電纜高輻射熱通量下燃燒性能實驗研究

●趙銳敏

(武警學院消防指揮系，河北廊坊 065000)

隨著社會經濟的不斷增長，科學技術的突飛猛進，包括電力電纜、控制電纜、通訊電纜在內的各種電纜的應用范圍越來越廣，使用量越來越大。由于大部分塑料電纜的護套原料和絕緣材料都具有可燃性，當線路發生短路時，很容易引燃護套料和絕緣料，繼而導致火災發生;當塑料電纜暴露在高溫環境或火災中，不僅能增大火勢和發煙量，而且極易導致火勢蔓延。另外，電纜火災產生的大量煙塵及毒性氣體，會造成火場能見度降低，影響人員逃離火場，甚至造成人員窒息、中毒甚至死亡。鑒于電線電纜潛在的火災危險性以及造成的嚴重后果，我們有必要進一步研究其在火災條件下的燃燒性能。

1 實驗材料與儀器設備

實驗樣品是由淮勝電纜廠提供的多種規格的PVC電力電纜。實驗前將PVC電纜樣品VV1、VV2、VV3、VV4、VV5分別截成100mm的小段，并將小段并列排放，使其總寬度約為100mm，用鋁箔紙包覆成單面暴露的試樣，參數見表1。本實驗使用英國FTT公司制造的錐形量熱儀(Cone Calorimeter)。實驗標準按錐形量熱儀ISO5660[1]進行。本實驗輻射熱流強度選擇50和75kW·m－2。首先校對錐形量熱儀，將樣品水平放置，啟動計算機開始采集數據，手動點燃樣品，當試樣燃燒完全，且O2濃度不再發生變化時，即實驗結束。實驗數據由錐形量熱儀的專用軟件，配合Origin7.0軟件進行分析和處理。

表1 電纜試樣及參數

2 實驗結果與討論

對不同規格PVC電纜試樣在75kW·m－2條件下進行測試，另外對試樣VV3、VV4、VV5在50kW·m－2條件下進行測試，其CONE實驗結果見表2。不同熱輻射通量及電纜直徑對PVC電纜燃燒參數的影響如下:

2.1 對熱釋放速率的影響

由表2及實驗得到的熱釋放速率(HRR)曲線(略)可知:在75kW·m－2的熱通量條件下，試樣VV3、VV4、VV5在很短的時間內就可被點燃，并且很快出現第一個熱釋放速率峰。在50kW·m－2的熱通量條件下，試樣VV3、VV4、VV5的點燃時間延長，分別為 10、11、11s，平均熱釋放速率分別降低了26.84%、23.58%、14.65%，峰 值 分 別 降低 了29.13%、19.74%、19.90%。這充分說明隨著錐形量熱儀熱通量的降低，PVC電纜被點燃的時間延長，熱釋放速率減小，而且峰值也減小，外界的熱通量對PVC電纜的燃燒有很大影響。在75kW·m－2的熱通量下5種PVC電纜隨著直徑的增加，熱釋放速率的平均值依次增大，其峰值也依次增大，原因是隨著直徑的增大，單位面積內可燃物質的量增加，導致熱釋放速率增大。而且出現熱釋放速率峰值的時間基本在500～650s之間，所以，只考慮電纜因素，電纜引起火災時，要求人員必須在前8min疏散完畢。

表2 CONE實驗結果

2.2 對質量損失速率的影響

由表2及實驗得到的質量損失速率(MLR)曲線(略)可知:隨著熱通量的增加，MLR的峰值逐漸增加，在 50kW·m－2熱通量條件下，VV3、VV4、VV5試樣 MLR 的峰值分別為0.197、0.202、0.513g·s－1。在75kW·m－2熱通量條件下，5種電纜的MLR峰值分別為 0.388、0.740、1.730、2.749、2.997g·s－1，VV5的MLR的峰值最大，且出現峰值的時間最早，為315s。可見，隨著直徑的減小，MLR的峰值依次減小，說明隨著PVC電纜直徑的增加，熱裂解速度峰值出現的更早，火災危險性大。比較可知，熱輻射通量的變化，對PVC電纜質量損失速率的影響非常大。

2.3 對比消光面積的影響

由實驗得到的煙釋放速率和總煙釋放量隨時間的變化關系可知:提高熱輻射通量能使PVC電纜的煙釋放速率和總煙釋放量增加。在實際火災中，對人員疏散和消防人員撲救火災造成不利影響。且熱釋放速率大，則煙釋放速率大，煙生成量也大;熱釋放速率低，則煙釋放速率低，煙生成量也低。表明熱釋放速率和煙釋放速率成正比。由圖1(75kW·m－2熱通量)可以看出:隨著PVC電纜直徑的增加，比消光面積(SEA)的峰值依次增加，但其平均值基本保持在700m2·kg－1左右。其原因是隨著PVC電纜直徑的增加，電纜中某種發煙量大的材料的量增加，致使這種材料燃燒時單位質量的電纜發煙量增大，這對整個燃燒過程發煙量的平均值沒有太大影響。PVC電纜在火災時產生煙氣大，對人員逃生很不利，應做抑煙處理，以避免對人員造成傷害。

圖1 不同電纜比消光面積曲線

2.4 對火災性能指數的影響

火災性能指數(FPI)定義為點燃時間與熱釋放速率峰值的比值。它同封閉空間(如室內)火災發展到轟燃臨界點的時間(即“轟燃時間”)有一定相關性。轟燃時間是設計消防逃生時間的重要依據[2]。FPI越小，發生轟燃所需的時間越短，火災危險性越大;FPI越大，發生轟燃所需時間越長，火災危險性相對較小。由表2可知:隨著熱輻射通量的增加，PVC電纜的火災性能指數降低，火災危險性增大。其原因是隨著熱輻射通量的增大，PVC電纜的pkHRR增大，TTI減小，導致 FPI降低。比較5種PVC電纜試樣的FPI值可知:VV1的FPI值最大，VV5的FPI值最小，說明隨著PVC電纜直徑的增加，火災危險性逐漸增大。原因是隨著電纜直徑的增大，pkHRR值增大，而在同一熱輻射通量下，直徑的不同不會對點燃時間造成太大影響，致使FPI值減小。

2.5 對CO產率的影響

由表2和圖2可以看出:5種PVC電纜CO產率的平均值基本相同，保持在 0.05 ～0.07kg·kg－1之間，但是隨著直徑的增加，CO產率的峰值依次增加。峰值最大的是 VV5，為 3.001kg·kg－1。CO 是火災中主要毒性氣體，是導致人員中毒的元兇。發生火災時，人員應在CO產率出現峰值之前逃離火場。

圖2 不同電纜的CO產率曲線

2.6 直徑不同對電纜點燃時間的影響

電纜在錐形量熱儀中呈現非單一平面，并且隨著直徑的不同而變化，因此需要對其進行研究，來確定不同的樣品表面是否會由于與錐形加熱器的距離不同而造成熱輻射強度的太大差異，并在此基礎上明確這種差異對于電纜點燃時間的影響。由表2知，直徑的變化對電纜點燃時間(TTI)的影響很小，所以非平面表面對電纜各表面所受的熱通量影響極小，并且對于同種材料的電纜，直徑的不同不會造成電纜點燃時間的太大差別。

3 結論

本文采用錐形量熱儀對常用不同規格的PVC電纜產品暴露在高輻射熱通量條件下的燃燒性能進行實驗研究，得出了以下結論:(1)隨著熱輻射通量的降低，PVC電纜被點燃的時間延長，熱釋放速率減小，而且峰值也減小，外界的熱通量對PVC電纜的燃燒有很大影響。(2)隨著熱輻射通量的升高，PVC電纜MLR的峰值逐漸增加，熱裂解速度加快。(3)提高熱輻射通量能使PVC電纜的煙釋放速率和總煙釋放量增加。熱釋放速率和煙釋放成正比。(4)隨著熱輻射通量的增加，PVC電纜的FPI降低，火災危險性增大。(5)在相同熱輻射通量下，PVC電纜隨直徑的增大，熱釋放速率增大，其峰值也增大。而且出現熱釋放速率峰值的時間基本在500～650s之間，所以，單考慮電纜因素，電纜引起火災時，要求人員必須在前8min疏散完畢;隨著PVC電纜直徑的增加，MLR峰值出現的更早，火災危險性大;PVC電纜CO產率、比消光面積的平均值基本上相同，但是隨著直徑的增加，其峰值依次增加;PVC電纜直徑的不同不會造成電纜點燃時間的太大差別;隨著PVC電纜直徑的增加，FPI減小，火災危險性增大。

[1]ISO5660－1，Reaction－to－fire tests－Heat release，smoke production and mass loss rate[S].

[2]張軍，紀奎江，夏延致.聚合物燃燒與阻燃技術[M].北京:化學工業出版社，2005.

[3]王慶國，張軍，張峰.錐形量熱儀的工作原理[J].現代科學儀器，2003，(6):36 －39.