مطالعه تجربی در ویژگی اشتعال پذیری و گسترش شعله کابل PVC
1. مقدمه
کابل ها به طور گسترده در تولید و زندگی مردم کاربرد دارند و برای کنترل فرآیند صنعتی ضروری اند. کابل از چهار قسمت تشکیل میشود که شامل پوشش بیرونی، فیلر، لایه عایق و هسته رسانا میباشد. به جز مواد اصلی، مواد کابل مبتنی بر کربن اند. پی وی سی (PVC) به طور گسترده در کابل ها که بسیار مستعد آتش گرفتن اند به عنوان لایه عایق به کار برده میشود.
این امر با خطر بالقوه ی آتش همراه است چراکه مواد کابل قدیمی، مدار کوتاه، و محیطی با دمای بالا احتمالا موجب شعله ور شدن لایه عایق پی وی سی (pvc) میشوند.
در زندگی روزمره، آتش‌سوزی الکتریکی حدود ۶۰ درصد از کل حوادث آتش‌سوزی را تشکیل می‌دهد. در صنعت شیمی، آتش‌سوزی کابل ممکن است موجب انفجار مواد شیمیایی شود. برای نیروگاه حرارتی ،آتش‌سوزی کابل ممکن است منجر به آتش‌سوزی و انفجار ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن شود. در نیروگاه هسته‌ای، آتش‌سوزی کابل ممکن است باعث انفجار هیدروژن شود. این حوادث تلفات زیادی به همراه خواهد داشت. علاوه بر آن، زمانی که آتش‌سوزی کابل رخ دهد، کابل‌ها و تجهیزات نابود خواهند شد و منجر به وقفه در تولید در مقیاس بزرگ میشوند که خسارات اقتصادی شدیدی را به بار می آورند. بنابراین، لازم است که ویژگی اشتعال پذیری و گسترش شعله کابل پی وی سی (PVC) را بررسی کنیم. (پی وی سی (PVC) و کاربردهای آن)
مطالعاتی در خصوص رفتار تجزیه گرمایی، اشتعال، و سمیت آتش مواد کابلی انجام شده است. مطالعات تجربی و عددی توسط Moinuddin و همکاران بر واکنش های فاز جامد (pyrolysis) و واکنش فاز گازی (combustion) انجام شده است. Fernandez-Pello و همکاران، مقاومت کابل ها در برابر آتش را پس از به دست آوردن زمان اشتعال و سرعت انتشار آتش متاثر از شار حرارتی تابشی خارجی، مورد ارزیابی قرار داد. Gong و همکاران دریافتند که زمان اشتعال کابل ها به صورت خطی با افزایش شار حرارتی داخلی پس از حرارت دهی یکنواخت یک کابل متشکل از پوسته pvc و یک لایه عایق XPLE در یک محفظه حرارتی استوانه‌ای جدید افزایش می یابد. Xie et al. آزمایشات TG (وزن سنجی حرارتی)، FTIR (طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه)، و MCC (گرماسنج احتراقی در ابعاد میکرو)، را به ترتیب در محیط های هوایی و نیتروژن انجام داده و عملکرد حریق کابل‌های جدید و قدیمی را مقایسه کردند.
آنها به این نتیجه رسیدند که تجزیۀ گرمایی و احتراق کابل های قدیمی کامل تر بودند. با اینحال، Wang و همکاران تجزیه گرمایی و اشتعال پذیری روکش های کابل پلی وینیل کلراید (PVC) را بررسی کردند. آنها دریافتند که روکش کابل قدیمی معمولا به صورت ضعیف تر در مقایسه با نوع جدید آن در اثر حرارت،تغییر شیمیائی داده و مشتعل میشود.
Beji و همکاران آزمایش سینی کابل را انجام دادند تا منحنی سرعت آزادسازی گرما را بر مبنای آنالیز ویدئویی آتش سوزی (VFA) پیش بینی کنند، منحنی به دست آمده با نتایج اندازه گیری شده همخوانی داشت.
Matthias Siemon و همکاران آزمایشات سینی کابل را در مقیاس بزرگ انجام دادند. آنها دریافتند که فاصله طولی سینی کابل تاثیر قابل توجهی بر سرعت کاهش جرم کابل نداشت. قرار گرفتن کابل ها به صورت متراکم، انتشار شعله را به تعویق انداخت. Huang and Nakamura مروری بر پدیده‌های اساسی احتراق در آتش‌سوزی‌های سیم و کابل انجام دادند. این بررسی بر نقش پیچیده هسته فلزی در احتراق، گسترش شعله، سوختن و اطفاء آتش گرفتن کابل تاکید کرد. در مطالعه Klapiszewski و همکاران، آماده سازی و شناسایی منیزیم هیدروکسید/ مواد مرکب لیگنین که سازگار با محیط زیست بودند انجام شد و به عنوان پرکننده برای پی وی سی مقاوم به آتش مورد ارزیابی قرار گرفت.
جهت کاهش خطر آتش گرفتن کابل ها، از بازدارنده شعله برای رزین های گرماسختی مانند پی وی سی (PVC) استفاده شد. Nguyen و همکاران تاثیرات خاک رس و تولید خاک رس آلی/ نانوکامپوزیت های گرماسخت و مقاوم به آتش را مورد مطالعه قرار دادند و دریافتند که ترکیب روش پراکندگی مکانیکی و فراصوتی تاثیر قابل توجهی بر توزیع نانورس داشت.
علاوه بر آن، آنها روش عددی جدیدی را با تحلیل تجزیه گرمایی کامپوزیت خاک رس اصلاح شده و شبیه سازی دینامیک حریق در فرآیند احتراق ایجاد کردند تا پاسخ های حرارتی به دست آمده از آزمایشات گرماسنجی مخروطی را اعتبار ببخشند.
Ferdous و همکاران تاثیر پودر ceram را بر خواص لایه های کامپوزیتی بر پایه الیاف شیشه ای و رزین فنولی بررسی کردند و دریافتند که با افزایش ceram ،خواص مقاومتی لایه های کامپوزیت کاهش یافته و چگالی ظاهری و مدول خمشی افزایش می یابد. Shan و همکاران P-N جدیدی که بازدارنده اشتعال است به نام دی بوتیل فسفات دی آمید (DBPDA) ایجاد کردند که میتوانست مقدار حداکثر سرعت آزادسازی گرما و سرعت تولید دود را کاهش دهد.
Zhang و همکاران، کامپوزیت های گرما سخت بر پایه سیانات استر (CE) و اکسید گرافن هیبریدی (FGO) را با فسفر و سیلیکون آماده کردند که با توجه به بازدارندگی شعله، سختی و مقاومت نسبت به گرما عملکرد خوبی داشتند. Song و همکاران IFR یکپارچه ای را ایجاد کردند که میتوانست حداکثر سرعت آزادسازی گرما را تا 43.45 درصد و آزادسازی کل حرارت را تا 28.55 درصد کاهش دهد.
ساختارهای کابل پی وی سی (PVC) و تعداد کابل برای سناریوهای کاربردی گوناگون، متفاوت هستند. ساختارهای کابل تک رشته ای و تعداد کابل های چند رشته ای به طور قابل توجهی بر خواص اشتعال پذیری و بازدارندگی شعله در کابل های پی وی سی (PVC) تاثیر میگذارند که این امر منجر به تفاوتِ خطرات آتش سوزی میشود. با اینحال، با توجه به مطالب گفته شده، مطالعات کمتری در مورد ساختار کابل و تعداد آن انجام شده است. از اینرو، انجام این تحقیق ضروری است. نتایج به دست آمده در این مطالعه برای ارزیابی خطر حریق و طراحی ایمنی کابل های پی وی سی (PVC) با ساختارها و مقادیر متفاوت، مفید هستند.
ارزیابی خطر حریق به مدیریت ایمنی و بیمه آتش سوزی سایت های که از کابل پی وی سی (PVC) استفاده میکنند، کمک خواهد کرد. علاوه بر آن، نتایج این کار جهت تعیین ساختار بهینه کابل تک رشته ای و تعداد کابل های چند گانه (چند رشته ای) برای کاهش خطر آتش سوزی مفید هستند. علاوه بر آن، این کار، معرف کد حفاظت از حریق تونل های تاسیسات یا دیگر سایت هایی که از کایل پی وی سی (pvc) استفاده میکنند، میباشد.
2. مواد آزمایشی، سیستم و روش
مواد آزمایشی، کابل های پی وی سی (PVC) هستند که معمولا در تونل تاسیسات استفاده میشوند. کابل از چهار بخش تشکیل شده که شامل پوشش بیرونی، فیلر، لایه عایق و هسته رسانا میباشد. مواد پوشش بیرونی نئوپرن است، و فیلر داخلی از رشته کنفی (درست شده از لاستیک قابل بازیافت) میباشد.
مواد لایه عایق عمدتا پلی وینیل کلراید (PVC) است. قطر کابل های دو هسته ای، سه هسته ای و چهار هسته ای به ترتیب 8.5, 11، و 12 میلی متر میباشند. برای کابل هایی با هسته های متفاوت، اگرچه مقدار فیلرهای کابل متفاوت است، قطر هسته مسی، ضخامت لایه بیرونی، و لایه عایق یکسان هستند که به ترتیب 1.5, 2 ، و 1 میلی متر میباشند.
پارامترهای فیزیکی مواد کابل در جدول 1 نشان داده شده اند.
جدول 1: پارامترهای فیزیکی مواد کابل
سیستم تجربی و مواد در این مطالعه به ASTM E84 Tunnel Tests مربوط میشوند که آزمایش تست اشتعال برای تست حریق و خواص گسترش حریق مواد ساختمانی میباشد. در این آزمایش، سرعت گسترش حریق و غلظت دود مواد ساختمانی اندازه گیری شده و مواد آزمایش شده طبق عملکردشان به گرید های متفاوتی تقسیم میشوند.
روش تجربی مشابه در کار Plumecocq و همکاران نیز مورد استفاده قرار میشود. نمودار تصویری سیستم تجربی در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1: نمودار تصویری سیستم تجربی
این سیستم از یک کانال کابلی، یک استن آزمایشی، مواد آزمایشی و ابزارهای اندازه‌گیری تشکیل شده است. در این تحقیق، سطح مقطع مدور به کار برده میشود. طول کانال 10 m و قطر سطح مقطع 1.5 m میباشد. در آزمایش ها تهویه طبیعی استفاده میشود. شرایط محیط به شرح زیر است: فشار جوی 100.07 kPa، دمای محیط 30 درجه سانتی گراد و رطوبت 65 درصد میباشد.
تعداد هسته کابل تک رشته ای و تعداد کابل های سه هسته ای در آزمایش ها تغییر میکند. شرایط محیطی در جدول 2 نشان داده شده است.
جدول 2: شرایط محیطی
ابزار اندازه گیری به کار رفته در این آزمایش، دوربین دیجیتال با رزولوشن بالا و دوربین مادون قرمز هستند. دوربین دیجیتال، فرآیند گسترش شعله را ثبت میکند، که در کامپیوتر ذخیره میشود. از طریق پردازش با برنامه کامپیوتر، ارتفاع و عرض شعله را میتوان به دست آورد. دوربین مادون قرمز برای ثبت تغییرات دمای سطح کابل و شعله ی آن مورد استفاده قرار میگیرد. این دوربین میتواند با فرکانسی تا 50 HZ عکاسی کند.
ویدئوی مادون قرمز با نرم افزار حرفه ای پردازش میشود، و سپس تغییر موقعیت تجزیه گرمایی کابل در طی زمان به دست می آید تا سرعت گسترش شعله را محاسبه کند. دستگاه اشتعال، یک جرقه زن مشعلی است که با بوتان و با غلظت حجمی بیشتر از 95 درصد میسوزد.
جرقه زن در قسمت چپ کابل قرار میگیرد. برای کابل های چندگانه، چندین جرقه زن به طور همزمان به کار میروند تا در هنگام آزمایش از آتش گرفتن کابل ها مطمئن شوند. تست احتراق، تحت هر شرایط تجربی سه بار تکرار میشود.
میانگین خطاهای ارتفاع شعله ی کابل های تک رشته ای، دو رشته ای و سه رشته ای به ترتیب 2.4%، 2.2% و 3.7% بوده، در حالیکه این ارقام برای عرض شعله به ترتیب 3.5%، 3.8% و 4.3% میباشند.
میانگین خطاهای ارتفاع شعله کابل های دو هسته ای، سه هسته ای و چهار هسته ای به ترتیب 2.1%، 2.4% و 6.8% هستند، در حالیکه حداکثر میانگین این خطاها برای عرض شعله به ترتیب 5.6%،3.5%، و 4.7% میباشند.
خطاهای تجربی سرعت گسترش شعله در کابل های تک، دو و سه رشته ای به ترتیب 5.4%، 4.8% و 3.7% بوده، در حالیکه این ارقام برای کابل های دو هسته ای، سه هسته ای و چهار هسته ای به ترتیب 3.3%، 5.4% و 6.5% میباشند.
3. نتیجه گیری ها
مطالعات تجربی در مورد اشتعال پذیری و خواص گسترش شعله در کابل پی وی سی (PVC) در این تحقیق انجام شد. شکل، اندازه و سرعت گسترش شعله و توزیع دما به دست آمد، و اثرات تعداد هسته کابل تک رشته ای و کابل های چند رشته ای در نتایج تجربی مورد بحث قرار گرفت. تحلیل همبستگی با توجه به ساختار کابل، تعداد آن، اشتعال پذیری، و خواص گسترش شعله کابل پی وی سی (PVC) انجام شد. نتایج اصلی به شرح زیر نشان داده میشوند.
- روند تغییر شکل شعله کابل تک رشته ای با تعداد هسته کابل متفاوت نیست. گستره نوسان اندازه شعله کابل های چند گانه بیشتر از کابل تک رشته ای است. برای کابل های تک رشته ای و چند رشته ای همانطور که تعداد هسته کابل افزایش می یابد، میانگین ارتفاع و عرض شعله نیز افزایش می یابد، در حالیکه اگر این میزان کاهش یابد، تفاوت میان میانگین ارتفاع و عرض شعله کاهش می یابد.
- برای کابل تک رشته ای، رفتار گسترش شعله، با انتقال حرارت همرفت تعیین میشود، که با افزایش تعداد هسته کابل، کاهش می یابد. بنابراین، سرعت انتشار شعله با افزایش تعداد هسته کابل کاهش می یابد. برای کابل های چندرشته ای، رفتار گسترش شعله تحت الشعاع انتقال حرارتی تابشی و رسانا است، که با افزایش تعداد کابل افزایش می یابد.
- برای کابل تک رشته ای دمای شعله در ابتدا بالا میرود و سپس با افزایش فاصله عمودی از کف شعله افت می کند. حداکثر دمای سطح کابل، که ابتدا کاهش یافته و سپس با افزایش تعداد هسته کابل افزایش می یابد، در سطح هسته کابل یافت میشود. برای کابل های چندگانه، با افزایش تعداد کابل، مدت تجزیه گرمایی و ناحیه احتراق افزایش می یابد، در حالیکه حداکثر دمای سطح کابل کاهش پیدا میکند.
نتایج به دست آمده در این مطالعه برای ارزیابی خطر آتش سوزی و طراحی ایمنی کابل های پی وی سی (PVC) مورد استفاده در شهرها یا کارخانه ها سودمند هستند. علاوه بر آن، این تحقیق باعث درک عمیق ارتباط میان ساختار کابل، تعداد کابل، و اشتعال پذیری مواد کابل میشود.