金属管厚度对明敷消防供配电线路保护效果的模拟研究

马 宁，汤 昊

(武警学院 研究生队，河北 廊坊 065000)

0 引言

为保证灭火救援行动的有效开展，消防供配电系统的安全可靠十分重要。在工程中，电气线路的敷设方式主要有明敷和暗敷两种方式。对于明敷方式，由于线路暴露在外，火灾时会受到火焰或高温的作用而损毁。因此，《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)[1]中规定：消防配电线路应满足火灾时连续供电的需要，明敷时(包括敷设在吊顶内)，应穿金属导管或采用封闭式金属槽盒保护，金属导管或封闭式金属槽盒应采取防火保护措施。但是规范中并没有明确规定金属管的厚度。为了研究穿管的有效性，舒中俊[2]等人采用自主设计的红外辐射加热炉研究了不同保护状态下的电缆受热时的绝缘失效时间，得到了当环境的热通量比较低时，穿阻燃聚氯乙烯管的保护效果比穿金属管好；当环境的热通量较高时，金属管的保护效果优于阻燃聚氯乙烯管。但针对金属管并没有研究其厚度与保护效果之间的关系。本文通过ANSYS软件模拟明敷电线穿金属管涂敷防火涂料的模型在标准火灾条件下的温度分布情况和规律，研究金属管厚度对线路保护效果的影响，为实际工程中明敷消防供配电线路的消防安全设计提出解决方案。

1 参数设定与模型建立

1.1 ANSYS模拟参数

利用ANSYS建立明敷消防配电线路穿金属管涂覆防火涂料的模型。消防供配电线路通常采用阻燃电线和耐火电线，本文建立的模型主要有三部分：阻燃电线(铜芯聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电线)、304不锈钢管、防火涂料。在ANSYS前处理阶段，需要定义材料属性，在进行热分析中，所涉及的材料本身的特性包括导热系数、密度、比热容等。结合经验参数[3]与理论计算给出各种材料的参数如表1所示。

1.2 建模与计算

将模拟简化为沿截面的二维温度场问题，使用ISO-834标准火灾升温曲线来进行火灾升温情况的模拟，温度场模型中采用PLANE55[4]单元。将防火涂料、金属管以及空气部分的单元尺寸划分为1 mm，电线对应的区域划分为0.5 mm。建立的具体几何模型如图1所示，网格划分完成后如图2所示。模型施加对流和热生成率两种载荷，对流是施加在模型表面的面载荷，模拟平面和周围流体之间的热量交换，载荷的施加方式为通过数据表格来施加载荷；热生成率作为体载荷施加，载荷的施加方式是直接施加实常数载荷，通过计算电线单元内电流效应生成的热，得出电线的热生成率为6 500 W·m-3。ANSYS读取有限元模型及其上的载荷信息，建立联立方程并使用不同求解器得出求解结果。设置加载时间为1 800 s，进行求解后即可得出模型内部的温度分布。

表1 材料热物性参数表

图1 几何模型示意图

图2 模型网格划分示意图

2 金属管厚度对明敷消防供配电线路的影响分析

2.1 温度场计算结果

2.1.1 温度分布

1 800 s耐火试验结束后，厚度分别为2,3,4,5 mm的金属管保护下的各组材料不同部位温度如表2所示。由表2可知，金属管的厚度越大，电线的温度越低，即随着金属管厚度的增大，金属管对电线的保护作用增强。304不锈钢管的最高耐热温度是650 ℃左右，当温度超过650 ℃时，金属管会因为强度的大幅下降和变形程度的增加而失去对电线的保护能力。由表2可知，当金属管厚度为2 mm时，金属管的温度最高，为571.29 ℃，低于650 ℃。说明金属管在火焰作用下半小时内不会失去对电线的保护作用。工程中，阻燃电线外表面绝缘材料是聚氯乙烯，其最高耐热温度为250 ℃。从表2可以看出，在火灾发生半小时后，厚度为2,3,4 mm的金属管所保护的电线温度均大于250 ℃。说明这三组金属管不能满足半小时的连续供电。当金属管厚度为5 mm时，电线温度为246.85 ℃，小于电线的失效温度250 ℃。即当电线直接受到火焰作用时，5 mm壁厚的金属管能有效保护消防供配电线路保持半小时的有效供电。要想进一步知道每组电线的失效时间，需要观察电线外表面一点温度随时间变化情况。

表2 穿有不同厚度金属管电线各部位温度(℃)

2.1.2 节点温度随时间变化规律

为更好地得出在ISO-834标准火灾条件下模型内部节点温度随时间变化的规律，模拟得出厚度分别为2,3,4,5,6 mm的金属管保护下的电线外表面某点温度随时间变化的曲线如图3所示。分析可以得出：(1)随着金属管厚度的增加电线温升曲线的斜率降低，即电线温度升高的速度越慢。说明金属管厚度越大，在相同时间内，所保护电线的温度升高越小，电线达到失效的时间越长，对电线的保护效果越强。(2)由图3曲线斜率对比可知，对于电线外表面一点，穿金属管明显减慢了其在耐火试验下的温升速率。随着管壁厚度的增加，曲线斜率逐渐降低，电线外表面的最高温度逐渐降低。由于阻燃电线的失效温度为250 ℃，由图3可知，厚度分别为2,3,4,5,6 mm的金属管保护下电线的绝缘失效时间分别为18,25,28,31,33 min，可见管壁厚度越厚，电线的绝缘失效时间越长。

2.2 模拟结果在实际工程中的应用

《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T 16—2008)[5]中对消防用电设备在火灾发生期间的最少连续供电时间有明确规定，结合金属管厚度对电线绝缘失效时间的影响可以得出，在保证电线完好且能持续供电的情况下，得到采用不同厚度的金属管保护时，能满足连续供电时间要求的消防用电设备类型如表3所示。由于明敷配电线路金属管的管壁不宜过厚，所以如果想要满足自动喷水灭火系统、消火栓系统等设备更久的连续供电时间，在本文的模拟条件下无法达到，可以试着改变防火涂料的参数，或者改变金属管的内外径以获得更久的连续供电时间。

图3 电线外表面某点温度随时间变化图

3 结语

本文运用ANSYS软件对标准火灾试验条件下的明敷消防供配电线路进行了有限元分析及研究，获得了穿不同厚度金属管条件下的模拟数据；通过比较和分析，得出金属管厚度对明敷消防供配电线路的影响；并结合消防供电设备所需的有效供电时间，为实际工程中明敷消防供配电线路所穿金属管厚度提供了数值依据和建议。但在模型简化、模拟计算等方面仍然存在一定的局限性，下一步将结合模拟结果，进行明敷消防电线防火措施有效性试验，方法及结论有待进一步研究与开发。

表3 不同厚度金属管与消防用电设备对应表

[1] 中华人民共和国公安部.建筑设计防火规范:GB 50016—2014[S].北京:中国计划出版社,2015.

[2] 舒中俊,孙清辉,陈南,等.穿管保护对ZR-VV电缆绝缘失效条件的影响[J].消防科学与技术,2010,29(6):473-477.

[3] 上海电缆研究所.额定电压1 kV到35 kV挤包绝缘电力电缆及附件 第1部分:额定电压1 kV和3 kV电缆:GB/T 12706.1—2008[S].北京:中国标准出版社,2009.

[4] 李雪松.高温条件下采用不同防火涂层的钢柱温度场数值模拟分析[J].基础与结构工程,2015,6(33):144-147.

[5] 中国建筑东北设计研究院.民用建筑电气设计规范:JGJ/T 16—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.