海洋球引燃條件分析

邸宇翰 張金專教授

(中國人民警察大學(xué) 研究生院，河北 廊坊 065000)

0 引言

2018年3月25日，俄羅斯克麥羅沃市列寧大街“冬天的櫻桃”購物中心發(fā)生重大火災(zāi)，火源位于商場兒童游樂區(qū)。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及全俄保險(xiǎn)協(xié)會評估，該火災(zāi)導(dǎo)致64人死亡，52人受傷，火災(zāi)損失達(dá)40億盧布?；馂?zāi)調(diào)查人員判定最初引起火災(zāi)的可燃物是海洋球。海洋球又名波波球，是生活中常見的室內(nèi)兒童軟質(zhì)娛樂產(chǎn)品。海洋球原料通常有2種：一種是低密度聚乙烯(Low-density Polyethylene，LDPE)，另一種為聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)。通常，聚烯烴高聚物的燃燒火焰溫度可達(dá)1227℃，釋放大量熱量，還會產(chǎn)生熔融滴落物，加劇燃燒在物體和空間上的蔓延。LDPE在燃燒后還會產(chǎn)生大量煙氣和有毒有害氣體，如CO(120mg/g)等，這些氣體是火災(zāi)致死致傷的關(guān)鍵原因。商場兒童娛樂區(qū)大都存在海洋球池，若其引發(fā)火災(zāi)，由于集熱效應(yīng)，導(dǎo)致火場溫度較高，易造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，并產(chǎn)生大量有毒氣體，危害現(xiàn)場人員以及消防人員的生命安全，從而引發(fā)不可估計(jì)的后果。

目前文獻(xiàn)關(guān)于海洋球相關(guān)研究較少，主要集中在海洋球的煙氣毒性分析、衛(wèi)生安全情況以及海洋球原料的熱分解性能，其研究內(nèi)容值得參考借鑒。2000年，Kevina McGarry等使用管式爐研究LDPE的分解和燃燒性能；2006年，張研等使用差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)和熱重法(Thermogravimetric Analysis，TG)研究LDPE的熱解特性，發(fā)現(xiàn)LDPE在約408.9℃時(shí)開始熱解,且熱解生成物總反應(yīng)級數(shù)為一級反應(yīng)；2010年，李紅山等進(jìn)行高密度聚乙烯(High-density Polyethylene，HDPE)、線性低密度聚乙烯(Linear Low Density Polyethylene,LLDPE)和LDPE熱分解動(dòng)力學(xué)的比較研究，研究表明LDPE的熱分解只有一個(gè)分解過程，為一級反應(yīng)，熱分解溫度隨升溫速率呈線性增加； 2020年，徐晶晶等對兒童軟體塑料游樂產(chǎn)品進(jìn)行煙氣及毒氣分析，結(jié)果顯示PVC海洋球的毒性較高，產(chǎn)品檢測結(jié)果依據(jù)GB/T 20285-2006標(biāo)準(zhǔn)為危險(xiǎn)級，在公共場所大量使用具有較高危險(xiǎn)；2020年，徐晶晶等根據(jù)海洋球性質(zhì)，對國家標(biāo)準(zhǔn)《玩具安全 第3部分：易燃性能》(GB 6675.3-2014)提出補(bǔ)充，建議增加對于海洋球等特殊形狀產(chǎn)品的燃燒性能方法，該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于頭戴玩具等4種產(chǎn)品，而海洋球并不符合上述任意一種玩具。綜上所述，目前對海洋球的研究主要集中在對其材質(zhì)的燃燒性能進(jìn)行分析，但對何種火源可以引燃海洋球研究較少。

進(jìn)行引燃條件的研究時(shí)，需要火源對材料進(jìn)行點(diǎn)燃，從而觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到結(jié)論。因此點(diǎn)火源種類的選取至關(guān)重要。歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN11277在爆炸性環(huán)境條件下，從有效點(diǎn)火源角度給出13類點(diǎn)火源的引燃特征；1998年，蔣慧靈分析香煙頭、白熾燈和金屬熔渣的引燃能力；2015年，鄧亮等研究煙頭對木屑的引燃情況；2016年，蘭恩德、陳婧睿等在研究浸機(jī)油棉布的引燃實(shí)驗(yàn)時(shí)，以明火、香煙火和熱輻射為點(diǎn)火源；2019年，施遠(yuǎn)、張金專等在對鎂粉的引燃能力進(jìn)行研究時(shí)，以過負(fù)荷銅導(dǎo)線作為點(diǎn)火源；2020年，任常興等分析電火花的引燃方式、引燃能力影響因素。

綜上所述，本文采用明火、香煙火和電火花3種點(diǎn)火源，測試在不同距離下海洋球的引燃時(shí)間、燃燒持續(xù)時(shí)間和海洋球表面溫度變化情況，以期精準(zhǔn)判別海洋球火災(zāi)事故的原因，從而降低海洋球火災(zāi)的發(fā)生。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

實(shí)驗(yàn)儀器：點(diǎn)火器；秒表；鐵質(zhì)燃燒槽；火災(zāi)痕跡物證實(shí)驗(yàn)臺；K型熱電偶；TP700多路數(shù)據(jù)采集儀。

實(shí)驗(yàn)材料：LDPE海洋球(直徑7cm)；多根相同的鋁導(dǎo)線；香煙。

2 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

2.1 明火條件下的引燃研究

選取8個(gè)相同規(guī)模的海洋球?yàn)橐唤M，將海洋球放置于燃燒槽中，控制點(diǎn)火器火焰底部距離試樣的距離分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5cm?；鹧娲怪毕蛏锨议L度為3cm，點(diǎn)火位置為試樣中心，在居中的海洋球表面放置熱電偶，明火引燃實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1。點(diǎn)火瞬間為初試時(shí)間并開始計(jì)時(shí)，記錄試樣的點(diǎn)燃時(shí)間和火焰熄滅時(shí)間，測量海洋球表面中心處的溫度變化。為減小誤差，進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行7次。實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度為10.3℃、相對濕度為35%的封閉無風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行，同時(shí)整個(gè)過程用相機(jī)記錄，用于核實(shí)秒表記錄的數(shù)據(jù)。

圖1 明火引燃實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 香煙火條件下的引燃研究

選取8個(gè)相同規(guī)模的海洋球?yàn)橐唤M，將海洋球放置于燃燒槽中，控制香煙頭部距離試樣的距離分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5cm。在相同環(huán)境下進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行7次，探究香煙頭與可燃物之間的距離對海洋球引燃情況的影響。香煙引燃實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2。

圖2 香煙引燃實(shí)驗(yàn)裝置

2.3 電火花條件下的引燃研究

在火災(zāi)痕跡物證試驗(yàn)臺內(nèi)的絕緣手柄中插入一根導(dǎo)線，另一只絕緣手柄中固定另外一根導(dǎo)線，閉合電源開關(guān)后，制造短路產(chǎn)生電火花，選取電壓值為90V。選取20個(gè)相同規(guī)模的球?yàn)橐唤M，將其放置于燃燒槽中，控制短路點(diǎn)距離試樣的距離分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5cm。為減小誤差，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)7次。實(shí)驗(yàn)過程使用照相機(jī)記錄，用于核實(shí)秒表記錄的數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 明火引燃實(shí)驗(yàn)

研究距離對海洋球引燃能力的影響，設(shè)置明火為火源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表1。海洋球表面的溫度變化，如圖3。

表1 明火火源條件下不同距離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(單位：s)

圖3 不同引燃距離下海洋球表面溫度的變化

根據(jù)表1可分析出，海洋球可以被明火引燃。明火引燃海洋球時(shí)，首先出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，隨后出現(xiàn)白煙，最后出現(xiàn)明火。并且隨著引燃距離的增加，海洋球越不易被引燃，當(dāng)引燃距離大于1.5cm時(shí)，海洋球不能被引燃。從圖3可分析出，隨著距離的增加，海洋球表面能達(dá)到的最高溫度逐漸降低，溫度上升所需時(shí)間也逐漸增加。引燃距離為0cm時(shí)，海洋球表面溫度上升所需的時(shí)間最短，溫度最高可上升到400.3℃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引燃距離為0cm時(shí)，海洋球被引燃且出現(xiàn)明火，點(diǎn)火30s時(shí)出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，33s后出現(xiàn)白煙，57s時(shí)海洋球表面出現(xiàn)明火，90s時(shí)海洋球完全融化，同時(shí)火焰熄滅；當(dāng)引燃距離為0.5cm時(shí)，海洋球被引燃且出現(xiàn)明火，點(diǎn)火69s時(shí)出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，75s后出現(xiàn)白煙，83s時(shí)海洋球表面出現(xiàn)明火，引燃178s后海洋球完全融化，同時(shí)火焰熄滅；引燃距離為1cm時(shí)，海洋球被引燃且出現(xiàn)明火，點(diǎn)火156s時(shí)出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，170s后出現(xiàn)白煙，175s時(shí)海洋球表面出現(xiàn)明火，火焰在海洋球表面持續(xù)145s；在引燃距離為1.5、2、2.5cm時(shí)，未出現(xiàn)熔化和發(fā)煙現(xiàn)象，且海洋球不能被引燃。

海洋球能否被引燃是由輻射熱強(qiáng)度和輻射熱通量2個(gè)參數(shù)決定的。只有當(dāng)火源的輻射熱通量和輻射熱強(qiáng)度同時(shí)大于海洋球表面的引燃臨界熱通量和熱強(qiáng)度時(shí)，海洋球才能被引燃。海洋球在引燃距離為0、0.5、1cm時(shí)，可以被引燃。主要是因?yàn)槊骰饌鬟f到海洋球表面的熱通量大于海洋球表面的引燃臨界熱通量，所以能被引燃。但引燃距離為1.5、2、2.5cm時(shí)，由于材料的收縮、熔化，使其增大海洋球和明火之間的距離，使火源傳遞到海洋球表面的熱量較少，輻射熱通量小于臨界輻射熱通量，因而海洋球不能被引燃。

3.2 香煙火引燃實(shí)驗(yàn)

用一支香煙引燃海洋球，引燃距離分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5cm，引燃結(jié)果，見表2；海洋球表面溫度變化，如圖4；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如圖5。

表2 香煙火點(diǎn)燃時(shí)不同距離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(單位：s)

圖4 不同點(diǎn)燃距離時(shí)香煙引燃海洋球表面溫度的變化

圖5 香煙引燃條件下海洋球在不同引燃距離下燒損情況

從圖4可知，隨著距離增加，海洋球表面可達(dá)到的最高溫度逐漸下降，其中引燃距離為0cm時(shí)，海洋球表面溫度上升速率最快，溫度最高可以上升到94.7℃。從表2可得知，隨著引燃距離增加，海洋球達(dá)到熔點(diǎn)所需的時(shí)間隨之增加。引燃距離為0cm時(shí)，香煙與海洋球接觸82s后，海洋球出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，熔化的孔洞周圍出現(xiàn)焦黃色痕跡；引燃距離為0.5cm時(shí)，引燃122s后，海洋球出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，融化的孔洞遠(yuǎn)小于引燃距離為0cm時(shí)的孔洞。當(dāng)引燃距離大于等于1cm時(shí)，香煙傳遞到海洋球表面的熱量不能使海洋球熔化。

雖然香煙不能引燃海洋球，但在引燃距離為0和0.5cm時(shí)，卻能使其熔化，這是因?yàn)橄銦焸鬟f到海洋球表面的輻射熱通量雖然不小，但卻小于臨界熱通量，所以海洋球不能被引燃，僅出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。當(dāng)引燃距離大于1cm時(shí)，其香煙傳遞到海洋球表面的輻射熱通量比較小，所以海洋球表面沒有出現(xiàn)熔化、發(fā)煙、燃燒等現(xiàn)象。筆者認(rèn)為，香煙火屬于陰火，香煙的數(shù)量越多，聚集的熱量越大，一只香煙無法引燃海洋球，但多只香煙就有可能導(dǎo)致海洋球表面出現(xiàn)明火，引發(fā)火災(zāi)。所以可進(jìn)一步探究香煙數(shù)量對海洋球引燃情況的影響。

3.3 電火花引燃實(shí)驗(yàn)

為研究電火花在不同距離下對海洋球的引燃情況，選取加載電壓為90V的電火花，電火花引燃條件下海洋球在不同引燃距離下燒損情況，如圖6。

如圖6所示，加載電壓為90V的電火花不能點(diǎn)燃海洋球，僅能在海洋球表面留下外圈為焦黃色，內(nèi)圈為黑色的煙熏痕跡。引燃距離為0cm時(shí)，煙熏痕跡面積最大，通過電火花的作用，海洋球表面出現(xiàn)鼓包和白色裂痕，未出現(xiàn)燃燒及熔化現(xiàn)象；引燃距離為0.5cm時(shí)，海洋球表面出現(xiàn)較大的煙熏痕跡，在煙熏痕跡周圍，出現(xiàn)長條狀裂痕；隨著引燃距離增加，海洋球表面煙熏痕跡的面積逐漸減小。

圖6 電火花引燃條件下海洋球在不同引燃距離下燒損情況

電火花不能引燃海洋球主要是因?yàn)殡娀鸹▊鬟f到海洋球表面的熱量較小，輻射熱通量小于臨界輻射熱通量，因而海洋球不能被引燃。但是電弧能量隨著電壓值的增加而變大，當(dāng)加載電壓增加時(shí)，有可能會引燃海洋球，還需進(jìn)一步對其進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

為研究海洋球的引燃條件，筆者用明火、電火花以及香煙火3種點(diǎn)火源在不同距離下測試海洋球的引燃情況。該實(shí)驗(yàn)測量海洋球的引燃時(shí)間、燃燒持續(xù)時(shí)間以及海洋球表面溫度變化情況。

(1)明火可以引燃海洋球。明火條件下海洋球的引燃時(shí)間均隨引燃距離增加而增加。在明火作用下，當(dāng)引燃距離為0cm時(shí)，其引燃所需時(shí)間最短，溫度上升速率最快，海洋球表面溫度最高可達(dá)400.3℃。引燃距離不大于1cm時(shí)，海洋球可以被引燃。引燃距離超過1.5cm后，海洋球不能被引燃。

(2)一支香煙不可以引燃海洋球。隨著引燃距離增加，海洋球熔化所需時(shí)間逐漸增加，海洋球表面溫度上升速率逐漸降低。在引燃距離不大于0.5cm時(shí)，海洋球僅出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，溫度最高可達(dá)94.7℃。當(dāng)距離大于1cm時(shí)，海洋球沒有出現(xiàn)熔化、發(fā)煙、燃燒等現(xiàn)象。

(3)加載電壓為90V的電火花火源不可以引燃海洋球。該火源僅能在海洋球表面留下煙熏痕跡。隨著引燃距離的增加，海洋球表面的煙熏痕跡面積逐漸減小。