水喷淋对聚苯乙烯材料竖向燃烧的抑制效果研究

臧家明，陈健

（沈阳航空航天大学 安全工程学院，辽宁 沈阳 110136）

建筑外墙火灾是城市火灾的主要类型之一，燃烧物多为外墙保温板。我国现存很多15年以上楼龄的高层民用住宅，且建筑审批时适用的是早期建筑防火规范，外墙保温层使用b类聚苯乙烯保温板。火灾发生时，火焰从窗口处喷射出来，高温使水泥层龟裂漏出内层保温板，当温度超过300 ℃时聚苯乙烯快速分解，火势迅速蔓延，对人们的安全和个人财产造成巨大威胁。现阶段外墙防火主要采用不燃材料与防火结构并行，但碍于成本很难对老旧小区进行大规模改造。上海首先试点，对徐汇区某2003年建成的老旧高层进行改造安装外墙水喷淋系统，并取得良好效果[1]。ZHAO等在标准燃烧室对RPU材料进行了一系列垂直灭火实验，研究了流量和喷头倾角对外保温材料燃烧的抑制效果[2-6]。崔嵛等对聚苯乙烯泡沫的热解特性和燃烧性能进行研究[7-10]。前人在聚苯乙烯燃烧特性和材料性质上做了很多研究，但对聚苯乙烯板竖向蔓延研究较少，未明确水喷淋对聚苯乙烯材料保温板竖向燃烧的抑制作用效果，本文进行实验研究为抑制聚苯乙烯竖向燃烧提供实验依据。

1 实验设计

实验在标准燃烧腔室中进行，腔室的尺寸为10 m×7 m×4 m，腔室的顶棚为绝缘材料的水平面。实验装置布局如图1所示，包括支架、石膏板、聚苯乙烯保温板试样、热电偶、电子天平、油盘、固定架、摄像机和数据采集系统（无纸记录仪、红外热成像仪）。平面大小为2 m×1.5 m×0.01 m 的石膏板竖直固定在钢制支架上，聚苯乙烯试样板用铁丝固定于石膏板中央，模拟单侧贴壁火蔓延。喷头选用ZSTM型水幕喷头（倾斜角7°），喷头与接水管中连接一个定制可360°旋转的转接头。摄像机和红外热成像仪用于记录火蔓延的动态过程，质量变化由电子天平测量。同时为得到火蔓延过程温度，在空间布置了一系列热电偶，无论是否开启喷淋，都要记录无纸记录仪上和热成像仪上的温度变化及保温板的重量损失。实验腔室底视图见图2。

图1 实验装置整体布置图

图2 实验腔室底视图

2 实验方法与结果

点燃油盘待其稳定燃烧后推至聚苯乙烯材料底部，在相同外界条件下，当喷头距墙面距离为0.5 m时，改变喷头的竖直方向夹角（0°、7°、15°、30°、90°），当喷头倾斜角度为7°，喷头距墙面距离（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m）时探究不同工况下喷淋对聚苯乙烯板燃烧的抑制效果。最低点处热电偶温度降至200 ℃以下时认为火焰得到控制，根据最低点热电偶温度达到200 ℃以下时间来评价水喷淋对聚苯乙烯竖向火灾抑制效果好坏。

结果显示，当喷头倾斜角度为7°，喷头距墙面距离从0.2 m移动至0.6 m时，喷淋均能起到灭火作用，灭火效果先增强后减弱，当喷头距聚苯乙烯板0.5 m时灭火时间最短，最低处热电偶温度降低 200 ℃以下所需时间为30 s。当喷头距墙面距离为0.5 m，喷头倾斜角度从0°改变至90°时，喷淋均能起到灭火作用，灭火效果先增强后减弱，喷头竖向倾斜角度7°时灭火效果最好，30°与90°效果类似，灭火时差不足10 s。水幕喷淋系统灭火过程见图3。

图3 水幕喷淋系统灭火过程图

3 讨论

整合数据时发现温度-时间曲线图中灭火效果较好的工况温度曲线为单峰值，而灭火效果差的工况均为双峰值乃至多峰值，取其中两组数据（喷头距墙面距离0.2 m和0.5 m）进行寻峰拟合及峰值分析。部分工况寻峰拟合示意图如图4所示。从火焰传播和喷淋作用位置进行辨析。

图4 寻峰拟合图

火焰传播的主要影响机理是火焰到热解前沿位置的固体燃料的热传递，其中气相化学反应会对传播过程中火焰长度、温度等特征带来影响，且立面火向上蔓延主要依靠热解区域产生的火焰持续覆盖并加热未燃区域，致使未燃区域受热并被点燃，因此立面向上火蔓延的抑制机制可以从热量的控制上进行研究。立面火向上蔓延传播速度与热解高度随时间变化高度相关，在研究中通常认为热解高度为材料表面温度达到燃点的高度位置。竖直燃烧平面从下至上依次为燃烧分解区、火焰覆盖的预燃区。喷淋水幕喷射在燃烧表面时可分为3种工况：水幕作用于火焰覆盖的预燃区域；水幕作用于预燃区域上方，并形成一个润湿区；水幕直接作用于分解区。喷淋作用于预燃区的灭火效果最好。喷淋3种作用区域示意如图5所示。

图5 喷淋3种作用区域示意图

灭火主要通过两种作用，一种是蒸发冷却灭火，一种是穿过火焰层来到保温材料表面形成水膜灭火。距离保温材料越远，水幕的喷淋面越低越靠近火源，水幕的喷淋面作用在分解区，当流量足够大的时候会形成吹熄效果把火迅速灭掉，但是等比例缩尺寸实验中喷淋流量较小，大部分水滴在火焰中部蒸发，但火焰前锋依然在向上燃烧，同时大量水滴带来新鲜的氧气使得喷淋开启后一小段时间会出现温度的回升。当喷淋作用面处于预燃区时，水幕直接作用于火焰前锋，使其向上蔓延速度变缓，同时形成水膜保护保温材料表面，使其分解温度变高，不宜燃烧。同时水幕灭掉火焰前锋处的火焰后，继续顺着壁面下流灭火效果最佳，温度时间曲线只有一个峰值。当喷淋作用于润湿区时，在燃烧区上方形成一个水膜，可以减缓火焰的侵蚀，但是流量较小时火焰过大仍然会继续燃烧，温度增加出现第二个峰值。因此喷头距保温材料板0.5 m时也就是喷淋水幕作用于预燃区时，灭火效果最好。

通过前文的分析得出结论，喷头距聚苯乙烯保温材料水平距离、喷头竖直方向高度、喷头最低点与竖直垂线倾斜角，三者共同决定喷淋面距地面高度H。按照图6喷淋作用高度示意图，H的高度可表示为：

图6 喷淋作用高度示意图

式中：x—喷头距聚苯乙烯保温材料水平距离；

H0—喷头竖直方向高度；

α—喷头最低点与竖直垂线倾斜角。

4 结 论

喷头流量大小相同时，水喷淋对聚苯乙烯材料竖向燃烧抑制效果主要取决于喷淋水幕作用于墙面的位置，水幕作用位置由喷头高度、倾斜角度和水平距离共同决定。水幕作用于预燃烧区域抑制效果优于分解区域及未燃区域。该研究为外墙火灾防控及喷淋系统性能化布置提供了有效参考。