馮 軍, 包光宏, 胡林明

(1.應(yīng)急管理部 四川消防研究所, 四川 成都 610036;2.國(guó)家防火建筑材料質(zhì)量 檢驗(yàn)檢測(cè)中心, 四川 成都 610036)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,我國(guó)電纜用量迅猛增加,由電纜不阻燃引發(fā)的火災(zāi)也隨之增加。為減少電纜燃燒引發(fā)的火災(zāi),各類阻燃電纜應(yīng)運(yùn)而生,并且已廣泛應(yīng)用于各類民用及工業(yè)建筑、大型公共場(chǎng)館、大型綜合體、石油化工、火力發(fā)電廠與變電站、地鐵、隧道等重要場(chǎng)所的供配電線路和重要電氣設(shè)備的電氣線路中[1]。

為便于監(jiān)督部門對(duì)該類產(chǎn)品的監(jiān)督管理和規(guī)范企業(yè)生產(chǎn),我國(guó)制定了一系列阻燃電纜燃燒性能的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn),但這些試驗(yàn)方法均為垂直燃燒方式(如GB/T 31248—2014、GB/T 18380系列標(biāo)準(zhǔn)等),無(wú)成束電纜水平燃燒試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。然而在實(shí)際應(yīng)用工程中,電纜安裝方式既有垂直敷設(shè)又有水平敷設(shè)。

特別是2019年我國(guó)首次發(fā)布GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]明確規(guī)定“建筑高度大于等于100 m的公共建筑”等建筑中,對(duì)于水平敷設(shè)的通信電纜或光纜應(yīng)通過(guò)水平燃燒試驗(yàn)要求。

鑒于以上情況,需要建立成束電線電纜水平燃燒試驗(yàn)裝置,以此對(duì)電線電纜的水平燃燒性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,同時(shí)為我國(guó)下一步制定電線電纜水平燃燒性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置構(gòu)成和測(cè)試原理

該試驗(yàn)裝置主要由進(jìn)氣室、進(jìn)氣閘門、試驗(yàn)爐、燃燒器、排煙管道、風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)、煙密度測(cè)量設(shè)備、熱釋放測(cè)量設(shè)備、計(jì)算機(jī)采集和控制系統(tǒng)組成。電纜水平燃燒性能試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 電纜水平燃燒性能試驗(yàn)裝置

該裝置主要測(cè)試水平安裝的成束電線電纜在受火條件下火焰蔓延特性、熱釋放特性以及產(chǎn)煙特性。

火焰蔓延特性是測(cè)試電纜燃燒后火焰?zhèn)鞑サ木嚯x。試驗(yàn)時(shí),通過(guò)紅外火焰探測(cè)器來(lái)測(cè)量火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。

熱釋放特性包括熱釋放速率和熱釋放總量。熱釋放速率基于耗氧法原理,即電纜材料燃燒時(shí),即使不同材料燃燒釋放出的熱量各不相同,但消耗單位質(zhì)量的氧氣所釋放的熱量接近一個(gè)常數(shù),這樣就可以根據(jù)所消耗的氧氣量計(jì)算出電纜燃燒的熱釋放速率[3]。熱釋放總量從燃燒器點(diǎn)火開(kāi)始到試驗(yàn)供火結(jié)束的熱釋放速率積分值表示,并從中扣除燃燒器的熱輸出值。

產(chǎn)煙特性包括最大煙密度和平均煙密度。煙密度是用初始光強(qiáng)度與瞬時(shí)光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)比描述的煙霧不透明度。平均煙密度是指電纜在受火期間產(chǎn)生的總煙密度的平均值。最大煙密度是指電纜在受火期間產(chǎn)生煙密度的最大值。

2 試驗(yàn)裝置的主體設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)氣室和進(jìn)氣閘門

進(jìn)氣室由L形鍍鋅鋼制單元構(gòu)成,固定在試驗(yàn)爐的進(jìn)氣端。該進(jìn)氣口應(yīng)有一個(gè)300 mm×470 mm的矩形開(kāi)口,允許空氣通過(guò)試驗(yàn)爐的進(jìn)氣閘門進(jìn)入試驗(yàn)爐。該閘門為一個(gè)垂直滑動(dòng)閘門,沿著試驗(yàn)箱的整體寬度,可提供一個(gè)高度為76 mm±2 mm的進(jìn)氣口,該高度以試驗(yàn)箱的底板平面為起點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

2.2 試驗(yàn)爐

該爐內(nèi)部尺寸為7 620 mm×451 mm×305 mm,其結(jié)構(gòu)由方管/矩形管制成的端、側(cè)立柱和爐體鋼板組成,經(jīng)高強(qiáng)度焊接后構(gòu)成一個(gè)牢固的整體,可長(zhǎng)期使用不變形。 爐內(nèi)砌體部分由耐溫達(dá)到1 400 ℃的耐火保溫磚組成。爐門位于爐體上方,由型鋼和不燃無(wú)機(jī)絕緣材料構(gòu)成。為了獲得有效的密封,在爐門和爐體之間,設(shè)置水封即采用自來(lái)水作為循環(huán)水源,不僅可以為爐體和爐門之間提供密封,同時(shí)可帶走燃燒測(cè)試過(guò)程中的熱量,有效保護(hù)爐體。同時(shí)為了觀察爐況,在兩側(cè)爐墻安裝有觀察窗。進(jìn)氣擋板采用氣動(dòng)控制方式,可自動(dòng)開(kāi)啟及關(guān)閉。

2.3 燃燒器

在試驗(yàn)箱的一端配備一個(gè)雙口燃?xì)馊紵?向上輸送火焰。燃?xì)馊紵鞑捎秒娮狱c(diǎn)火系統(tǒng)遠(yuǎn)程點(diǎn)火。燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)由壓力調(diào)節(jié)器、燃?xì)鈮毫Ρ?、燃?xì)饪焖偾袛嚅y和質(zhì)量流量計(jì)組成。燃?xì)饪焖偾袛嚅y由電磁閥自動(dòng)控制,即試驗(yàn)中若有回火現(xiàn)象,該閥能自動(dòng)切斷供氣。同時(shí)為了火源穩(wěn)定,需維持均勻的氣體流動(dòng)條件,在管路中設(shè)置了孔板與壓力計(jì)。燃燒器火源功率的大小由質(zhì)量流量計(jì)控制,而質(zhì)量流量計(jì)可以通過(guò)軟件輸入數(shù)值來(lái)自動(dòng)管理。

2.4 排煙管道中測(cè)試儀器、熱釋放和煙密度測(cè)量設(shè)備

排煙管道由不銹鋼材料制成,其內(nèi)徑400 mm、長(zhǎng)8 400 mm。雙向探頭用來(lái)測(cè)量排煙管道中的體積流量。探頭安裝在距排煙管路末端2 800 mm。在排煙管道中煙氣充分混合處安裝一個(gè)取樣探頭,而取樣探頭通過(guò)取樣管與氧氣和二氧化碳?xì)怏w分析儀相連,這樣將測(cè)出管道內(nèi)氧和二氧化碳含量,最后通過(guò)軟件分析出熱釋放速率和熱釋放總量[4]。

熱釋放測(cè)量設(shè)備由氣體分析和采樣設(shè)備組成。氣體分析和采樣設(shè)備包括不銹鋼氣體取樣管、過(guò)濾器、干燥劑、抽樣泵、流量控制裝置和氧氣分析儀。其中,氧氣分析儀測(cè)量范圍為0%～21%,滿刻度準(zhǔn)確度為±0.25%。在通過(guò)入口流入氣體取樣管的氣流組成中引入了階梯變化后,來(lái)自氧分析儀的信號(hào)應(yīng)在30 s內(nèi)達(dá)到其最終值的10%范圍以內(nèi)。

煙密度測(cè)量設(shè)備設(shè)置在排煙管道內(nèi)氣流混合均勻的位置。該設(shè)備主要由白熾燈、透鏡系統(tǒng)和探測(cè)器組成。探測(cè)器與測(cè)試系統(tǒng)相連,將記錄煙霧造成的入射光衰減量,最后通過(guò)軟件分析出最大煙密度和平均煙密度。

2.5 鋼 梯

鋼梯是用于放置電纜試樣,由冷軋鋼制造。該鋼梯長(zhǎng)7 320 mm、寬305 mm,共有32個(gè)橫檔和2個(gè)立柱組成。立柱為方形鋼柱,其截面尺寸為38 mm×9.5 mm;橫檔為槽鋼,其間距為229 mm,截面尺寸為13 mm×25.4 mm×3 mm。

3 試驗(yàn)裝置功能和軟件設(shè)計(jì)

3.1 功能設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置功能結(jié)構(gòu)

燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)采用質(zhì)量流量計(jì)和熱電偶組成的測(cè)溫控制系統(tǒng)完成對(duì)甲烷流量和火焰溫度的控制。溫度壓力采集系統(tǒng)完成對(duì)設(shè)備各爐溫、爐壓監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)監(jiān)控。風(fēng)速控制系統(tǒng)完成對(duì)爐內(nèi)風(fēng)速、流量的控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中氧含量、CO2、CO、透光率和光強(qiáng)度的采集。

軟件設(shè)計(jì)是依據(jù)試驗(yàn)流程,通過(guò)RS-485總線統(tǒng)一控制各子系統(tǒng),自動(dòng)完成電纜水平燃燒性能試驗(yàn),并獲得各項(xiàng)燃燒性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 軟件流程設(shè)計(jì)

先進(jìn)行試驗(yàn)爐預(yù)熱,再進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn),校準(zhǔn)項(xiàng)目主要有爐體密封性能、爐內(nèi)溫度、熱釋放和煙密度校準(zhǔn)。校準(zhǔn)合格后,再正式進(jìn)入試驗(yàn)階段。

3.3 界面設(shè)計(jì)

軟件界面分為爐內(nèi)預(yù)熱、校準(zhǔn)試驗(yàn)、樣品試驗(yàn)、設(shè)備自檢、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)參數(shù)。本程序開(kāi)發(fā)了圖像化試驗(yàn)界面,形象地描述電纜燃燒試驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù),如火焰蔓延長(zhǎng)度、氣體的體積流量、耗氧量、二氧化碳和透光率等,同時(shí)實(shí)時(shí)記錄燃?xì)饬髁看笮?。試?yàn)軟件監(jiān)控界面(一)、(二)分別如圖3、圖4所示。

圖3 試驗(yàn)軟件監(jiān)控界面(一)

圖4 試驗(yàn)軟件監(jiān)控界面(二)

4 試驗(yàn)裝置的校準(zhǔn)

該裝置按照NFPA 262—2015《通風(fēng)空間用線纜火焰蔓延及煙密度測(cè)試方法》[5],主要從試驗(yàn)爐密封性能、溫度和煙密度進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。校準(zhǔn)方法和過(guò)程具體分析如下。

4.1 試驗(yàn)爐密封性能校準(zhǔn)

首先將試驗(yàn)爐蓋板完全蓋好,將進(jìn)氣端閘門開(kāi)啟(76±2) mm,手動(dòng)調(diào)節(jié)排煙風(fēng)門,此時(shí)風(fēng)壓應(yīng)達(dá)到37 Pa。然后關(guān)閉和密封進(jìn)氣端閘門。風(fēng)壓應(yīng)增加到至少93 Pa,此時(shí)表明不存在漏氣即試驗(yàn)爐密封性能符合要求。試驗(yàn)爐密封性能校準(zhǔn)界面如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)爐密封性能校準(zhǔn)界面

4.2 試驗(yàn)爐溫度校準(zhǔn)

溫度校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí),在試驗(yàn)爐內(nèi)距噴嘴中心7.01 m處的熱電偶溫度應(yīng)在600 s內(nèi)達(dá)到267 ℃±5.5 ℃。當(dāng)所要求的最高溫度發(fā)生變化時(shí),而變化是由于所用燃?xì)獾奶匦曰蚺艧熕俣鹊淖兓?則必須做出調(diào)整,并再次進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn),直到符合要求為止。調(diào)整之后,記錄所確定的燃料流量和穿過(guò)孔板的壓差。通過(guò)調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁?600 s內(nèi)達(dá)到267 ℃,符合溫度校準(zhǔn)要求。試驗(yàn)爐溫度校準(zhǔn)界面如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)爐溫度校準(zhǔn)界面

4.3 煙密度校準(zhǔn)

將光源電壓設(shè)定在最小8 V,將光電管電壓設(shè)定在最小30 mV(透明光束),使用10個(gè)中性密度濾光片對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),濾光片的值分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0。每個(gè)濾光片必須位于光電管的前面,以覆蓋光路的整個(gè)寬度。通過(guò)中性密度濾光片的不透光度,煙霧的光密度為

式中:I0——透明光束光電探測(cè)器信號(hào);

I——利用中性密度濾光片的光電探測(cè)器信號(hào)。

在x軸上標(biāo)繪每個(gè)濾光片的OD計(jì)算值,在y軸上標(biāo)繪相應(yīng)的中性密度值。最后采用最小二乘誤差技術(shù)確定最佳擬合線的斜率(1±0.2)。校準(zhǔn)后,計(jì)算所有的OD值,使用最佳擬合線的斜率校正。如果偏差超出所要求的公差范圍,對(duì)光源電壓和光電管電阻進(jìn)行調(diào)整。本次校準(zhǔn)的斜率為0.94,符合煙密度校準(zhǔn)要求。試驗(yàn)爐煙密度校準(zhǔn)界面如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)爐煙密度校準(zhǔn)界面

5 結(jié) 語(yǔ)

該裝置主要用于研究電線電纜在水平安裝條件下的燃燒性能,可測(cè)出電線電纜的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x、熱釋放速率、熱釋放總量等[6-9]。

該裝置為我國(guó)下一步制定電纜水平燃燒試驗(yàn)方法建立了基礎(chǔ),將確保GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》更好地實(shí)施,為電纜生產(chǎn)企業(yè)、建筑設(shè)計(jì)院、住建驗(yàn)收和消防監(jiān)督部門提供技術(shù)支撐。