轟燃條件下燃燒假人測試系統(tǒng)的開發(fā)

徐遠(yuǎn)志 陳 波 韓 祥 穆 巖 白振華

（陜西元豐紡織技術(shù)研究有限公司，陜西西安，710038）

長期以來，我國對服裝面料阻燃防護(hù)性能的測試評價主要采用紡織品垂直燃燒試驗法和極限氧指數(shù)法，雖然該兩種方法可以評價織物的阻燃性能，但并不足以評判織物的熱防護(hù)性能。隨著XF 10—2014《消防員滅火防護(hù)服》、GB 8965.1—2020《防護(hù)服裝 阻燃服》、GB/T 38302—2019《防護(hù)服裝熱防護(hù)性能測試方法》等標(biāo)準(zhǔn)的實施，國內(nèi)使用Stoll 人體二級燒傷曲線以及代表熱傳遞性能的TPP值以及冷卻階段織物釋放熱量的TPE值來評價織物熱防護(hù)性能。其雖可以用于評價織物的阻燃及熱防護(hù)性能，但無法客觀反映服裝整體熱防護(hù)性能及對著裝者所能提供的保護(hù)程度，因其并沒有考慮服裝制作過程的裁剪、設(shè)計以及人體動作等因素。因此，要全面檢測、評價服裝阻燃熱防護(hù)性能，應(yīng)該盡可能真實地模擬人體實際穿著防護(hù)服在火場中的狀況。美國、加拿大等國早已建立燃燒假人實驗室及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如美國杜邦公司與軍方共同開發(fā)的Thermo-man，用于測試服裝構(gòu)造、織物單位面積質(zhì)量、面料種類、樣式等因素對防護(hù)性能的影響；東華大學(xué)于2011 年建成我國首個燃燒假人實驗室，解放軍總后勤部軍需裝備研究所很早建立了類似的“單兵裝備阻燃防護(hù)性能測試實驗室”，但僅限于內(nèi)部使用。

GB 8965.1—2020《防護(hù)服裝 阻燃服》將“成品轟燃條件下的阻燃性能”納入測試指標(biāo)，因此，非常有必要按照GB/T 23467—2009《用假人評估轟燃條件下服裝阻燃性能的測試方法》開發(fā)基于轟燃條件下燃燒假人測試系統(tǒng)（以下簡稱燃燒假人測試系統(tǒng)），以實現(xiàn)通過模擬火場環(huán)境，利用分布于燃燒假人表面的傳感器模擬人體皮膚表面溫度變化，分析轟燃暴露時間、服裝材質(zhì)及著裝姿勢等對假人表面溫度變化的影響，測試分析服裝熱防護(hù)性能，從而為熱防護(hù)服面料開發(fā)、服裝設(shè)計等提供有益參考。

1 基本原理

燃燒假人測試系統(tǒng)用于評估不同材料、款式的單件或整套服裝的熱防護(hù)性能。測試原理是將服裝穿在儀器化假人身上，置于熱通量、持續(xù)時間和火焰分布均可控的模擬轟燃條件的實驗室中，通過假人表面溫度傳感器的檢測數(shù)據(jù)，以熱傳導(dǎo)方程式預(yù)測人體真皮及皮下組織的溫度，計算可能造成的人體二度、三度燒傷面積及總燒傷面積。燒傷面積越大，燒傷程度越重，則服裝的熱防護(hù)性能越差，反之，服裝的熱防護(hù)性能越好［1］。

2 測試系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

由于測試系統(tǒng)燃燒器數(shù)量較多，瞬間燃燒時丙烷氣體流量較大，因此儀器要考慮必要的防護(hù)結(jié)構(gòu)以及建造專用的燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)，避免測試過程中的消防安全隱患。測試系統(tǒng)分為供氣系統(tǒng)、燃燒器系統(tǒng)、點火裝置、燃燒假人、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、專用測試軟件、防護(hù)結(jié)構(gòu)、電控系統(tǒng)、報警及異常處理等子系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)保證在至少5 s 的燃燒時間內(nèi)管道供氣壓力波動不大于10%，使6 組12 支燃燒器均勻燃燒，產(chǎn)生轟燃效果。經(jīng)試驗，如采用常規(guī)單儲氣罐和閉環(huán)反饋壓力調(diào)節(jié)方式，在轟燃瞬間儲氣罐及壓力調(diào)節(jié)裝置難以應(yīng)對如此大的負(fù)荷，無法實現(xiàn)壓力穩(wěn)定調(diào)節(jié)。要保證供氣系統(tǒng)設(shè)計要求，需采用逐級緩沖、逐級降壓方式提高管道壓力穩(wěn)定性，即通過6 個容積為40 L 的丙烷氣罐組成總?cè)莘e為240 L 的緩沖氣罐組。經(jīng)測試，每次轟燃過程系統(tǒng)耗氣量約為3.0 L～4.0 L，不足緩沖罐總儲氣量的2%。因此，采用冗余設(shè)計方式，并通過壓力調(diào)節(jié)閥及壓力調(diào)節(jié)回路可輕松對供氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效控制管道壓力波動。

供氣系統(tǒng)管道分為燃燒氣體支路、引導(dǎo)火氣體支路、安全火氣體支路，各支路燃?xì)獬隹趬毫νㄟ^調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)到設(shè)定壓力。要使暴露期間熱通量滿足84 kW/m2的標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)試驗測得丙烷緩沖罐內(nèi)壓力應(yīng)設(shè)定為2.0 MPa，傳輸管道主氣路為0.4 MPa ，燃燒氣體支路壓力及引導(dǎo)火支路壓力為0.2 MPa，從而可使到達(dá)燃燒器前氣體壓力降至0.1 MPa 左右。

2.3 燃燒器系統(tǒng)

要使燃燒氣體在管道壓力作用下以一定流速從燃燒器噴嘴噴出，同時從進(jìn)氣孔吸入空氣，并在燃燒器內(nèi)部與丙烷氣體混合，然后從燃燒器腔內(nèi)噴出，經(jīng)引導(dǎo)火焰點火后形成轟燃效果，實現(xiàn)燃燒火焰對假人的包裹，關(guān)鍵在于控制燃?xì)馀c空氣的預(yù)混系數(shù)，因此，燃燒器結(jié)構(gòu)上采用外殼為直徑65 mm、長度120 mm 的圓柱體，殼體后部設(shè)計6 個進(jìn)氣孔，燃燒器內(nèi)部噴頭采用1 主8 輔。通過調(diào)整噴頭直徑及進(jìn)氣孔的大小可控制預(yù)混系數(shù)在0.2～0.8 之間，使燃燒火焰較長且達(dá)到充分燃燒。燃燒器的構(gòu)造形式基本按照空氣引射式燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計。

為了實現(xiàn)在假人模特周圍形成均勻的火焰，達(dá)到暴露熱源基本穩(wěn)定一致的目的，燃燒器系統(tǒng)以假人模特為中心設(shè)計6 組燃燒器裝置，在半徑400 mm～500 mm 圓周范圍、吊裝高度200 mm～300 mm、每60°放置一組；每組燃燒器裝置由2 支燃燒器組成，采用上下分組安裝方式固定在軌道上，燃燒器角度、高度、距離任意可調(diào)，以滿足系統(tǒng)熱量調(diào)節(jié)的需要。同時在燃燒器支路上安裝電磁閥、壓力調(diào)節(jié)閥、電子點火器等，用于控制暴露時間、調(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫Φ取?/p>

2.4 燃燒假人

燃燒假人作為測試系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部件，材質(zhì)應(yīng)為阻燃、耐高溫且穩(wěn)定性好的非金屬材料，且易于安裝維護(hù)。假人模型基礎(chǔ)材料選擇樹脂，針對標(biāo)準(zhǔn)要求及考慮傳感器安裝、內(nèi)部布線空間等因素選擇適合的人體各解剖段模具，然后添加玻璃纖維，經(jīng)模壓、固化等得到符合要求的假人模特，由于添加了玻璃纖維，其短時耐溫可達(dá)到200 ℃。表面耐高溫處理是假人模特制作的關(guān)鍵，耐高溫涂層一般分為油性和水基兩種。經(jīng)多次試驗，油性耐高溫涂層固化時間較長，遇高溫后存在軟化及起泡等現(xiàn)象，而水基耐高溫材料固化時間短、表面光潔，遇高溫后熱穩(wěn)定性較好。綜合測試結(jié)果，燃燒假人采用水基耐高溫材料涂層，涂覆厚度為3 mm～5 mm。

2.5 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)用于模擬測量暴露在轟燃環(huán)境下人體表面的溫度，通過燒傷積分算法預(yù)測可能造成皮膚燒傷的程度，傳感器的靈敏性、穩(wěn)定性、可靠性至關(guān)重要。目前，熱傳感器主要分為熱流計傳感器、絕熱傳感器和嵌入式熱電偶。其中，絕熱傳感器精度高、響應(yīng)快、測量范圍大、穩(wěn)定性好，同時相較于其他兩種熱傳感器體積小，更適合安裝在燃燒假人表面。設(shè)計采用直徑10 mm、厚度1.6 mm 的銅片［2］與直徑0.3 mm 的K 型熱電偶以釬焊工藝相連的熱傳感器，精度可達(dá)±0.2 ℃。

燃燒假人共安裝傳感器120 個，對應(yīng)人體表面皮膚分布在軀干部位60 個、雙臂24 個、大腿20個、小腿16 個。為防止傳感器斷裂及便于在燃燒假人表面安裝，需制作支架將傳感器封裝起來。傳感器支架材質(zhì)采用耐高溫PEEK 材質(zhì)，支架中心放置傳感器，并從外部鑲嵌在燃燒假人表面。

2.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確、同步采集并傳送傳感器溫度數(shù)據(jù)，用于計算人體皮膚二度、三度燒傷面積。標(biāo)準(zhǔn)要求在測試期間每個傳感器的采樣頻率為2 Hz，而校準(zhǔn)過程中每個傳感器的采樣頻率為5 Hz。數(shù)據(jù)采樣率越高、系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，越能真實模擬人體皮膚燒傷過程和計算燒傷面積，而要實現(xiàn)120 個傳感器數(shù)據(jù)采集與同步并非易事。為此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用15 個專用8 路溫度采集模塊預(yù)處理120 個傳感器溫度數(shù)據(jù)，并以RS485 通訊方式發(fā)送給串口服務(wù)器；配套測試軟件運用多線程調(diào)度機(jī)制對100 Mb/s 專用串口服務(wù)器用以太網(wǎng)通訊方式發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、顯示、保存，并可實現(xiàn)每個傳感器采樣頻率不小于7 Hz，完全滿足測試要求。

2.7 電控系統(tǒng)及異常處理

電控系統(tǒng)及異常處理是系統(tǒng)在測試過程中安全可控的保障。當(dāng)發(fā)生管道壓力波動超界、燃?xì)庑孤踩鹣?、實驗室門打開等異常情況時，電控系統(tǒng)能自動進(jìn)入異常處理模式，關(guān)閉供氣系統(tǒng)、打開排風(fēng)系統(tǒng)、聲光報警提示，直至異常排除。

電控系統(tǒng)及異常處理采用PLC 控制電磁閥、繼電器、點火器等設(shè)備，實現(xiàn)氣路供氣、點火、停氣等功能。同時通過壓力傳感器實時采集各級管道壓力，保證在轟燃時管道壓力波動在10%以內(nèi)，避免因氣壓波動造成數(shù)據(jù)偏差；配有氣體泄漏裝置防止燃?xì)鉂舛冗^高或燃?xì)鈿埩簦苊庖l(fā)安全事故。

3 測試軟件設(shè)計

配套測試軟件的開發(fā)平臺為DELPHI XE7，按照GB/T 23467—2009《用假人評估轟燃條件下服裝阻燃性能的測試方法》的試驗流程、邏輯關(guān)系和系統(tǒng)功能，檢測噴火位置、供氣壓力、燃?xì)庑孤┑刃盘?，控制電磁閥、點火器、報警燈、排氣扇等硬件，實現(xiàn)對各軟硬件設(shè)備狀態(tài)采集及動作控制，并采用SQLite 數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)參數(shù)、測試數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)等信息加以保存。測試軟件按功能分為設(shè)備校準(zhǔn)、試樣信息、啟動測試、報告查詢、參數(shù)設(shè)置等。

通過傳感器表面溫度預(yù)測真皮層與皮下組織溫度及皮膚燒傷算法是測試系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。本測試系統(tǒng)以皮膚熱傳導(dǎo)系數(shù)不因溫度變化而變化、皮膚內(nèi)沒有吸熱為基礎(chǔ)，且假定熱通量并非全部透過皮膚內(nèi)部，此時可將皮膚內(nèi)部看作一維半無限固體，用非穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)方程式來計算真皮層及皮下組織的溫度分布，皮膚預(yù)測溫度可由公式（1）計算得到［3］。

式中：T為在t時距皮膚表面深度為x處的皮膚溫度（K）；k為在t時皮膚深度x的熱傳導(dǎo)系數(shù)［W/（m·K）］；ρ Cp為 皮 膚 的 體 積 比 熱 容［J/（m3·K）］；t為經(jīng)過的時間（s）；x為距離皮膚表面的深度（m）。

溫度、時間與皮膚燒傷程度存在一定關(guān)系，較低的溫度、較長時間接觸可以導(dǎo)致皮膚的深度燒傷；而較高的溫度、極短接觸時間，僅僅導(dǎo)致一度燒傷。皮膚燙傷溫度-時間曲線見圖2。

圖2 皮膚燙傷溫度-時間曲線

由圖2 可知，當(dāng)人體表面皮膚溫度達(dá)到44 ℃時，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)燒傷即大于一度燒傷大致需要3 h，而當(dāng)表面皮膚溫度達(dá)到70 ℃時，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)燒傷時間小于1 s。同時，當(dāng)皮膚表面溫度高于44 ℃時，不論暴露時間多長皮膚組織都可能出現(xiàn)損傷，其傷害率隨著皮膚表面溫度的升高而按指數(shù)上升。

皮膚燒傷算法可由公式（2）計算得到。

式中：Ω為燒傷程度；P為常數(shù)3.1×1098（s-1）；e 為 自然 常 數(shù)（2.7183）；ΔE為 皮 膚 的 活 化 能（627 kJ/mol）；R為普通氣體常量［8.36 J/（℃·mol）］；T為 皮 膚 層 絕 對 溫 度 值（K）；t為 升 到44 ℃（317.15 K）后的總時間（s）。

當(dāng)Ω≤0.5 時，皮膚未損傷；若皮膚層溫度T大于44 ℃且0.5＜Ω＜1.0 時，則皮膚一度燒傷；若T 大于44 ℃且Ω＞1.0 時，皮膚二度燒傷或三度燒傷［4］。

4 測試情況及結(jié)果分析

燃燒假人測試系統(tǒng)進(jìn)行檢測操作時，首先，檢查實驗室環(huán)境、供氣、排風(fēng)等系統(tǒng)有無異常，確認(rèn)無異常才可啟動檢測報警系統(tǒng)，開啟供氣系統(tǒng)，點燃安全火，并確保安全火在整個校準(zhǔn)及測試期間不能熄滅；否則應(yīng)立即停止測試、開啟排風(fēng)、檢查問題。其次，通過調(diào)整燃燒器高度、角度、位置以及燃?xì)饩彌_罐出口壓力等參數(shù)，使120 個傳感器平均熱通量的標(biāo)準(zhǔn)差不超過2.1 kW/m2，完成燃燒器及傳感器的校準(zhǔn)。然后，按要求將服裝穿著在測試假人上，啟動測試系統(tǒng)同時點燃燃燒器，使穿著服裝的假人在轟燃環(huán)境中暴露4 s，蓄熱持續(xù)時間60 s。在此期間，測試系統(tǒng)實時采集120 個傳感器溫度數(shù)據(jù)，以此計算人體皮膚二度、三度燒傷面積及總燒傷面積，一度燒傷未破壞皮膚完整性，不計入總燒傷面積。測試完成后關(guān)閉供氣系統(tǒng)、開啟排風(fēng)系統(tǒng)。

采用研發(fā)的燃燒假人測試系統(tǒng)對芳綸阻燃消防服A 和純棉勞保工作服B 試樣進(jìn)行成品轟燃條件下的阻燃性能測試，測試結(jié)果見表1 和圖3。

圖3 測試系統(tǒng)假人燒傷面積

表1 燃燒假人測試系統(tǒng)對成品阻燃性能檢測結(jié)果

從表1、圖3 可以看出，A、B 兩種服裝面料單位面積質(zhì)量接近，纖維原料不同，在相同的轟燃測試環(huán)境下服裝B 的燒傷面積明顯高于A。通過試驗可以得知，服裝B 由于纖維及面料的阻燃性能不高，且耐高溫性能不足，測試時服裝部分區(qū)域被點燃，所以造成大面積的二度及三度燒傷。服裝A 由于采用高性能芳綸制成，表現(xiàn)出良好的阻燃及耐高溫性能，二度及三度燒傷面積指標(biāo)明顯優(yōu)于服裝B，測試結(jié)果與面料所應(yīng)表現(xiàn)的性能吻合，直觀反映出服裝在火場環(huán)境下的性能表現(xiàn)。

使用同款服裝在國外測試系統(tǒng)進(jìn)行比對試驗，測試數(shù)據(jù)存在差異。究其原因：一是傳感器準(zhǔn)確性及溫度校準(zhǔn)過程存在諸多影響因素（例如傳感器靈敏度、分布位置差異等）；二是供氣系統(tǒng)壓力的波動范圍為±10%，可造成測試數(shù)據(jù)的差異；三是熱傳導(dǎo)方程及燒傷算法，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中雖然都提出使用熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行溫度預(yù)測，但未提及具體算法，造成不同系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)存在差異。因此，目前不同燃燒假人系統(tǒng)間數(shù)據(jù)可比性不強，但不同系統(tǒng)自身完全可進(jìn)行不同防護(hù)服熱防護(hù)性能的測試比對。

5 結(jié)語

設(shè)計開發(fā)的轟燃條件下燃燒假人測試系統(tǒng)完全依照GB/T 23467—2009《用假人評估轟燃條件下服裝阻燃性能的測試方法》標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計。系統(tǒng)通過逐級緩沖、逐級降壓等技術(shù)，配合采用冗余設(shè)計，實現(xiàn)供氣系統(tǒng)的閉環(huán)控制；利用多線程、并發(fā)處理機(jī)制應(yīng)對轟燃瞬間的大數(shù)據(jù)流；同時融入異常報警、燃?xì)庑孤﹫缶?、報警切斷氣源等安全措施，實現(xiàn)了系統(tǒng)操作安全可靠。試驗表明，測試系統(tǒng)可以直觀反映出服裝在火場環(huán)境下的性能，測試結(jié)果與面料性能表現(xiàn)吻合，提供的指標(biāo)數(shù)據(jù)可作為熱防護(hù)紡織品開發(fā)、性能評價的參考依據(jù)。轟燃條件下燃燒假人測試系統(tǒng)為相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)、實驗室及企業(yè)進(jìn)行防護(hù)服熱防護(hù)性能檢測和技術(shù)研究提供了必要的設(shè)備支撐。