接觸介質對電焊熔渣宏觀特征影響研究

雷心怡，李 陽

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

電焊是焊條電弧焊的俗稱，是建筑工地普遍存在的一種焊接操作。電焊時電弧溫度可達3 000～6 000 ℃，飛濺的焊渣溫度高達2 000 ℃。在電焊作業(yè)點周圍，常存在木屑、泡沫塑料及棉花等可燃堆積材料，一旦焊渣與其接觸，就可能引起燃燒，甚至蔓延成災[1-2]。如：2000年12月洛陽東都商廈火災和2010年11月上海靜安教師公寓火災均為電焊作業(yè)引燃建筑材料引起的重特大火災事故。然而，在實際火災調查工作中，電焊熔渣缺乏可供參考的痕跡特征標準以輔助勘驗及鑒定工作，故在認定被引燃物種類，以及電焊熔渣與被引燃物關系時常存在較大困難。因此，有必要對不同引燃介質下形成的電焊熔渣的痕跡特征進行研究，從而為鑒定此類痕跡，調查電焊作業(yè)引起火災提供理論依據(jù)。

目前，國內(nèi)關于電焊施工作業(yè)引發(fā)火災的調查主要集中于其引燃能力的分析。趙艷紅等通過改變電焊機的工作電流、外墻保溫材料的形態(tài)、電焊點與保溫材料的距離及相對位置，研究電焊熔渣對擠塑板、聚苯板和玻璃棉的引燃能力[3]；盧志剛等研究了加載電壓對電焊熔渣數(shù)目和粒徑分布的影響，以及固體材料性質對電焊熔渣引燃能力的影響[4]。電焊作為未設置保護裝置，可以持續(xù)性拉弧，不斷產(chǎn)生噴濺熔渣。NFPA 921認為電焊引燃可燃物有兩種情況：一種是焊接過程產(chǎn)生的電弧，其能量可以引燃周圍任何一種可燃物；另一種是噴濺電焊熔渣，由于其尺寸較大，攜帶熱量多，同樣具有較強的引燃能力[5]。目前，對電弧產(chǎn)生的噴濺金屬顆粒引燃能力的研究，是國外電氣火災的研究前沿之一[6]，國外關于噴濺熔珠引燃可燃物的具體研究有：Stephen等最先研究了大風條件下，輸電線路撞擊短路，產(chǎn)生銅、鋁噴濺熔珠與燃燒火星的有效引燃距離[7]；Costa等研究了架空鋁導線短路迸濺熔珠對干草的引燃情況，并計算了掉落時間、顆粒溫度及水平、垂直距離之間的數(shù)學關系[2]；Carlos將高溫噴濺金屬顆粒的引燃過程分為高溫顆粒產(chǎn)生的熱化學階段、風影響下的飛行階段、接觸可燃承載物階段、承載物持續(xù)燃燒并造成火焰蔓延階段，分階段研究引燃特點，細化了研究思路[8]。這些文獻表明電焊熔渣等電弧產(chǎn)生的噴濺顆粒對不同可燃物的引燃規(guī)律，但對于電焊熔渣痕跡特征的研究較少，其作為實物證據(jù)，是火災調查的重要環(huán)節(jié)。因此，研究引燃介質對電焊熔渣痕跡特征的影響，對實際的火災調查至關重要。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置及材料

試驗裝置如圖1所示，其中引燃介質為瓷磚、聚苯乙烯泡沫板、刨花木屑和脫脂棉，引燃介質表面尺寸均為60 cm×50 cm。經(jīng)預試驗發(fā)現(xiàn)，改變介質樣品厚度與密度，對其引燃情況無明顯影響。

1.315型電焊機；2.THJ422碳鋼焊條；3.角鐵；4.引燃介質

1.2 樣品制備

本試驗設定輸出電流120 A，控制THJ422碳鋼焊條垂直于角鐵一側，弧光持續(xù)時間8 s,模擬電焊過程制備電焊熔渣。固定焊接點與接觸物垂直距離65 cm，用攝像機記錄不同接觸物的引燃過程，逐幀分析引燃情況；收集電焊熔渣，用螺旋測微器測量其直徑，XTL-340型體視顯微鏡觀察焊渣宏觀形貌。接觸介質選擇建筑工地常見的瓷磚、聚苯乙烯泡沫板、刨花木屑和脫脂棉，它們與焊渣接觸后可形成不同的被引燃狀態(tài)，分別模擬堅硬的不燃物、松散的可燃物及比表面積大的易燃物三種性質材料的被引燃過程。

2 研究結果

收集不同接觸介質條件下得到的焊渣，觀察接觸物的引燃情況(如表1)。根據(jù)介質的燃燒特點，將引燃情況分為四類：(1)不燃；(2)形成短暫、不可蔓延的小火苗；(3)引燃接觸物并持續(xù)緩慢燃燒；(4)引燃接觸物并迅速蔓延。對焊渣形狀進行分類，可分為單球型、雙球型和多球型[9]，如圖2所示。

表1 引燃情況及焊渣數(shù)量統(tǒng)計情況

(a)單球型

(b)雙球型

(c)多球型

2.1 接觸瓷磚后焊渣的痕跡特征

焊渣接觸瓷磚后，不發(fā)生燃燒；直徑1 mm≤d≤2 mm的焊渣最多，占總數(shù)的83%；直徑0 mm≤d≤1 mm的焊渣占13%；直徑2 mm≤d≤3 mm的焊渣最少，僅占4%。焊渣呈現(xiàn)規(guī)則的球形，表面光滑且有銀黑色金屬光澤，如圖3所示。

2.2 接觸聚苯乙烯泡沫板后焊渣引燃情況及痕跡特征

引燃介質為聚苯乙烯泡沫板時，直徑2 mm以上的焊渣會將其引燃，在局部形成短暫小火苗，泡沫板燒穿后火焰隨即熄滅，不發(fā)生蔓延；泡沫板與直徑2 mm以下的焊渣接觸后會被熔化，形成直徑很小的炭化坑，但沒有明火出現(xiàn)，如圖4所示。經(jīng)統(tǒng)計，直徑1 mm≤d≤2 mm的焊渣最多，占總量的65%；其次為直徑2 mm≤d≤3 mm的焊渣占26%；直徑3 mm≤d≤4 mm、0 mm≤d≤1 mm及5 mm以上焊渣比例依次遞減，分別占6%、2%和1%。焊渣與聚苯乙烯泡沫板接觸反應后，得到的形狀多為不規(guī)則的單球型和雙球型，焊渣表面凹凸不平，且存在紅色和黃色的斑點，如圖5所示。

圖3 接觸材料為瓷磚時焊渣宏觀形貌

圖4 聚苯乙烯引燃情況

圖5 接觸材料為聚苯乙烯時焊渣宏觀形貌

2.3 接觸木屑后焊渣引燃情況及痕跡特征

粒徑大于2 mm的焊渣可引燃刨花木屑，形成緩慢持續(xù)的燃燒，小于1.5 mm的焊渣僅能引起木屑炭化，如圖6所示。直徑2 mm≤d≤3 mm的焊渣最多，占總數(shù)的46%；直徑3 mm≤d≤4 mm、1 mm≤d≤2 mm、5 mm≤d≤6 mm及4 mm≤d≤5 mm的焊渣，所占比例分別為17%、16%、11%和4%，7 mm≤d≤8 mm、9 mm≤d≤10 mm及10 mm≤d≤11 mm的焊渣最少，各占總量的2%。引燃介質為木屑時得到的焊渣直徑明顯增大，且出現(xiàn)特殊的多球型(即花瓣型和豆莢型)，其表面較引燃介質為聚苯乙烯時更光滑，呈現(xiàn)金屬光澤，如圖7所示。

圖6 木屑引燃情況

圖7 接觸材料為木屑時焊渣宏觀形貌

2.4 接觸脫脂棉后焊渣引燃情況及痕跡特征

焊渣與脫脂棉接觸后可迅速將其引燃，并向周圍蔓延，燃燒充分，如圖8所示。直徑1 mm≤d≤2 mm的焊渣最多，占總量的42%；其次為直徑2 mm≤d≤3 mm的焊渣占34%；3 mm≤d≤4 mm的焊渣占17%；1 mm以下和4 mm以上焊渣最少，分別占6%和1%。多數(shù)焊渣為單球型和雙球型，形狀不規(guī)則，表面有大量鼓包，外層有油蠟似的反光面，脫脂棉纖維絲會變黃并粘附在焊渣表面，形成特殊的表面形貌，如圖9所示。

圖8 脫脂棉引燃情況

圖9 接觸材料為脫脂棉時焊渣宏觀形貌

3 分析與討論

3.1 引燃情況對焊渣表面形貌特征影響分析

當焊渣接觸到堅硬的不燃物時，不會將其引燃，焊渣多為表面光滑且有金屬光澤的規(guī)則球形。當接觸介質為比表面積大的易燃物(如松散的棉織品)時，高溫焊渣可將其迅速引燃并形成火勢蔓延。當接觸介質為松散的可燃物(如泡沫塑料類材料)時，能夠產(chǎn)生明火，但持續(xù)時間短且不發(fā)生蔓延；若為木屑一類碎屑狀材料，能夠形成緩慢持續(xù)的明火燃燒。當引燃接觸介質后，焊渣表面出現(xiàn)鼓包，有時會附著熔化變色的接觸材料。

由于較大的溫度差異，電焊產(chǎn)生的高溫液態(tài)金屬與瓷磚接觸時迅速凝固，此時所處的氣體環(huán)境較潔凈，且焊渣無法引燃瓷磚，不會受到二次加熱及所處氣體環(huán)境中煙氣等物質的影響，因此其表面光滑。當接觸介質可燃時，會在焊渣周圍形成二次燃燒的氛圍。由于焊渣不是純金屬，焊條藥皮中存在非金屬成分碳、錳等，當焊渣引燃接觸介質形成火焰后，二次加熱會使得焊渣表面的非金屬成分與氧氣反應生成氣體，同理，可燃物的成分主要為碳和氫，受熱時也會產(chǎn)生CO、CO2和水蒸氣，這些氣體均會進入高溫焊渣的表面，形成鼓包[10]。熔化變色的接觸物會粘附在焊渣表面，改變其顏色，同時形成一層黏性的油蠟狀物質，脫脂棉纖維受熱后發(fā)黃，并粘連包裹住焊渣，因此焊渣表面可觀察到黃色的絲狀物。

3.2 引燃情況對焊渣形狀特征影響分析

接觸物為瓷磚時形成的焊渣多為尺寸較小的單球型，聚苯乙烯泡沫板、木屑和脫脂棉條件下可形成較大直徑的雙球型及多球型焊渣。

規(guī)則的單球型是火災現(xiàn)場中最常見的焊渣形狀之一，這是由于焊渣落地時迅速凝固且未受到二次加熱的影響。引燃接觸物后，火焰高溫使得焊渣表面熔化，造成焊渣相互粘連，故雙球型和多球型數(shù)量增加，木材燃燒時溫度高達1 400～1 600 ℃，會形成花瓣型和豆莢型等特殊的多球型焊渣。因此，當焊渣接觸堅硬不燃物時，一般為小尺寸的規(guī)則單球型；當接觸介質可燃時，會形成多球型，介質燃燒溫度越高，越易出現(xiàn)形狀特殊、粒徑大的多球型焊渣。

4 結論

通過本文試驗研究，可得出結論：(1)焊渣接觸瓷磚等堅硬不燃物時，直徑d≤2 mm，呈光滑的規(guī)則球形，有金屬光澤。(2)當接觸介質可燃時，可形成雙球型及多球型焊渣，直徑1 mm≤d≤4 mm，表面不光滑，有鼓包及凹坑。與泡沫塑料類松散的可燃物接觸后，其形狀多為不規(guī)則的單球型和雙球型，表面有紅色和黃色斑點；當與木屑等燃燒溫度較高的碎屑類材料接觸后，可生成直徑5 mm以上形狀特殊的多球型焊渣，如花瓣型和豆莢型；焊渣與比表面積大的脫脂棉等纖維類棉制品發(fā)生反應后，表面附著油蠟似的反光物質，并可觀察到粘附的棉纖維絲。