海洋球引燃條件分析

邸宇翰 張金專教授

(中國人民警察大學 研究生院，河北 廊坊 065000)

0 引言

2018年3月25日，俄羅斯克麥羅沃市列寧大街“冬天的櫻桃”購物中心發生重大火災，火源位于商場兒童游樂區。經數據統計及全俄保險協會評估，該火災導致64人死亡，52人受傷，火災損失達40億盧布。火災調查人員判定最初引起火災的可燃物是海洋球。海洋球又名波波球，是生活中常見的室內兒童軟質娛樂產品。海洋球原料通常有2種：一種是低密度聚乙烯(Low-density Polyethylene，LDPE)，另一種為聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)。通常，聚烯烴高聚物的燃燒火焰溫度可達1227℃，釋放大量熱量，還會產生熔融滴落物，加劇燃燒在物體和空間上的蔓延。LDPE在燃燒后還會產生大量煙氣和有毒有害氣體，如CO(120mg/g)等，這些氣體是火災致死致傷的關鍵原因。商場兒童娛樂區大都存在海洋球池，若其引發火災，由于集熱效應，導致火場溫度較高，易造成巨大經濟損失，并產生大量有毒氣體，危害現場人員以及消防人員的生命安全，從而引發不可估計的后果。

目前文獻關于海洋球相關研究較少，主要集中在海洋球的煙氣毒性分析、衛生安全情況以及海洋球原料的熱分解性能，其研究內容值得參考借鑒。2000年，Kevina McGarry等使用管式爐研究LDPE的分解和燃燒性能；2006年，張研等使用差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)和熱重法(Thermogravimetric Analysis，TG)研究LDPE的熱解特性，發現LDPE在約408.9℃時開始熱解,且熱解生成物總反應級數為一級反應；2010年，李紅山等進行高密度聚乙烯(High-density Polyethylene，HDPE)、線性低密度聚乙烯(Linear Low Density Polyethylene,LLDPE)和LDPE熱分解動力學的比較研究，研究表明LDPE的熱分解只有一個分解過程，為一級反應，熱分解溫度隨升溫速率呈線性增加； 2020年，徐晶晶等對兒童軟體塑料游樂產品進行煙氣及毒氣分析，結果顯示PVC海洋球的毒性較高，產品檢測結果依據GB/T 20285-2006標準為危險級，在公共場所大量使用具有較高危險；2020年，徐晶晶等根據海洋球性質，對國家標準《玩具安全 第3部分：易燃性能》(GB 6675.3-2014)提出補充，建議增加對于海洋球等特殊形狀產品的燃燒性能方法，該標準僅適用于頭戴玩具等4種產品，而海洋球并不符合上述任意一種玩具。綜上所述，目前對海洋球的研究主要集中在對其材質的燃燒性能進行分析，但對何種火源可以引燃海洋球研究較少。

進行引燃條件的研究時，需要火源對材料進行點燃，從而觀察實驗現象，得到結論。因此點火源種類的選取至關重要。歐盟標準EN11277在爆炸性環境條件下，從有效點火源角度給出13類點火源的引燃特征；1998年，蔣慧靈分析香煙頭、白熾燈和金屬熔渣的引燃能力；2015年，鄧亮等研究煙頭對木屑的引燃情況；2016年，蘭恩德、陳婧睿等在研究浸機油棉布的引燃實驗時，以明火、香煙火和熱輻射為點火源；2019年，施遠、張金專等在對鎂粉的引燃能力進行研究時，以過負荷銅導線作為點火源；2020年，任常興等分析電火花的引燃方式、引燃能力影響因素。

綜上所述，本文采用明火、香煙火和電火花3種點火源，測試在不同距離下海洋球的引燃時間、燃燒持續時間和海洋球表面溫度變化情況，以期精準判別海洋球火災事故的原因，從而降低海洋球火災的發生。

1 實驗儀器與材料

實驗儀器：點火器；秒表；鐵質燃燒槽；火災痕跡物證實驗臺；K型熱電偶；TP700多路數據采集儀。

實驗材料：LDPE海洋球(直徑7cm)；多根相同的鋁導線；香煙。

2 實驗方法設計

2.1 明火條件下的引燃研究

選取8個相同規模的海洋球為一組，將海洋球放置于燃燒槽中，控制點火器火焰底部距離試樣的距離分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5cm。火焰垂直向上且長度為3cm，點火位置為試樣中心，在居中的海洋球表面放置熱電偶，明火引燃實驗裝置，如圖1。點火瞬間為初試時間并開始計時，記錄試樣的點燃時間和火焰熄滅時間，測量海洋球表面中心處的溫度變化。為減小誤差，進行重復性實驗，每組實驗進行7次。實驗在環境溫度為10.3℃、相對濕度為35%的封閉無風環境下進行，同時整個過程用相機記錄，用于核實秒表記錄的數據。

圖1 明火引燃實驗裝置

2.2 香煙火條件下的引燃研究

選取8個相同規模的海洋球為一組，將海洋球放置于燃燒槽中，控制香煙頭部距離試樣的距離分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5cm。在相同環境下進行重復性試驗，每組實驗進行7次，探究香煙頭與可燃物之間的距離對海洋球引燃情況的影響。香煙引燃實驗裝置，如圖2。

圖2 香煙引燃實驗裝置

2.3 電火花條件下的引燃研究

在火災痕跡物證試驗臺內的絕緣手柄中插入一根導線，另一只絕緣手柄中固定另外一根導線，閉合電源開關后，制造短路產生電火花，選取電壓值為90V。選取20個相同規模的球為一組，將其放置于燃燒槽中，控制短路點距離試樣的距離分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5cm。為減小誤差，每組實驗重復7次。實驗過程使用照相機記錄，用于核實秒表記錄的數據。

3 實驗結果與分析

3.1 明火引燃實驗

研究距離對海洋球引燃能力的影響，設置明火為火源進行實驗。實驗結果，見表1。海洋球表面的溫度變化，如圖3。

表1 明火火源條件下不同距離的實驗結果(單位：s)

圖3 不同引燃距離下海洋球表面溫度的變化

根據表1可分析出，海洋球可以被明火引燃。明火引燃海洋球時，首先出現熔化現象，隨后出現白煙，最后出現明火。并且隨著引燃距離的增加，海洋球越不易被引燃，當引燃距離大于1.5cm時，海洋球不能被引燃。從圖3可分析出，隨著距離的增加，海洋球表面能達到的最高溫度逐漸降低，溫度上升所需時間也逐漸增加。引燃距離為0cm時，海洋球表面溫度上升所需的時間最短，溫度最高可上升到400.3℃。

實驗結果表明，引燃距離為0cm時，海洋球被引燃且出現明火，點火30s時出現熔化現象，33s后出現白煙，57s時海洋球表面出現明火，90s時海洋球完全融化，同時火焰熄滅；當引燃距離為0.5cm時，海洋球被引燃且出現明火，點火69s時出現熔化現象，75s后出現白煙，83s時海洋球表面出現明火，引燃178s后海洋球完全融化，同時火焰熄滅；引燃距離為1cm時，海洋球被引燃且出現明火，點火156s時出現熔化現象，170s后出現白煙，175s時海洋球表面出現明火，火焰在海洋球表面持續145s；在引燃距離為1.5、2、2.5cm時，未出現熔化和發煙現象，且海洋球不能被引燃。

海洋球能否被引燃是由輻射熱強度和輻射熱通量2個參數決定的。只有當火源的輻射熱通量和輻射熱強度同時大于海洋球表面的引燃臨界熱通量和熱強度時，海洋球才能被引燃。海洋球在引燃距離為0、0.5、1cm時，可以被引燃。主要是因為明火傳遞到海洋球表面的熱通量大于海洋球表面的引燃臨界熱通量，所以能被引燃。但引燃距離為1.5、2、2.5cm時，由于材料的收縮、熔化，使其增大海洋球和明火之間的距離，使火源傳遞到海洋球表面的熱量較少，輻射熱通量小于臨界輻射熱通量，因而海洋球不能被引燃。

3.2 香煙火引燃實驗

用一支香煙引燃海洋球，引燃距離分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5cm，引燃結果，見表2；海洋球表面溫度變化，如圖4；實驗現象，如圖5。

表2 香煙火點燃時不同距離的實驗結果(單位：s)

圖4 不同點燃距離時香煙引燃海洋球表面溫度的變化

圖5 香煙引燃條件下海洋球在不同引燃距離下燒損情況

從圖4可知，隨著距離增加，海洋球表面可達到的最高溫度逐漸下降，其中引燃距離為0cm時，海洋球表面溫度上升速率最快，溫度最高可以上升到94.7℃。從表2可得知，隨著引燃距離增加，海洋球達到熔點所需的時間隨之增加。引燃距離為0cm時，香煙與海洋球接觸82s后，海洋球出現熔化現象，熔化的孔洞周圍出現焦黃色痕跡；引燃距離為0.5cm時，引燃122s后，海洋球出現熔化現象，融化的孔洞遠小于引燃距離為0cm時的孔洞。當引燃距離大于等于1cm時，香煙傳遞到海洋球表面的熱量不能使海洋球熔化。

雖然香煙不能引燃海洋球，但在引燃距離為0和0.5cm時，卻能使其熔化，這是因為香煙傳遞到海洋球表面的輻射熱通量雖然不小，但卻小于臨界熱通量，所以海洋球不能被引燃，僅出現熔化現象。當引燃距離大于1cm時，其香煙傳遞到海洋球表面的輻射熱通量比較小，所以海洋球表面沒有出現熔化、發煙、燃燒等現象。筆者認為，香煙火屬于陰火，香煙的數量越多，聚集的熱量越大，一只香煙無法引燃海洋球，但多只香煙就有可能導致海洋球表面出現明火，引發火災。所以可進一步探究香煙數量對海洋球引燃情況的影響。

3.3 電火花引燃實驗

為研究電火花在不同距離下對海洋球的引燃情況，選取加載電壓為90V的電火花，電火花引燃條件下海洋球在不同引燃距離下燒損情況，如圖6。

如圖6所示，加載電壓為90V的電火花不能點燃海洋球，僅能在海洋球表面留下外圈為焦黃色，內圈為黑色的煙熏痕跡。引燃距離為0cm時，煙熏痕跡面積最大，通過電火花的作用，海洋球表面出現鼓包和白色裂痕，未出現燃燒及熔化現象；引燃距離為0.5cm時，海洋球表面出現較大的煙熏痕跡，在煙熏痕跡周圍，出現長條狀裂痕；隨著引燃距離增加，海洋球表面煙熏痕跡的面積逐漸減小。

圖6 電火花引燃條件下海洋球在不同引燃距離下燒損情況

電火花不能引燃海洋球主要是因為電火花傳遞到海洋球表面的熱量較小，輻射熱通量小于臨界輻射熱通量，因而海洋球不能被引燃。但是電弧能量隨著電壓值的增加而變大，當加載電壓增加時，有可能會引燃海洋球，還需進一步對其進行研究。

4 結論

為研究海洋球的引燃條件，筆者用明火、電火花以及香煙火3種點火源在不同距離下測試海洋球的引燃情況。該實驗測量海洋球的引燃時間、燃燒持續時間以及海洋球表面溫度變化情況。

(1)明火可以引燃海洋球。明火條件下海洋球的引燃時間均隨引燃距離增加而增加。在明火作用下，當引燃距離為0cm時，其引燃所需時間最短，溫度上升速率最快，海洋球表面溫度最高可達400.3℃。引燃距離不大于1cm時，海洋球可以被引燃。引燃距離超過1.5cm后，海洋球不能被引燃。

(2)一支香煙不可以引燃海洋球。隨著引燃距離增加，海洋球熔化所需時間逐漸增加，海洋球表面溫度上升速率逐漸降低。在引燃距離不大于0.5cm時，海洋球僅出現熔化現象，溫度最高可達94.7℃。當距離大于1cm時，海洋球沒有出現熔化、發煙、燃燒等現象。

(3)加載電壓為90V的電火花火源不可以引燃海洋球。該火源僅能在海洋球表面留下煙熏痕跡。隨著引燃距離的增加，海洋球表面的煙熏痕跡面積逐漸減小。