火災(zāi)行為規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法

錐形量熱儀[3-5]能提供接近實(shí)際的火災(zāi)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與大尺度燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較高的相關(guān)性[6]。在火災(zāi)安全工程與設(shè)計(jì)、材料阻燃性能研究、評(píng)價(jià)等方面應(yīng)用廣泛。

根據(jù)核電纜使用過(guò)程中的特點(diǎn)[7]，主要考慮電纜類型、輻射強(qiáng)度和電纜布置間距等工況因素對(duì)電纜燃燒特性的影響，實(shí)驗(yàn)工況見表1。

試驗(yàn)使用的電纜包括核級(jí)電纜K3類電纜HDYJG-K3 1×95(K3類銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣低煙無(wú)鹵阻燃交聯(lián)聚烯烴護(hù)套電力電纜)和非核級(jí)電纜NC類電纜WDZ-YJE 1×95(交聯(lián)聚乙烯絕緣無(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴護(hù)套電力電纜)，分別簡(jiǎn)稱為K3類和NC類。兩種電纜結(jié)構(gòu)截面見圖1。

表1 錐量實(shí)驗(yàn)工況表

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱釋放速率

熱釋放速率為單位時(shí)間內(nèi)材料燃燒過(guò)程中釋放出的熱量，是評(píng)價(jià)材料火災(zāi)安全性的主要參數(shù)，能控制和影響其他的燃燒性能參數(shù)[8]。

2.1.1 不同熱輻射強(qiáng)度的熱釋放速率

由圖2可以得出，電纜在燃燒測(cè)試開始時(shí),受到輻射熱后,開始時(shí)主要是本身吸熱階段, 該階段的初始線形無(wú)太大變化,基本上是趨于較平緩的線形狀態(tài)。當(dāng)試件吸收的熱量足夠多時(shí)，溫度快速升高電纜外護(hù)套開始出現(xiàn)液化、氣化、裂解現(xiàn)象, 并產(chǎn)生一些可燃性氣體，當(dāng)氣體濃度足夠高時(shí)，可燃?xì)怏w發(fā)生燃燒造成熱釋放速率急劇增大，形成第一個(gè)熱釋放速率峰值。在較低熱輻射條件下(如20 kW/m2)，由于電纜外護(hù)套的阻燃作用及K3類電纜的防火結(jié)構(gòu)，輻射熱量不足以維持電纜的完全燃燒。在高輻射強(qiáng)度的情況下(如35、50、70 kW/m2)，由于外加熱輻射強(qiáng)度足夠大，并且電纜初始燃燒更劇烈，電纜防火結(jié)構(gòu)被破壞，并完全燃燒。此時(shí)，K3類電纜完全燃燒過(guò)程會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別代表電纜外護(hù)套燃燒及電纜絕緣層燃燒，但外護(hù)套燃燒的峰值比絕緣層的熱釋放速率峰值更大并且當(dāng)熱輻射強(qiáng)度增大時(shí)，第二個(gè)峰值與第一個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間間隔會(huì)縮短。而NC類電纜由于沒有防火結(jié)構(gòu)，在整個(gè)燃燒過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)三個(gè)峰值，分別代表外護(hù)套燃燒、外護(hù)套和絕緣層共同燃燒及絕緣層燃燒，三個(gè)峰值相繼出現(xiàn)，時(shí)間間隔明顯比K3類電纜短。

圖2 不同熱輻射強(qiáng)度下電纜熱釋放速率對(duì)比

2.1.2 不同布置間距下的熱釋放速率

分析電纜間距對(duì)電纜熱釋放速率影響時(shí)，為保證與實(shí)際情況相一致，在電纜布置面積一定的情況下，隨著布置間距的增加電纜根數(shù)在不斷減少，0、0.5、1.0、2.0 cm對(duì)應(yīng)樣品根數(shù)分別為6、5、4、3。K3類電纜是50 kW/m2熱輻射強(qiáng)度下，不同布置間距電纜的熱釋放速率隨時(shí)間變化見圖3。

圖3 不同間距下熱釋放的變化(50 kW/m2,K3)

從圖3可以看出，隨著布置間距的增大，第一個(gè)峰值與第二個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔不斷縮短，但熱釋放峰值呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，在布置間距為1 cm熱釋放速率峰值最小。

2.2 有效燃燒熱

燃燒熱能夠維持燃燒和燃燒擴(kuò)散，可以使材料分解生成的氣體及固體產(chǎn)物的溫度升高，使氣體膨脹，從而增加熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)的能量。有效燃燒熱是指，材料熱解和燃燒產(chǎn)物中可燃物燃燒所放出的熱量，用來(lái)表征可燃性揮發(fā)氣體在氣相火焰中的燃燒程度。

2.2.1 不同熱輻射強(qiáng)度下的有效燃燒熱

如圖4所示，有效燃燒熱的變化與熱釋放速率變化規(guī)律相近，K3類電纜燃燒過(guò)程出現(xiàn)2個(gè)有效燃燒熱峰值，分別代表外護(hù)套有效燃燒熱峰值及絕緣層有效燃燒熱峰值；NC類電纜出現(xiàn)3個(gè)有效燃燒熱峰值，但相對(duì)于熱釋放速率變化，有效燃燒熱的第二個(gè)峰值階段變化相對(duì)平穩(wěn)，主要是由于第二階段的質(zhì)量損失較大所致。并且由于電纜外護(hù)套材料相同，第一個(gè)有效燃燒熱峰值相對(duì)接近。

圖4 不同熱輻射強(qiáng)度下電纜有效燃燒熱對(duì)比

2.2.2 不同布置間距下的有效燃燒熱

K3類電纜在50 kW/m2熱輻射強(qiáng)度下，不同布置間距電纜的有效燃燒熱隨時(shí)間變化見圖5。

圖5 不同間距下有效燃燒熱的變化(50 kW/m2，K3)

從圖5可以看出，隨著布置間距的增大，第一個(gè)峰值與第二個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔不斷縮短，但有效燃燒熱峰值呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，在布置間距為1 cm有效燃燒熱峰值最小。

2.3 質(zhì)量損失速率分析

質(zhì)量損失速率是衡量材料受熱分解和燃燒快慢的參數(shù)，表示材料在某輻射強(qiáng)度下的燃燒強(qiáng)度。

2.3.1 不同熱輻射強(qiáng)度的質(zhì)量損失速率

從圖6可知，在升溫階段，待測(cè)樣品在輻射熱的作用下緩慢升溫，隨后熱解，此時(shí)樣品質(zhì)量損失較小,著火階段樣品己經(jīng)被點(diǎn)燃，在輻射熱源和火焰的共同作用下樣品的熱解速率加快；燃燒最后階段，火焰己經(jīng)熄滅，大部分可燃物燃燒殆盡，仍有少量的還未被分解、燃燒的殘?zhí)柯胤纸?，所以質(zhì)量減少緩慢。

圖6 不同熱輻射強(qiáng)度下電纜質(zhì)量損失速率對(duì)比

可以看出，隨著輻射強(qiáng)度增大，質(zhì)量損失速率與質(zhì)量損失速率峰值隨之增大，到達(dá)峰值的時(shí)間隨之減少。K3類電纜質(zhì)量損失速率小于NC類電纜。

2.3.2 不同間距下的質(zhì)量損失速率

K3類電纜在50 kW/m2熱輻射強(qiáng)度下，不同布置間距電纜的質(zhì)量損失速率隨時(shí)間的變化見圖7。

圖7 不同間距下質(zhì)量損失的速率(50 kW/m2,K3)

從圖7可以看出，隨著布置間距的增大，第一個(gè)峰值與第二個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔不斷縮短，但質(zhì)量損失速率呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，在布置間距為1 cm質(zhì)量損失速率峰值最小。

3 結(jié)論

1)隨著外部輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，電纜燃燒時(shí)的熱釋放速率、有效燃燒熱及質(zhì)量損失速率都會(huì)增大，并且到達(dá)第二個(gè)峰值時(shí)間隨之減少，也就是說(shuō)熱輻射強(qiáng)度的增加會(huì)增大電纜的火災(zāi)危險(xiǎn)性。所以電纜布置盡量遠(yuǎn)離高溫?zé)嵩础?/p>

2)在外加熱輻射條件下，布置間距的增加會(huì)導(dǎo)致電纜熱釋放速率峰值和有效燃燒熱峰值先減小后增大，當(dāng)布置間距為1 cm時(shí)的熱釋放速率峰值最小，并且相鄰燃燒熱釋放速率峰值的時(shí)間間隔縮短，火災(zāi)增長(zhǎng)速率會(huì)增加。但電纜布置間距對(duì)電纜燃燒質(zhì)量損失速率峰值影響相對(duì)較小，電纜間距的增大會(huì)縮短電纜燃燒時(shí)間。

3)K3類電纜防火性能更佳，其熱釋放速率、有效燃燒熱和質(zhì)量損失速率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于NC類電纜，而且NC類電纜燃燒受熱輻射影響更明顯，對(duì)K3類電纜熱輻射增加縮短了燃燒過(guò)程，但是其存在多個(gè)燃燒階段和燃燒特性曲線變化趨勢(shì)基本不發(fā)生改變。