陳長(zhǎng)坤,左博元,徐童,焦偉冰
(中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,湖南 長(zhǎng)沙,410075)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與信息化時(shí)代的到來(lái),電能逐漸成為人類(lèi)社會(huì)必需的能源。電力管道的大量鋪設(shè)和電子產(chǎn)品的廣泛普及在滿足我們生活需要的同時(shí),也增加了發(fā)生電氣火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。電纜線路電流過(guò)載、線路短路是電纜火災(zāi)事故的重要誘因[1-3]。電纜通常會(huì)放置在電纜槽內(nèi)布設(shè)。由于電纜槽及電纜本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),槽內(nèi)電纜火災(zāi)蔓延規(guī)律與其他可燃物燃燒蔓延規(guī)律存在一定差異。因此,探究槽內(nèi)聚乙烯電纜燃燒性能及其火蔓延規(guī)律具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)電纜火蔓延行為的研究較多。WANG等[4]對(duì)不同環(huán)境壓力下聚乙烯(PE)絕緣電線上的火焰?zhèn)鞑バ袨檫M(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)研究,分析了火焰形態(tài)、結(jié)構(gòu)及火蔓延速率等參數(shù),發(fā)現(xiàn)隨著壓力增加,火焰高度增加,平均火焰高度則隨著平均火焰寬度的減小而單調(diào)增加。包光宏等[5-6]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)電纜的燃燒性能進(jìn)行了研究。在傾斜導(dǎo)線火蔓延研究方面,ZHAO等[7]針對(duì)電流對(duì)聚乙烯電纜火蔓延的影響開(kāi)展了試驗(yàn)研究,對(duì)電纜預(yù)熱區(qū)域傳熱進(jìn)行了分析,建立了考慮電流、傾角影響的火焰?zhèn)鞑ツP?,發(fā)現(xiàn)向下的火焰?zhèn)鞑ジ菀资艿诫娏鞯挠绊憽OBAYASHI 等[8]研究了高壓下聚乙烯(PE)絕緣電線上的火焰蔓延行為,發(fā)現(xiàn)對(duì)于銅芯PE 導(dǎo)線,當(dāng)環(huán)境壓力進(jìn)一步增加時(shí),不會(huì)發(fā)生滴落現(xiàn)象。在導(dǎo)線熔融物滴落行為研究方面,KOBAYASHI等[9-11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別研究了聚乙烯銅(Cu)芯、不銹鋼(SS)芯絕緣導(dǎo)線上的火焰行為,分析了絕緣熔化和滴落對(duì)沿電線傳播火焰的影響。ZAVALETA等[12-15]利用改進(jìn)的FLASH-CAT 模型提出視頻火災(zāi)分析方法,給出了貼壁條件下電纜橋架結(jié)構(gòu)的分析參數(shù)。SIEMON 等[16]以電纜橋架的電纜布置形式和托盤(pán)間距等幾何尺寸為變量參數(shù),研究了其對(duì)電纜橋架電纜裝置燃燒特性和火災(zāi)蔓延的影響規(guī)律。羅夏等[17]對(duì)比分析了開(kāi)放和封閉環(huán)境下豎向電纜的燃燒蔓延情況。ZHANG等[18]研究了聚乙烯(PE)絕緣銅/鎳鉻合金線在低壓環(huán)境、不同傾斜角度β氧濃度下的熔融物滴落行為,建立了熔滴臨界直徑的理論模型。KANDOLA 等[19]利用新型熔融實(shí)驗(yàn)裝置記錄了聚合物熔滴的數(shù)量、尺寸、形狀和質(zhì)量等參數(shù),并對(duì)聚合物及熔滴進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)聚合物的熔融滴落是物理熔融和化學(xué)分解雙重因素造成的。XIE 等[20-21]設(shè)計(jì)了T 型槽實(shí)驗(yàn)裝置,用于模擬典型熱塑性材料熔融及滴落引起的墻體火災(zāi)和液池火災(zāi),對(duì)燃燒過(guò)程中的熱釋放速率、CO濃度等參數(shù)進(jìn)行了分析,描述了聚乙烯材料在熔融、滴落、流動(dòng)等多種狀態(tài)共存下的燃燒狀況。
從以上分析可知,目前研究者主要針對(duì)水平、豎直電纜導(dǎo)線的火蔓延及熔融滴落行為進(jìn)行了研究,有部分學(xué)者研究了傾斜角度對(duì)電纜導(dǎo)線火蔓延的影響,但針對(duì)電纜實(shí)際敷設(shè)場(chǎng)景下的電纜火蔓延規(guī)律的研究較少。為此,本文在前人工作的基礎(chǔ)上,對(duì)利用電纜槽敷設(shè)電纜時(shí)的電纜燃燒規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,探究電纜槽及相關(guān)布設(shè)形態(tài)對(duì)電纜燃燒蔓延規(guī)律的影響,以便為利用電纜槽進(jìn)行電纜敷設(shè)的工程安全應(yīng)用提供參考。
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,外圍為金屬框架,用于固定電纜槽和電纜,電纜槽截面為U 型,槽寬為10 cm,槽深度為15 cm,電纜槽長(zhǎng)度為0.8 m。電纜槽兩側(cè)開(kāi)孔用于懸掛固定,傾斜角度借助于外圍金屬框架的橫檔高度調(diào)節(jié);聚乙烯電纜長(zhǎng)度為0.7 m。當(dāng)采用電纜槽時(shí),電纜直接放置于槽內(nèi);不采用電纜槽時(shí),利用金屬絲捆綁電纜懸掛固定在外圍金屬框架上。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,將電纜兩端用鐵絲固定,再將鐵絲的另一端固定在支架上,可通過(guò)改變鐵絲的長(zhǎng)度以及鐵絲在電纜橋架上固定位置來(lái)調(diào)整電纜導(dǎo)線的傾斜角度。實(shí)驗(yàn)采用丙烷燃燒器點(diǎn)燃電纜一側(cè),控制火源功率為2 kW,每次點(diǎn)火時(shí)間為1 min。實(shí)驗(yàn)于室內(nèi)開(kāi)展,無(wú)強(qiáng)制對(duì)流條件,環(huán)境溫度為4~6 ℃。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental setups
實(shí)驗(yàn)所采用的導(dǎo)線為鋁芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,其截面示意圖如圖2所示。電纜外徑為24 mm,內(nèi)徑為20 mm,聚乙烯護(hù)套厚度為2.0 mm,單位長(zhǎng)度質(zhì)量為0.53 kg/m,單根線芯半徑為3.5 mm。電纜及其組成部分各參數(shù)分別如表1和表2所示。
表1 聚乙烯電纜參數(shù)Table 1 Polyethylene cable parameters
表2 試驗(yàn)材料參數(shù)Table 2 Test material parameters
圖2 聚乙烯電纜截面示意圖Fig. 2 Schematic diagram of cross section of polyethylene cable
熱電偶借助外圍金屬框架及其橫檔固定,熱電偶布置在電纜表面處,其熱電偶布置點(diǎn)的正投影位置如圖3所示。其中,在探究順流、逆流火蔓延的差異時(shí),需要采用不同點(diǎn)火位置。順流火蔓延條件點(diǎn)火位置在熱電偶A 處。因?yàn)轫樍骰鹇訒r(shí),熱電偶A 處熔融物質(zhì)極易滴落流淌至電纜槽外側(cè),因此,第一個(gè)數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)為熱電偶所在位置。逆流火蔓延點(diǎn)火位置在電纜末端(位于熱電偶G右側(cè)5 cm)。
圖3 熱電偶布置Fig. 3 Thermocouple arrangement
為探究利用電纜槽敷設(shè)傾斜電纜時(shí)的燃燒蔓延規(guī)律,考慮了傾斜角度、是否開(kāi)放和點(diǎn)火位置3種關(guān)鍵變量。并結(jié)合實(shí)際工程中容易出現(xiàn)的傾斜情況,確定了30°和45°這2種傾斜角度,具體設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表3。
表3 實(shí)驗(yàn)工況表Table 3 Experimental working conditions
選取單根聚乙烯電纜為研究對(duì)象(長(zhǎng)度為0.7 m),分析電纜在開(kāi)放及電纜受限條件下電纜火災(zāi)溫度分布情況蔓延。其中,槽內(nèi)水平電纜燃燒示意圖、開(kāi)放條件下水平電纜燃燒示意圖、槽內(nèi)傾斜電纜順流火蔓延示意圖、開(kāi)放傾斜電纜順流火蔓延示意圖、槽內(nèi)傾斜電纜逆流火蔓延示意圖、開(kāi)放傾斜電纜逆流火蔓延示意圖見(jiàn)圖4。從圖4 可見(jiàn):在開(kāi)放條件下,當(dāng)水平電纜燃燒時(shí),燃燒形成的熔融物質(zhì)受重力作用會(huì)發(fā)生滴落,滴落行為不受限制,滴落物會(huì)帶走燃燒熱量;當(dāng)槽內(nèi)水平電纜燃燒時(shí),熔融物質(zhì)會(huì)累積在電纜槽底部,熔融滴落行為受到限制,并且由于兩側(cè)槽板的存在,輻射作用增強(qiáng),會(huì)對(duì)電纜燃燒有一定增強(qiáng)作用;槽內(nèi)傾斜電纜順流火蔓延時(shí),熔融物的流淌行為將受到一定限制,但隨著傾斜角度增大,這一限制作用會(huì)被削弱,并且在熔融物沿槽板流淌時(shí),可能出現(xiàn)分區(qū)燃燒的現(xiàn)象;開(kāi)放傾斜電纜順流火蔓延時(shí),伴隨傾斜角度的變化,熔融物可能由直接滴落變成沿線流淌,但不論何種情況,其整體的熔融滴落行為不受限制;當(dāng)槽內(nèi)傾斜電纜逆流火蔓延時(shí),熔融滴落行為受限明顯,較多熔融物質(zhì)會(huì)累積在初始點(diǎn)燃位置,燃燒初期的燃燒速率及規(guī)??赡茌^??;相比于順流火蔓延,其熱量損耗更少,因?yàn)槿廴谖飳⒀仉娎|下表面向電纜未燃區(qū)域流淌,其帶走的熱量會(huì)更多傳遞到后續(xù)預(yù)熱區(qū)中。這一情況在開(kāi)放傾斜電纜逆流火蔓延中同樣存在。
圖4 不同狀態(tài)下的電纜燃燒示意圖Fig. 4 Schematic diagrams of cable burning in different states
單根懸掛固定電纜在不同角度條件下發(fā)生燃燒時(shí),在水平狀態(tài)、傾斜30°、傾斜45°這3種條件下,沿電纜線方向上方的溫度隨時(shí)間的變化如圖5所示。從圖5(a)可以看出:在開(kāi)放條件下,水平電纜的燃燒蔓延速率較穩(wěn)定,在電纜剛開(kāi)始燃燒階段,溫度波動(dòng)較明顯,最高溫度達(dá)到700 ℃左右;在電纜點(diǎn)燃初期,電纜燃燒的熔融滴落物滴落狀態(tài)不穩(wěn)定,這對(duì)初期溫度有較大影響,造成一定的波動(dòng);觀察后續(xù)峰值溫度,C、D、E這3個(gè)熱電偶的峰值溫度較接近,均在400~500 ℃之內(nèi),并總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),高溫時(shí)間區(qū)段的長(zhǎng)度也較接近;F的峰值溫度較低,在水平條件下,燃燒電纜末端的可燃物不足,并且已經(jīng)燃燒的部分基本為裸露線芯,向環(huán)境中散熱量增多,并且末端燃料已經(jīng)在先前的燃燒當(dāng)中被充分預(yù)熱,當(dāng)火焰蔓延至末端時(shí),強(qiáng)化了熔融滴落作用,進(jìn)一步削弱了可燃物含量。這些綜合作用導(dǎo)致F 的峰值溫度較低,并且持續(xù)時(shí)間較短。
圖5 開(kāi)放條件下不同傾角順流火蔓延時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between temperature of downstream fire spread and time at different inclination angles under open conditions
圖5(b)所示為電纜傾斜30°時(shí)溫度隨時(shí)間的變化。從圖5(b)可見(jiàn):與水平條件相比,熱電偶B的溫度峰值較低,但同樣有較強(qiáng)的波動(dòng)性;熱電偶C、D、E 的溫度峰值均在600 ℃左右,與水平條件相比峰值溫度到來(lái)更早;熱電偶D 的峰值溫度比C的峰值溫度更早到來(lái),但是熱電偶C的溫度更早呈增大趨勢(shì),這是因?yàn)殡S著電纜出現(xiàn)傾斜,預(yù)熱范圍增大,導(dǎo)致電纜未燃部分的受熱長(zhǎng)度增大,進(jìn)而導(dǎo)致后置位置可能更早出現(xiàn)峰值溫度。圖5(b)中的熱電偶F的峰值溫度要比水平條件下的高,當(dāng)傾斜角度達(dá)到一定值時(shí),熔融滴落物不會(huì)垂直滴下,而是沿著電纜向下流動(dòng),并持續(xù)燃燒。圖5(c)所示結(jié)果與圖5(b)所示結(jié)果類(lèi)似,所不同的是,熱電偶D到達(dá)峰值溫度時(shí),熱電偶B和C同步出現(xiàn)了第二峰值,其主要原因是隨著傾斜角度增大,熔融滴落作用繼續(xù)增強(qiáng),并有可能出現(xiàn)大塊滴落物沿線流淌燃燒的情況。
敷設(shè)在電纜槽內(nèi)的電纜在不同角度條件下發(fā)生燃燒時(shí),在水平狀態(tài)、傾斜30°、傾斜45°這3種條件下,沿電纜線方向上方的溫度隨時(shí)間的變化如圖6 所示。對(duì)比圖6(a)與圖5(a)可知:電纜槽的存在會(huì)導(dǎo)致水平條件下各位置的峰值溫度較接近,因?yàn)楫?dāng)電纜敷設(shè)在電纜槽內(nèi)時(shí),電纜燃燒形成的熔融物不會(huì)發(fā)生滴落,會(huì)累積在電纜槽內(nèi)持續(xù)燃燒;在水平條件下,電纜槽內(nèi)電纜燃燒速率更快(整根樣品完全燃燒所用時(shí)間更短),峰值溫度更高且更穩(wěn)定,但高溫期持續(xù)時(shí)間要比開(kāi)放條件下的短,這主要是因?yàn)樵陔娎|長(zhǎng)度相同的情況下,燃燒更充分,燃燒速率更快,蔓延越快,單點(diǎn)處的高溫期持續(xù)越短。在電纜槽內(nèi)燃燒時(shí),改變傾斜角度,各位置的溫度變化呈現(xiàn)出不同規(guī)律;當(dāng)傾斜角度較小時(shí),在電纜點(diǎn)燃初期,因?yàn)殡娎|槽存在傾角,且電纜緊貼在電纜槽內(nèi),形成的熔融物不能很好地累積在初始點(diǎn)燃的位置,熔融物質(zhì)往外流淌,帶走了較多熱量,影響了剛點(diǎn)燃位置的溫度;當(dāng)燃燒持續(xù)進(jìn)行時(shí),后續(xù)位置的熔融物質(zhì)因?yàn)閮A斜角度較小,較多的熔融物累積在電纜下部,但未能燃燒,故熱電偶B、C、D 的溫度長(zhǎng)期保持在200~300 ℃,其原因主要是只有上半部分電纜緩慢燃燒,下部累積的熔融物質(zhì)未能引燃。當(dāng)火焰逐漸向上蔓延時(shí),燃燒范圍逐漸擴(kuò)大,槽內(nèi)溫度升高,并且線芯向沿線纜各位置導(dǎo)熱增強(qiáng),導(dǎo)致局部燃燒更加劇烈,如圖6(b)所示。在750 s左右時(shí),熱電偶E 的燃燒規(guī)模擴(kuò)大,出現(xiàn)峰值溫度,進(jìn)而促進(jìn)其他各個(gè)位置的燃燒(其他位置的溫度都有所上升),當(dāng)1 個(gè)位置出現(xiàn)峰值溫度時(shí),都會(huì)導(dǎo)致其他位置溫度出現(xiàn)1次上升,說(shuō)明在該角度下,熔融物質(zhì)沿電纜(槽)流動(dòng)趨勢(shì)較小,容易形成累積。從圖6(c)可知:當(dāng)傾斜角度達(dá)到45°時(shí),電纜點(diǎn)燃初期溫度變化趨勢(shì)與30°時(shí)的情況類(lèi)似,其原因是在電纜槽開(kāi)口位置,熔融物質(zhì)有一定量直接流淌至槽外,當(dāng)火焰持續(xù)向上蔓延時(shí),預(yù)熱區(qū)域增大,燃燒范圍增大,在450 s 左右時(shí),溫度集中上升,說(shuō)明此時(shí)電纜燃燒已經(jīng)將槽內(nèi)累積的熔融物質(zhì)引燃,這與傾斜30°時(shí)的情況類(lèi)似,但由于傾斜角度更大,預(yù)熱面積更大,導(dǎo)致累積的熔融物質(zhì)更快被引燃,進(jìn)而在集中升溫之后,后續(xù)可燃物充分的位置(熱電偶E 和F 處)劇烈燃燒,熱電偶E處達(dá)到峰值溫度600 ℃左右;在100 s左右后,熱電偶F 的溫度到達(dá)峰值溫度900 ℃左右。當(dāng)有1處溫度達(dá)到峰值時(shí),其他位置的溫度都會(huì)上升。這說(shuō)明在傾斜電纜槽內(nèi),火勢(shì)容易出現(xiàn)周期性波動(dòng),且角度越大,越容易在燃燒后期出現(xiàn)更大規(guī)模的燃燒。在電纜槽內(nèi)燃燒時(shí),在水平狀態(tài)和傾斜條件下不會(huì)出現(xiàn)“伴隨升溫”現(xiàn)象(即熔融物累積至一定程度時(shí),在整個(gè)槽內(nèi)會(huì)出現(xiàn)1 次整體燃燒,進(jìn)而同步升溫);在水平狀態(tài)下,可燃物燃燒殆盡后溫度持續(xù)保持在較低值。在燃燒過(guò)程中,熔融物質(zhì)沿槽板流淌,出現(xiàn)多區(qū)域燃燒的現(xiàn)象,從而出現(xiàn)“伴隨升溫”現(xiàn)象。
圖7所示為逆流火蔓延時(shí)的溫度變化情況,其中,圖7(a)所示為在開(kāi)放條件下,電纜傾斜45°的溫度變化情況,圖7(b)所示為電纜傾斜30°、逆流火蔓延時(shí)的溫度變化情況(將熱電偶G 納入分析)。從圖7可見(jiàn):與順流火蔓延情況相比,電纜自上部點(diǎn)燃時(shí),熱電偶G 的溫度首先上升,并在此處逐漸形成熔融物質(zhì)。對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可知:在傾斜為45°和開(kāi)放條件下,熔融物沿線流淌,由于流過(guò)部位溫度較低,熔融物質(zhì)燃燒規(guī)模極小,但流淌行為不受限制,熔融物在電纜根部累積,并且整根電纜底部都有緊貼電纜的火焰存在,持續(xù)預(yù)熱電纜,當(dāng)受熱面溫度升高到一定值時(shí),整根電纜出現(xiàn)同步燃燒,集中燃燒發(fā)生的時(shí)間較接近,均在400 s 左右發(fā)生。但在開(kāi)放條件下,整體燃燒出現(xiàn)的溫度峰值更大,因?yàn)槠淞魈蔬^(guò)程不受電纜槽限制;開(kāi)放45°傾斜條件下的集中燃燒持續(xù)440 s;在電纜槽敷設(shè)傾斜45°時(shí),集中燃燒持續(xù)690 s;在電纜槽敷設(shè)傾斜30°時(shí),集中燃燒持續(xù)900 s;在電纜槽內(nèi),因?yàn)榱魈适芟蓿娎|燃燒更加持續(xù),但峰值溫度更低。對(duì)比圖7(b)和圖7(c)可知:在角度改變時(shí),角度越小,集中燃燒出現(xiàn)的時(shí)間越晚,集中燃燒時(shí),峰值溫度更大,30°時(shí)多位置峰值溫度為400~500 ℃,45°時(shí)多位置峰值溫度為350~400 ℃。在槽內(nèi)燃燒時(shí),熱電偶G的溫度總會(huì)在集中燃燒后出現(xiàn)1次溫升。在槽內(nèi)條件下,電纜本身緊貼于槽板,形成的熔融物質(zhì)又持續(xù)累積,初期形成的燃燒規(guī)模較小,但在燃燒處累積了較多的可燃物;在集中燃燒過(guò)程中,先前累積的可燃物被重新點(diǎn)燃,因此,熱電偶G 在集中燃燒后會(huì)又一次出現(xiàn)溫升現(xiàn)象,并且在更小傾斜角度下,流淌受到的阻力越大,熱電偶G累積的可燃物越多,進(jìn)而在出現(xiàn)后續(xù)溫升時(shí),溫度越高。對(duì)比逆流火蔓延和順流火蔓延,逆流火蔓延的顯著特點(diǎn)就是會(huì)出現(xiàn)集中燃燒,而順流火蔓延受開(kāi)放與否和傾斜角度的影響,可能出現(xiàn)伴隨升溫和呈周期性燃燒的現(xiàn)象,且逆流火蔓延條件下的峰值溫度要小于順流火蔓延條件峰值溫度。
1) 將電纜敷設(shè)在電纜槽內(nèi)時(shí),電纜燃燒時(shí)的熔融滴落行為會(huì)受到顯著影響,當(dāng)電纜水平時(shí)會(huì)使得燃燒更加穩(wěn)定且充分;當(dāng)電纜傾斜時(shí),燃燒初期的溫度會(huì)比開(kāi)放條件時(shí)的低;槽內(nèi)傾斜電纜的燃燒分區(qū)效應(yīng)不弱于開(kāi)放條件時(shí)傾斜電纜的燃燒分區(qū)效應(yīng),會(huì)出現(xiàn)“伴隨升溫”現(xiàn)象,且傾斜角度越大,“伴隨升溫”越顯著。
2) 在逆流火蔓延條件下,槽內(nèi)電纜的燃燒具有顯著特點(diǎn),主要體現(xiàn)在:在點(diǎn)燃位置有1次小規(guī)模的持續(xù)燃燒,槽板限制導(dǎo)致熔融物容易形成堆積,傾角增大會(huì)強(qiáng)化流淌過(guò)程,并使熱量加速向下傳遞,當(dāng)未燃部分受熔融物和線芯加熱會(huì)出現(xiàn)集中燃燒現(xiàn)象;傾角越大,出現(xiàn)集中燃燒的時(shí)間越早。
3) 利用電纜槽敷設(shè)電纜時(shí),傾斜敷設(shè)部位宜采用底面無(wú)孔式的槽板,在電纜火災(zāi)情況下會(huì)避免高溫燃燒熔滴滴落至槽外,進(jìn)一步削弱火災(zāi)的向外擴(kuò)散程度。
4) 敷設(shè)電纜時(shí),傾斜位置處若發(fā)生火災(zāi),則產(chǎn)生的危害更嚴(yán)重,故設(shè)備接線位置宜盡量遠(yuǎn)離傾斜位置。電纜火災(zāi)的產(chǎn)生的原因大多是接頭位置發(fā)生故障,接線端遠(yuǎn)離傾斜段可以有效減小電纜火災(zāi)大規(guī)模蔓延的風(fēng)險(xiǎn)。