电缆燃烧烟气释放速率的实验研究

杨守生,何 翊

(1.中国人民武装警察部队学院消防工程系,河北廊坊065000;2.中国人民武装警察部队学院科研部,河北廊坊065000)

电缆燃烧烟气释放速率的实验研究

杨守生1,何 翊2

(1.中国人民武装警察部队学院消防工程系,河北廊坊065000;2.中国人民武装警察部队学院科研部,河北廊坊065000)

为系统地了解电缆在燃烧过程中烟气释放速率以及其与其他参数间的关系,利用锥形量热仪对 YJV 4×6电缆的燃烧行为进行了分析。结果表明,电缆在不同外界热流强度下的燃烧行为是不同的。随着热辐射强度的增大,电缆燃烧时的烟气释放速率也随之增大。电缆燃烧时热量的释放滞后于烟气的释放,烟气释放速率随质量损失速率增加而增大。稳定燃烧状态下则表现为烟气释放速率降低,热释放速率增大。

电缆;锥形量热仪;燃烧性能;烟气释放速率

0 前言

随着国民经济的高速发展,包括电力电缆、控制电缆、通讯电缆在内的各种电缆的应用范围越来越广,使用量越来越大。由于大部分塑料电缆的护套原料和绝缘材料都具有可燃性,当电线发生短路时,很容易引燃护套料和绝缘料,继而导致火灾发生;当塑料电缆暴露在高温环境或卷入火灾中,不仅能增大火势和发烟量,而且极易导致火势蔓延。据我国火灾年鉴统计,1997年以来,每年电气火灾占火灾总数的25%～30%,造成的直接财产损失占总数的35%～44%,而电气火灾中由电线电缆引起的火灾又占了50%以上[1]。而目前国内使用的大部分阻燃电缆为含卤电缆,虽然其具有较好的阻燃性,但是在燃烧时会产生大量的烟尘和对人体有刺激、有麻醉的毒性气体,这些烟尘及毒性气体一方面造成火场能见度降低,从而影响受困人员逃离火场,另一方面还能造成受困人员窒息、中毒甚至死亡[2]。从消防监督部门火灾统计的数据来看,人员伤亡主要是由于有机材料燃烧过程中产生的大量浓烟及人体吸入有刺激的有害气体而无法逃离,导致窒息造成的。因此,研究电线电缆火灾条件下的燃烧行为进而降低电线电缆的火灾危害具有重要意义。有文献利用锥形量热仪,从电缆的结构、材料方面入手,对电缆燃烧时的产烟特性进行了分析[3-4],以此来改善电缆的阻燃抑烟性能,但对电缆燃烧时烟气释放的影响因素的研究并不多。本文利用锥形量热仪对 YJV 4×6电缆的燃烧行为进行了分析,并探讨了电缆在燃烧过程中烟气释放速率以及其与其他参数间的关系。这对进一步认识电缆的燃烧性能、优化护套原料阻燃设计、降低电缆新产品的研发成本以及制定电缆护套原料阻燃标准具有实际意义。

1 锥形量热法

1.1 锥形量热实验原理

锥形量热计采用耗氧量来测量材料的热释放速率,所谓耗氧量原理就是认为材料燃烧时消耗每一单位的氧气所释放的热量基本上是一样的,即消耗1 kg氧气释放热量13.1 MJ±0.655 MJ。建筑业和商业中普遍使用的大多数塑料和其他固体材料都遵循这个规律[5-6]。目前IS05660标准、美国ASTM E1354标准以及其他发达国家的一些标准都把锥形量热法确认为进行材料燃烧性能测试的标准实验方法。

1.2 试样的受热表面积和厚度

试样的受热表面积和厚度对点燃性和释热速率的测试都有影响。锥形量热标准规定,一般情况下,试样的受热表面积为100 mm×100 mm,这个值比较适合小尺寸试验,是经过精心选择的。

锥形量热计主要用来测试真实物体的释热速率,因此试样的厚度最好为测试物体的原厚度,但其受热面要比较平整。

1.3 热量和质量边界条件的处理方法

全尺寸实验中,热量和质量输运仅发生在试件的受热表面,非受热面没有热量和质量的损失。因此,为了使锥形量热实验尽可能与全尺寸实验的热边界条件一致,需要采取一些措施来保证热量和质量在非受热面的损失最小。在实验中,将试样用铝箔包裹其背面和侧面以减少质量损失。有些材料在燃烧时燃烧表面会发生翘曲,使得燃烧表面积发生变化或者使受热表面受到额外的热辐射而影响最终结果。对于这种材料,在实验中使用一种不锈钢网栅夹住试样的表面,以保证材料的平表面燃烧。

实验时,所有的试样在其背部都垫有一种厚度为13 mm、密度为650 kg/m3、热阻很大的陶瓷纤维毯,这样保证了一种标准的背面热边界条件。

1.4 热辐射强度的确定

室内发生火灾时,热量从高温火焰和烟气传播到其他邻近物体上的主要途径是热辐射。热辐射是火灾发展和传播的主要传热方式。

室内火灾在发展最充分的时候,室内气体的温度可高达1000℃,这时辐射到墙壁和室内物体上的热辐射强度可以达到150 kW/m2。一般情况下,当室内火灾达到轰燃时,高温烟气和火焰对物体的热辐射在75 kW/m2左右,实验时,加给试样的热辐射要尽量达到这个水平。因此针对不同的材料,采用的热辐射强度有 10、15、20、30、35、40、50 kW/m2等。这些热辐射水平可以代表可燃物在小规模火灾和中等规模火灾中的热辐射水平。

2 实验部分

2.1 主要原料

YJV 4×6,铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆,将电缆切割成长度为100 mm的小段,并排制成100 mm×100 mm的试样,用铁丝将其固定。

2.2 主要设备及仪器

锥形量热仪,Dual Cone,英国FTT公司。

2.3 性能测试与结构表征

参照ISO 5660进行分析。将样品水平放置,辐射源与试样之间的距离恒定为23 mm。为了尽量保证电缆只有上表面受到辐射,实验时用铝箔包裹电缆的四周和底面,并用不锈钢丝网保护样品,以避免样品翘曲和膨胀。用不同的热辐射强度对样品进行了系统的研究。

3 结果与讨论

3.1 热辐射强度对烟气释放速率的影响

电缆在不同外界热流强度下的燃烧行为往往是不同的[7-8]。从图1可以看出,随着热辐射强度的增大,电缆燃烧时的烟气释放速率也随之增大。这主要是因为当电缆处于较大的热辐射强度下,同一时间间隔内,发生热解和燃烧的电缆数量比处于较小热辐射强度下要多,所以产烟速率快,产烟量大。

图1 不同热辐射强度下的烟气释放速率曲线Fig.1 The smoke release rate of the cables at different radiation intensity

3.2 烟气释放速率与热释放速率的关系

在25 kW/m2热辐射强度下对 YJV 4×6电缆进行燃烧测试,结果如图2所示。从图2可以看出,在实验开始后的70 s内,烟气释放速率曲线快速增长,70 s时达到峰值。而热释放速率在实验开始后50 s内还稳定在一个较低的值,从50 s之后才开始增长。即热量的释放滞后于烟气的释放。分析原因一方面是因为在实验刚开始时燃烧的电缆数量少,放热量不大。另一方面是由于开始阶段电缆处于不完全燃烧状态,释放出的产物未能与氧充分混合,直接形成烟气,并不参加燃烧;当实验进行一段时间后,随着燃烧的电缆数量增多,电缆充分燃烧,热解形成的燃料气体达到完全燃烧时氧与燃料预混所需的恰当比例,从而使电缆处于稳定燃烧状态,表现为烟气释放速率降低,而热释放速率增大。

图2 烟气释放速率与热释放速率曲线Fig.2 The curves for smoke release rate and heat release rate of the cables

3.3 烟气释放速率与质量损失速率的关系

YJV 4×6电缆在25 kW/m2热辐射强度下的烟气释放速率与质量损失速率的关系如图3所示。从图3可以看出,电缆燃烧的烟气释放速率随质量损失速率增加而增加,电缆在燃烧时的质量损失主要是由所释放出的烟气造成的,但是这并不表示仪器所检测到的烟气全部都是由电缆燃烧时损失的那部分质量转化而来的。燃烧过程中的烟气是由材料裂解或燃烧过程中生成的悬浮固体粒子、液体粒子以及气体物质一起卷吸或混合了的大量空气组成的。既包括“可见的烟”,也包括了“不可见的烟”。燃烧过程中产生的可见烟是由不完全燃烧造成的,它与“燃烧气体产物”是有区别的。仪器所能检测到的只是能散射和吸收可见光而呈现不透光粒子的那部分。

图3 烟气释放速率与质量损失速率曲线Fig.3 The curves for smoke release rate and mass loss rate of the cables

3.4 烟气释放速率与有效燃烧热的关系

YJV 4×6电缆在25 kW/m2热辐射强度下烟气释放速率与有效燃烧热的关系如图4所示。有效燃烧热表示在某时刻t时所测得热释放速率与质量损失速率之比,它反映了燃烧所生成的挥发性气体在空气中的燃烧程度。从图4可以看出,在烟气释放速率高速增长的阶段,有效燃烧热很低,而且增长缓慢。当烟气释放速率达到峰值转而降低时,有效燃烧热开始逐渐增长,并在约200 s达到最大值,此时烟气释放速率已降到很低的水平。结合实验现象来看,从开始到实验进行34 s这段时间内,电缆只是不断热解,释放出大量烟气,在35 s时电缆被外部火源引燃,挥发出的可燃气体参加燃烧,电缆处于有焰燃烧的状态,但是燃料气体与氧的混合还不够充分,仍有大部分脱离火焰的高温环境而直接形成烟。随着实验的进行,燃料气体与氧的混合越来越充分,参与燃烧的部分越来越多,电缆有效燃烧热和热释放速率也随之增大,电缆处于稳定燃烧的状态,从而烟气释放速率也就变得越来越小。这也说明了电缆的热释放速率滞后于烟气释放速率的原因。

图4 烟气释放速率与有效燃烧热曲线Fig.4 The curves for smoke release rate and effective heat combustion of the cables

4 结论

(1)电缆在不同外界热流强度下的燃烧行为是不同的。随着热辐射强度的增大,电缆燃烧时的烟气释放速率也随之增大;

(2)电缆燃烧时热量的释放滞后于烟气的释放。稳定燃烧状态下则表现为烟气释放速率降低,热释放速率增大;

(3)电缆燃烧的烟气释放速率随质量损失速率增加而增加,质量损失主要是由所释放出的烟气造成的。

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Study on Smoke Release Rate of Cables during Burning

YAN G Shousheng1,HE Yi2
(1.Department of Fire Engineering,the Chinese People′s Armed Police Forces Academy,Langfang 065000,China;2.Research Bureau,the Chinese People′s Armed Police Forces Academy,Langfang 065000,China)

In order to find out the characteristic of smoke release rate and their relation with other parameters,the smoke release rate in combustion of YJV4×6 cables was analyzed using a cone calorimeter.It showed that the combustion behavior was different at different radiation intensity.The greater the radiation intensity,the higher the smoke release rate.In addition,the heat release rate lagged behind the smoke release rate,and the smoke release rate increased with increasing mass loss rate.In a steady state,the combustion was characterized by decreasing the smoke release rate and increasing the heat release rate.

cable;cone calorimeter;combustion property;smoke release rate

TQ320.77

B

1001-9278(2010)07-0074-04

2010-04-20

公安部应用创新计划资助项目(2007YYCXWJXY112)

联系人,yangshousheng@wjxy.edu.cn