锥形量热仪用于研究电线电缆燃烧性能的探讨

近年来已经有许多文献报道了采用锥形量热计对电线电缆的燃烧特性进行评价,这些文献中对电线电缆的制样方法各异,从而导致文献报道的试验结果之间的相关性降低。为此,笔者探讨了采用锥形量热计法研究电线电缆燃烧特性的可能性,并提出了具体的试验方案。

1　锥形量热计法与我国现行标准的比较
目前,我国对电线电缆燃烧性能试验方法规定最为完整的是公安部行业标准GA 306. 1～ 2- 2001(阻燃及耐火电缆: 塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级要求)。该标准涵盖了其它12个相关的国家标准和行业标准,涉及电线电缆的外护层(包括绝缘层和护套层)的理化性能、导体的外观和电性能、电线电缆的阻燃和耐火性能、烟密度以及烟气毒性等性能的检验及指标要求。但是,这些标准和试验方法均不能对电线电缆热释放率、质量损失率以及一氧化碳和二氧化碳等参数进行定量的测定,而这些参数是消防工程师对建筑物火灾危险性评价以及性能化防火设计最为重要的数据。
表1将锥形量热计法与我国现行电线电缆燃烧试验方法可测量参数进行了比较。从表1可以看出,我国现行试验方法中对电线电缆的阻燃性能、烟密度和烟气毒性的测量涉及三个不同的标准,各个标准中对样品的制备均不同,且试验时所需的样品数量较多。而采用锥形量热计来测试材料的燃烧性能时,测试数据翔实,且数据间相互关联,试验时所需样品数量少。此外,笔者对2001年至2005年在国家防火建筑材料质量监督检验中心检验合格的300多个阻燃电线电缆样品的燃烧性能试验结果进行统计,发现所有阻燃材料电线电缆,无论是聚氯乙烯绝缘和护套,还是聚烯烃绝缘和护套,或是聚烯烃绝缘聚氯乙烯护套,它们的炭化高度大都在40～ 70 mm之间。因此,很难根据炭化高度来判定电线电缆在燃烧过程中热释放率的高低。为了研究电线电缆燃烧规律,采用锥形量热计法是非常重要而且有效的。

2　锥形量热计对电线电缆燃烧性能的测量
2. 1　电线电缆外形尺寸的多样性
采用锥形量热计法对电线电缆的燃烧性能进行评价,其关键和难点在于电线电缆外形尺寸的不确定性。因此,只有规范了电线电缆的制样方法,其试验结果才有可比性。普通电缆都是由导体、绝缘层和护套层构成。通常情况下,人们将只有绝缘层和导体构成的电缆称为电线。由于电线电缆的额定电压以及使用环境不同,其导体的直径、绝缘层和护套层的厚度也不同,从而导致电线电缆外形尺寸的多样性。表2是对2003年至2005年在国家防火建筑材料质量监督检验中心检验合格的电线电缆外形尺寸的统计结果。从表2可以看出,电线电缆的外径一般都在30 mm以下,其中, BV线的外径大都在10 mm以下。
2. 2　锥形量热计试验( ISO 5660)对样品的要求
图1是ISO 5660中样品台结构图,从图1可以看出, 样品台的尺寸范围为106(± 1) mm× 106(± 1)mm× 25(± 1) mm。而且, ISO 5660中规定了样品的表面积应为100 mm× 100 mm。因此,用于锥形量热计测试的电线电缆的长度要在100～ 106 mm之间。
2. 3　成品电线电缆锥形量热计试验样品的制备
考虑到锥形量热计样品台的最大宽度为100 mm,利用式( 1)来计算成品电线电缆根数n。
n= 100 /D
式中: n 为电缆根数, n 只取整数部分; D为电线电缆的外径, mm; 100为锥形量热计样品台的宽度, mm。此外,由于锥形量热计的样品台高度为25 mm,为了保证试验过程中不会因材料表面受热时发生熔滴等现象而影响整个试验的结果,将用于锥形量热计测量的电线电缆的样品制备分为以下三种情况。
2. 3. 1　外径小于等于25 mm的电线电缆
电线电缆样品的数量n 通过式( 1)来计算,此时电线电缆样品按图2( a )紧密排列,它们的受热表面积S应该为n 根电线电缆的半个圆柱体表面积之和,见图2( b) ,即按式( 2)计算。S= n(12πDH) ( 2)式中: S 为样品的表面积, mm2 ; n 为试样根数; D为电线电缆的外径, mm; H 为试样的长度,即为样品台的长度,取100 mm。
2. 3. 2　外径大于25 mm且小于等于32 mm电线电缆
对于此类电线电缆其周长在78～ 100 mm之间,可单独对电线电缆的护套层进行试验,即取长度为100mm的电线电缆进行试验。试验时将电线电缆的护套层剥下,平铺在锥形量热计的样品台中,而此时样品的受热面积S′用式( 3)表示。
S′= πD× 100 ( 3)
2. 3. 3　外径大于32 mm的电线电缆这类电线电缆的周长大于100 mm,取长度为105mm的电线电缆进行试验。试验时将电线电缆的护套层剥下,沿电线电缆的延伸方向将护套层切成105 mm× 105 mm的形状,将其直接平铺在锥形量热计的样品台中。此时样品的受热面积与锥形量热计试验方法中规定的标准面积相同。

3　结　论
采用锥形量热计法测量电线电缆燃烧特性是可行的,但由于电线电缆外形尺寸的不确定性,需根据电线电缆的外径决定试验中样品的数量。对于外径小于等于25 mm的电线电缆,可将电线电缆截成长度在100～ 106 mm之间的小段直接进行试验; 对于外径大于25 mm且小于等于32 mm的电线电缆,可单独对电线电缆的绝缘层和/或护套层进行试验; 对于外径大于32mm的电线电缆,取长度为105 mm的电线电缆进行试验,试验时将电线电缆的绝缘层和/或护套层剥下,沿电线电缆的延伸方向将护套层切成105 mm× 105 mm的片状,平铺在锥形量热计的样品台中进行试验。

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