水噴淋對聚苯乙烯材料豎向燃燒的抑制效果研究

臧家明，陳健

（沈陽航空航天大學 安全工程學院，遼寧 沈陽 110136）

建筑外墻火災是城市火災的主要類型之一，燃燒物多為外墻保溫板。我國現(xiàn)存很多15年以上樓齡的高層民用住宅，且建筑審批時適用的是早期建筑防火規(guī)范，外墻保溫層使用b類聚苯乙烯保溫板?；馂陌l(fā)生時，火焰從窗口處噴射出來，高溫使水泥層龜裂漏出內層保溫板，當溫度超過300 ℃時聚苯乙烯快速分解，火勢迅速蔓延，對人們的安全和個人財產造成巨大威脅。現(xiàn)階段外墻防火主要采用不燃材料與防火結構并行，但礙于成本很難對老舊小區(qū)進行大規(guī)模改造。上海首先試點，對徐匯區(qū)某2003年建成的老舊高層進行改造安裝外墻水噴淋系統(tǒng)，并取得良好效果[1]。ZHAO等在標準燃燒室對RPU材料進行了一系列垂直滅火實驗，研究了流量和噴頭傾角對外保溫材料燃燒的抑制效果[2-6]。崔崳等對聚苯乙烯泡沫的熱解特性和燃燒性能進行研究[7-10]。前人在聚苯乙烯燃燒特性和材料性質上做了很多研究，但對聚苯乙烯板豎向蔓延研究較少，未明確水噴淋對聚苯乙烯材料保溫板豎向燃燒的抑制作用效果，本文進行實驗研究為抑制聚苯乙烯豎向燃燒提供實驗依據(jù)。

1 實驗設計

實驗在標準燃燒腔室中進行，腔室的尺寸為10 m×7 m×4 m，腔室的頂棚為絕緣材料的水平面。實驗裝置布局如圖1所示，包括支架、石膏板、聚苯乙烯保溫板試樣、熱電偶、電子天平、油盤、固定架、攝像機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（無紙記錄儀、紅外熱成像儀）。平面大小為2 m×1.5 m×0.01 m 的石膏板豎直固定在鋼制支架上，聚苯乙烯試樣板用鐵絲固定于石膏板中央，模擬單側貼壁火蔓延。噴頭選用ZSTM型水幕噴頭（傾斜角7°），噴頭與接水管中連接一個定制可360°旋轉的轉接頭。攝像機和紅外熱成像儀用于記錄火蔓延的動態(tài)過程，質量變化由電子天平測量。同時為得到火蔓延過程溫度，在空間布置了一系列熱電偶，無論是否開啟噴淋，都要記錄無紙記錄儀上和熱成像儀上的溫度變化及保溫板的重量損失。實驗腔室底視圖見圖2。

圖1 實驗裝置整體布置圖

圖2 實驗腔室底視圖

2 實驗方法與結果

點燃油盤待其穩(wěn)定燃燒后推至聚苯乙烯材料底部，在相同外界條件下，當噴頭距墻面距離為0.5 m時，改變噴頭的豎直方向夾角（0°、7°、15°、30°、90°），當噴頭傾斜角度為7°，噴頭距墻面距離（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m）時探究不同工況下噴淋對聚苯乙烯板燃燒的抑制效果。最低點處熱電偶溫度降至200 ℃以下時認為火焰得到控制，根據(jù)最低點熱電偶溫度達到200 ℃以下時間來評價水噴淋對聚苯乙烯豎向火災抑制效果好壞。

結果顯示，當噴頭傾斜角度為7°，噴頭距墻面距離從0.2 m移動至0.6 m時，噴淋均能起到滅火作用，滅火效果先增強后減弱，當噴頭距聚苯乙烯板0.5 m時滅火時間最短，最低處熱電偶溫度降低 200 ℃以下所需時間為30 s。當噴頭距墻面距離為0.5 m，噴頭傾斜角度從0°改變至90°時，噴淋均能起到滅火作用，滅火效果先增強后減弱，噴頭豎向傾斜角度7°時滅火效果最好，30°與90°效果類似，滅火時差不足10 s。水幕噴淋系統(tǒng)滅火過程見圖3。

圖3 水幕噴淋系統(tǒng)滅火過程圖

3 討論

整合數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)溫度-時間曲線圖中滅火效果較好的工況溫度曲線為單峰值，而滅火效果差的工況均為雙峰值乃至多峰值，取其中兩組數(shù)據(jù)（噴頭距墻面距離0.2 m和0.5 m）進行尋峰擬合及峰值分析。部分工況尋峰擬合示意圖如圖4所示。從火焰?zhèn)鞑ズ蛧娏茏饔梦恢眠M行辨析。

圖4 尋峰擬合圖

火焰?zhèn)鞑サ闹饕绊憴C理是火焰到熱解前沿位置的固體燃料的熱傳遞，其中氣相化學反應會對傳播過程中火焰長度、溫度等特征帶來影響，且立面火向上蔓延主要依靠熱解區(qū)域產生的火焰持續(xù)覆蓋并加熱未燃區(qū)域，致使未燃區(qū)域受熱并被點燃，因此立面向上火蔓延的抑制機制可以從熱量的控制上進行研究。立面火向上蔓延傳播速度與熱解高度隨時間變化高度相關，在研究中通常認為熱解高度為材料表面溫度達到燃點的高度位置。豎直燃燒平面從下至上依次為燃燒分解區(qū)、火焰覆蓋的預燃區(qū)。噴淋水幕噴射在燃燒表面時可分為3種工況：水幕作用于火焰覆蓋的預燃區(qū)域；水幕作用于預燃區(qū)域上方，并形成一個潤濕區(qū)；水幕直接作用于分解區(qū)。噴淋作用于預燃區(qū)的滅火效果最好。噴淋3種作用區(qū)域示意如圖5所示。

圖5 噴淋3種作用區(qū)域示意圖

滅火主要通過兩種作用，一種是蒸發(fā)冷卻滅火，一種是穿過火焰層來到保溫材料表面形成水膜滅火。距離保溫材料越遠，水幕的噴淋面越低越靠近火源，水幕的噴淋面作用在分解區(qū)，當流量足夠大的時候會形成吹熄效果把火迅速滅掉，但是等比例縮尺寸實驗中噴淋流量較小，大部分水滴在火焰中部蒸發(fā)，但火焰前鋒依然在向上燃燒，同時大量水滴帶來新鮮的氧氣使得噴淋開啟后一小段時間會出現(xiàn)溫度的回升。當噴淋作用面處于預燃區(qū)時，水幕直接作用于火焰前鋒，使其向上蔓延速度變緩，同時形成水膜保護保溫材料表面，使其分解溫度變高，不宜燃燒。同時水幕滅掉火焰前鋒處的火焰后，繼續(xù)順著壁面下流滅火效果最佳，溫度時間曲線只有一個峰值。當噴淋作用于潤濕區(qū)時，在燃燒區(qū)上方形成一個水膜，可以減緩火焰的侵蝕，但是流量較小時火焰過大仍然會繼續(xù)燃燒，溫度增加出現(xiàn)第二個峰值。因此噴頭距保溫材料板0.5 m時也就是噴淋水幕作用于預燃區(qū)時，滅火效果最好。

通過前文的分析得出結論，噴頭距聚苯乙烯保溫材料水平距離、噴頭豎直方向高度、噴頭最低點與豎直垂線傾斜角，三者共同決定噴淋面距地面高度H。按照圖6噴淋作用高度示意圖，H的高度可表示為：

圖6 噴淋作用高度示意圖

式中：x—噴頭距聚苯乙烯保溫材料水平距離；

H0—噴頭豎直方向高度；

α—噴頭最低點與豎直垂線傾斜角。

4 結 論

噴頭流量大小相同時，水噴淋對聚苯乙烯材料豎向燃燒抑制效果主要取決于噴淋水幕作用于墻面的位置，水幕作用位置由噴頭高度、傾斜角度和水平距離共同決定。水幕作用于預燃燒區(qū)域抑制效果優(yōu)于分解區(qū)域及未燃區(qū)域。該研究為外墻火災防控及噴淋系統(tǒng)性能化布置提供了有效參考。