熱老化對聚乙烯導線火蔓延特性的影響規律

張 英,王 帥,余飛揚,田富超,付 明,張賢凱

(1.武漢理工大學 安全科學與應急管理學院,湖北 武漢 430070;2.中煤科工集團沈陽研究院,遼寧 沈陽 110067;3.清華大學合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601;4.湖北億緯動力有限公司,湖北 武漢 448124)

隨著電力事業的不斷發展,電纜應用范圍越來越廣,在給人類帶來便利的同時,也成為重要火災隱患。根據有關消防部門統計,在日常生活中電氣火災占火災總數的30%以上,而導線電纜火災又占電氣火災的50%左右。電纜主要由絕緣層和金屬線芯組成的導線和外護套組成,在電纜使用過程中,由于老化后的絕緣材料會發生一定程度的劣化,如變脆、開裂,甚至發生絕緣擊穿,會引發嚴重的電氣火災事故,嚴重危害人員的生命財產安全。2021年7月24日,吉林省長春市一婚紗店攝影棚上部照明線路老化漏電起火,引燃隔壁物流倉庫,造成15人死亡,25人受傷,建筑物過火面積約6 200 m2,直接經濟損失約3 700萬元。因此,分析熱老化對導線火蔓延行為的影響對火災發展的預測和撲救具有非常重要的理論價值和現實意義。

前人對于電纜導線的火災行為特性開展了大量研究,主要集中在導線尺寸、重力條件、環境壓力、傾斜角度、外部熱源、環境氧濃度、電流電場等因素對導線電纜火災的著火、燃燒、滴落行為和火蔓延特性的影響。一些學者對于老化材料的熱解、燃燒特性進行分析,如WANG等[1]分析了老化聚乙烯的熱解特性,并對導線進行老化實驗,用FWO、KAS和Friedman 3種方法計算出每個老化階段的活化能,發現老化后的PE導線活化能更高,更難被點燃。KIM等[2]對老化非E1級電纜燃燒特性進行分析,發現非E1級老化電纜由于老化過程中揮發分的蒸發推遲了點火時間,火災危險性降低。一些學者對于老化后的失效特性和燃燒特性進行分析,如XIE等[3]對電纜的失效特性進行分析,研究熱老化對電纜失效時間和溫度的影響,發現隨著老化時間的增加,絕緣失效時間和失效溫度均會降低。XIE等[4]采用MCC-FTIR研究老化PVC電纜護套材料的燃燒特性,發現老化后PVC護套熱釋放速率峰值高于新PVC護套,并且HCl釋放要早于新PVC護套,老化后的外護套火災危險性和毒性增加。而舒中俊等[5]對老化PVC電纜進行錐量實驗,發現老化后的電纜點火時間增加,熱釋放速率減小,火災危險性減小。前人對于老化對電纜火災危險性的影響還存在爭議,需要進一步研究。

綜上,學者們對線纜的火災行為做了大量的基礎研究,對老化電纜的研究大多是利用錐量等實驗分析老化電纜護套和絕緣材料的熱解、燃燒特性的改變[6-10],但是對熱老化導線電纜火蔓延特性研究較少。因此,筆者采用兩種不同內徑的聚乙烯導線作為實驗樣本,研究熱老化導線火蔓延過程中的火焰形態、火蔓延速度和滴落行為的變化規律,分析熱老化時間對導線火蔓延特性的影響,以期準確預測熱老化電纜火災發展情況,為老舊電線建筑的防火設計提供理論支持。

1 實驗

1.1 實驗材料及準備

采用國標SYV50-5-1和SYV50-5-3同軸電纜,SYV同軸電纜憑借其優異的導電性能廣泛應用于城市和家庭用電。去除電纜外護套和屏蔽層,留下聚乙烯絕緣層和銅芯作為實驗樣本。實驗中使用兩種不同尺寸的聚乙烯絕緣銅芯導線A和B作為實驗樣本,每個實驗樣本長400 mm,實物圖如圖1所示,實驗導線尺寸和熱物性參數分別如表1和表2所示。為了便于觀察火蔓延特性和后期處理數據,間隔2 cm在導線絕緣層上做一個標記。

表1 實驗導線尺寸

表2 導線熱物性參數[11-12]

圖1 實驗導線實物圖

1.2 老化工況

實驗采用泰斯特儀器有限公司生產的101-2AB型號恒溫箱。按GB/T2951.2—1997熱老化實驗標準對實驗樣本進行加速熱老化處理,具體熱老化方法:將導線豎直懸掛在恒溫箱中部,設置恒溫箱溫度為90±1 ℃,各試樣間距在2 cm以上。以7天為間隔,分別制備熱老化0 d、7 d、14 d、21 d和28 d的熱老化導線試樣。制備好的熱老化試樣在室溫條件下放置24 h后再進行火蔓延實驗。一般當溫度升高10 ℃時,聚合物老化速率會提高2～3倍[13]。據此估算加速熱老化28 d的試樣對應實際老化時間約為4.9～10.0年。

1.3 實驗臺搭建

實驗裝置由導線支架、導線夾、恒溫箱(泰斯特101-2AB)、DV(索尼FDR-apx55,100 fps)、電熱線圈點火器、電子天平(梅特勒-托利多ML6002T)、熱流計組成(GTT-25-50-WF),如圖2所示。導線夾可防止導線在燃燒過程中受熱變形影響實驗結果,使用的導線樣本長度為400 mm,為了降低點火源造成的影響,取中間火蔓延穩定時的100～300 mm進行實驗現象分析,在穩定火蔓延階段下方放置一個電子天平,實時測量滴落質量變化,使用DV拍攝記錄穩定火蔓延和滴落過程,通過圖像處理得到導線火焰前沿位置、火焰高度、寬度、滴落隨時間的變化情況。為了防止環境風速對實驗結果造成影響,所有實驗均在密閉實驗室條件下進行3次以上。

圖2 實驗臺示意圖

2 實驗結果與分析

2.1 火焰形態

火焰形態參數主要包括火焰高度、火焰寬度,其中火焰高度與熱釋放速率密切相關[14],可以直觀地反映火蔓延過程中的燃燒規模情況。實驗過程使用相機記錄導線火蔓延過程中的火焰形態,通過圖像法測量火焰形態。由于導線在火蔓延過程中會發生絕緣層熔融滴落現象,導致火焰形態發生劇烈變化,觀察到實驗過程中兩次滴落之間的一段時間內火焰形態基本穩定,因此采用該相對穩態階段中的火焰圖像作為研究對象以討論火焰形態的變化。

不同熱老化程度下穩態時的火焰形態如圖3所示。由圖3可知,火焰高度和火焰寬度都隨著老化時間的增加而減小;導線A比導線B的穩態火焰更寬更高,這是因為導線A的線芯較粗、絕緣層更厚,線芯與聚乙烯絕緣層接觸面積更大,因此單位長度生成的熔融可燃物更多,火焰高度和寬度更大。為了更直觀地分析火焰高度和火焰寬度的變化規律,使用Premiere軟件對拍攝到的火蔓延過程進行處理并導出時間序列圖片,然后利用Matlab編寫的程序,對圖片進行灰度和二值化處理,通過比例尺換算得到真實火焰高度和寬度數據。

圖3 不同熱老化時間下穩態火焰圖像

導線在火蔓延過程中會由于熔融物的滴落導致火焰發生脈動現象,火焰高度和寬度會不斷波動,因此引入間歇率函數I來表征火蔓延過程中的平均火焰高度和寬度。間歇率函數I是指火焰高度大于某一數值的概率,定義間歇率等于50%時的火焰高度為平均火焰高度。熱老化14 d的導線火蔓延過程中的火焰高度隨時間的變化情況和通過間歇率函數計算得到的平均火焰高度如圖4所示。

圖4 火焰高度隨時間的變化情況和平均火焰高度

穩態火焰高度和寬度隨老化時間的變化規律如圖5所示,可知火焰高度和寬度都隨著熱老化時間的增加而減小。為了更好地研究老化導線滴落行為對火焰形態的影響,在實驗臺下放置電子天平,電子天平上放置一塊鐵板,收集并記錄穩定火蔓延階段的滴落質量,用目測法記錄有效火蔓延長度內的滴落次數和火蔓延時間,進而計算出滴落頻率。

圖5 穩態火焰形態隨老化時間的變化情況

在熱老化過程中,絕緣層聚乙烯內部反應劇烈,導致分子鏈大量斷裂進而產生更小的晶粒,吸熱曲線向更低溫移動,從而降低聚乙烯絕緣層的熔融溫度[15],使得熔融物的量增加,而當熔融液滴重力大于其表面張力時就會發生滴落,導致導線火蔓延過程中的滴落物增加。滴落質量和滴落頻率隨熱老化時間的變化規律如圖6所示。由圖6可知,滴落質量和滴落頻率隨著熱老化時間的增加而增加,滴落質量的增加說明線芯上的可燃物減少;熱釋放速率隨著可燃物的減少而降低,且火焰熱釋放速率與火焰高度成正比,因此火焰高度和寬度隨著熱老化時間的增加而減小。

圖6 滴落隨熱老化時間的變化情況

2.2 火蔓延速度

火蔓延速度是研究導線火蔓延特性的又一重要參數,常用的火蔓延速度測量方法有觀測法、圖像法和熱電偶法3種。筆者采用觀測法測量火蔓延速度,即在試樣表面相同間隔作一些標記,記錄火焰前沿到達標記的時間,從而得到火蔓延速度Vf。

(1)

式中:t(s)為火焰前沿到達刻度s處的時間;Δs為相鄰標記之間的距離。

利用Matlab程序對火焰圖像進行數據處理,得到火焰前沿位置隨時間的變化,如圖7(a)所示,對曲線進行線性擬合得到擬合直線,其斜率即為火蔓延速度?；鹇铀俣入S熱老化時間的變化如圖7(b)所示,可以發現導線的火蔓延速度隨著熱老化時間的增加而減小,并且老化14 d以上的導線火蔓延速度幾乎不變。這可能是因為在熱老化前期聚乙烯由于加熱作用發生結構交聯,對導線火蔓延速度的影響較大,而到熱老化后期結構基本穩定,對火蔓延速度的影響較小。導線A的火蔓延速度小于導線B,這是因為導線A比導線B絕緣層更厚,在導線火蔓延過程中產生的可燃物更多,火焰維持時間較長。對火蔓延速度和老化時間進行二次項擬合,可得到火蔓延速度與熱老化時間的經驗關系式,結果見圖7(b)。

圖7 火焰前沿位置變化和火蔓延速度隨老化時間的變化規律

圖8 導線火蔓延熱平衡模型

因此,預熱區域的能量平衡方程為:

(2)

因此,火蔓延速度可以表示為:

(3)

對固定點處的熱通量進行測量,取火蔓延過程中的最大熱通量為火焰入射熱通量。熱流計測量得到導線A預熱區的熱通量隨熱老化時間的變化情況如圖9所示,可知輻射傳熱在向預熱區的熱傳遞中占主導作用,總熱通量和熱輻射隨著熱老化時間的增加而降低,對流傳熱幾乎不發生變化。由式(3)可知,火蔓延速度與總熱通量正相關,而熱通量又隨著老化時間的增加而降低,因此火蔓延速度隨著老化時間的增加而降低。導線A 5種不同熱老化時間下3次重復實驗結果的預熱區熱通量與火蔓延速度的線性擬合曲線如圖10所示,可以看出擬合優度較高,說明理論分析與實驗結果相符,實驗測試結果較為準確。

圖9 熱通量隨熱老化時間的變化

圖10 預熱區熱通量與火蔓延速度的擬合曲線

3 結論

(1)首次對不同熱老化時間下的聚乙烯絕緣導線的火蔓延特性及滴落行為進行研究,發現火蔓延速度、火焰高度和火焰寬度隨熱老化時間的增加而降低,滴落頻率和滴落質量隨熱老化時間的增加而增加。

(2)通過對火焰與導線和導線內部的傳熱進行分析,得到了考慮熱老化時間的導線火蔓延經驗公式。

(3)通過定量分析滴落和傳熱行為,揭示了熱老化對導線火蔓延行為的影響機制,即熱老化后的導線絕緣材料的熔融溫度降低,使得熔融物的量增加,而當熔融液滴重力大于其表面張力時就會發生滴落,導致導線火蔓延過程中的滴落物增加,滴落物的增加導致可燃物減少,熱釋放速率、火焰高度和火焰寬度降低,進而使得火焰向未燃區的熱量傳遞減少,最終導致火蔓延速度降低。