基于桶式环形加热的阻燃电缆细观竖直燃烧特性研究实验平台的设计

龚 泰，黄鑫炎，谢启源*

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026; 2.加州大学伯克利分校机械工程系，加利福尼亚，94720)

0 引言

用于电力输送、信号传递的电线电缆在工业化、信息化社会中广泛使用，对于保持经济快速增长态势的我国更是如此，每年均有大量电线电缆生产并投入使用。2014年，我国仅电力电缆产量已高达5 570.37万千米，比2013年增长了32.8%[1]。然而，密集敷设的电缆往往是建筑物内的重要火灾载荷之一，且其敷设过程通常需要“穿墙破洞”，导致其火与烟气蔓延速度迅速。近年来，电缆燃烧引起的火灾事故时有发生[2-4]。此外，电缆燃烧时往往释放出大量有毒烟气，对建筑内的人员安全造成较大威胁。因此，消防设计规范不断提高建筑内使用电缆的阻燃要求，对于核电厂、特级、一级等重要场所，非阻燃电缆已被禁止采用[5]。

对阻燃电缆的火响应特性研究与阻燃耐火等级划分是新型阻燃电缆研发全过程中的重要一环，现有的研究主要分为两大类。其一，是基于标准检测设备的研究，重点在于阻燃电缆的品质检测与分级；另一类，则主要是科研人员，基于所针对的某一项基础或工程问题，自行设计非标实验研究装置，重点在于揭示其中的传热与燃烧机理。我国电缆检测与分级标准主要包括：GB/T 18380-2008[6]、GB/T 12666-2008[7]以及GA 306.1-2007[8]等，此外，最近制定了一个关于电缆燃烧性能检测的新标准，即《电缆及光缆燃烧性能分级》GB 31247-2014[9]。该标准基于电缆材料的热焓值、火焰蔓延长度、热释放速率、产烟速率和烟密度等参数的测量，将电缆划分为A(不燃)，B1(阻燃B1级)，B2(阻燃B2级)和B3(普通) 四个等级。而关于电缆外层聚合材料的燃烧特性与阻燃分级方面，极限氧指数(LOI)法和基于单侧辐射热源的点燃与火蔓延性能试验方法[10](ASTM E1321-13)是国际上常用的方法，其中极限氧指数法包括室温试验[11](ISO 4589-2)和高温试验[12](ISO 4589-3)。关于基于自制非标实验装置，针对电缆的研究方面， Fernandez-Pello等[13]采用气体火源，将其制作成平面加热器，针对多种电缆样品在单侧受热条件下，研究了其点燃与燃烧特性。FM Global的Tewarson和Khan[14]采用四块红外加热器，构成小尺度局部加热条件，针对竖直电缆的底部进行局部加热，从而分析电缆的底部引燃特性及其向上蔓延燃烧规律。Miyamoto等[15]通过三根12.7 cm高的卤素灯管，针对短电缆样品，研究了其小尺度火焰蔓延与熄火行为。

现有的国内外各类电缆检测标准与自制实验研究装置，对于电缆耐火分级、燃烧特性研究以及新型阻燃、特种电缆的设计，起到了重要的推动作用。然而，针对当前国内外越来越广泛使用的阻燃电缆，综合深入研究其在各种受热环境下的外层阻燃聚合材料的膨胀、相变、熔融滴落、引燃及火焰蔓延耦合机理的研究却依然少见，性能优异的新型阻燃电缆的设计，不仅涉及材料科学、阻燃技术，更与阻燃聚合材料在不同受热环境下的综合形态相态演变、轴向和法相传热传质多因素耦合相关。为此，本文从电缆这种“外层聚合物包覆内层金属线芯”的几何结构出发，设计了一种环形桶式加热与燃烧腔室，以期通过对电缆在不同受热条件下的内外温升、形态变化、相态变化、热解引燃及燃烧蔓延等材料细观热学行为的深入分析，不仅揭示当前阻燃电缆的详细耐火性能，特别是为特种建筑场所(如：核电站、通讯机房等)所要求的高可靠度电缆选型与认证提供底层详细数据；也为了下一代新型阻燃电缆的设计，从材料传热与燃烧角度，给出其中的材料关键参数与内外结构要点。

1 实验平台设计

1.1 整体结构

图1给出了阻燃/难燃材料环形桶式加热与燃烧特性实验平台的整体结构，图2给出了研制完毕的实物照片。可见，该实验平台主要由三个部分组成：半封闭环形桶式加热与燃烧腔室、样品竖直固定模块和测量系统。以下逐一进行介绍。

图1 阻燃/难燃材料环形桶式加热与燃烧特性实验平台的整体结构Fig. 1 Sketch of the annular experimental facility for heating and burning mechanisms of flame-retardant materials

图2 阻燃/难燃材料环形桶式加热与燃烧特性实验平台实物图Fig. 2 Photo of the annular experimental facility for heating and burning mechanisms of flame-retardant materials

半封闭桶式环形加热与燃烧腔室高130 cm，其内部水平圆形横截面的直径为40 cm。加热与燃烧腔室的外层为不锈钢壳体，其内壁嵌贴一层6.5 cm厚的莫来石隔热砖，用以隔离腔室内外传热。沿着不锈钢壳体内的圆桶形莫来石隔热层侧，均匀竖直布设9个U型硅碳棒，即，共计18支直径为2.5 cm的圆柱形硅碳棒均匀分布，每支硅碳棒的有效加热区长约120 cm。U型硅碳棒的底部段主要用于电流连通，非有效发热段。如图2所示，U型硅碳棒的采用，使得整个实验平台的电缆接头均处于加热燃烧腔室上方区域，所需接头数量减半且接线方便简洁，燃烧腔室上方采用一个隔离罩将整个接线区隔离，降低了实验装置强用电危险性。此外，隔离罩的上顶面板为多孔结构，电线接头所发热量可及时通过对流逸散出，避免了电线接头区域局部过热接头焦化等事故，进一步提高了整体实验装置的安全性。

样品竖直固定模块主要用于固定待测电缆样品，使其位于桶式加热燃烧腔室的中轴位置。同时，如图2所示，该模块通过横梁架构，将位于腔室中轴位置的电缆样品在受热、燃烧过程中的质量变化，传递至放置于加热燃烧腔室外的电子天平，整个固定模块与电缆样品的接触均为刚性连接，确保质量采集过程的精确性与稳定性。电子天平外置于腔室的布设与测量方式，是为了预防腔室内的高温环境可能对电子天平造成损坏，也是为了避免待测电缆受热与燃烧中可能形成的聚合物融液的滴落燃烧带来的引燃危险。

本实验装置的测量系统主要监测的参数包括：样品内外表面及环境温度场、样品质量变化、加热燃烧腔室中轴线热流、样品加热膨胀与燃烧视频等。其中，温度测量主要是通过3列热电偶进行，即，如图1与图2所示，在加热燃烧腔室侧壁的3个轴向位置各开18个小孔，各小孔穿入空心陶瓷细管，热电偶穿过空心陶瓷细管进入腔室。陶瓷细管不仅有利于各热电偶的空间定位，还可保护热电偶，同时将热电偶与腔室外壁金属表面进行绝缘隔离。待测样品的质量变化，如前所述，主要是通过位于加热燃烧腔室外的电子天平测量。如图2所示，桶式加热燃烧腔室的侧壁并未闭合，而是留有宽度约为15 cm的竖直开口。待测电缆的形态变化与燃烧特性的拍摄、以及热流计、脉冲式电火花的布置，都是通过该竖直窄口进行的。各传感器的终端信号传输至数据采集器，由计算机实时采集。

基于该装置的各项实验研究，最重要的输入参数为加热燃烧腔室内的加热功率大小及其变化曲线，这主要是通过控制柜调节电加热棒的接通电压来改变。实验平台可主要提供两种加热模式：变热流加热和恒热流加热，两种加热方式的具体操作流程分别如下所述。

A．变热流加热模式：

该加热模式模拟的是阻燃电缆在火灾中可能受到的实际加热过程，即，目标材料的近邻出现不断增强的火源，或者一个不断蔓延靠近的热源；抑或是，针对火焰蔓延过程中，火焰前锋未燃区域的材料所受到的预热过程。这种受热过程的模拟，主要是利用加热燃烧腔室内，硅碳棒接通一定值的电压之后，其加热功率不断增大直至稳定峰值的阶段。硅碳棒的设定电压不同，腔室内中轴位置所受辐射加热功率的变化曲线也各异，对应于不同增长速率的变热流加热过程。

B．恒热流加热模式：

该加热模式模拟的是一种理想稳定的加热过程，这种加热模式下的所测数据，与变热流条件下的测试结果相比，分析相对容易，有利于引燃、火焰蔓延等理论与经验模型的建立和标准测试的重复。此时，利用的是加热腔室内当热流达到恒定之后的加热过程，不同的接通电压，可实现稳定阶段的不同恒定加热热流。

图3 实验平台热流测量实验布置图Fig. 3 Configuration of the radiant heat flux measurement of the experimental facility

1.2 加热燃烧腔室热流标定

在进行实验之前，需要对加热燃烧腔室内中轴线位置所受热流功率进行标定，标定实验中使用的辐射热流传感器为水冷STT-25-20型，具体布设位置与方式，如图3所示。图4给出了5种加热功率条件下，位于竖直中轴线中部位置所测热流的变曲线，即，分别为50%、55%、60%、70%和80%全加热功率的工况，其中，环境的起始温度为Ta,0= 30 ℃。此外，针对加热腔室竖直中轴线不同高度位置上的热流的测量结果表明，该实验平台的中轴线上的热流分布基本均匀，中部区域值最大，下端和上端位置热流值相对偏小，尤其是下端位置。因此，当进行10 cm长度以内的阻燃电缆短样品的受热膨胀与引燃机理研究时，其上下所受辐射热流分布均匀性较高。

图4 不同电加热功率下加热腔室内中轴线中部位置的辐射热流曲线Fig. 4 Curves of the radiant heat flux at the axial location(middle height) of the heating chamber under varied electric heating power

如图4所示，各电加热功率条件下加热腔室内中轴线中部位置所受辐射热流大小呈二次函数增大特征。随着设定电加热功率的增大，其稳定热流值越大，所需稳定时间越短，即越快达到加热腔室内的较大恒定热流。各个功率下拟合得到的抛物线规律方程结果如下：

基于一元二次函数方程，可用式(1)对其热流增大过程进行拟合，即:

(1)

其中，qr(t)为加热燃烧腔室中轴线位置所接收的辐射热流，kW/m2；a为拟合参数；t为电加热器开启时间，s；tp为达到恒定热流的时间，s；qr,p为该功率下辐射热流达到的恒定值(最大值)，kW/m2。各功率下拟合得到的特征参数值如表1所示。

表1中qc,p为自然对流状态下热流标定实验中最大对流加热功率估算值(kW/m2)，通过腔内气流温度与传感器温度的差值估算而来，对流换热系数取10 W/(m2·K)。可见，加热腔室内，辐射热流占主体。

表1 各电加热功率下中轴线位置所接受辐射热流增加曲线的特征参数值

图5 50%电加热功率条件下1 m长阻燃电缆引燃与向上火焰蔓延过程Fig. 5 Ignition and vertical flame spread of the 1 m-length flame-retardant cable under 50% full electric heating power

2 阻燃电缆测试结果

基于本实验平台，针对当前广泛使用的阻燃电缆典型型号之一，即ZR-YJV型单芯阻燃铜芯电缆，外径为2.2 cm，其外护套层为PVC，中间绝缘层为XLPE。将长度为1米的该型号电缆置于加热腔室中轴位置，在50%电热加热功率条件下，在腔室内加热一段时间之后，原本在常规条件下，采用较大点火源均无法引燃的阻燃电缆，此时，却轻易被置于其下方的小油池火所引燃，且迅速形成向上蔓延的猛烈燃烧。图5给出了，伴随着阻燃电缆的受热与燃烧过程中外护套层和绝缘层形态的变化，电缆向上竖直燃烧过程还呈多阶段发展等特征。可见，阻燃电缆的燃烧特性研究，采用不同的引火源进行作用与点燃，从而分析其可燃性与燃烧性是一种方式；而本文中所研制的基于环形桶式加热燃烧腔室的实验平台，通过对阻燃电缆施加各样的预加热作用，更能深入分析其细观的引燃与蔓延燃烧特征，为此类特殊材料的燃烧模型建立与新型产品的设计提供新思路。

图6 80%电加热功率条件下10 cm长阻燃电缆膨胀、破裂与自燃过程Fig. 6 Swelling, crack and spontaneous ignition of the 10 cm-length flame-retardant cable under 80% full electric heating power

此外，针对阻燃电缆短样品，基于本实验平台，则更有利于深入细致分析阻燃电缆表面受热形变、热解、熔融、破裂与引燃等特性。以80%电功率为例，如图6所示，10 cm长ZR-YJV电缆样品位于加热腔室中轴线中部位置受热时，短时间(6分钟)内就表现出急剧膨胀、破裂现象。如图7给出了一个电缆受热膨胀过程分析示意图，通过分析电缆外表面膨胀位置的变化与表面温度、质量损失、突变引燃

等相关特性，从而研究阻燃电缆这种多层聚合材料真实耐火特性，建立适用于阻燃电缆的引燃模型。

图7 阻燃电缆短样品受热膨胀及几何特性定量分析示意图Fig. 7 Schematic diagram of the quantitative analysis on the swelling and geometrical characteristic of the short cable samples

3 结论

本文针对阻燃电缆及其它柱形难燃材料的细观耐火与燃烧特性研究，研制了基于环形桶式加热燃烧腔室的综合模拟实验平台，详细介绍了本实验平台的构成、输入参数标定、实验测量参数等，并给出了典型阻燃电缆的实验测试结果。结果表明，本实验平台加热燃烧腔室内可提供热流通量最大值可达80 kW/m2，能够对阻燃电缆及其它阻燃材料的耐火特性进行细观测试，弥补了各类阻燃电缆检测标准往往仅针对测试分级而忽略电缆详细热响应特征的不足。多种加热模式，为阻燃电缆等难燃材料实际燃烧性能测试提供了多模式诊断方法。针对阻燃材料火灾性能的研究，不仅对于各类场所火灾危险性的分析、火焰蔓延机理研究与模型建立具有重要意义，而且，对于新型阻燃产品的设计，也具有重要的指导作用。

[1] 智研咨询集团. 2015-2020年中国电线电缆产业深度调研与投资前景分析报告[EB/OL]. 中国产业信息网, http://www.chyxx.com/research/201509/345526.html, 2015-09-21.

[2] 公安部消防局. 中国消防年鉴2013[M]. 北京: 中国人事出版社, 2013,322.

[3] 公安部消防局. 中国消防年鉴2014[M]. 昆明: 云南人民出版社, 2014,296.

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[5] GB 50745-2012, 核电厂常规岛设计防火规范[S].

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[7] GB/T 12666.1-2008, 单根电线电缆燃烧试验方法第1部分: 垂直燃烧试验[S].

[8] GA 306.1-2007, 塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级和要求第1部分: 阻燃电缆[S].

[9] GB 31247-2014, 电缆及光缆燃烧性能分级[S].

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[11] ISO 4589-2:1996, Plastics-Determination of burning behaviour by oxygen index-Part 2: Ambient-temperature test[S].

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[15] Miyamoto K et al. Limiting oxygen concentration (LOC) of burning polyethylene insulated wires under external radiation[J]. Fire Safety Journal, 2016, (86): 32-40.