火場條件下常用電纜產(chǎn)煙特征及煙氣毒性分析

王之琦,何 豪,朱家哲,黃冬梅

(中國計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

近年來,電纜火災(zāi)多發(fā),并且其熱毒危害較大,引起了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。目前有學(xué)者針對(duì)電纜燃燒及其產(chǎn)物進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,如對(duì)電纜熱釋放速率[1-2]、煙氣比光密度[3-4]、多環(huán)芳香烴(PAHs)譜分布[5]以及主要?dú)怏w成分及擴(kuò)散過程[6-12]等進(jìn)行了分析。這些研究大多是針對(duì)常見的電纜用料,如XLPE(交聯(lián)聚乙烯)和PVC(聚氯乙烯)等熱塑性材料,缺乏對(duì)實(shí)際火場條件下阻燃電纜熱解燃燒過程及煙氣產(chǎn)物的分析。而對(duì)于常用的電纜,其在火場條件下燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣產(chǎn)物中的CO、CO2氣體對(duì)電纜燃燒煙氣產(chǎn)物毒性起決定作用[13-14]。鑒于此,本文選取國內(nèi)市場占有率較高的兩種電纜——阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電纜(ZR-YJV)和阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣聚烯烴護(hù)套電纜(ZR-YJY)開展了熱解燃燒試驗(yàn)研究,通過分析電纜的燃燒性能參數(shù),考察了不同外加熱輻射強(qiáng)度作用下電纜類型和規(guī)格對(duì)電纜產(chǎn)煙特征及煙氣毒性的影響,以期為電纜產(chǎn)品合理選擇以及電纜早期火災(zāi)探測(cè)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用電纜為某電纜企業(yè)生產(chǎn)的規(guī)格分別為1×10 mm2、1×25 mm2、2×10 mm2、3×10 mm2、4×25 mm2的ZR-YJV(阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電纜)和1×10 mm2的ZR-YJY(阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣聚烯烴護(hù)套電纜),試驗(yàn)電纜均為B級(jí)阻燃,其具體參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)電纜具體參數(shù)

試驗(yàn)中將試驗(yàn)電纜截成若干75 mm長段狀樣品,樣品盒底部均勻填充數(shù)層用水浸潤過的脫脂棉以實(shí)現(xiàn)隔熱保溫,將樣品內(nèi)表面利用錫箔紙包覆形成單面受熱的電纜試樣,并排放置于測(cè)試臺(tái)上,在不同外加熱輻射強(qiáng)度下對(duì)電纜試樣進(jìn)行熱解燃燒試驗(yàn)。試驗(yàn)電纜結(jié)構(gòu)及受熱模式如圖1所示,此時(shí)電纜試樣按圖1(b)緊密排列,其受熱表面積S為n根電纜的半個(gè)圓柱體表面積之和,其計(jì)算公式如下:

圖1 試驗(yàn)電纜結(jié)構(gòu)及受熱模式Fig.1 Test cable structure and heating mode

(1)

式中:S為電纜受熱表面積(mm2);n為電纜根數(shù)(根);D為電纜的外徑(mm);H為電纜試樣的長度(mm)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用NBS煙密度試驗(yàn)箱和傅里葉紅外分析儀聯(lián)用裝置,按照ISO5659-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電纜試樣進(jìn)行熱解燃燒試驗(yàn)。電纜受熱試驗(yàn)區(qū)的組成如圖2所示。密閉試驗(yàn)艙內(nèi)電纜燃燒過程不受外部氣流影響,且電加熱方式可進(jìn)行外加熱輻射強(qiáng)度的精確控制,試驗(yàn)誤差較小,可以較為真實(shí)地反映材料在火場條件下的燃燒特性[15]。每次試驗(yàn)前都要對(duì)試驗(yàn)儀器進(jìn)行清潔、校準(zhǔn)及預(yù)熱等工作,以盡量減少試驗(yàn)誤差。

圖2 電纜受熱試驗(yàn)區(qū)組成Fig.2 Composition of cable heating test area

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選取6種不同規(guī)格的兩類典型電纜,采用3組外加熱輻射強(qiáng)度,從低到高依次為25、37.5和50 kW/m2,代表實(shí)際火場中不同強(qiáng)度的熱環(huán)境,開展了模擬火場條件下電纜的熱解燃燒試驗(yàn),為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,重復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 電纜的質(zhì)量損失速率分析

圖3為不同外加熱輻射強(qiáng)度下不同規(guī)格ZR-YJV電纜熱解與燃燒時(shí)的質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化曲線。

圖3 不同規(guī)格電纜質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Curves of quality loss of cables with different specifications over time

由圖3可以看出:隨著外加熱輻射強(qiáng)度的增大,電纜的質(zhì)量損失更快,產(chǎn)煙量更大;同一外加熱輻射強(qiáng)度下不同規(guī)格電纜的質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相近;對(duì)于同種規(guī)格電纜,其最終的質(zhì)量損失差約為0.5 g。

將圖3中電纜質(zhì)量損失對(duì)時(shí)間項(xiàng)求導(dǎo),可以得到電纜的質(zhì)量損失速率[16]。圖4為不同規(guī)格電纜最大質(zhì)量損失速率隨外加熱輻射強(qiáng)度的變化曲線。

圖4 不同規(guī)格電纜最大質(zhì)量損失速率隨外加熱輻射 強(qiáng)度的變化曲線Fig.4 Curves of maximum mass loss rate of cables with different specifications as a function of external heating radiation intensity

由圖4可見,電纜的最大質(zhì)量損失速率與外加熱輻射強(qiáng)度之間呈良好的正線性關(guān)系。因此,可以得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式:

(2)

由公式(2)可求得1、3、4號(hào)電纜的k值分別為0.007 99、0.008 44、0.006 26 g/(kW·s),這種線性關(guān)系與Li等[17]的研究結(jié)果基本一致。

2.2 電纜的煙氣比光密度分析

煙密度是表征電纜燃燒后一定空間內(nèi)懸浮顆粒物的產(chǎn)量,用來反映電纜燃燒產(chǎn)物特性的參數(shù)[18]。本試驗(yàn)中NBS煙密度箱以煙氣比光密度作為衡量電纜煙密度的指標(biāo),記作Ds,單位為%。試驗(yàn)中在不同外加熱輻射強(qiáng)度下規(guī)格為1×10 mm2的ZR-YJV電纜和ZR-YJY電纜的煙氣比光密度隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示,擬合曲線斜率的絕對(duì)值為電纜煙氣比光密度增長速率。

圖5 不同外加熱輻射強(qiáng)度下不同類型電纜煙氣比光 密度隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Variation curves of smoke specific optical density with time for different types of cables under different external heating radiation intensities

由圖5可知:在25、37.5、50 kW/m2外加熱輻射強(qiáng)度下ZR-YJV電纜趨于平衡的煙氣比光密度值分別為689.55%、775.61%和914.88%;在3種外加熱輻射強(qiáng)度下ZR-YJY電纜趨于平衡的煙氣比光密度值分別為63.97%、207.05%和361.81%;ZR-YJV電纜的產(chǎn)煙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ZR-YJY電纜;在穩(wěn)定上升階段,不同外加熱輻射強(qiáng)度下不同類型電纜煙氣比光密度與時(shí)間之間具有良好的線性關(guān)系,可以進(jìn)行線性擬合,該擬合曲線的擬合方程如表2所示。

表2 不同類型電纜煙氣比光密度(DS)隨時(shí)間(t)變化的線性擬合方程

通過對(duì)比圖5中①、②、③及④、⑤、⑥曲線可以看出,無論是ZR-YJV電纜還是ZR-YJY電纜,隨著外加熱輻射強(qiáng)度的增大,電纜的煙氣比光密度上升趨勢(shì)加快,峰值更大,50 kW/m2與37.5 kW/m2之間、37.5 kW/m2與25 kW/m2之間相比均增加了150%左右,且電纜在相同時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)煙量明顯增大[19]。

線芯直徑對(duì)應(yīng)額定載流量,通過搭配不同電纜根數(shù),使試驗(yàn)達(dá)到相同額定載流量的前提條件,研究不同規(guī)格的ZR-YJV電纜煙氣比光密度隨時(shí)間的變化情況,其試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 不同規(guī)格電纜煙氣比光密度隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Variation curves of smoke specific optical density of different specifications of cables over time

由圖6可以看出:受熱條件下電纜的煙氣比光密度呈現(xiàn)先快速增長,達(dá)到峰值后保持平穩(wěn)波動(dòng)的趨勢(shì);電纜的最大煙氣比光密度隨外加熱輻射強(qiáng)度的增加而增大,如1號(hào)電纜從25 kW/m2的715%到50 kW/m2的1 000%;對(duì)比相同額定載流量的3種不同規(guī)格電纜(1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)電纜)可以發(fā)現(xiàn)電纜受熱時(shí)產(chǎn)生的煙氣比光密度總體的大小排序?yàn)?號(hào)>3號(hào)>4號(hào),表明規(guī)格較小的電纜產(chǎn)煙速率更快,但這種差異性并不特別顯著,甚至在出現(xiàn)點(diǎn)燃的情況下,最大煙氣比光密度接近。

通過公式(1)可計(jì)算得到不同外徑下電纜的受熱面積,并得出電纜受熱時(shí)產(chǎn)生的最大煙氣比光密度與受熱面積之間的關(guān)系曲線,如圖7所示。

圖7 不同外加熱輻射強(qiáng)度下電纜最大煙氣比光密度 與受熱面積的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between the maximum smoke specific optical density and the heating area of the cable under different external heating radiation intensities

由圖7可以看出:在3種外加熱輻射強(qiáng)度下,隨著受熱面積的增大,電纜的最大煙氣比光密度均呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)隨后繼續(xù)增長的態(tài)勢(shì),電纜的中間區(qū)域最大煙氣比光密度基本保持一致,表明電纜的產(chǎn)煙量與其受熱面積呈階梯增長;對(duì)比不同外加熱輻射強(qiáng)度下電纜的最大煙氣比光密度,其數(shù)值相差不大。

2.3 電纜的煙氣毒性分析

電纜燃燒產(chǎn)生的煙氣產(chǎn)物除了有煙顆粒、水蒸氣之外,還包括CO、CO2、SO2、NO2等毒性氣體,這些毒性氣體對(duì)人體有刺激性和麻醉作用,容易造成呼吸道損傷甚至產(chǎn)生窒息的危害[20]。圖8為25和50 kW/m2外加熱輻射強(qiáng)度下不同類型電纜燃燒產(chǎn)生的CO、CO2氣體質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線。

圖8 25和50 kW/m2外加熱輻射強(qiáng)度下不同類型電纜燃燒產(chǎn)生的CO和CO2氣體質(zhì)量濃度變化曲線Fig.8 Mass concentration variation curves of CO and CO2 gas mass concentration generated by combustion of different types of cables under 25 and 50 kW/m2 external heating radiation intensities

由圖8可以看出:在相同外加熱輻射強(qiáng)度下,ZR-YJV電纜燃燒產(chǎn)生的CO氣體質(zhì)量濃度是ZR-YJY電纜的近3倍[圖8(a)];而ZR-YJV電纜燃燒產(chǎn)生的CO2氣體質(zhì)量濃度是ZR-YJY電纜的近2倍[圖8(b)]。

將不同規(guī)格的電纜燃燒產(chǎn)生的CO與CO2氣體質(zhì)量濃度峰值進(jìn)行了比較,其結(jié)果見圖9。

圖9 不同外加熱輻射強(qiáng)度下不同規(guī)格電纜燃燒產(chǎn)生的CO和CO2氣體質(zhì)量濃度峰值的比較Fig.9 Comparison of CO and CO2 gas mass concentration peaks generated by combustion of cables with different specifications under different external heating radiation intensities

由圖9可以看出:對(duì)于ZR-YJV電纜,電纜燃燒產(chǎn)生的CO氣體質(zhì)量濃度峰值最大超過650 mg/m3,而CO2氣體質(zhì)量濃度峰值最大可以達(dá)到2 800 mg/m3,其濃度變化明顯[21];對(duì)比圖9(a)中6種電纜燃燒產(chǎn)生的CO氣體質(zhì)量濃度峰值,發(fā)現(xiàn)其均隨外加熱輻射強(qiáng)度的增加呈線性增長,且1～5號(hào)電纜燃燒產(chǎn)生的CO氣體質(zhì)量濃度較為接近,均明顯高于6號(hào)電纜,說明在相同火場條件下,ZR-YJV電纜受熱產(chǎn)生CO氣體的速率要高于ZR-YJY電纜;對(duì)比圖9(b)中6種電纜,電纜燃燒產(chǎn)生的CO2氣體質(zhì)量濃度峰值也隨外加熱輻射強(qiáng)度增加呈線性增長,但6號(hào)電纜與其他電纜的差異性不顯著,說明在相同火場條件下,常見ZR-YJV電纜受熱產(chǎn)生CO2氣體的速率與ZR-YJY電纜無明顯差異。

試驗(yàn)中同時(shí)測(cè)出5號(hào)電纜燃燒產(chǎn)生了部分其他毒性氣體包括SO2、NO2等,其氣體質(zhì)量濃度的變化曲線,如圖10所示。

圖10 25和50 kW/m2外加熱輻射強(qiáng)度下5號(hào)電纜燃燒 生成的其他典型毒性氣體質(zhì)量濃度的變化曲線Fig.10 Change curves of mass concentration of other typical toxic gases generated by the combustion of cable 5 under 25 and 50 kW/m2 external heating radiation intensities

由圖10可知:在25 kW/m2外加熱輻射強(qiáng)度下,與CO、CO2氣體相比,SO2、NO2等氣體的質(zhì)量濃度較低,均在20 mg/m3以內(nèi),且隨電纜燃燒時(shí)間的增加無明顯變化,其中NO2氣體的質(zhì)量濃度達(dá)到4 mg/m3;在50 kW/m2外加熱輻射強(qiáng)度下NO2氣體的質(zhì)量濃度達(dá)到6 mg/m3,超過其職業(yè)接觸限值的時(shí)間加權(quán)平均允許濃度5 mg/m3[22],在50 kW/m2外加熱輻射強(qiáng)度作用下,SO2氣體的質(zhì)量濃度達(dá)到20 mg/m3,是其職業(yè)接觸限值的短時(shí)間接觸允許濃度10 mg/m3[22]的2倍,會(huì)對(duì)人體呼吸道產(chǎn)生嚴(yán)重刺激作用,即電纜燃燒的煙毒性會(huì)對(duì)人體造成傷害[23]。

3 結(jié) 論

本文采用NBS煙密度試驗(yàn)箱和傅里葉紅外分析儀聯(lián)用裝置,對(duì)常用阻燃電纜的產(chǎn)煙特性及煙氣毒性進(jìn)行了熱解燃燒試驗(yàn)研究,得到的主要結(jié)論如下:

1) 電纜燃燒產(chǎn)生的質(zhì)量損失速率隨時(shí)間變化呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì),其最大質(zhì)量損失速率與外加熱輻射強(qiáng)度之間呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系。

2) 通過比較不同外加熱輻射強(qiáng)度作用下趨于平衡的不同類型電纜煙氣比光密度值,發(fā)現(xiàn)ZR-YJV電纜的產(chǎn)煙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ZR-YJY電纜;且隨著外加熱輻射強(qiáng)度的增大,電纜燃燒產(chǎn)生的煙氣比光密度上升趨勢(shì)加快,峰值增大;在相同額定載流量下,規(guī)格較小的電纜產(chǎn)煙速率更快;電纜燃燒的產(chǎn)煙量與其受熱面積呈階梯式增長。

3) 6種電纜燃燒產(chǎn)生的CO、CO2氣體質(zhì)量濃度峰值均隨外加熱輻射強(qiáng)度增加呈線性增長;在常用電纜火災(zāi)初期電纜燃燒生成的CO、CO2氣體質(zhì)量濃度變化明顯,其適合作為常用電纜火災(zāi)早期特征氣體;ZR-YJV電纜受熱產(chǎn)生CO氣體的速率要高于ZR-YJY電纜;與CO、CO2氣體相比,電纜燃燒生成的SO2、NO2等毒性氣體濃度較低,且隨著燃燒時(shí)間的增加無明顯變化,但其濃度均超過其職業(yè)接觸限值,這些毒性氣體產(chǎn)物的持續(xù)增加以及較高的濃度會(huì)對(duì)人體造成傷害。