電纜線端面火蔓延速率估算

●尚琪霞

(晉城市消防支隊，山西 晉城 048026)

(本欄責任編輯、校對 馬 龍)

火蔓延速率是指在水平面內(nèi)向外延伸的火的相對運動，表示為火焰總周長的增長速率，也表示為火焰前鋒向前蔓延的速率，或者表示為火焰面積的增長速率?；鹇犹匦允懿牧戏N類、含水率、幾何尺寸、空間方位以及環(huán)境因素的影響，特別是來流特性對火蔓延狀況的影響尤為顯著?；鹇铀俾适怯绊懟馂陌l(fā)展過程的一個重要參數(shù)。因此，測量與計算固體可燃物火蔓延的機理和規(guī)律十分必要。筆者通過對某化工廠高壓電纜起火原因的調(diào)查，對高壓電纜火災的蔓延時間進行理論計算，與火災實際發(fā)生時間進行對比，以佐證火災原因調(diào)查的正確性。

1 火災基本情況及起火點的認定

2008年7月11日21時30分許，某化工廠發(fā)生火災?；馂臒龤恿﹄娎|、控制電纜、梯形玻璃鋼電纜橋架和變換區(qū)工藝流程管道等，過火面積達400余平方米，未造成人員傷亡。通過現(xiàn)場勘驗與調(diào)查訪問得知:(1)最早發(fā)現(xiàn)起火的孫某突然聽到一聲悶響，然后看到變換界區(qū)管道上有30cm左右高的藍色火焰冒出。(2)從總調(diào)度室調(diào)取的錄音記錄可以確定，孫某在火災當日21時28分給總調(diào)度室值班人員李某打電話，告知其變換區(qū)著火。21時35分左右，孫某聽到室外有較大的爆炸聲。(3)據(jù)第一到達現(xiàn)場滅火的消防隊反映，當日21時59分到達現(xiàn)場時，聽到煤氣泄漏燃燒發(fā)出刺耳的嘶鳴聲，電纜橋架著火約有50～60m，火焰高達2m，并向南北兩側(cè)不斷蔓延。(4)經(jīng)現(xiàn)場勘驗得知，位于變換區(qū)和氨合成區(qū)中間距離地面11.93m處，設(shè)置有兩排南北向的梯型玻璃鋼電纜橋架，橋架中由西向東分別鋪設(shè)有動力電纜和控制電纜。從燃燒蔓延的痕跡來看，南北兩側(cè)電纜橋架的梯型玻璃鋼還有部分殘存，中間部位的玻璃鋼橋架已經(jīng)全部燒毀;南北兩側(cè)的電纜外表絕緣全部燒毀，內(nèi)芯完好，中間部分的電纜外表絕緣完全燒毀，距離北側(cè)電纜頂端11.6m處內(nèi)芯部分呈熔融結(jié)塊狀。在玻璃鋼電纜橋架的東側(cè)有一南北向的鋼結(jié)構(gòu)人行棧道，棧道西側(cè)欄桿在距離北側(cè)頂端11.6m處有明顯的彎曲變形，相應棧道的人行道鋼架表面顏色有明顯的泛白現(xiàn)象。緊靠電纜橋架的西側(cè)由南向北有三根豎向的管道，中間的管道有明顯的火烤痕跡，其他兩邊的管道完好。根據(jù)以上痕跡可以判定，起火高架電纜處的火勢蔓延方向是由距離北側(cè)電纜頂端11.6m處向南北兩側(cè)蔓延。這與消防隊到場后采取南北堵截、夾攻的滅火戰(zhàn)術(shù)相吻合。(5)電纜橋架西側(cè)是該公司的氣變換區(qū)，變換裝置的法蘭口鏈接處南側(cè)有一不規(guī)則泄漏口，口徑約200mm。泄漏口左右兩側(cè)和上方的其他管道保溫層已經(jīng)被燒毀，泄漏口下方的管道保溫層完好。在緊靠泄漏口的斜下方有一鐵平臺，平臺上有明顯的燒熔滴落殘留物。由此可以判定，火災蔓延的方向是由泄漏口處向四周蔓延。泄漏口與電纜橋架的直線距離為 11.66m，水平距離為 8.6m，高差為 7.87m。(6)提取該公司的儀表監(jiān)測資料，可以發(fā)現(xiàn)在火災發(fā)生當日21時25分48秒，變換區(qū)氣體濃度有高警報顯示;21時31分37秒脫碳區(qū)氣體濃度有高警報顯示;21時32分49秒至51秒變換區(qū)3次報警;21時35分44秒，變換氣脫硫區(qū)間的富液泵停止運行。(7)提取該公司火災當日的電氣保護裝置動作報告，可以發(fā)現(xiàn)當日21時35分58秒，脫硫貧液泵低電壓保護動作，壓縮機低電壓保護動作;21時37分07秒變換氣脫硫區(qū)間的富液泵低壓保護動作;21時37分47秒1#主變保護的三相均跳閘。(8)經(jīng)詢問負責安全的技術(shù)人員和查閱該公司的消防審核、驗收圖紙，發(fā)現(xiàn)發(fā)生泄漏事故的管線是該公司在施工中臨時增加的管線，泄漏口處長期未做保溫處理，由于管道氣體的腐蝕和長期暴露在空氣中的原因，加之火災當晚下雨溫度降低，可能引發(fā)管道的低溫脆裂。管道內(nèi)的高流量、高壓力氣體在泄漏中引燃。綜上所述，認定起火部位位于該公司變換區(qū)變換裝置至電纜橋架區(qū)間內(nèi)，起火點位于變換裝置泄漏口處。

2 火災原因分析

根據(jù)現(xiàn)場勘驗和調(diào)查訪問，利用排除法對電纜線著火原因的可能性分析如下:(1)排除電纜線絕緣層損壞導致?lián)舸┗蛘呦嚅g短路而產(chǎn)生電弧，使絕緣層燃燒起火。經(jīng)調(diào)查，火災當天沒有人對電纜線進行施工，也沒有人到電纜線東側(cè)的人行棧道上進行施工;電纜線日常的維護電工沒有發(fā)現(xiàn)電纜線有被破壞的情況;在對電纜線進行勘驗時，未發(fā)現(xiàn)電纜線擊穿痕跡。再者，著火的電纜線是該廠區(qū)動力電纜的主線路，若是該段電纜線先發(fā)生故障，則應該是主控制電纜線斷電反饋后支線路才有反饋，支線路控制的設(shè)備才會停止運行，而該廠區(qū)電力儀表監(jiān)控資料與假設(shè)相反。因此，排除電纜線絕緣層損壞導致?lián)舸┗蛘呦嚅g短路而產(chǎn)生電弧，使絕緣層燃燒起火。(2)排除遺留火種因素。經(jīng)調(diào)查，火災發(fā)生當天下午16時至21時30分進入生產(chǎn)區(qū)間的朱某某等3人證實，未發(fā)現(xiàn)有人在生產(chǎn)廠區(qū)和電纜線東側(cè)的人行棧道上吸煙;且起火部位地面為碎石和水泥地面，未堆放有木屑、鋸末等疏松可燃雜物;現(xiàn)場勘驗未發(fā)現(xiàn)陰燃燃燒痕跡。因此，排除遺留火種起火因素。(3)排除現(xiàn)場施工作業(yè)引發(fā)火災因素。經(jīng)調(diào)查，火災當日未在廠區(qū)變換區(qū)間進行明火或焊接管道等施工作業(yè)，現(xiàn)場勘驗未發(fā)現(xiàn)施工工具和設(shè)備。因此，排除施工作業(yè)引發(fā)火災因素。(4)排除放火因素。經(jīng)調(diào)查，該化工有限公司從成立以來，和外界有關(guān)單位無矛盾激化現(xiàn)象，工人之間及工人和管理人員之間也無矛盾激化現(xiàn)象?；馂陌l(fā)生的當天沒有發(fā)現(xiàn)有閑雜陌生人員進入生產(chǎn)區(qū)，廠區(qū)的巡檢人員也未聽見異常響動;現(xiàn)場勘驗未發(fā)現(xiàn)有可疑盛裝容器及助燃物。因此，排除放火因素。(5)排除雷擊引起火災因素。經(jīng)調(diào)查，2008年5月5日，當?shù)貧庀蠓罩行膶υ摶す具M行了防雷設(shè)施安全檢測，所有檢測項目均符合要求。在火災現(xiàn)場起火點變換裝置泄漏口處進行多點剩磁檢測，剩磁數(shù)據(jù)均小于1.0mT。故排除雷擊引起火災因素。(6)排除飛火引起電纜線著火的因素。在該廠區(qū)西北角有一煙囪，距離變換區(qū)間435m。按照煙囪火星的飛行距離公式S=1.9h+4V－26來計算，取V為火災當時最大的瞬時風力8級20.1m·s－1計算，則煙囪的高度要達到 200.3m，顯然與廠區(qū)煙囪的現(xiàn)實高度120m不符。因此，排除飛火引起電纜線著火的因素。排除以上因素，結(jié)合火災現(xiàn)場勘驗和調(diào)查訪問，確定發(fā)生泄漏事故的管線未做保溫處理，長期暴露在空氣中，受周圍環(huán)境的影響和管道氣體的腐蝕，加之火災當晚下雨，環(huán)境溫度降低，可能引發(fā)管道的低溫脆裂。管道內(nèi)高流量的氣體在高壓力作用下噴射而出，與空氣形成的混合氣體在靜電或摩擦熱的作用下，形成有焰燃燒，引燃電纜橋架上的電纜線，導致火勢蔓延擴大。

3 纜線火蔓延速率估算

3.1 火災發(fā)生過程

通過現(xiàn)場勘驗以及火災發(fā)生、發(fā)展時間可以得到以下時間點:水煤氣從泄漏口泄漏到引燃的時間t1=5min;火焰從泄漏口發(fā)生燃燒到引燃高位電纜橋架電纜的時間t2=3min;電纜被點燃到消防隊到來，開始滅火的時間t3=22min。

3.2 估算火蔓延的速率

3.2.1 簡化計算模型

根據(jù)現(xiàn)場火災調(diào)查情況，位于電纜橋架中的電纜為單層鋪設(shè)，電纜與電纜之間連接緊密，所以電纜的燃燒極似一個固體可燃物的燃燒過程，且為在平面上的燃燒，參閱相關(guān)文獻，對于電纜燃燒還沒有具體的實驗數(shù)據(jù)，所以為了計算簡便，特將燃燒過程簡化為一個平面的燃燒過程，并參考薄片可燃物的燃燒火蔓延速率的測算方法，將實際工程中的各種物理量帶入公式，對之前的公式進行擬合，得到電纜燃燒的火焰斷面的火蔓延速率的參考值，根據(jù)這個參考值計算電纜橋架中電纜燃燒的時間。

3.2.2 計算過程

當泄漏口產(chǎn)生的火到達電纜橋架，火焰產(chǎn)生的熱輻射使電纜橋架的電纜著火燃燒，燃燒的電纜通過熱傳導以及強烈的熱輻射使周圍的電纜著火燃燒。為簡化建立數(shù)學模型，將熱傳導造成的熱交換用對流換熱集中表示。由固體可燃物火蔓延時的能量平衡方程:其中，等式左邊是固體可燃物熱解時所吸收的熱量;φf是可燃固體對外的散熱;φs是火焰反饋至可燃物表面的熱量。根據(jù)假設(shè)，(1)式可以變?yōu)?

式中，Ts表示固體燃燒火焰溫度，K;Tm表示固體燃燒表面溫度，K;T∞表示環(huán)境溫度，K。

由(2)式可以得到固體端面火蔓延速率v。根據(jù)燒毀電纜的型號、燒毀的數(shù)量，以及在燃燒過程中電纜的燃燒特性，給出以下特性參數(shù):ρs=1380kg·m－3，qs=1760.6kJ· mol－1，Ts=1073K，Tm=793K;并綜合考慮風速對火焰端面蔓延速率的影響，可以得到在電纜橋架中的電纜起火過程中，火焰端面的蔓延速率約為:v=17.4mm·s－1。那么從中間向兩端蔓延燃燒總長度為50m的電纜需要的時間為t=23.9min。

4 結(jié)論

根據(jù)以上計算的火蔓延速率及時間，可以看出從電纜開始著火到消防隊到達的時間總共為23.9min，火災調(diào)查的實際時間為22min，兩個時間很接近，由此可以推斷:(1)計算所得到的時間與實際的火災調(diào)查時間很接近，說明運用理論的推導可以驗證火災發(fā)生的實際時間。(2)實際的火災過程受多種條件的影響，過程很難準確地描述，但是把實際的火災進行一些簡化，可以得到與真實情況較為接近的結(jié)果。

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