电焊熔珠对挤塑聚苯乙烯保温板引燃能力分析.pdf

收稿日期:基金项目:安徽省省级研究生线上线下混合示范课程(.)安徽省高等学校省级质量工程项目教学示范课(.)作者简介:赵宗玉()男甘肃金昌人硕士生文章编号:()电焊熔珠对挤塑聚苯乙烯保温板引燃能力分析赵宗玉张树川(安徽理工大学 安全科学与工程学院安徽 淮南)摘要:为探究电焊熔珠对挤塑聚苯乙烯()保温材料引燃能力的影响对熔珠产生、飞行到引燃材料的全过程进行动态测温分析了不同电流条件下的熔珠直径分布和对 保温材料的引燃情况得到引燃边界条件与规律 结果表明:影响电焊熔珠引燃 保温材料的决定性因素为熔珠直径、着床温度具有引燃能力的熔珠直径分布在 区间内无法引燃的熔珠直径分布在 区间内着床温度随着电流的增大而增加且能否引燃熔珠在材料表面形成的痕迹特征有一定的区别 研究结果可为电焊作业引燃保温材料的火灾现场调查提供参考关键词:电焊熔珠保温材料引燃概率引燃能力中图分类号:文献标志码:我国接连发生多起电焊作业、导线短路等引燃外墙保温材料的重特大火灾使得外墙保温材料引起了社会的极大关注 因此许多学者开始研究外墙保温材料的被引燃能力多数都会涉及电焊、短路等高温电弧产生的高温颗粒物对外墙保温材料的引燃能力 卢志刚等研究了电焊熔珠对棉布和聚氨酯泡沫的引燃能力 李青研究了酒精喷灯和电焊熔珠对聚氨酯保温板的引燃能力 雷鹏奎研究了对电焊熔珠掉落于 种不同承载面的实验探究对其熔珠形状、最大直径统计分析并粗略统计各熔珠的引燃情况 姜航等研究了以电线过载发热对聚氨酯保温材料的引燃能力结果发现过载电流达到 倍额定电流时均会引燃聚氨酯保温材料 程志冉利用汽油喷灯对 保温材料进行引燃条件实验研究上述研究对于熔珠产生到掉落中温度变化、能量散失以及熔珠痕迹特征研究较少 因此本文通过对电焊飞溅熔珠引燃常见 保温材料的形成过程进行高速影像的捕捉识别其落于保温材料表面的熔珠温度变化分类统计其熔珠数量与直径分布并结合材料宏观痕迹特征研究其引燃能力对于准确识别电焊作业导致火灾的现场调查提供重要依据与理论支持 试验系统设计电焊熔珠制备试验台用于制备电焊金属熔珠由防火板、铁架台、焊接件等组成如图 所示 试验仪器为:德力西牌 直流电焊机用于制备电焊熔珠 高速摄影机用于拍摄记录熔珠掉落过程瞬间现象杭州美盛红外 红外热成像仪用于记录熔珠掉落过程中的温度变化 试验开始前将 板按 规格裁剪备用并在每次试验前依次将裁剪后的样品放置于试验台上进行试验探究 将高速摄像机和红外热像仪放置于试验的主视角方第 卷 第 期 年 月兰州工业学院学报 .向镜头对准材料表面分别记录电焊熔珠掉落轨迹与熔珠温度 将焊接件放置于试验台正中间焊接点距离材料垂直距离设置为.在直流电焊机通电后分别调节电流值(、)夹持焊条以点焊的方式对焊接件进行电弧焊持续不断地拉弧保证电焊的不间断以持续喷溅出高温电焊熔珠颗粒 试验完成后切断电焊机电源将收集到的试验数据整理并待熔珠冷却至室温后按照试验顺序编号收集电焊熔珠且注明其引燃现象图 试验台布置 试验过程与分析在电焊作业过程中焊接电弧瞬间产生其焊条金属迅速融化产生高温液态熔池焊接熔珠掉落至下方保温材料接触介质形成电焊迸溅熔珠其引燃的物理模型如图 所示 该模型考虑了易燃气体通过扩散和自然对流作用在空气中的传播最终当预混的可燃气体达到最低易燃极限时将会发生有焰气体燃烧反应图 熔珠引燃保温材料的物理模型 将着床后引燃可燃物且火焰持续时间 以上的电弧迸溅熔珠定义为引燃可燃物的熔珠无明火产生则定义为无法引燃可燃物的熔珠.熔珠引燃过程及温度与时间关系电焊熔珠在产生迸溅后由于重力的驱使熔珠自由落体以不同的角度与保温材料表面相接触此过程通过高速摄像机记录电焊熔珠掉落于 板表面的全过程确定引燃现象 时间从电焊熔珠产生时开始计算熔珠引燃 保温材料的 种引燃现象如图 所示()可引燃熔珠的着床过程()不可引燃熔珠的着床过程图 熔珠引燃保温材料的引燃试验现象 通过对熔珠温度的测量建立了熔珠产生至冷却熄灭阶段的相关关系 图 为不同电流条件下引燃熔珠随时间的温度变化 根据引燃熔珠温度变化规律其共经历 个阶段()升温阶段:熔珠由于电弧热量与焊条药皮燃烧的热量共同作用使其温度急速上升 通过扫描电镜发现熔珠表面有氧化铁的存在说明氧化还原反应所产生的热量也作用于熔珠本身()失热阶段:由于重力和热传递作用熔珠从产生掉落到接触材料表面这一阶段室内空气对高温熔珠有热量的抢夺使熔珠温度急剧下降 且在熔珠到达材料表面时会以弹跳接触、镶嵌接触等方式直接与材料发生传热过程此过程热量散失严重()稳定燃烧阶段:熔珠嵌入材料中高温的熔珠颗粒使材料不断被热解热解产生的气体与空气相混合引发燃烧现象此过程引燃材料产生的火焰使电焊熔珠再一次被加热温度上升()冷却熄灭阶段:热解气体与空气的混合气体浓度随时间逐渐减小火焰强度减弱火焰熄灭熔珠温度降至室温高温熔珠在材料表面形成熔痕孔洞 由于可引燃熔珠会受到火焰的热反馈作用其温度呈现双波式降温 电流的增加其产生熔珠的温度也在增加电流、条件下分别对应 、第 期 赵宗玉等:电焊熔珠对挤塑聚苯乙烯保温板引燃能力分析()电流 ()电流 ()电流 图 电焊熔珠引燃 保温材料的时间温度变化曲线 对于不燃熔珠而言其自身的热量不足以引燃材料无法通过引燃材料的火焰热反馈升温所以相较于引燃熔珠不燃熔珠不经历燃烧升温阶段且失热与冷却降温阶段合并为一个总体降温阶段由图 可见温度曲线呈单波动式降温即()第一阶段:与引燃熔珠的升温过程相似都是由于其电弧能量作用下不燃熔珠温度也因氧化反应所释放的热量而短暂升温()第二阶段:熔珠掉落过程中与熔珠在材料表面弹跳过程中与空气接触散失部分热量到达材料表面后熔珠也仅仅使材料发生热解未能把热解气体引燃所以该阶段降温速度较快 在电焊机加载电流不同的情况下熔珠的最高温度也不同 在电流为、条件下熔珠的最高温度分别为 、随着电流的增加其熔珠的最高温度在逐渐增加()电流 ()电流 ()电流 图 电焊熔珠无法引燃 保温材料的时间温度变化曲线.不同引燃条件下对电焊熔珠数目和粒径分布图 显示出在不同电流条件下不同直径的引燃熔珠和非引燃熔珠的分布规律 为减少误差取 次熔珠直径的平均值 兰州工业学院学报 第 卷图 不同电流条件下熔珠引燃 板的数量直径分布 加载电流对电焊熔珠的数目和粒径分布有很大的影响 随着焊机电流的增加产生的电焊熔珠数量也逐渐增加 触发电流增大电弧能量增强熔池区的能量增大液态金属从焊接点迸溅时受到的作用力增大迸溅出的液态金属增多产生的迸溅熔珠数量增多 由图 可见熔珠的数量会在某一个粒径范围出现集中呈现峰状集中分布 在引燃区域内电流越大熔珠数量越多引燃熔珠的粒径均大于 引燃熔珠粒径多数均集中于 范围内电焊熔珠是一种高温热颗粒随着电流的增加赋予熔珠的电弧能量、电场力等也在增加粒径大于 的熔珠均能引燃材料这是由于粒径大的熔珠携带的能量多能够使得大熔珠容易点燃材料 不燃熔珠数量远大于引燃熔珠且不燃熔珠的粒径主要分布在 的区间内有一小部分粒径在 内的熔珠不具备引燃能力不同粒径的熔珠其引燃现象对温度的敏感程度标准不一样 因此熔珠必须经过一定的体积才能发生引燃引用熔珠有效能量公式即/()()式中:的乘积表示熔珠的体积热容 为熔珠着床温度 是系统的基准温度(此处假设为室温)为熔珠直径 为熔珠质量熔珠的体积能与着床温度和熔珠直径有关对于直径小的()熔珠即使升高其温度对于熔珠体积能的影响并不明显中等直径的()的熔珠温度对于引燃特征的影响力大于直径引燃现象也对温度变化更为敏感 着床前熔珠的温度及直径直接影响熔珠所具有的能量.不同引燃现象的材料宏观分析图 为同一工况下的电焊熔珠发生可燃和不燃保温材料试验之后剩下的材料横截面 对于可燃材料的横截面来说靠近熔珠迸溅面的材料孔洞直径远大于底部的材料孔洞直径这是由于在熔珠滴落的情况下与材料相接触所产生的强烈火焰燃烧所导致的 且在材料上部观察到有大量黑色的焦油此现象说明燃烧火焰只在靠近材料表面的.处的范围内燃烧表明聚苯乙烯泡沫材料的厚度对于熔珠引燃的过程影响不大 因为其“颈部结构”限制了空气中氧气的供应进而阻止了火焰进一步向下蔓延 下部的孔洞结构与不燃样品的形状相同图 熔珠引燃 板的横截面 对于不燃材料的横截面材料上部的孔洞直径小于材料下部这是因为熔珠在掉落于材料表面后在材料下部停留时间较长由还未冷却的熔珠加热材料所导致的材料收缩 且整个孔洞直径相较于熔珠直径来说较大并且孔洞内壁光滑.电焊熔珠的引燃概率电焊熔珠颗粒频频引燃保温材料并造成严重的人员伤亡及经济损失 通常情况下颗粒达到一定尺寸及温度才能点燃建筑外墙保温材料 现结合上述试验数据从热点理论出发无量纲化分析得出可使用如下公式确定高温颗粒点燃保温材料的颗粒临界尺寸与临界温度之间的关系即 式中:为临界尺寸 为达姆克拉数 为导热系数 为材料密度 为表现活化能 为临界温度下标为 的是材料的物理参数下标为 的是第 期 赵宗玉等:电焊熔珠对挤塑聚苯乙烯保温板引燃能力分析电焊熔珠的物理参数上式中提及的拉姆克拉数未知以下为拉姆克拉数 的估算过程即.().().().()()()/(/)式中:()为形状因子(球型颗粒尺寸)试验中用到的 焊条其焊芯是由铁和碳组成所以电焊熔珠是金属铁热颗粒金属铁颗粒引燃保温材料的热物性参数见表 表 热物性参数材料导热系数/()密度(/)热容/()活化能(/).金属铁颗粒 根据上述公式将得到的 组数据列表整理如表 所示表 数据整理组数温度/直径/组数温度/直径/.计算出熔珠颗粒引燃 保温材料的临界点燃条件 并对其数据拟合处理得到该熔珠颗粒的临界引燃条件曲线见图 图 熔珠引燃 板的条件评估 由图 可知电焊熔珠的引燃能力由其接触材料表面时的瞬时温度与熔珠直径共同作用小直径熔珠则需要更高的温度来发生引燃大直径熔珠则只需要较低的温度就可以达到引燃的效果 拟合曲线得出的相关系数 在.以上该模型可作为熔珠引燃 规律的初步预测 结论)通过分析熔珠引燃材料的发展过程将引燃熔珠的温度变化规律分为 个阶段 相较于不燃熔珠的温度变化规律其不燃熔珠没有燃烧升温阶段即没有熔珠引燃材料后的二次火焰加热升温过程且熔珠的最高温度随着电流的增大而增加)随着电流的增强其具有引燃能力的迸溅电焊熔珠数量增加且具有引燃能力的熔珠其直径主要分布在 区间内无法引燃的熔珠其直径主要分布在 区间内 直径大于 的熔珠绝大多数具有引燃能力直径小于 的熔珠均不具有引燃能力)熔珠接触材料后会在材料内部形成孔洞痕迹且孔洞直径相对较大于熔珠直径 不燃熔珠所形成的孔洞呈竖直圆锥状底部孔洞较大于材料顶部且内壁光滑引燃熔珠所形成的孔洞呈花盘状材料顶部孔洞直径远远大于底部直径且顶部孔洞内壁粗糙可观察到大量黑色焦油)结合热点理论及无量纲化分析提出了预测引燃 板的理想模型可作为熔珠引燃 板规律的初步预测模型 兰州工业学院学报 第 卷参考文献:卢志刚陈伟红.电焊熔珠对棉布和聚氨酯泡沫的引燃能力研究.火灾科学():.李青.聚氨酯保温板引燃特性试验研究.武警学院学报():.雷鹏奎.引燃承载面对电焊熔珠痕迹特征的影响研究.西安:西安科技大学.程志冉.汽油喷灯对 保温材料引燃条件实验研究.消防科学与技术():.田晴.短路迸溅熔珠引燃能力和金相组织特征研究.西安:西安科技大学.:.张志伟雷心怡王一名等.着床后引燃对电弧迸溅熔珠组织特征的影响.中国安全生产科学技术():.李阳.短路激烈程度对铜包铝导线熔珠引燃能力及组织特征的影响.安全与环境学报():.():.王苏盼.飞火颗粒点燃的实验及机理研究.合肥:中国科学技术大学.():.():().:.:(责任编辑:杨春玲)第 期 赵宗玉等:电焊熔珠对挤塑聚苯乙烯保温板引燃能力分析