摘要:
，研究不同火灾荷载和通风速度下，受防火涂料保护电缆延燃长度的变化规律。结果表明: 一定风速条件下，电缆延燃长度随敷设宽度增加呈指数增长，可根据隧道内通风速度和电缆束宽度近似预测电缆延燃长度，从而为电缆隧道的防火设计提供依据。
关键词: 电缆隧道; 防火涂料; 延燃长度; 通风速度; 火灾荷载
电缆作为传输电力和传递信息的主要媒介，广泛应用于电力企业、工矿企业、通讯网络以及高层建筑等场所中国机械网okmao.com。随着我国城市建设不断发展，电缆的使用量迅速增大，电缆地下化成为必然趋势，利用电缆隧道输送电力的情况也越来越多。
1 电缆隧道的消防安全问题
电缆隧道是一种狭长的受限空间，环境温度较高，内部可燃物复杂，具有较大的火灾危险性。电缆隧道通常贯穿多个生产、生活区域，一旦发生火灾，将造成严重的人员伤亡和财产损失。目前，我国电缆隧道防火标准和有关规范还不够完善，电缆隧道的设计和施工中对火灾预防考虑不够充分，隧道自动灭火装置可靠性不高，导致很多电缆隧道存在着火灾隐患［1］。
涂刷电缆防火涂料是电缆隧道中常用的阻火措施。很多国家对电缆防火涂料的使用有明确规定［2］。例如: 日本规定在电缆隧道里，每隔一段距离就必须涂刷一定长度的防火涂料，穿越防火隔墙两侧的电缆也必须涂刷一定长度的防火涂料; 俄罗斯对重要部位要求使用耐火电缆，并在其表面涂刷防火涂料，以达到双重防火效果。国内相关规范也已将电缆防火涂料作为电缆防火保护措施列入其中，并且有相应的阻燃、耐火性能测试方法［3 － 6］。但涂料在实际施工过程中并没有统一的标准，其阻火效果无法保证; 国内外相关的电缆火灾试验大多与电缆隧道场景相去甚远，难以反映实际火灾。因此，本文设计了符合电缆隧道实际环境的试验方法来研究防火涂料阻火的有效性。
2 电缆水平燃烧试验平台
电缆隧道中电缆大多是水平敷设在电缆桥架上，方式较为单一，因此本文主要研究通风速度和火灾荷载对涂刷防火涂料电缆延燃长度的影响，而不考虑敷设方式等因素。试验平台的设计思路为: 将电缆并排敷设在桥架上，并置于近似隧道环境的试验箱内，以一定的供火强度进行点燃。试验箱两端开口，一端用风机进行送风，另一端能够排烟，风机的风速可进行手动调节，从而改变试验过程中的通风条件。
2． 1 大尺寸试验箱
本试验在3. 5 m × 1 m × 1 m的长方体试验箱内进行。试验箱为钢结构框架，为保证燃烧的稳定和充分，试验箱两端开口。由于电缆隧道为受限空间，散热能力较差，因此箱体材料采用具有一定隔热性能的石棉板，并在正面的中间部位安装3 m × 0. 5 m的防火玻璃作为观察窗，透过观察窗，可以从试验箱外面观察到整个被测试样的燃烧过程。本试验箱与实际电缆隧道尺寸之比约为1∶ 2，属于大尺寸试验箱，能够很好地反映电缆隧道的实际火灾。
试验箱内放置长3 m、宽0. 3 m的电缆桥架，桥架共分2 层，下层距地面高度为0. 4 m，上层距地面高度为0. 7 m，底部安装滑轮便于移动。桥架由角钢焊接而成，属于梯级式桥架，在实际工程中应用较广，尺寸也与实际情况相符。
试验箱内沿中心线布置2 层热电偶，用来测量箱内温度。本试验采用K 型热电偶，直径为0. 5 mm，测量范围0 ～ 1 370 ℃，绝对误差在± 2 ℃之内。如图1 所示，下层7 只热电偶A1 ～ A7 距地面高45 cm，距进风口距离分别为55、80、105、130、180、230 和280 cm; 上层5 只热电偶B1 ～ B5 距地面高度为75 cm，距进风口距离分别为55、80、130、180和230 cm，探头位于电缆束正中间。
2． 2 火源设置
试验需要有一定强度的火源进行供火，其作用主要是使电缆产生能够稳定传播的火焰。电缆隧道发生火灾的原因主要是外部火源引燃和短路，这两种情况都是在具有稳定外热源条件下发生的，因此火源的设置能够反映实际火灾场景。
本文试验采用油池火，燃料为柴油。试验用的油盘为圆形，直径为0. 3 m，以便火焰覆盖整个桥架宽度，高度为0. 15 m，热释放速率通过称重法测量。火源的热释放速率可通过式( 1) 计算。
Q = ηmfEf ( 1)
式中: η 为燃烧效率; mf 为燃料的质量损失速率; Ef为燃料的燃烧热值。柴油的燃烧热值约为52 MJ /kg。研究表明［7］，在小空间环境中，η 值约为0. 8，并且柴油池火在其稳定燃烧阶段质量基本是线性递减，质量损失速率保持恒定，因此可以将油盘燃烧前后的质量差Δm 与燃烧时间t 的比值近似作为柴油的平均质量损失速率mf。本试验中，将1. 5 L柴油倒入油盘内进行点燃，燃烧持续685 s，燃烧前后油盘质量变化为1. 185 kg，计算得出火源平均功率约为72 kW。
3 电缆水平燃烧试验及结果分析
试验材料采用直径为11 mm的铜芯( 3 mm ×2. 5 mm + 1 mm × 1. 5 mm) 交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套( YJV) 电力电缆以及YDAH-102 膨胀型水性电缆防火涂料。试验前，将涂料搅拌均匀后涂刷于YJV 电缆上，反复涂刷5 次，并晾置24 h。待涂料完全固化后，试样可用于水平燃烧试验，涂料干燥厚度约为0. 5 mm。
本文仅研究火源作用下，单层电缆着火后的延燃规律。试验过程中将电缆水平敷设在桥架下层，用一定功率油盘火点燃，改变火灾荷载和通风速度，可得到不同条件下受防火涂料保护电缆的延燃长度以及试验箱内各测点的温度，从而了解火灾情况下，电缆隧道内温度和电缆延燃长度的变化规律，用于指导电缆隧道的防火设计。具体试验方案和试验结果列于表1。
电缆隧道的通风速度并无统一标准，实际风速也因隧道规模和结构而有所不同，但为了便于人员进入隧道检修，实际工程中风速一般小于3 m/s。本试验的风速范围设置为0 ～ 2. 4 m/s，自然通风状态下风速为0，除自然通风外，试验均在顺流通风条件下进行，即气流与火焰蔓延方向一致; 火灾荷载的变化可通过改变电缆数量来实现，火灾荷载越大，说明电缆数量越多，敷设宽度越宽。在分析过程中用敷设宽度D 表征火灾荷载的变化。
3． 1 试验过程
通风速度1. 6 m/s，敷设数量24 根时，电缆延燃长度最长，火灾危险性最大，因此以该组试验为例，分析涂刷防火涂料的YJV 电缆在试验中的延燃过程。试验中油盘火火焰高度约为30 cm，点火后约60 s，电缆开始燃烧，且燃烧较为猛烈，同时产生大量浓密的黑烟。在风速的作用下，电缆火焰高度并不高，火焰沿顺风方向倾斜，贴近电缆表面蔓延。供火停止后，电缆仍持续燃烧一段时间才熄灭，整个过程持续约1 100 s，最后测得电缆延燃长度为142 cm。
试验过程中，下层热电偶的最高温度分别为690、636、616、528、490、120 和94 ℃。涂刷防火涂料的电缆燃烧过程中释放的热量较少［8］，试验箱内温度较低，特别是在远离火源处，由于火源辐射减弱，并且在防火涂料的作用下电缆点燃难度增加，电缆难以维持燃烧。由此可见，防火涂料在一定规模的火灾中能起到较好的阻火作用，在实际工程中应当把涂刷防火涂料作为电缆隧道防火的重要措施，并根据实际情况合理确定涂刷长度，从而保证隧道的安全。
3． 2 试验结果
3． 2． 1 通风因素影响
通风条件对电缆火焰蔓延有很大影响，图2 为不同火灾荷载量的电缆延燃长度随通风速度变化曲线。从图2 可以看出: 随着风速的增大，电缆延燃长度先迅速增加，说明当空气流动与火焰传播方向相同时，会增加火焰传播的距离，这是由于火焰在风的作用下发生倾斜，增大了向燃料表面的传热速率，使未燃区域的电缆接受的热量增加，并且通风加快了燃烧区新鲜空气的补给速度，从而加速了电缆的热解与燃烧。当通风速度增加到一定程度时，对燃烧的促进作用达到最大，此时电缆延燃长度最长。继续增大风速，延燃长度便会逐渐减小，说明风速过大会对燃烧产生抑制作用，这主要是由于气流对燃料的冷却作用加强，同时会对火焰产生扰动，使未燃区域电缆获得的热量减少，火焰传播速度减慢，电缆延燃长度也相应减小。
图2 不同荷载量电缆延燃长度随风速变化曲线
Fig． 2 Curves of char length varying with wind speed
图2 中在延燃长度随风速增加阶段，当火灾荷载量较小时，增长趋势较为平缓，而荷载量较大时则增长迅速，这是由于火灾规模较小时，供气充足，电缆延燃长度的增加主要依靠火焰的倾斜对燃料表面的加热作用; 火灾规模较大时，除了火焰的倾斜作用外，向燃烧区的供气速度对火焰的蔓延有很大影响。在延燃长度随风速增大而减小阶段，火灾荷载量较小时延燃长度减小趋势较为迅速，而荷载量较大则减小趋势较为缓慢，这说明火灾规模越大，燃烧越稳定，此时需要更大的风速才能对其产生冷却和扰动作用。
3． 2． 2 火灾荷载因素影响
从试验结果来看，火灾荷载量增大时，电缆延燃长度增加，这由于在受限空间内，大量电缆燃烧时释放的热量容易聚集，电缆之间交叉辐射作用明显，能够预热未燃区域电缆并使其燃烧。图3 为各通风速度时电缆延燃长度随敷设宽度
变化曲线。根据试验数据对不同风速条件下电缆延燃长度与敷设宽度进行拟合，发现按照指数方程y = β0eβ1x 拟合效果较好，说明风速一定时，电缆延燃长度与火灾荷载量之间具有一定的相关性。
表2 列出了不同通风条件下，电缆延燃长度随敷设宽度变化的拟合公式，其中指数项β1 随风速的增加有增大的趋势，说明通风速度越大，随着敷设宽度的增加，电缆延燃长度增长越快。而常数项β0 则随着风速的增大先增加后减小，说明常数项反映了通风速度对火焰蔓延的影响规律。通过上面的公式可大致预测不同条件下受防火涂料保护电缆的延燃长度，并将其作为防火涂料阻火的临界长度，从而为防火涂料在电缆隧道中的应用提供依据。
4 结论
通过研究不同条件下电缆防火涂料阻火的有效性，得到了电缆延燃长度随通风速度和敷设宽度的变化规律，对电缆隧道的防火设计具有一定的理论指导意义和实际应用价值。但是任何一种阻火措施的能力都不是无限的，也没有哪一类建筑可以单独依靠一种防火措施就能够保障其安全。因此，电缆隧道的防火设计必须把各种防火措施作为一个整体考虑，提高整个消防系统的可靠性，这样才能为电缆隧道提供更有效的消防保护。
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电缆防火涂料阻火有效性试验
李晓康1，2，杜文锋2，徐志胜1
( 1． 中南大学防灾科学与安全技术研究所，湖南长沙410075;
2． 中国人民武装警察部队学院消防工程系，河北廊坊065000)