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行业动态

线缆产品耐火试验中的火焰温度

发表时间:2019-03-04 访问量:34514

一、 前言

自从西安“奥凯事件”以来,无论是线缆制造企业还是理性用户都非常重视线缆产品质量,但是又出现了另外的问题,就是对产品性能检测结果的抱怨,非常重视产品质量而且具有一定技术实力的企业研发制造的产品性能与所谓的“权威检测机构”检测结果存在差异从而引起争议,特别是检测装置和测试技术对检测结果影响比较大的检测项目,例如成束燃烧试验、耐火试验和热释放试验等争议较多,分析其原因就是无论是线缆制造企业还是检测机构对大型试验认识不够,对试验方法理解不透,特别是具体的操作人员知其然而不知其所以然,依样画葫�**,对试验设备的各种性能参数不了解而且不重视,喜欢选择价廉的检测设备,特别不重视设备的计量检定,计量检定流于形式,造成了现在检测结果再现性(不同检测单位间的检测结果)很差,不利于企业产品开发、产品结构设计、成本控制和质量的稳定和提高,不利于检验机构信誉度的提升,甚至带来负面影响,例如大型工程抽样检测,这本身是提升整个行业产品质量的有效措施,但有些检验机构依靠“权威”,不重视检测结果的质量,争议不断,从长远看不利于线缆强国梦的实现。 
当前我国线缆行业中各种耐火电缆呈出不穷,依据的产品标准和测试方法标准也是五花八门,其实耐火试验中最关键的指标—火焰温度的要求、界定方法也是不同的,当然会影响试验结果,掌握不同测试方法标准以及每一种测试标准中火焰温度的要求对产品开发、结构设计是至关重要的,特别是第三方检验机构更为重要,理解、掌握并按标准要求做试验,得出的检测结论是为社会提供公正第三方检测报告的基础。鉴于上述情况,作者根据多年的工作经验,写出此文分享于大家,希望有助于我国耐火电缆质量的提升,有助于耐火电缆开发者和质量管理工作者信心的提升。


二、主要使用的线缆耐火试验方法标准及其试验温度简述

1、当前国内采用的耐火试验方法标准
国标(GB/T)标准体系:

单纯耐火的2003版本体系如下:



带冲击耐火的2008版本体系如下:




不过GB/T 19216.31-2008/IEC60331-31:2002已经作废,期待新版本标准的出现,由于此标准的作废使得耐火试验的GB/T标准内容范围与BS出现较大的差异。

IEC标准体系:

除了大家熟悉的有: IEC60331-11、 IEC60331-21、IEC60331-23、 IEC60331-25、IEC60331-31和IEC60331-12外,还有:



以上三个标准最新版本为:IEC60331.1-2018 RLV、EC60331.2-2018 RLV、IEC60331.3-2018 RLV。


BS标准体系:



上述标准都是我国目前在使用的耐火试验方法标准,如此多的标准,执行困难,给鱼目混珠者提供了机会,加快我国耐火试验方法标准的制定、统一是当务之急,是规范我国耐火电缆产品质量的基础工作。


2、上述耐火试验标准规定的耐火温度及测量温度点的规定

2.1  GB/T19216.11-2003《在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验 第11部分:试验装置—火焰温度不低于750℃的单独供火》

(1)温度、空气和燃烧气体流量的规定



(2)火焰测量点的规定




图一:图中3代表热电偶位置,8代表燃烧喷灯出火口的端面



这里X表示是燃烧喷灯出火口端面到热电偶中心点的距离(如果是样品就是中心线的距离),约45mm;Y是燃烧喷灯水平中心线到热电偶的垂直距离(如果是样品就是燃烧喷灯水平中心到样品底部的垂直距离),数值为70±10mm。对于每一套耐火试验装置的X、Y要通过温度的计量检定(或喷灯系统验证)来确定具体的数值。标准规定了X和Y的数值要求,你可以通过调节燃烧的空气流量(5±0.25L/min.)和丙烷流量(80±5 L/min.),使得X和Y满足标准要求,也就是X在45mm左右,Y的数据必须介于60~80mm之间。

通过计量检定(或喷灯系统验证)确定的X和Y决定了样品的位置,那么样品应处在试验系统中的位置为样品中心线到燃烧喷灯出火口端面的水平距离为X,样品底部到燃烧喷灯水平中心线的垂直高度为Y。

如果样品不在计量检定(或喷灯系统验证)的位置上,对检测结果影响很大,我们做了一下试验,説明火焰温度与水平和垂直距离的关系。




图二:Y=65mm,X=45,丙烷流量=5.02L/min,空气流量=78.0L/min,热电偶平均温度775℃。



图三:同样的流量,热电偶在蓝色火焰的顶部,温度在950℃左右。



图四:同样的流量,热电偶在蓝色火焰的内部,温度大于1000℃。



图五:同样的流量,热电偶处于X=45,Y=80,温度在480-590℃左右。


从图二到图五我们可以看出,耐火试验系统中不同区域的火焰温度相差是比较大的,如果样品距燃烧喷灯近了,对样品不利;如果样品距燃烧喷灯远了,没有按标准要求考核。因此在进行耐火试验时样品一定要处在计量检定报告中(或喷灯系统验证报告)説明的X和Y位置上,而且一定要按计量检定报告中説明的燃烧气体流量(空气流量和丙烷流量)进行调节,到这里为止我们已经认识到X、Y和燃烧气体流量的重要性,然而我们的计量检定工作或者喷灯系统验证工作做得怎么样?试验工作者在样品布置时操作又怎么样?

2.2 GB/T19216.12-2008《在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验第12部分试验装置-火焰温度不低于830度的供火并施加冲击 》


(1)温度、空气和燃烧气体流量的规定



(2)火焰测量点的规定


图六:3代表燃烧喷灯,H是喷灯出火口端面到测试面板的距离,V是燃烧喷灯水平中心线到热电偶测温头的垂直距离。热电偶测温头到测试面板的距离为20±1mm。

这里标准规定H是110±10mm,V是50±10mm。对于每一套符合GB/T19216.12-2008标准要求的耐火试验装置的H、V要通过温度的计量检定(或喷灯系统验证)来确定具体的数值。标准规定了H和V的数值要求,你可以通过调节燃烧的空气流量(10±0.4L/min.)和丙烷流量(160±8 L/min.),使得H和V满足标准要求,也就是H在100~120mm,Y的数据必须介于40~60mm之间。
通过计量检定(或喷灯系统验证)确定的H和V决定了样品的位置,标准规定样品应处在试验系统中的位置是以试验电缆中心为基准,喷灯中心应被定位在喷灯出火口端面与电缆中心之间的水平距离为(H±2)mm,喷灯中心线与电缆中心之间的垂直距离为(V±2)mm的地方,如图七所示。


图七:GB/T19216.12-2008标准中喷灯与样品
在试验系统中相对位置


注意:GB/T19216.12-2008标准规定在计量检定或喷灯系统验证过程中用了试验测试版,此板在试验过程中是要卸掉,我们进行过验证试验,在火源条件不变的情况下,在热电偶位置上(也就是样品所处的位置)的温度与测试板有无有点关系,没有测试板时样品所处位置的温度稍低于有测试板的状态。

2.3  IEC60331.1:2009《额定电压0.6/1kV及以下且外径大于20mm的电缆在火焰温度不低于830℃并施加冲击的耐火试验方法 》和IEC60331.3:2009《额定电压0.6/1kV及以下的电缆,穿在金属管内,在火焰温度不低于830℃并施加冲击的耐火试验方法》

(1)温度、空气和燃烧气体流量的规定

与GB/T19216.12-2008一致

(2)火焰测量点的规定

与GB/T19216.12-2008一致

2.4  IEC60331.2:2009《额定电压0.6/1kV及以下且外径不超过20mm的电缆在火焰温度不低于830℃并施加冲击的耐火试验方法 》


(1)温度、空气和燃烧气体流量的规定



(2)火焰测量点的规定



图八:3代表燃烧喷灯,喷灯出火口端面到测试面板的距离为40±10mm,是燃烧喷灯水平中心线到热电偶测温头的垂直距离为65±10mm。热电偶测温头到测试面板的距离为10±0.5mm。

这里标准规定40±10mm,65±10mm。对于每一套符合IEC60331.2:2009标准要求的耐火试验装置的二个距离要通过温度的计量检定(或喷灯系统验证)来确定具体的数值。标准规定了二个数值要求,你可以通过调节燃烧的空气流量(5±0.25L/min.)和丙烷流量(80±5 L/min.),使得二个距离满足标准要求,也就是喷灯出火口端面到测试面板的距离在30~50mm,燃烧喷灯水平中心线到热电偶测温头的垂直距离必须介于55~75mm之间。

通过计量检定(或喷灯系统验证)确定的二个距离决定了样品的位置。

注意:IEC60331.2:2009标准规定在计量检定或喷灯系统验证过程中也用了试验测试版。

2.5 BS 6387:2013《 在火焰条件下电缆线路完整性耐火试验方法》

(1)温度、空气和燃烧气体流量的规定


(2)火焰测量点的规定
C协议(单纯耐火):
热电偶位于气体入口处的火焰端,并与燃烧喷灯平行放置,前者位于后者上方75mm处,如图九所示。



图九:BS 6387-2013 C协议内热电偶位于火焰上方75mm处

由于标准中没有规定燃烧气体的流量,所以应通过调节气体流量,使火焰温度达到910~990℃之间。
W协议(带喷水耐火):
热电偶位于样品所处位子的下表面处,如图十所示。



图十一:BS 6387-2013 W协议,2是热电偶(也是样品所处位置),4是燃烧喷灯
由于标准中没有规定燃烧气体的流量,所以应通过调节气体流量,使火焰温度达到610~690℃之间。

Z协议(带冲击耐火):
热电偶处于样品Z型下端弯曲处的二端电缆切线相交处,如图十二所示。




图十二:BS 6387-2013 Z协议,1是热电偶
(二端电缆切线相交处)

2.6  BS8491:2008《用作烟和热控制系统及其它现役消防安全系统部件的大直径电力电缆的耐火完整性评估方法》


(1)温度、空气和燃烧气体流量的规定
与GB/T19216.12-2008一致

(2)火焰测量点的规定
与GB/T19216.12-2008一致

三、喷灯系统验证(耐火设备计量检定)


我们从前面的叙述已经了解到不同的耐火试验方法中,规定的耐火温度有所不同,对应的燃烧气体的流量也不同,在BS6387标准中就没有规定燃烧气体的流量,需要进行喷灯系统的验证得到气体的流量,在同一个试验系统中,在火焰的不同区域火焰温度也有较大的差异,因此科学、合理的验证系统的火焰温度、及其所在位置的尺寸、对应的空气和丙烷气体流量是至关重要的,会直接影响到耐火试验结果。

对于GB/T标准系列、BS8491或IEC标准系列,喷灯系统验证的目的是确定试验时样品固定的位置:在规定火焰温度范围情况内,确定在水平方向上样品与喷灯出火口端面与样品中心线的距离、在垂直方向上样品中心线或样品底部距喷灯水平中心线的距离、空气流量和丙烷流量。

对于BS 6387标准,喷灯系统验证的目的是确定在规定火焰温度范围情况内空气流量和丙烷流量。


1.GB/T19216.11-2003喷灯系统的验证

验证使用的热电偶要求:二根直径为1.5mm的矿物绝缘不锈钢护套的K型热电偶,在使用过程中发现国产此类热电偶不能满足该验证试验的要求,在此火焰温度下1-2分钟就不能正常工作,采用该类进口热电偶能满足试验要求。

热电偶在试验系统中的相对位置如图十三所示:


图十三:GB/T19216.11-2003中规定的二支热电偶的位置


图十四:GB/T19216.11-2003喷灯验证试验现场情形

火焰验证步骤:

步:把喷灯放在与热电偶水平距离约45mm(x mm),与热电偶中心线垂直向下距离为70mm(y mm)的位置上,如图十三所示。

第二步:点燃喷灯,调节丙烷流量(80±5)L/min;和空气流量(5±0.25)L/min

第三步:调节喷灯的水平位置直到热电偶接近火焰的垂直中心线。

第四步:记录热电偶在10min时间内的温度,一定要保证火焰是稳定的。

第五步:如果两个热电偶在10min时间的读数平均值在(750~790℃)要求范围内,且两个热电偶读数的平均值的更大差值不超过40℃,则应认为通过验证。为了得到平均值,每30s至少应测量一次。

第六步:记录此时的x、y数据,记录丙烷和空气的流量。

第七步:如果两个热电偶的温差不满足第五步所述,那么应调节丙烷和空气的流量,使其满足第五步所述的要求。

第八步:此时应记录此时的x、y数据,记录丙烷和空气的流量。

第九步:如果操作第七步也不能满足第五步所述的要求,则应在y的公差范围内( 70±10mm )调节y ,并适当调节x的距离,再验证一次。如果满足第五步的要求,则应记录此时的x、y数据,记录丙烷和空气的流量。

第十步:如果完成第九步的操作,也不满足第五步的要求,认为喷灯系统不满足GB/T19216.11-2003的要求。

我们对某套耐火系统进行了火焰温度验证,Y=65mm,X=45,空气流量:78.0L/min;丙烷流量:5.02L/min。每30s测量一次,共20次,其测量数据如下:

热电偶1温度(℃):738,818,707,797,745,776,785,746,795,780,820,760,745,755,786,795,755,790,810,790。平均值为775℃。

热电偶2温度(℃):761,812,736,783,785,796,765,799,785,788,756,791,789,790,736,789,776,820,789,811。平均值为783℃。

二支热电偶平均温度的差值是8℃,符合温差40℃的要求,此时确定的X、Y值就是试验时样品所处位置的参考坐标参数,空气流量和丙烷流量是试验时需要调节的参数。

2.GB/T19216.12-2008喷灯系统的验证

验证使用的热电偶要求:二根直径为1.5mm的矿物绝缘不锈钢护套的K型热电偶,与GB/T19216.11-2003中规定的相同。热电偶在试验系统中的相对位置如图十五所示:


图十五:GB/T19216.12-2008中规定的二支热电偶的位置


GB/T 19216.12-2008与GB/T19216.11-2003进行温度验证时的区别:

1)喷灯与热电偶水平距离为(H)100~120mm ,热电偶中心线垂直向下距离(V)为45 ~ 55mm;

2)温度要求830~870℃;

3)有一块试验壁,长约900mm,高300 mm,厚9mm的不燃性非金属材料耐热板。

验证方法与GB/T19216.11-2008一致。验证现场如图十六。

用此种方法确定的H、V值就是试验时样品所处位置的参考坐标参数,空气流量和丙烷流量是试验时需要调节的参数。


图十六:GB/T19216.12-2008喷灯验证试验现场情形

3.GB/T19216.12-2008喷灯系统的验证

BS6387中有三种形式的耐火试验,其要求各不相同。

3.1 BS6387-2013 C协议的温度验证

热源(喷灯)要求:长610mm的管式气体喷灯。

热电偶要求:一根直径1.5mm矿物绝缘不锈钢护套K型热电偶。

热电偶在测量系统的相对位置:热电偶插入火焰靠近燃气入口的一端,使热电偶与喷灯平行且位于喷灯上方75mm的高处。

验证步骤:

1)固定热电偶到上述规定的位置;

2)点燃喷灯,调节丙烷和空气流量,至少火焰温度保持在910~990℃之间5分钟以上,才能认为是稳定的火源。

3)记录丙烷和空气流量(耐火试验时需要调节到的参数)。



图十七:BS6387-2013 C协议单纯耐火的样品位置图


3.2 BS6387-2013 W协议的温度验证

热源(喷灯)要求:长400mm的条状丙烷或天然气喷灯。

热电偶要求:一根直径1.5mm矿物绝缘不锈钢护套K型热电偶。

热电偶在测量系统的相对位置:热电偶放在试验中电缆样品下表面将占据的位置处。


图十八:BS6387-2013 W协议带喷水耐火中热电偶(标注2的位置)

验证步骤:

1)固定热电偶到上述规定的位置;

2)点燃喷灯,调节丙烷和空气流量,至少火焰温度保持在610~690℃之间5分钟以上,才能认为是稳定的火源。

3)记录丙烷和空气流量(耐火试验时需要调节到的参数)。

3.2 BS6387-2013 Z协议的温度验证

热源(喷灯)要求:长500mm的条状丙烷或天然气喷灯。

热电偶要求:一根直径1.5mm矿物绝缘不锈钢护套K型热电偶。

热电偶在测量系统的相对位置:热电偶处于样品Z型下端弯曲处的二端电缆切线相交处。




图十九:BS6387-2013 Z协议带冲击耐火中热电偶(标注1的位置)


验证步骤:
1)固定热电偶到上述规定的位置;
2)点燃喷灯,调节丙烷和空气流量,至少火焰温度保持在910~990℃之间5分钟以上,才能认为是稳定的火源。
3)记录丙烷和空气流量(耐火试验时需要调节到的参数)。

IEC和BS耐火试验标准在验证火焰温度上的区别:
1)IEC要验证热电偶与喷灯的相对位置,以火焰温度为基准,调节相对位置距离以及丙烷、空气流量。
2)BS是固定热电偶位置,以火焰温度为基准,调节丙烷、空气流量。

四、试验时样品位置与验证时热电偶的位置关系
1、采用GB/T19216.11-2003试验装置的耐火试验样品位置与热电偶位置的关系
试样在试验系统中的相对位置:喷灯中心水平面到试样更低点下面的距离为y(此y是温度验证时得到的,标准规定在70±10mm 范围内);喷嘴距离试验中心垂直面为x (此x是温度验证时得到的,标准规定在45mm 左右)。



图二十:GB/T19216.11-2003试验装置中喷灯与样品的位置示意


在这里一定要强调试验固定样品时y、x是经过系统验证得到的数据,而不是认为“样品处在x为45、y为70±10mm内“就可以了。相对位置差5mm,样品表面温度相差很多。
2、采用GB/T19216.12-2003试验装置的耐火试验样品位置与热电偶位置的关系
试样在试验系统中的相对位置:
以试验电缆中心为基准,喷灯中心应被定位在喷灯面与电缆中心之间的水平距离为(H±2)mm,喷灯中心线与电缆中心之间的垂直距离为(V±2)mm。在试验过程中,喷灯的正确位置应按照温度验证程序所得的H和V的值来确定。





图二十一:GB/T19216.12-2008试验装置中喷灯与样品的位置示意


3、BS/6387-2013 C协议中耐火试验样品位置与热电偶位置的关系
电缆中心到喷灯火焰始端面的距离与热电偶喷灯火焰始端面的距离相等(75mm)。
4、BS/6387-2013 W 、Z协议中耐火试验样品位置与热电偶位置的关系
电缆样品的位置、热电偶位置固定不变。
样品在试验系统的相对位置是由各个标准试验方法中通过验证得到的或严格规定的,不能随意变动,特别是在做试验时,由于现场客观环境条件的因素,给操作者静心调节样品的位置带来很多不确定性,因此当耐火试验结果不合格或不可思议时,因认真确认样品在试验系统的相对位置和燃烧气体的流量(决定火焰的强度)。


五、耐火试验仓的要求

由于耐火试验过程中涉及到空气的流动、废气处理、火焰几何形状的稳定性等问题,所以应重视耐火试验仓的要求,否则会影响到试验结果。
1、试验仓的要求
GB/T或IEC标准要求要大于20m3的试验仓,推荐采用IEC 61034标准规定的27m3试验仓,该试验仓要有排烟系统,而且要有进风系统,但又不能使用强迫通风系统。无论排风系统还是进风系统在验证和电缆试验过程中,不能使火焰的几何形状发生变化。为此建议在进风口(类似于IEC 61034标准规定的试验仓的位置处)放置与喷灯之间适当的位置放置一个挡风板作为屏障,不使气流影响火焰的几何形状。在验证时你会发现如果试验仓的门是开着,火焰的几何形状也会随门敞开的大小也改变。如果进气口的大小不合适,也会影响火焰强度,甚至火焰会熄灭。火焰几何形状的改变会影响验证时的热电偶温度,试验时会影响作用在试品的火焰强度,或高或低。
耐火试验过程中施加电压并伴有高温,燃烧聚合物护套和绝缘材料,可能会产生冲击、燃烧、火灾、爆炸和有害气体等危险,因此采用适当的防护措施是必须的。
BS6387标准中没有规定具体试验仓空间尺寸要求,但其他要求与IEC标准要求类似,当前国内很多企业具有BS6387耐火试验设备,但试验仓和设备布局有待商榷。
2、火焰几何形状的稳定性
验证火焰温度或耐火试验过程中一定要保持火焰形状的稳定性。在火焰温度验证过程中,如果火焰形状不稳定,热电偶测试的温度不稳定,很难满足标准要求。
在试验过程中如果火焰形状不稳定,作用在样品上的温度会忽高忽低,严重影响试验结果。
影响火焰几何形状稳定的根本原因是试验仓内空气流动速度大、风速方向与火焰几何形状有一定角度,建立一个满足标准要求的试验仓是解决火焰形状稳定性的根本。


六、总结

前面主要介绍和分析了当前我国主要采用的电线电缆产品耐火试验方法标准中的温度、温度如何测量、热电偶的位置、如何确定燃烧气体的流量以及样品在试验系统中的位置,现总结如下:
1、不同试验方法中规定的试验温度是不可比的,我们不要听到、看到某个标准的耐火试验温度高,就认为此标准要求高。
2、耐火试验设备系统一定要进行喷灯系统的验证(设备计量检定),同一套系统采用不同标准进行试验时,其试验参数(空气流量、丙烷流量、样品在试验系统中的位置)是不一样的,不要认为只要有火焰出来,就是耐火试验。
3、如果同一套耐火试验系统能满足GB/T或IEC、BS相应标准的耐火试验要求,那么它应具有相应标准喷灯系统的验证报告(或不同标准的计量检定报告);一个标准的检定报告不能覆盖其他标准的检定报告;
4、如果见证你的产品耐火试验时,不是看看有没有火焰,电压有没有击穿,而是要确认火焰的强度是不是符合标准要求?火焰的高度是不是大体一致?样品的位置是不是在标准规定的位置上?


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