鋁纜線燃燒痕跡宏細(xì)觀特征

周楠， 蔣敬， 方雨， 陶秋辰， 唐一菁

(1.南京森林警察學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 南京 210023； 2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院， 南京 210094； 3.安徽弘雷金屬復(fù)合材料科技有限公司， 宣城 242000)

隨著生活和工業(yè)用電負(fù)荷的不斷增大，由生產(chǎn)、生活用電而導(dǎo)致的電氣火災(zāi)呈現(xiàn)出多發(fā)趨勢(shì)。電氣火災(zāi)是由電氣設(shè)備或電氣線路自身故障、誘發(fā)故障或使用不當(dāng)而引發(fā)的火災(zāi)[1]。電氣火災(zāi)一旦發(fā)生，嚴(yán)重威脅人民的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全，所以對(duì)其性質(zhì)的確定(意外事故或案件)具有重要的意義。在此過程中，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)燃燒痕跡的勘驗(yàn)在對(duì)其性質(zhì)的確定中發(fā)揮著重要的作用。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)燃燒痕跡中，除了由電氣原因直接產(chǎn)生的燃燒殘留物外， 由非電氣原因引起的火災(zāi)在發(fā)生和蔓延過程中，電氣設(shè)施處于火焰高溫作用下，也會(huì)留下相應(yīng)的燃燒殘留物痕跡。火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)痕跡的形成是物質(zhì)相互作用的客觀反映，其形成與火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展之間存在著客觀的因果關(guān)系，所以，在火災(zāi)調(diào)查中，可以通過對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)痕跡的研判，分析火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的過程，進(jìn)而為分析和認(rèn)定起火點(diǎn)和起火原因提供重要依據(jù)[2-3]。因此，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)過程中，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)、提取、分析和鑒定此類痕跡物證，對(duì)于案件的快速偵破具有重要的實(shí)戰(zhàn)意義。

早在20世紀(jì)80年代，Ettlinng[4]研究了電氣火災(zāi)中銅、鋁導(dǎo)線的燃燒過程及其特征，并比較了二者的差異。目前，關(guān)于電氣火災(zāi)的研究主要針對(duì)城市電氣火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)痕跡物證技術(shù)及其鑒定方法而開展。武魏等[5]采用掃描電鏡研究了銅、鋁導(dǎo)線的一次、二次短路熔痕和火燒熔痕的微觀形貌特征，初步建立了此類電氣火災(zāi)原因的判別方法；劉澤平[6]研究了火場(chǎng)中鋁合金材料的痕跡特征，重點(diǎn)分析了鋁合金火災(zāi)痕跡的基本特征、形成機(jī)理和現(xiàn)場(chǎng)證明作用，為此類火災(zāi)事故調(diào)查提供依據(jù)；邸曼等[7]對(duì)火場(chǎng)提取的鋁導(dǎo)線金屬熔融痕進(jìn)行了金相組織結(jié)構(gòu)研究，并結(jié)合火災(zāi)案例，對(duì)高壓鋁導(dǎo)線由于電熱作用形成的熔融噴濺而引起火災(zāi)的可能性進(jìn)行了分析；姜文宇等[8]通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究了過電流故障鋁導(dǎo)線熔痕部位與組織特征之間的關(guān)聯(lián)，為準(zhǔn)確識(shí)別鋁導(dǎo)線發(fā)生過電流故障及溯源起火過程提供數(shù)據(jù)支持。而對(duì)于森林火災(zāi)中常見的涉架空電纜火災(zāi)而言，由于此類輸電線纜電壓高、通過的單位電流較低，發(fā)生火災(zāi)的幾率不及城市電氣火災(zāi)，但近年也呈現(xiàn)多發(fā)趨勢(shì)，如四川涼山森林大火。此類森林火災(zāi)一旦發(fā)生，造成的自然資源損失、經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)環(huán)境破壞較城市電氣火災(zāi)更為嚴(yán)重；同時(shí)，由于此類火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)物證種類較為有限，所以起火原因的判定需更為慎重。因此，對(duì)于電纜線所致森林火災(zāi)，能否正確判定起火原因、定性則尤為重要。通過文獻(xiàn)調(diào)研不難發(fā)現(xiàn)，到目前為止，關(guān)于電氣火災(zāi)的研究主要集中于城市電氣火災(zāi)的起火原因分析、痕跡物證技術(shù)及其鑒定方法研究等方面[9-11]，王華山等[12]和劉全義等[13]還分別對(duì)生物質(zhì)燃燒特性以及環(huán)境壓力對(duì)飛機(jī)艙內(nèi)典型乘客衣物燃燒特性的影響開展了研究，而對(duì)于本文關(guān)于涉架空電纜森林火災(zāi)痕跡的研究則鮮有報(bào)道。

因此，現(xiàn)以鋁纜線為研究對(duì)象，分為裸線和包覆聚氯乙烯絕緣層兩類，通過設(shè)計(jì)并開展燃燒實(shí)驗(yàn)制備鋁纜線燃燒樣品，綜合采用體視顯微鏡、掃描電鏡對(duì)燃燒痕跡的宏觀形態(tài)和微觀形貌特征進(jìn)行觀察分析，討論線纜規(guī)格尺寸、有無絕緣層、不同燃燒溫度以及不同燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì)燃燒痕跡宏/微觀形貌的影響，為此類森林火災(zāi)的起火原因分析提供判斷依據(jù)。

1 燃燒實(shí)驗(yàn)

為系統(tǒng)研究鋁纜線在燃燒環(huán)境中的宏/微觀痕跡特征，分析線纜規(guī)格尺寸、有無絕緣層、不同燃燒溫度以及不同燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì)燃燒痕跡形貌特征的影響，設(shè)計(jì)并開展了鋁纜線燃燒實(shí)驗(yàn)研究。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用適用于高低壓環(huán)境的不同規(guī)格的鋁纜線，分別為裸纜線和包覆聚氯乙烯絕緣層纜線，二者具有相同的規(guī)格尺寸，其截面積分別為25 mm2和50 mm2，具體規(guī)格尺寸如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用不同規(guī)格的鋁纜線Table 1 Aluminum cables with different specifications

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開展

考慮到鋁的熔點(diǎn)(約660 ℃)，在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同規(guī)格的鋁纜線，利用高溫氧氣焊槍作為燃燒源，模擬火場(chǎng)環(huán)境；線纜截取適當(dāng)長(zhǎng)度(約40 cm)置于槽型支架上。通過改變氣體組分比例以及與纜線間的距離來控制作用區(qū)域溫度的變化，進(jìn)而制備不同燃燒溫度下的鋁纜線燃燒殘留物，同時(shí)采用接觸式熱電偶和手持式紅外測(cè)溫儀對(duì)中心作用區(qū)域的溫度值進(jìn)行測(cè)量，獲得溫度隨時(shí)間變化曲線。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置示意圖如圖1所示，燃燒實(shí)驗(yàn)典型工況如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

2 結(jié)果與分析

2.1 熔斷溫度研究

為獲得不同溫度火焰持續(xù)作用下鋁纜線的熔斷溫度，并研究不同燃燒溫度及其持續(xù)時(shí)間對(duì)燃燒痕跡的影響，分別采用熱電偶和紅外測(cè)溫儀對(duì)燃燒中心溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，每隔10 s記錄溫度值，直至線纜被完全燃燒斷裂。針對(duì)每種規(guī)格的鋁線纜分別進(jìn)行4～6組平行實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理，進(jìn)而獲得不同工況下平均溫度隨時(shí)間變化曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，對(duì)于不同規(guī)格的鋁纜線，在燃燒初期階段(0～40 s)，溫度升高明顯，平均提高了131.8%，此階段主要處在溫度累積階段，溫升曲線呈現(xiàn)出較好的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)溫度達(dá)到一定峰值后(700～960 ℃)，鋁線纜燃燒斷裂，同時(shí)受到開放環(huán)境的影響，溫度曲線呈現(xiàn)出波動(dòng)變化的趨勢(shì)，但隨著燃燒的持續(xù)，曲線最終趨于穩(wěn)定。需要指出的是，本文中對(duì)于燃燒持續(xù)時(shí)間的界定，是在實(shí)驗(yàn)中鋁纜線燃燒斷裂后繼續(xù)燃燒適當(dāng)時(shí)長(zhǎng)，并進(jìn)行記錄，基于此討論燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì)鋁纜線燃燒形貌特征的影響。

圖2 典型實(shí)驗(yàn)過程Fig.2 Typical experimental process

圖3 平均燃燒溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Curves of average burning temperature and time of aluminum cables

為進(jìn)一步研究不同鋁纜線在燃燒環(huán)境中的耐高溫極限，在燃燒實(shí)驗(yàn)中，對(duì)鋁纜線的燃燒熔斷溫度和時(shí)間進(jìn)行了記錄，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示，不同規(guī)格鋁纜線的平均熔斷溫度也如圖4所示。通過對(duì)圖4中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析可以看出，幾組不同規(guī)格鋁纜線的熔斷溫度平均值均高于鋁的熔點(diǎn)660 ℃。這主要是在鋁纜線的燃燒過程中，鋁線表面易生成致密的氧化鋁薄膜，而氧化鋁的熔點(diǎn)高于鋁的熔點(diǎn)，當(dāng)燃燒溫度達(dá)到鋁的熔點(diǎn)時(shí)，其外層的氧化膜還沒有熔解，使鋁纜線仍然處在被包覆狀態(tài)，進(jìn)而阻礙了鋁纜線與氧氣的反應(yīng)，所以鋁纜線的最終熔斷溫度高于鋁的熔點(diǎn)[3]。

圖4 不同規(guī)格鋁纜線熔斷溫度Fig.4 Melting temperatures of aluminum cables with different sizes

綜合比較圖3和圖4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得知，對(duì)于不同類型的鋁纜線(含絕緣層/裸線)，不同規(guī)格裸鋁纜線的平均熔斷溫度均略高于相應(yīng)規(guī)格的含絕緣層鋁纜線的平均熔斷溫度，平均提高了2.9%。這主要是因?yàn)榻^緣層材料(聚氯乙烯)的燃點(diǎn)低于鋁，在燃燒的過程中，火焰溫度首先達(dá)到絕緣層材料的燃點(diǎn)并使其開始燃燒，隨著燃燒的持續(xù)，絕緣層材料的燃燒為鋁纜線的熔斷提供了熱量，并不斷積蓄，此部分熱量的存在加速了鋁纜線的熔斷，致使含絕緣層鋁纜線的平均熔斷溫度低于裸鋁纜線。

對(duì)于不同規(guī)格的鋁纜線，無論是含絕緣層鋁纜線還是裸鋁纜線，在本文研究的4種規(guī)格纜線中，截面積為25 mm2高壓鋁纜線(JY/L-H10-25)的平均熔斷溫度最高，截面積為25 mm2的低壓鋁纜線(JY/L-L1-25)的平均熔斷溫度最低，截面積為50 mm2的低/高壓鋁纜線的平均熔斷溫度介于兩者之間?？傮w而言，截面積為25 mm2的鋁線的平均熔斷溫度高于截面積為50 mm2的鋁線的平均熔斷溫度，同時(shí)，由于50 mm2的含絕緣層鋁線的絕緣層厚度大于25 mm2的含絕緣層鋁線，所以燃燒時(shí)間更久，也就是說線徑越粗的含絕緣層鋁線，達(dá)到熔點(diǎn)的燃燒時(shí)間就越長(zhǎng)。

2.2 燃燒痕跡宏觀特征

鋁線在火場(chǎng)燃燒中形成的痕跡主要有熔化痕跡(火災(zāi)熱作用下纜線、絕緣層熔化形成的痕跡)、熔融痕跡(火災(zāi)熱作用下鋁導(dǎo)線熔化形成的金屬熔珠)和機(jī)械痕跡(外力作用下鋁導(dǎo)線形成的拉斷或折斷痕跡)[14]。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程觀察可得，鋁纜線在燃燒過程中發(fā)出耀眼白光，其在空氣中燃燒生成氧化鋁，附著在鋁線表面，隨著持續(xù)加熱，最終熔斷。在電氣火災(zāi)中，鋁纜線在高溫作用下易形成熔珠，如圖5(a)所示。燃燒形成熔珠體積一般較大，其直徑通常為鋁線線徑的1～3倍[14-15]，其表面較光滑，具有金屬光澤?；馃壑槭卿X線在火焰燃燒作用下，在其即將熔斷時(shí)，鋁纜線由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，在高溫燃燒和自身重力作用下滴落，自然冷卻后形成的熔珠。有的熔珠凝結(jié)在鋁線端部，有的在燃燒過程中脫落。

圖5 含絕緣層鋁線熔斷形貌Fig.5 Melting morphology of aluminum cables with insulation layer

對(duì)于處在燃燒中心的鋁纜線，在高溫火焰的集中作用下，鋁表層逐漸發(fā)生熔化，致使鋁線的力學(xué)性能顯著降低，并在自身重力的作用下在薄弱處發(fā)生熔斷，斷裂處主要形成尖狀熔痕。對(duì)于鋁線，熔化范圍一般較大，熔化區(qū)和非熔化區(qū)無明顯界限，鋁線和熔珠之間存在變細(xì)過渡區(qū)；在整根纜線上有若干部位因熔化而變細(xì)，亦有若干部位因熔化積聚而變粗，無固定形狀的熔化痕跡。

對(duì)于含絕緣層鋁纜線，絕緣層在高溫作用下發(fā)生熔化脫落，致使多股鋁線粘連在一起，并在熔斷面形成塊狀熔珠或形成尖狀熔痕。因絕緣層的存在，未燃燒部分纜線整體性保持較好，僅處在燃燒中心的纜線出現(xiàn)單絲分離，如圖5(b)所示。

與含絕緣層鋁纜線不同的是，燃燒斷裂的裸鋁纜線整體上呈束狀，但臨近熔痕端處出現(xiàn)明顯的分離。熔痕端多呈倒鉤狀和熔化增粗，倒鉤處表面更加光滑，與其他融痕形成鮮明對(duì)比。鋁線斷口處有金屬光澤，成晶狀或瓷狀不等，轉(zhuǎn)動(dòng)斷口，可見明顯反光，斷口表面有人字紋，指向尖端。之于熔珠形貌，在燃燒中心處，裸鋁纜線因?yàn)闆]有絕緣層的約束與熔化粘連，在高溫和自身重力作用下熔化滴落，形成塊狀扁平熔痕，其形貌顯著區(qū)別于含絕緣層鋁纜線所形成球形熔珠，既有單個(gè)獨(dú)立熔片形成，也有熔片粘連在鋁線端部，線端熔片表面較粗糙，存在少許微孔，熔斷區(qū)和基體之間分界較明顯，熔化區(qū)亦有孔洞存在。典型形貌如圖6和圖7所示。

圖6 1 kV，50 mm2 (L-L1-50)裸鋁線熔斷形貌Fig.6 Melting morphology of bare aluminum cables(L-L1-50)

圖7 不同規(guī)格裸鋁線典型熔斷形貌Fig.7 Melting morphology of bare aluminum cables with different sizes

2.3 燃燒痕跡細(xì)觀特征

通過上述分析可以看出，鋁纜線燃燒主要形成熔化痕跡和熔融痕跡，其中熔化痕跡以裂紋、孔洞、凹坑狀熔痕為主，熔融痕跡以熔珠、熔片為主。為系統(tǒng)研究上述痕跡的細(xì)觀特征，進(jìn)一步采用掃描電鏡對(duì)其顯微結(jié)構(gòu)開展研究。

圖8給出了含絕緣層鋁線典型熔斷形貌的微觀結(jié)構(gòu)。鋁線在高溫作用下受熱膨脹，表面出現(xiàn)裂紋和形狀不規(guī)則的凹陷狀熔痕，并伴有隨機(jī)出現(xiàn)的孔洞。痕跡的形成與火場(chǎng)環(huán)境有著重要的關(guān)聯(lián)，在本實(shí)驗(yàn)中，由于火焰集中、溫度高，鋁線受熱面積小，鋁線熔化速度快，大量的氣體噴射到燒熔的鋁線中，鋁線的熔融物迅速脫落，脫離高溫而凝固，此時(shí)氣體來不及逸出，從而導(dǎo)致大量氣孔存在，形成了孔洞痕跡，孔洞大小不一，形狀各異，密集分布在鋁線表面，其內(nèi)壁粗糙并有龜紋、條紋等紋跡出現(xiàn)，如圖8(a)所示。鋁線燃燒后形成的熔珠顯微結(jié)構(gòu)形貌如圖8(b)所示。通過體視顯微鏡可觀察到熔珠表面結(jié)構(gòu)致密緊湊，無明顯麻點(diǎn)和小坑，這主要是由于鋁線在高溫作用下熔化后再冷卻凝固所致。進(jìn)一步采用掃描電鏡進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，熔化區(qū)內(nèi)存在氣孔、波狀花紋、局部熔化堆積等痕跡特征，對(duì)火焰?zhèn)鞑シ较蚓哂兄赶蛐訹16]。

圖9給出了裸鋁線典型熔斷形貌的微觀結(jié)構(gòu)，通過掃描電鏡觀察可以看出，熔痕端表面較為粗糙，存在明顯的狹長(zhǎng)溝壑狀痕跡，進(jìn)一步放大觀察可以看出，溝壑間隙處分布著一定數(shù)量的簇狀物，這主要是鋁在高溫作用下和氧氣反應(yīng)生成的氧化鋁。通過大量觀察發(fā)現(xiàn)，熔痕端出現(xiàn)的簇狀物是較為穩(wěn)定的特征，如圖9(a)所示。此外，通過觀察其他熔痕端還可以看出，在整體結(jié)構(gòu)較完整的熔痕端處尚存在為數(shù)不多的微孔洞，多為小氣孔[17]，如圖9(b)所示。

這主要是因?yàn)?，鋁纜線在火場(chǎng)高溫作用下發(fā)生熔化，產(chǎn)生的大部分氣體逸出體外，致使其冷卻速度減慢，凝固時(shí)間變長(zhǎng)，在此過程中，燃燒所形成熔珠與環(huán)境氣體進(jìn)一步反應(yīng)，溶解的氣體有較充分的逸出時(shí)間，所以總體上火燒熔痕斷面比較光滑平整。而對(duì)于氣孔的產(chǎn)生，熔化的鋁線中會(huì)溶解大量氣體，氣體在金屬中的溶解是一個(gè)可逆過程，當(dāng)鋁液凝固時(shí)，氣體溶解度下降，從鋁液中逸出，其中一部分氣體經(jīng)擴(kuò)散逸散到空氣中，另一部分氣體的逸散速度相對(duì)較慢，剩余氣體便會(huì)在熔痕端形成氣孔[18-19]。

3 結(jié)論

在制備不同規(guī)格鋁纜線燃燒痕跡試樣的基礎(chǔ)上，綜合采用體視顯微鏡、掃描電鏡對(duì)其宏觀形態(tài)和微觀形貌特征進(jìn)行觀察分析，討論了線纜規(guī)格尺寸、有無絕緣層、不同燃燒溫度以及不同燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì)燃燒痕跡形貌的影響，得出如下結(jié)論。

(1)不同規(guī)格鋁纜線的熔斷溫度平均值均高于鋁的熔點(diǎn)660 ℃，主要是由生成的氧化鋁所致；聚氯乙烯絕緣層的存在一定程度上降低了鋁纜線的平均熔斷溫度。

(2)在本文研究的4種規(guī)格纜線中，截面積為25 mm2的高壓鋁纜線的平均熔斷溫度最高，截面積為25 mm2的低壓鋁纜線的平均熔斷溫度最低，截面積為50 mm2的低/高壓鋁纜線的平均熔斷溫度介于兩者之間；此外，線徑越粗的含絕緣層鋁線，達(dá)到熔點(diǎn)的燃燒時(shí)間就越長(zhǎng)。

(3)鋁纜線在高溫作用下易形成熔珠，其體積較大(直徑通常為鋁線線徑的1～3倍)，表面較光滑，具有金屬光澤，有的凝結(jié)在鋁線端部，有的在燃燒過程中脫落；鋁線斷裂處則以尖狀熔痕和熔化增粗為主。

圖8 含絕緣層鋁線典型熔斷微觀形貌Fig.8 Typical micro melting morphology of aluminum cables with insulation layer

圖9 裸鋁線典型熔斷微觀形貌Fig.9 Typical micro melting morphology of bare aluminum cables

(4)對(duì)于含絕緣層鋁纜線，其表面分布著大小不一、形狀各異的孔洞痕跡；熔珠表面結(jié)構(gòu)致密緊湊，無明顯麻點(diǎn)和小坑。對(duì)于裸鋁纜線，熔化后其整體結(jié)構(gòu)仍較完整，熔痕端表面較粗糙，在狹長(zhǎng)溝壑狀痕跡內(nèi)較穩(wěn)定分布著一定數(shù)量的氧化鋁簇狀物，偶有小氣孔出現(xiàn)。

在本文研究范圍之內(nèi)，4種不同規(guī)格的鋁纜線在火燒作用下產(chǎn)生的熔化痕跡和熔融痕跡對(duì)此類火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中起火點(diǎn)和起火原因的判別具有重要參考價(jià)值。所以，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)、提取、分析此類痕跡，可為鋁纜線在火場(chǎng)環(huán)境中起火原因的判別提供參考依據(jù)。