海洋球引燃条件分析

邸宇翰 张金专教授

(中国人民警察大学 研究生院，河北 廊坊 065000)

0 引言

2018年3月25日，俄罗斯克麦罗沃市列宁大街“冬天的樱桃”购物中心发生重大火灾，火源位于商场儿童游乐区。经数据统计及全俄保险协会评估，该火灾导致64人死亡，52人受伤，火灾损失达40亿卢布。火灾调查人员判定最初引起火灾的可燃物是海洋球。海洋球又名波波球，是生活中常见的室内儿童软质娱乐产品。海洋球原料通常有2种：一种是低密度聚乙烯(Low-density Polyethylene，LDPE)，另一种为聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)。通常，聚烯烃高聚物的燃烧火焰温度可达1227℃，释放大量热量，还会产生熔融滴落物，加剧燃烧在物体和空间上的蔓延。LDPE在燃烧后还会产生大量烟气和有毒有害气体，如CO(120mg/g)等，这些气体是火灾致死致伤的关键原因。商场儿童娱乐区大都存在海洋球池，若其引发火灾，由于集热效应，导致火场温度较高，易造成巨大经济损失，并产生大量有毒气体，危害现场人员以及消防人员的生命安全，从而引发不可估计的后果。

目前文献关于海洋球相关研究较少，主要集中在海洋球的烟气毒性分析、卫生安全情况以及海洋球原料的热分解性能，其研究内容值得参考借鉴。2000年，Kevina McGarry等使用管式炉研究LDPE的分解和燃烧性能；2006年，张研等使用差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)和热重法(Thermogravimetric Analysis，TG)研究LDPE的热解特性，发现LDPE在约408.9℃时开始热解,且热解生成物总反应级数为一级反应；2010年，李红山等进行高密度聚乙烯(High-density Polyethylene，HDPE)、线性低密度聚乙烯(Linear Low Density Polyethylene,LLDPE)和LDPE热分解动力学的比较研究，研究表明LDPE的热分解只有一个分解过程，为一级反应，热分解温度随升温速率呈线性增加； 2020年，徐晶晶等对儿童软体塑料游乐产品进行烟气及毒气分析，结果显示PVC海洋球的毒性较高，产品检测结果依据GB/T 20285-2006标准为危险级，在公共场所大量使用具有较高危险；2020年，徐晶晶等根据海洋球性质，对国家标准《玩具安全 第3部分：易燃性能》(GB 6675.3-2014)提出补充，建议增加对于海洋球等特殊形状产品的燃烧性能方法，该标准仅适用于头戴玩具等4种产品，而海洋球并不符合上述任意一种玩具。综上所述，目前对海洋球的研究主要集中在对其材质的燃烧性能进行分析，但对何种火源可以引燃海洋球研究较少。

进行引燃条件的研究时，需要火源对材料进行点燃，从而观察实验现象，得到结论。因此点火源种类的选取至关重要。欧盟标准EN11277在爆炸性环境条件下，从有效点火源角度给出13类点火源的引燃特征；1998年，蒋慧灵分析香烟头、白炽灯和金属熔渣的引燃能力；2015年，邓亮等研究烟头对木屑的引燃情况；2016年，兰恩德、陈婧睿等在研究浸机油棉布的引燃实验时，以明火、香烟火和热辐射为点火源；2019年，施远、张金专等在对镁粉的引燃能力进行研究时，以过负荷铜导线作为点火源；2020年，任常兴等分析电火花的引燃方式、引燃能力影响因素。

综上所述，本文采用明火、香烟火和电火花3种点火源，测试在不同距离下海洋球的引燃时间、燃烧持续时间和海洋球表面温度变化情况，以期精准判别海洋球火灾事故的原因，从而降低海洋球火灾的发生。

1 实验仪器与材料

实验仪器：点火器；秒表；铁质燃烧槽；火灾痕迹物证实验台；K型热电偶；TP700多路数据采集仪。

实验材料：LDPE海洋球(直径7cm)；多根相同的铝导线；香烟。

2 实验方法设计

2.1 明火条件下的引燃研究

选取8个相同规模的海洋球为一组，将海洋球放置于燃烧槽中，控制点火器火焰底部距离试样的距离分别为0、0.5、1、1.5、2、2.5cm。火焰垂直向上且长度为3cm，点火位置为试样中心，在居中的海洋球表面放置热电偶，明火引燃实验装置，如图1。点火瞬间为初试时间并开始计时，记录试样的点燃时间和火焰熄灭时间，测量海洋球表面中心处的温度变化。为减小误差，进行重复性实验，每组实验进行7次。实验在环境温度为10.3℃、相对湿度为35%的封闭无风环境下进行，同时整个过程用相机记录，用于核实秒表记录的数据。

图1 明火引燃实验装置

2.2 香烟火条件下的引燃研究

选取8个相同规模的海洋球为一组，将海洋球放置于燃烧槽中，控制香烟头部距离试样的距离分别为0、0.5、1、1.5、2、2.5cm。在相同环境下进行重复性试验，每组实验进行7次，探究香烟头与可燃物之间的距离对海洋球引燃情况的影响。香烟引燃实验装置，如图2。

图2 香烟引燃实验装置

2.3 电火花条件下的引燃研究

在火灾痕迹物证试验台内的绝缘手柄中插入一根导线，另一只绝缘手柄中固定另外一根导线，闭合电源开关后，制造短路产生电火花，选取电压值为90V。选取20个相同规模的球为一组，将其放置于燃烧槽中，控制短路点距离试样的距离分别为0、0.5、1、1.5、2、2.5cm。为减小误差，每组实验重复7次。实验过程使用照相机记录，用于核实秒表记录的数据。

3 实验结果与分析

3.1 明火引燃实验

研究距离对海洋球引燃能力的影响，设置明火为火源进行实验。实验结果，见表1。海洋球表面的温度变化，如图3。

表1 明火火源条件下不同距离的实验结果(单位：s)

图3 不同引燃距离下海洋球表面温度的变化

根据表1可分析出，海洋球可以被明火引燃。明火引燃海洋球时，首先出现熔化现象，随后出现白烟，最后出现明火。并且随着引燃距离的增加，海洋球越不易被引燃，当引燃距离大于1.5cm时，海洋球不能被引燃。从图3可分析出，随着距离的增加，海洋球表面能达到的最高温度逐渐降低，温度上升所需时间也逐渐增加。引燃距离为0cm时，海洋球表面温度上升所需的时间最短，温度最高可上升到400.3℃。

实验结果表明，引燃距离为0cm时，海洋球被引燃且出现明火，点火30s时出现熔化现象，33s后出现白烟，57s时海洋球表面出现明火，90s时海洋球完全融化，同时火焰熄灭；当引燃距离为0.5cm时，海洋球被引燃且出现明火，点火69s时出现熔化现象，75s后出现白烟，83s时海洋球表面出现明火，引燃178s后海洋球完全融化，同时火焰熄灭；引燃距离为1cm时，海洋球被引燃且出现明火，点火156s时出现熔化现象，170s后出现白烟，175s时海洋球表面出现明火，火焰在海洋球表面持续145s；在引燃距离为1.5、2、2.5cm时，未出现熔化和发烟现象，且海洋球不能被引燃。

海洋球能否被引燃是由辐射热强度和辐射热通量2个参数决定的。只有当火源的辐射热通量和辐射热强度同时大于海洋球表面的引燃临界热通量和热强度时，海洋球才能被引燃。海洋球在引燃距离为0、0.5、1cm时，可以被引燃。主要是因为明火传递到海洋球表面的热通量大于海洋球表面的引燃临界热通量，所以能被引燃。但引燃距离为1.5、2、2.5cm时，由于材料的收缩、熔化，使其增大海洋球和明火之间的距离，使火源传递到海洋球表面的热量较少，辐射热通量小于临界辐射热通量，因而海洋球不能被引燃。

3.2 香烟火引燃实验

用一支香烟引燃海洋球，引燃距离分别为0、0.5、1、1.5、2、2.5cm，引燃结果，见表2；海洋球表面温度变化，如图4；实验现象，如图5。

表2 香烟火点燃时不同距离的实验结果(单位：s)

图4 不同点燃距离时香烟引燃海洋球表面温度的变化

图5 香烟引燃条件下海洋球在不同引燃距离下烧损情况

从图4可知，随着距离增加，海洋球表面可达到的最高温度逐渐下降，其中引燃距离为0cm时，海洋球表面温度上升速率最快，温度最高可以上升到94.7℃。从表2可得知，随着引燃距离增加，海洋球达到熔点所需的时间随之增加。引燃距离为0cm时，香烟与海洋球接触82s后，海洋球出现熔化现象，熔化的孔洞周围出现焦黄色痕迹；引燃距离为0.5cm时，引燃122s后，海洋球出现熔化现象，融化的孔洞远小于引燃距离为0cm时的孔洞。当引燃距离大于等于1cm时，香烟传递到海洋球表面的热量不能使海洋球熔化。

虽然香烟不能引燃海洋球，但在引燃距离为0和0.5cm时，却能使其熔化，这是因为香烟传递到海洋球表面的辐射热通量虽然不小，但却小于临界热通量，所以海洋球不能被引燃，仅出现熔化现象。当引燃距离大于1cm时，其香烟传递到海洋球表面的辐射热通量比较小，所以海洋球表面没有出现熔化、发烟、燃烧等现象。笔者认为，香烟火属于阴火，香烟的数量越多，聚集的热量越大，一只香烟无法引燃海洋球，但多只香烟就有可能导致海洋球表面出现明火，引发火灾。所以可进一步探究香烟数量对海洋球引燃情况的影响。

3.3 电火花引燃实验

为研究电火花在不同距离下对海洋球的引燃情况，选取加载电压为90V的电火花，电火花引燃条件下海洋球在不同引燃距离下烧损情况，如图6。

如图6所示，加载电压为90V的电火花不能点燃海洋球，仅能在海洋球表面留下外圈为焦黄色，内圈为黑色的烟熏痕迹。引燃距离为0cm时，烟熏痕迹面积最大，通过电火花的作用，海洋球表面出现鼓包和白色裂痕，未出现燃烧及熔化现象；引燃距离为0.5cm时，海洋球表面出现较大的烟熏痕迹，在烟熏痕迹周围，出现长条状裂痕；随着引燃距离增加，海洋球表面烟熏痕迹的面积逐渐减小。

图6 电火花引燃条件下海洋球在不同引燃距离下烧损情况

电火花不能引燃海洋球主要是因为电火花传递到海洋球表面的热量较小，辐射热通量小于临界辐射热通量，因而海洋球不能被引燃。但是电弧能量随着电压值的增加而变大，当加载电压增加时，有可能会引燃海洋球，还需进一步对其进行研究。

4 结论

为研究海洋球的引燃条件，笔者用明火、电火花以及香烟火3种点火源在不同距离下测试海洋球的引燃情况。该实验测量海洋球的引燃时间、燃烧持续时间以及海洋球表面温度变化情况。

(1)明火可以引燃海洋球。明火条件下海洋球的引燃时间均随引燃距离增加而增加。在明火作用下，当引燃距离为0cm时，其引燃所需时间最短，温度上升速率最快，海洋球表面温度最高可达400.3℃。引燃距离不大于1cm时，海洋球可以被引燃。引燃距离超过1.5cm后，海洋球不能被引燃。

(2)一支香烟不可以引燃海洋球。随着引燃距离增加，海洋球熔化所需时间逐渐增加，海洋球表面温度上升速率逐渐降低。在引燃距离不大于0.5cm时，海洋球仅出现熔化现象，温度最高可达94.7℃。当距离大于1cm时，海洋球没有出现熔化、发烟、燃烧等现象。

(3)加载电压为90V的电火花火源不可以引燃海洋球。该火源仅能在海洋球表面留下烟熏痕迹。随着引燃距离的增加，海洋球表面的烟熏痕迹面积逐渐减小。