低压下聚乙烯绝缘层导线火蔓延熔融滴落实验分析

薛 岩，方 俊，王静舞

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

深刻理解低压环境下导线(主要是聚合物绝缘层导线)燃烧所引发的火灾危害，有助于解决飞机和航天器的防火安全问题[1-4]。导线在火蔓延的过程中，绝缘层首先会熔化形成一个熔融球体，当该球体温度到达沸点之后会释放出可燃气体。在导线的绝缘层熔化和火蔓延过程中，如果液滴的质量积累的足够大，它最终会从导线上滴落，致使导线火蔓延熄灭或者开始下一个滴落周期，这都会带来非常严重的火灾危害。然而，这个现象是非常复杂的，因为它包含了多相、多维度的、随时间变化的传热传质过程，并且其中每一相都包含化学反应，所以简化研究这个过程就变得非常重要。

Fujita等[5]研究发现，在微重环境下，外部强迫对流对导线火蔓延速度的影响情况可以分为4个区域：(1)氧传输控制区，(2)几何形状控制区，(3)传热控制区，(4)化学反应控制区。此外，Nakamura等[6]研究了微重下不同外部强迫对流速度对熔融绝缘层的体积变化情况的影响。Kim等[7]对相变材料的熔化过程做了数值模拟，研究了材料特性是如何影响绝缘层熔融和滴落过程的。Takahashi等[8]将常重和微重下导线火蔓延的熄灭极限做了对比，得出了铜芯和镍铬合金两种线芯材料的熄灭极限。He等[9]研究了在通入过载电流条件下火蔓延过程的绝缘层滴落现象，发现了电流的平方与滴落频率之间存在正的线性关系。

目前而言，低压环境下不同氧浓度的绝缘层熔融滴落的细节过程、特别是熔融滴落极限还很少有人研究。本文针对镍铬合金线芯、聚乙烯(PE)绝缘层导线火蔓延过程中的熔融滴落现象，在低压舱内开展了不同气压、不同氧浓度下的大量火蔓延实验，得出了导线火蔓延过程中的熔融滴落频率、滴落质量随压力的关系，给出了不同氧浓度下发生滴落现象的极限压力的变化情况。

1 实验设计

本文实验在一个可调节气压和氧浓度的低压舱中进行，实验装置示意图如图1所示。低压舱主体部分是一个直径400 mm，高400 mm的不锈钢圆柱形舱室。低压舱与外部的高压氧气瓶(氧气纯度99.99%)相连，并通过Alicat流量控制器(精度：±(0.8%读数+0.2%满量程))调节氧气通入量来改变舱内氧气浓度，变化范围为21%～80%。低压舱的压力变化范围为0.3 kPa～100 kPa，精度为0.01 kPa。

图1 低压舱和导线火蔓延装置Fig. 1 Sketch of the sub-atmospheric cabin and wire flame spread apparatus

NiCr线芯的PE绝缘层导线放置于低压舱中间的样品架上。线芯直径为0.50 mm，绝缘层厚度为0.15 mm，实验样品导线长度为14 cm。通电电阻线圈放置在导线的一端，做为外部热源，主要通过热对流和少量热辐射加热导线。线圈直径为 5 mm，缠绕长度为15 mm。线圈由外部的直流电源供电，电压恒定为6 V，通电时间为7 s。本文实验主要研究熔融滴落过程，各试验工况如表1所示，每个实验工况至少重复3次。

火蔓延过程的图像主要由数码相机(Nikon D7100, 30 fps, 感光度500, 快门速度 1/50 s )通过低压舱侧面的观察窗记录。为了避免外部因素的干扰，所有实验都是在暗室环境下进行。PE绝缘层熔融滴落过程的瞬时图像由高速相机拍摄(Photron FASTCAM Mini UX50, 1280×1024, 1000 fps)。滴落物的质量由精度为0.1 mg的分析天平称量得到。

表1 实验工况

在同一工况下，熔融滴落行为具有一定的周期性，为了得到滴落周期值，选取每次滴落同一特征状态为一个周期的起始位置和结束位置，如图2所示。通过图像处理，计算出两次滴落的时间间隔，即为一次滴落的周期，取倒数即为滴落频率。

图2 不同压力下滴落频率判定Fig. 2 Feature of dripping frequency of different pressures

滴落物的质量非常细微，直接测量不易操作，为了反映熔融滴落在不同工况下的质量变化，采用差重法测量滴落质量。选取长14 cm，宽2 cm的长方形纸条，该尺寸与导线搭载平台底座尺寸相同，首先用分析天平测定实验前的纸片质量，之后将纸片放于搭载平台底座，位于导线正下方。进行实验时，当发生熔融滴落现象后，滴落物会掉到纸片上，并且滴落物落到纸片上之后不会继续燃烧。实验完成后再次称量纸片的质量，与实验前的纸片质量相差值即为本次实验的滴落质量。图3为滴落前的纸片和滴落后纸片状态。

图3 滴落质量测量Fig. 3 Measurement of dripping mass

2 结果与讨论

2.1 PE绝缘层导线火焰形态与滴落过程

图4为60 kPa下PE导线的火焰形态示意图。图4中可以看出，PE导线火焰形态为滴形，随着火蔓延的进行，固相的绝缘层逐渐熔化并积累成球体，悬于下部为蓝色火焰区域中，当球体质量积累足够大时，就会发生滴落现象。

图4 熔融绝缘层火焰形态示意图(21%氧浓度，60 kPa)Fig. 4 Sketch of the melting wire insulation with droplet combustion (21% oxygen concentration, 60 kPa)

图5为PE导线在21%氧浓度，40 kPa下的熔融滴落过程。固体绝缘层在火焰前锋处开始熔化，熔融液滴也开始随之增长，并且燃烧产生蓝色火焰。

2.3 乡村环境方面 随着美丽乡村建设的推进，村容村貌整治工作的开展，岳西建成了“风景秀丽、设施完善、生活幸福”的新红旗村、宜居宜游的老鸭村、“景点村庄、宜居家庭”的全域美丽土桥村等美丽乡村示范点，村庄面貌有了很大改善，但是大部分乡村环境整治的压力仍然较大。虽进行了“厕所革命”，但是冬季山区天气寒冷水易结冰，人畜粪便无法处理，污染了乡村环境，严重影响了村民的生活质量。农村垃圾服务设施仍不完善，垃圾处理办法陈旧老套，村民环卫意识不强，环境整治资金缺乏，造成部分村庄仍存在“脏、乱、差”现象。

当液滴质量增长到足够大于液滴的表面张力时，液滴由于受力不平衡就会滴落。在滴落之后，火焰起初会变得非常微弱，熔融液滴向下滴落的动量会使剩余热解气体产生一个微弱的向上的动量。同时，持续熔化的绝缘层会使热解气体的浓度增加。在二者作用下，热解气体会短暂向上“跳动”，在被引燃之后会产生高度较高的火焰。当热解气体和向上的动量消失后，火焰高度逐渐变低，进而开始下一个熔融滴落的循环。

图5 滴落过程连续高速图像Fig. 5 Sequential high-speed dripping images

2.2 滴落上限与滴落下限

实验研究结果表明，在某一氧浓度下，PE导线火蔓延过程中的滴落现象只在一定压力范围内发生，其中最高压力叫做滴落上限，最低压力叫做滴落下限。当环境压力大于滴落上限压力时，导线只有火蔓延过程而无滴落过程；当环境压力处于滴落上限压力与滴落下限压力之间时，导线既有火蔓延过程又有滴落过程；当环境压力小于滴落下限压力时，导线无法着火，此时既无火蔓延过程也无滴落过程。同时实验还发现，不同氧浓度下，PE导线的滴落上限和下限值也不同。下面以21%氧浓度和30%氧浓度的实验结果为例，具体说明滴落上限和滴落下限。

图6 21%氧浓度，62 kPa滴落过程Fig. 6 Sequential images of dripping flame at upper limit (21% oxygen concentration, 62 kPa)

图6和图7分别为21%氧浓度和30%氧浓度滴落上限的连续滴落图像。图6为21%氧浓度，62 kPa的滴落过程图像。如果压力升高，浮力增大，导线线芯温度会降低，导致绝缘层融化速率降低，液滴增长速率也会降低，液滴不会滴落，所以只存在火蔓延现象而没有滴落现象，因此21%氧浓度下滴落上限为62 kPa。

如图7所示，当氧浓度增加到30%时，火焰的燃烧速率会增加，这会使液滴加快蒸发消耗。要想滴落现象可以发生，必须要降低环境压力，以此增大液滴质量。因此，在30%氧浓度下，滴落上限的压力值变为38 kPa。同时，由于浮力降低，火焰的“跳动”现象也比62 kPa微弱。

图7 30%氧浓度，38 kPa 滴落过程Fig. 7 Sequential images of dripping flame at upper limit (30% oxygen concentration, 38 kPa)

图8和图9分别为21%氧浓度和30%氧浓度滴落下限的滴落连续图像。图8为21%氧浓度，28 kPa的滴落过程，由于压力和浮力的降低，蓝色火焰区域增加。在21%氧浓度下当环境压力低于28 kPa时，导线无法着火，就不存在火蔓延过程和滴落过程。因此21%氧浓度下滴落下限压力值为28 kPa。

如图9所示，当氧浓度增加到30%时，化学反应会更加剧烈，必须降低压力才能减缓化学反应带来的影响，从而发生滴落现象，因此30%氧浓度下，滴落下限压力值为12 kPa。

图8 21%氧浓度，28 kPa滴落过程Fig. 8 Sequential images of dripping flame at lower limit (21% oxygen concentration, 28 kPa)

图9 30%氧浓度，12 kPa滴落过程Fig. 9 Sequential images of dripping flame at lower limit (30% oxygen concentration, 12 kPa)

图10为不同氧浓度下滴落上限和滴落下限的变化情况的汇总。图10中按照滴落上限和滴落下限曲线，可以划分为三个区域：火蔓延仅存区；火蔓延和滴落共存区；无火蔓延无滴落区。随着氧气浓度的增大或环境压力的下降，滴落上限和滴落下限两条曲线均下降。当氧浓度增加到50%，压力降低到5 kPa，两条曲线会合并成一条曲线，此时只有火蔓延过程，而不存在滴落现象。

图10 PE导线滴落上、下限随氧浓度的变化情况Fig. 10 Dripping upper and lower limits of PE wire insulation

本文分析了熔融滴落现象对火蔓延过程中火焰高度和火蔓延速度的影响。图11和图12分别为21%氧浓度和30%氧浓度不同压力下火焰高度在滴落过程中的变化情况，图11和图12中每个时间点的时间间隔为0.03 s。从图12上可以看出，当滴落发生时，火焰先有一个微小的衰减，此后会有一个突然的“跳动”，火焰高度变高，之后火焰恢复到发生滴落前的高度，开始下一个滴落周期。当氧浓度为30%时，其各个压力下“跳动”的高度也将变小。

图11 21%氧浓度不同压力滴落过程火焰高度变化情况Fig. 11 The time-history of flame height at different air pressures (21% oxygen concentration)

图12 30%氧浓度不同压力滴落过程火焰高度变化情况Fig. 12 The time-history of flame height at different air pressures (30% oxygen concentration)

图13表示在上述21%和30%氧浓度下，发生滴落的压力区间内火蔓延速度的变化情况。从图13可以看出，在同一氧浓度下，火蔓延速度在发生滴落的压力区间变化情况近似一条直线，表明压力变化对火蔓延速度的影响不大。但是当氧浓度从21%增加到30%时，火蔓延速度明显增大，由此可以看出，与压力相比，导线火蔓延速度对氧浓度的变化更加敏感。

图13 21%氧浓度和30%氧浓度的火蔓延速度Fig. 13 Flame spread rate with various air pressures at 21% and 30% oxygen concentration

图14 滴落频率与环境压力的关系Fig. 14 Dripping frequency with air pressures

2.2 滴落频率与滴落质量

在确定了PE导线的滴落上限和滴落下限的概念之后，本文以21%氧浓度的熔融滴落情况为例，研究了环境压力对滴落频率和滴落质量的影响。

滴落质量随压力降低的变化情况如图15所示。造成这个结果的主要原因是液滴的表面张力随压力变化。当环境压力由60 kPa降低到30 kPa时，熔融液滴的沸腾温度也会降低，根据表面张力系数与环境压力的关系[10]σ=σ0+0.073(P0-P)+1.42×10-4(P-P0)2，代入压力数据计算液滴的表面张力系数σ会从33.17 mN/m增大到34.05 mN/m，这使得低压下表面张力变大，因此可以承受更大质量的熔融液滴。

图15 滴落质量与压力的关系Fig. 15 Dripping mass with air pressures

3 结论

本文研究了低压下导线火蔓延过程中存在的熔融滴落现象，测量了滴落过程中的滴落频率与滴落质量，得出了滴落上限和滴落下限随氧浓度的变化情况，结论如下：

(1)在滴落过程中，由于液滴滴落所产生向上的动量使火焰高度在滴落后发生突然的“跳动”现象。

(2)提出了滴落上限和滴落下限的定义，并以21%氧浓度和30%氧浓度为例做了具体说明。总结发现滴落上限和滴落下限随着氧浓度的增加而降低，并且可以划分为3个不同的区域：火蔓延仅存区；滴落和火蔓延共存区；无滴落无火蔓延区。当氧浓度增加到50%，压力降低到5 kPa，滴落上限和滴落下限两条曲线会合并成一条曲线，此时只有火蔓延过程，而不存在滴落现象。

(3)以21%氧浓度为例，分析了环境压力对滴落频率和滴落质量的影响。当压力降低时，由于线芯温度增加，线芯传导热量增加，导致绝缘层熔融速率加快，从而使得滴落频率增加。同时压力降低使得液滴表面张力变大，可以承受更大的熔融液滴质量，所以液滴质量增大。

[1] Kikuchi M et al. Experimental study on flame spread over wire insulation in microgravity[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 1998, 27(2): 2507-2514.

[2] Fujita O et al. Effect of low external flow on flame spread over polyethylene-insulated wire in microgravity[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2002, 29(2): 2545-2552.

[3] Nakamura Y et al. Flame spread over electric wire in sub-atmospheric pressure[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(2): 2559-2566.

[4] Huang XY et al. Ignition-to-spread transition of externally heated electrical wire[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2013, 34(2): 2505-2512.

[5] Fujita O et al. Effect of low external flow on flame spread over polyethylene-insulated wire in microgravity[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2002, 29(2): 2545-2552.

[6] Nakamura Y et al. Opposed-wind effect on flame spread of electric wire in sub-atmospheric pressure[J]. Journal of Thermal Science and Technology, 2008, 3(3): 430-441.

[7] Kim Y et al. Two phase flow, phase change and numerical modeling[M]. InTech Open Access Publisher, 2011: 523-540.

[8] Takahashi S et al. Extinction limits of spreading flames over wires in microgravity[J]. Combustion and Flame, 2013, 160(9): 1900-1902.

[9] He H et al. Molten thermoplastic dripping behavior induced by flame spread over wire insulation under overload currents[J]. Journal of Hazardous Materials, 2016, 320: 628-634.

[10] Masterton WL et al. Surface tension and adsorption in gas-liquid systems at moderate pressures[J]. The Journal of Physical Chemistry, 1963, 67(3): 615-618.