电缆线端面火蔓延速率估算

●尚琪霞

(晋城市消防支队，山西 晋城 048026)

(本栏责任编辑、校对 马 龙)

火蔓延速率是指在水平面内向外延伸的火的相对运动，表示为火焰总周长的增长速率，也表示为火焰前锋向前蔓延的速率，或者表示为火焰面积的增长速率。火蔓延特性受材料种类、含水率、几何尺寸、空间方位以及环境因素的影响，特别是来流特性对火蔓延状况的影响尤为显著。火蔓延速率是影响火灾发展过程的一个重要参数。因此，测量与计算固体可燃物火蔓延的机理和规律十分必要。笔者通过对某化工厂高压电缆起火原因的调查，对高压电缆火灾的蔓延时间进行理论计算，与火灾实际发生时间进行对比，以佐证火灾原因调查的正确性。

1 火灾基本情况及起火点的认定

2008年7月11日21时30分许，某化工厂发生火灾。火灾烧毁动力电缆、控制电缆、梯形玻璃钢电缆桥架和变换区工艺流程管道等，过火面积达400余平方米，未造成人员伤亡。通过现场勘验与调查访问得知:(1)最早发现起火的孙某突然听到一声闷响，然后看到变换界区管道上有30cm左右高的蓝色火焰冒出。(2)从总调度室调取的录音记录可以确定，孙某在火灾当日21时28分给总调度室值班人员李某打电话，告知其变换区着火。21时35分左右，孙某听到室外有较大的爆炸声。(3)据第一到达现场灭火的消防队反映，当日21时59分到达现场时，听到煤气泄漏燃烧发出刺耳的嘶鸣声，电缆桥架着火约有50～60m，火焰高达2m，并向南北两侧不断蔓延。(4)经现场勘验得知，位于变换区和氨合成区中间距离地面11.93m处，设置有两排南北向的梯型玻璃钢电缆桥架，桥架中由西向东分别铺设有动力电缆和控制电缆。从燃烧蔓延的痕迹来看，南北两侧电缆桥架的梯型玻璃钢还有部分残存，中间部位的玻璃钢桥架已经全部烧毁;南北两侧的电缆外表绝缘全部烧毁，内芯完好，中间部分的电缆外表绝缘完全烧毁，距离北侧电缆顶端11.6m处内芯部分呈熔融结块状。在玻璃钢电缆桥架的东侧有一南北向的钢结构人行栈道，栈道西侧栏杆在距离北侧顶端11.6m处有明显的弯曲变形，相应栈道的人行道钢架表面颜色有明显的泛白现象。紧靠电缆桥架的西侧由南向北有三根竖向的管道，中间的管道有明显的火烤痕迹，其他两边的管道完好。根据以上痕迹可以判定，起火高架电缆处的火势蔓延方向是由距离北侧电缆顶端11.6m处向南北两侧蔓延。这与消防队到场后采取南北堵截、夹攻的灭火战术相吻合。(5)电缆桥架西侧是该公司的气变换区，变换装置的法兰口链接处南侧有一不规则泄漏口，口径约200mm。泄漏口左右两侧和上方的其他管道保温层已经被烧毁，泄漏口下方的管道保温层完好。在紧靠泄漏口的斜下方有一铁平台，平台上有明显的烧熔滴落残留物。由此可以判定，火灾蔓延的方向是由泄漏口处向四周蔓延。泄漏口与电缆桥架的直线距离为 11.66m，水平距离为 8.6m，高差为 7.87m。(6)提取该公司的仪表监测资料，可以发现在火灾发生当日21时25分48秒，变换区气体浓度有高警报显示;21时31分37秒脱碳区气体浓度有高警报显示;21时32分49秒至51秒变换区3次报警;21时35分44秒，变换气脱硫区间的富液泵停止运行。(7)提取该公司火灾当日的电气保护装置动作报告，可以发现当日21时35分58秒，脱硫贫液泵低电压保护动作，压缩机低电压保护动作;21时37分07秒变换气脱硫区间的富液泵低压保护动作;21时37分47秒1#主变保护的三相均跳闸。(8)经询问负责安全的技术人员和查阅该公司的消防审核、验收图纸，发现发生泄漏事故的管线是该公司在施工中临时增加的管线，泄漏口处长期未做保温处理，由于管道气体的腐蚀和长期暴露在空气中的原因，加之火灾当晚下雨温度降低，可能引发管道的低温脆裂。管道内的高流量、高压力气体在泄漏中引燃。综上所述，认定起火部位位于该公司变换区变换装置至电缆桥架区间内，起火点位于变换装置泄漏口处。

2 火灾原因分析

根据现场勘验和调查访问，利用排除法对电缆线着火原因的可能性分析如下:(1)排除电缆线绝缘层损坏导致击穿或者相间短路而产生电弧，使绝缘层燃烧起火。经调查，火灾当天没有人对电缆线进行施工，也没有人到电缆线东侧的人行栈道上进行施工;电缆线日常的维护电工没有发现电缆线有被破坏的情况;在对电缆线进行勘验时，未发现电缆线击穿痕迹。再者，着火的电缆线是该厂区动力电缆的主线路，若是该段电缆线先发生故障，则应该是主控制电缆线断电反馈后支线路才有反馈，支线路控制的设备才会停止运行，而该厂区电力仪表监控资料与假设相反。因此，排除电缆线绝缘层损坏导致击穿或者相间短路而产生电弧，使绝缘层燃烧起火。(2)排除遗留火种因素。经调查，火灾发生当天下午16时至21时30分进入生产区间的朱某某等3人证实，未发现有人在生产厂区和电缆线东侧的人行栈道上吸烟;且起火部位地面为碎石和水泥地面，未堆放有木屑、锯末等疏松可燃杂物;现场勘验未发现阴燃燃烧痕迹。因此，排除遗留火种起火因素。(3)排除现场施工作业引发火灾因素。经调查，火灾当日未在厂区变换区间进行明火或焊接管道等施工作业，现场勘验未发现施工工具和设备。因此，排除施工作业引发火灾因素。(4)排除放火因素。经调查，该化工有限公司从成立以来，和外界有关单位无矛盾激化现象，工人之间及工人和管理人员之间也无矛盾激化现象。火灾发生的当天没有发现有闲杂陌生人员进入生产区，厂区的巡检人员也未听见异常响动;现场勘验未发现有可疑盛装容器及助燃物。因此，排除放火因素。(5)排除雷击引起火灾因素。经调查，2008年5月5日，当地气象服务中心对该化工公司进行了防雷设施安全检测，所有检测项目均符合要求。在火灾现场起火点变换装置泄漏口处进行多点剩磁检测，剩磁数据均小于1.0mT。故排除雷击引起火灾因素。(6)排除飞火引起电缆线着火的因素。在该厂区西北角有一烟囱，距离变换区间435m。按照烟囱火星的飞行距离公式S=1.9h+4V－26来计算，取V为火灾当时最大的瞬时风力8级20.1m·s－1计算，则烟囱的高度要达到 200.3m，显然与厂区烟囱的现实高度120m不符。因此，排除飞火引起电缆线着火的因素。排除以上因素，结合火灾现场勘验和调查访问，确定发生泄漏事故的管线未做保温处理，长期暴露在空气中，受周围环境的影响和管道气体的腐蚀，加之火灾当晚下雨，环境温度降低，可能引发管道的低温脆裂。管道内高流量的气体在高压力作用下喷射而出，与空气形成的混合气体在静电或摩擦热的作用下，形成有焰燃烧，引燃电缆桥架上的电缆线，导致火势蔓延扩大。

3 缆线火蔓延速率估算

3.1 火灾发生过程

通过现场勘验以及火灾发生、发展时间可以得到以下时间点:水煤气从泄漏口泄漏到引燃的时间t1=5min;火焰从泄漏口发生燃烧到引燃高位电缆桥架电缆的时间t2=3min;电缆被点燃到消防队到来，开始灭火的时间t3=22min。

3.2 估算火蔓延的速率

3.2.1 简化计算模型

根据现场火灾调查情况，位于电缆桥架中的电缆为单层铺设，电缆与电缆之间连接紧密，所以电缆的燃烧极似一个固体可燃物的燃烧过程，且为在平面上的燃烧，参阅相关文献，对于电缆燃烧还没有具体的实验数据，所以为了计算简便，特将燃烧过程简化为一个平面的燃烧过程，并参考薄片可燃物的燃烧火蔓延速率的测算方法，将实际工程中的各种物理量带入公式，对之前的公式进行拟合，得到电缆燃烧的火焰断面的火蔓延速率的参考值，根据这个参考值计算电缆桥架中电缆燃烧的时间。

3.2.2 计算过程

当泄漏口产生的火到达电缆桥架，火焰产生的热辐射使电缆桥架的电缆着火燃烧，燃烧的电缆通过热传导以及强烈的热辐射使周围的电缆着火燃烧。为简化建立数学模型，将热传导造成的热交换用对流换热集中表示。由固体可燃物火蔓延时的能量平衡方程:其中，等式左边是固体可燃物热解时所吸收的热量;φf是可燃固体对外的散热;φs是火焰反馈至可燃物表面的热量。根据假设，(1)式可以变为:

式中，Ts表示固体燃烧火焰温度，K;Tm表示固体燃烧表面温度，K;T∞表示环境温度，K。

由(2)式可以得到固体端面火蔓延速率v。根据烧毁电缆的型号、烧毁的数量，以及在燃烧过程中电缆的燃烧特性，给出以下特性参数:ρs=1380kg·m－3，qs=1760.6kJ· mol－1，Ts=1073K，Tm=793K;并综合考虑风速对火焰端面蔓延速率的影响，可以得到在电缆桥架中的电缆起火过程中，火焰端面的蔓延速率约为:v=17.4mm·s－1。那么从中间向两端蔓延燃烧总长度为50m的电缆需要的时间为t=23.9min。

4 结论

根据以上计算的火蔓延速率及时间，可以看出从电缆开始着火到消防队到达的时间总共为23.9min，火灾调查的实际时间为22min，两个时间很接近，由此可以推断:(1)计算所得到的时间与实际的火灾调查时间很接近，说明运用理论的推导可以验证火灾发生的实际时间。(2)实际的火灾过程受多种条件的影响，过程很难准确地描述，但是把实际的火灾进行一些简化，可以得到与真实情况较为接近的结果。

［1］单延龙，舒立福，王洪伟，王志红.Rothermel火蔓延模型特征参数的解析［J］.森林防火，2003，(1):22－25.

［2］蒋勇，邱榕，钟茂华，等.火灾调查理论框架建立探讨［J］.中国安全生产科学技术，2005，1(4):8－12.

［3］McGrattan K B;BAUMH R;REHMRG.Large eddy simulationsof smokemovement［J］.Fire Safety Journal，1998，30(2):161－178.

［4］SimonWeaver.A Comparison of Data Reduction Techniques for Zone Model Validation［R］.Fire Engineering Research Report，2000:12－13.