趙宗玉,張樹川

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

我國接連發(fā)生多起電焊作業(yè)、導(dǎo)線短路等引燃外墻保溫材料的重特大火災(zāi),使得外墻保溫材料引起了社會的極大關(guān)注。因此,許多學(xué)者開始研究外墻保溫材料的被引燃能力,多數(shù)都會涉及電焊、短路等高溫電弧產(chǎn)生的高溫顆粒物對外墻保溫材料的引燃能力。盧志剛等[1]研究了電焊熔珠對棉布和聚氨酯泡沫的引燃能力。李青[2]研究了酒精噴燈和電焊熔珠對聚氨酯保溫板的引燃能力。雷鵬奎[3]研究了對電焊熔珠掉落于4種不同承載面的實驗探究,對其熔珠形狀、最大直徑統(tǒng)計分析,并粗略統(tǒng)計各熔珠的引燃情況。姜航等[5]研究了以電線過載發(fā)熱對聚氨酯保溫材料的引燃能力,結(jié)果發(fā)現(xiàn)過載電流達(dá)到4倍額定電流時,均會引燃聚氨酯保溫材料。程志冉[4]利用汽油噴燈對EPS保溫材料進(jìn)行引燃條件實驗研究。

上述研究對于熔珠產(chǎn)生到掉落中溫度變化、能量散失以及熔珠痕跡特征研究較少。因此,本文通過對電焊飛濺熔珠引燃常見XPS保溫材料的形成過程進(jìn)行高速影像的捕捉,識別其落于保溫材料表面的熔珠溫度變化,分類統(tǒng)計其熔珠數(shù)量與直徑分布,并結(jié)合材料宏觀痕跡特征,研究其引燃能力,對于準(zhǔn)確識別電焊作業(yè)導(dǎo)致火災(zāi)的現(xiàn)場調(diào)查提供重要依據(jù)與理論支持。

1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

電焊熔珠制備試驗臺用于制備電焊金屬熔珠,由防火板、鐵架臺、焊接件等組成,如圖1所示。試驗儀器為:德力西牌ZX7-250直流電焊機(jī),用于制備電焊熔珠;IDT Y7-S3高速攝影機(jī),用于拍攝記錄熔珠掉落過程瞬間現(xiàn)象;杭州美盛紅外R600紅外熱成像儀,用于記錄熔珠掉落過程中的溫度變化。

圖1 試驗臺布置

試驗開始前,將XPS板按60 cm×60 cm×3 cm規(guī)格裁剪備用,并在每次試驗前,依次將裁剪后的樣品放置于試驗臺上進(jìn)行試驗探究。將高速攝像機(jī)和紅外熱像儀,放置于試驗的主視角方向,鏡頭對準(zhǔn)材料表面,分別記錄電焊熔珠掉落軌跡與熔珠溫度。將焊接件放置于試驗臺正中間,焊接點距離材料垂直距離設(shè)置為0.1 m,在直流電焊機(jī)通電后,分別調(diào)節(jié)電流值(120、160、200 A),夾持焊條,以點焊的方式對焊接件進(jìn)行電弧焊,持續(xù)不斷地拉弧,保證電焊的不間斷,以持續(xù)噴濺出高溫電焊熔珠顆粒。試驗完成后,切斷電焊機(jī)電源,將收集到的試驗數(shù)據(jù)整理,并待熔珠冷卻至室溫后,按照試驗順序編號收集電焊熔珠,且注明其引燃現(xiàn)象。

2 試驗過程與分析

在電焊作業(yè)過程中,焊接電弧瞬間產(chǎn)生,其焊條金屬迅速融化,產(chǎn)生高溫液態(tài)熔池,焊接熔珠掉落至下方保溫材料接觸介質(zhì)形成電焊迸濺熔珠。其引燃的物理模型如圖2所示。該模型考慮了易燃?xì)怏w通過擴(kuò)散和自然對流作用在空氣中的傳播。最終,當(dāng)預(yù)混的可燃?xì)怏w達(dá)到最低易燃極限時,將會發(fā)生有焰氣體燃燒反應(yīng)[5]。

圖2 熔珠引燃保溫材料的物理模型

將著床后引燃可燃物,且火焰持續(xù)時間1 s以上的電弧迸濺熔珠定義為引燃可燃物的熔珠,無明火產(chǎn)生則定義為無法引燃可燃物的熔珠[6]。

2.1 熔珠引燃過程及溫度與時間關(guān)系

電焊熔珠在產(chǎn)生迸濺后,由于重力的驅(qū)使,熔珠自由落體以不同的角度與保溫材料表面相接觸,此過程通過高速攝像機(jī)記錄電焊熔珠掉落于XPS板表面的全過程,確定引燃現(xiàn)象。時間從電焊熔珠產(chǎn)生時開始計算,熔珠引燃XPS保溫材料的2種引燃現(xiàn)象如圖3所示。

(a) 可引燃熔珠的著床過程

(b) 不可引燃熔珠的著床過程圖3 熔珠引燃保溫材料的引燃試驗現(xiàn)象

通過對熔珠溫度的測量,建立了熔珠產(chǎn)生至冷卻熄滅階段的相關(guān)關(guān)系。圖4為不同電流條件下,引燃熔珠隨時間的溫度變化。根據(jù)引燃熔珠溫度變化規(guī)律,其共經(jīng)歷4個階段。(Ⅰ)升溫階段:熔珠由于電弧熱量與焊條藥皮燃燒的熱量共同作用,使其溫度急速上升。通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn),熔珠表面有氧化鐵的存在,說明氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量也作用于熔珠本身。(Ⅱ)失熱階段:由于重力和熱傳遞作用,熔珠從產(chǎn)生掉落到接觸材料表面這一階段,室內(nèi)空氣對高溫熔珠有熱量的搶奪,使熔珠溫度急劇下降。且在熔珠到達(dá)材料表面時,會以彈跳接觸、鑲嵌接觸等方式,直接與材料發(fā)生傳熱過程[7],此過程熱量散失嚴(yán)重。(Ⅲ)穩(wěn)定燃燒階段:熔珠嵌入材料中,高溫的熔珠顆粒使材料不斷被熱解,熱解產(chǎn)生的氣體與空氣相混合引發(fā)燃燒現(xiàn)象,此過程引燃材料產(chǎn)生的火焰使電焊熔珠再一次被加熱,溫度上升。(Ⅳ)冷卻熄滅階段:熱解氣體與空氣的混合氣體濃度隨時間逐漸減小,火焰強(qiáng)度減弱,火焰熄滅,熔珠溫度降至室溫,高溫熔珠在材料表面形成熔痕孔洞。由于可引燃熔珠會受到火焰的熱反饋作用,其溫度呈現(xiàn)雙波式降溫。電流的增加,其產(chǎn)生熔珠的溫度也在增加,電流120、160、200 A條件下,分別對應(yīng)1 365、1 531、1 604 K。

(a) 電流120 A

(b) 電流160 A

(c)電流200 A圖4 電焊熔珠引燃XPS保溫材料的時間-溫度變化曲線

對于不燃熔珠而言,其自身的熱量不足以引燃材料,無法通過引燃材料的火焰熱反饋升溫,所以相較于引燃熔珠,不燃熔珠不經(jīng)歷燃燒升溫階段,且失熱與冷卻降溫階段合并為一個總體降溫階段。由圖5可見,溫度曲線呈單波動式降溫,即(1)第一階段:與引燃熔珠的升溫過程相似,都是由于其電弧能量作用下,不燃熔珠溫度也因氧化反應(yīng)所釋放的熱量而短暫升溫。(2)第二階段:熔珠掉落過程中與熔珠在材料表面彈跳過程中,與空氣接觸散失部分熱量;到達(dá)材料表面后,熔珠也僅僅使材料發(fā)生熱解,未能把熱解氣體引燃,所以該階段降溫速度較快。在電焊機(jī)加載電流不同的情況下,熔珠的最高溫度也不同。在電流為120、160、200 A條件下,熔珠的最高溫度分別為1 178、1 271、1 384 K。隨著電流的增加,其熔珠的最高溫度在逐漸增加。

(a) 電流120 A

(b) 電流160 A

(c)電流200 A圖5 電焊熔珠無法引燃XPS保溫材料的時間-溫度變化曲線

2.2 不同引燃條件下對電焊熔珠數(shù)目和粒徑分布

圖6顯示出在不同電流條件下,不同直徑的引燃熔珠和非引燃熔珠的分布規(guī)律。為減少誤差,取3次熔珠直徑的平均值。

圖6 不同電流條件下熔珠引燃XPS板的數(shù)量直徑分布

加載電流對電焊熔珠的數(shù)目和粒徑分布有很大的影響[5]。隨著焊機(jī)電流的增加,產(chǎn)生的電焊熔珠數(shù)量也逐漸增加。觸發(fā)電流增大,電弧能量增強(qiáng),熔池區(qū)的能量增大,液態(tài)金屬從焊接點迸濺時受到的作用力增大,迸濺出的液態(tài)金屬增多,產(chǎn)生的迸濺熔珠數(shù)量增多。由圖6可見,熔珠的數(shù)量會在某一個粒徑范圍出現(xiàn)集中,呈現(xiàn)峰狀集中分布[8]。在引燃區(qū)域內(nèi),電流越大熔珠數(shù)量越多,引燃熔珠的粒徑均大于1 mm,引燃熔珠粒徑多數(shù)均集中于1～3 mm范圍內(nèi),電焊熔珠是一種高溫?zé)犷w粒,隨著電流的增加,賦予熔珠的電弧能量、電場力等也在增加,粒徑大于3mm的熔珠均能引燃材料,這是由于粒徑大的熔珠攜帶的能量多,能夠使得大熔珠容易點燃材料。不燃熔珠數(shù)量遠(yuǎn)大于引燃熔珠,且不燃熔珠的粒徑主要分布在0～2 mm的區(qū)間內(nèi),有一小部分粒徑在2～3 mm內(nèi)的熔珠不具備引燃能力。

不同粒徑的熔珠其引燃現(xiàn)象對溫度的敏感程度標(biāo)準(zhǔn)不一樣。因此,熔珠必須經(jīng)過一定的體積才能發(fā)生引燃,引用熔珠有效能量公式[9],即

式中:ρpcp的乘積表示熔珠的體積熱容;Tp為熔珠著床溫度;T∞是系統(tǒng)的基準(zhǔn)溫度(此處假設(shè)為室溫);dp為熔珠直徑;mp為熔珠質(zhì)量。

熔珠的體積能與著床溫度和熔珠直徑有關(guān)。對于直徑小的(d<1)熔珠,即使升高其溫度,對于熔珠體積能的影響并不明顯;中等直徑的(13 mm)的熔珠,溫度對于引燃特征的影響力大于直徑,引燃現(xiàn)象也對溫度變化更為敏感。著床前,熔珠的溫度及直徑直接影響熔珠所具有的能量。

2.3 不同引燃現(xiàn)象的材料宏觀分析

圖7為同一工況下的電焊熔珠發(fā)生可燃和不燃保溫材料試驗之后剩下的材料橫截面。對于可燃材料的橫截面來說,靠近熔珠迸濺面的材料孔洞直徑遠(yuǎn)大于底部的材料孔洞直徑,這是由于在熔珠滴落的情況下,與材料相接觸所產(chǎn)生的強(qiáng)烈火焰燃燒所導(dǎo)致的。且在材料上部觀察到有大量黑色的焦油,此現(xiàn)象說明,燃燒火焰只在靠近材料表面的1.25 cm處的范圍內(nèi)燃燒,表明聚苯乙烯泡沫材料的厚度對于熔珠引燃的過程影響不大。因為其“頸部結(jié)構(gòu)”限制了空氣中氧氣的供應(yīng),進(jìn)而阻止了火焰進(jìn)一步向下蔓延[10]。下部的孔洞結(jié)構(gòu)與不燃樣品的形狀相同。

圖7 熔珠引燃XPS板的橫截面

對于不燃材料的橫截面,材料上部的孔洞直徑小于材料下部,這是因為熔珠在掉落于材料表面后在材料下部停留時間較長,由還未冷卻的熔珠加熱材料所導(dǎo)致的材料收縮。且整個孔洞直徑相較于熔珠直徑來說較大,并且孔洞內(nèi)壁光滑。

2.4 電焊熔珠的引燃概率

電焊熔珠顆粒頻頻引燃保溫材料,并造成嚴(yán)重的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。通常情況下,顆粒達(dá)到一定尺寸及溫度,才能點燃建筑外墻保溫材料?，F(xiàn)結(jié)合上述試驗數(shù)據(jù),從熱點理論出發(fā),無量綱化分析得出可使用如下公式確定高溫顆粒點燃保溫材料的顆粒臨界尺寸與臨界溫度之間的關(guān)系[11],即

式中:rcri為臨界尺寸;δcr為達(dá)姆克拉數(shù);λ為導(dǎo)熱系數(shù);ρ為材料密度;E為表現(xiàn)活化能;T為臨界溫度;下標(biāo)為p的是材料的物理參數(shù);下標(biāo)為m的是電焊熔珠的物理參數(shù)。

上式中提及的拉姆克拉數(shù)未知,以下為拉姆克拉數(shù)δcr的估算過程,即

試驗中用到的J422焊條其焊芯是由鐵和碳組成,所以電焊熔珠是金屬鐵熱顆粒,金屬鐵顆粒引燃保溫材料的熱物性參數(shù)見表1。

表1 熱物性參數(shù)

根據(jù)上述公式,將得到的40組數(shù)據(jù)列表整理,如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)整理

計算出熔珠顆粒引燃XPS保溫材料的臨界點燃條件。并對其數(shù)據(jù)擬合處理,得到該熔珠顆粒的臨界引燃條件曲線,見圖8。

圖8 熔珠引燃XPS板的條件評估

由圖8可知,電焊熔珠的引燃能力由其接觸材料表面時的瞬時溫度與熔珠直徑共同作用,小直徑熔珠則需要更高的溫度來發(fā)生引燃,大直徑熔珠則只需要較低的溫度就可以達(dá)到引燃的效果。擬合曲線得出的相關(guān)系數(shù)R2在0.87以上,該模型可作為熔珠引燃XPS規(guī)律的初步預(yù)測。

3 結(jié)論

1) 通過分析熔珠引燃材料的發(fā)展過程,將引燃熔珠的溫度變化規(guī)律分為4個階段。相較于不燃熔珠的溫度變化規(guī)律,其不燃熔珠沒有燃燒升溫階段,即沒有熔珠引燃材料后的二次火焰加熱升溫過程,且熔珠的最高溫度隨著電流的增大而增加。

2) 隨著電流的增強(qiáng),其具有引燃能力的迸濺電焊熔珠數(shù)量增加,且具有引燃能力的熔珠,其直徑主要分布在1～3 mm區(qū)間內(nèi);無法引燃的熔珠,其直徑主要分布在0～2 mm區(qū)間內(nèi)。直徑大于3 mm的熔珠絕大多數(shù)具有引燃能力,直徑小于1 mm的熔珠,均不具有引燃能力。

3) 熔珠接觸材料后,會在材料內(nèi)部形成孔洞痕跡,且孔洞直徑相對較大于熔珠直徑。不燃熔珠所形成的孔洞呈豎直圓錐狀,底部孔洞較大于材料頂部,且內(nèi)壁光滑;引燃熔珠所形成的孔洞呈花盤狀,材料頂部孔洞直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底部直徑,且頂部孔洞內(nèi)壁粗糙,可觀察到大量黑色焦油。

4) 結(jié)合熱點理論及無量綱化分析,提出了預(yù)測引燃XPS板的理想模型,可作為熔珠引燃XPS板規(guī)律的初步預(yù)測模型。