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    轰燃和回燃火灾行为分析及应对措施

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  • 发布时间:2012-4-11 9:22:50
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    轰燃和回燃火灾行为分析及应对措施

    刘本生*

    (青岛市公安消防局,青岛市市南区金湖路16号, 266071

    摘要:轰燃和回燃是建筑火灾发展过程中两种特殊的火行为。本文通过总结各方面的研究成果和经验,对两种火行为的含义、判据、机理、发展过程和危害以及处置措施等方面进行对比分析,为火灾扑救提供参考。

    关键词:消防 轰燃  回燃  应对措施

    AbstractFlashover and backdraft are two special fire activities during the development of architecture fire process. The research achievement and experience were concluded in the present report. The meanings of two fire activities, together with judging criterion, occurring mechanism, developing process and treatment were compared and analyzed, to provide references for fire extermination.

    Key WordsFire fighting; Flashover;  Backdraft; Treatment measurement;

     

    轰燃(Flashover)和回燃(Backdraft)是建筑火灾发展过程中两种特殊的火行为。在火灾扑救过程中如果判断和处置不当,容易造成不必要的伤亡。关于这两种特殊燃烧现象,近几十年来国内外学者已经进行了大量的探索和实验,初步得出了一定的结论。但仍有待于更为深入、准确、恰当和权威的研究。本文通过总结各方面的研究成果和经验,对两种燃烧现象的含义、判据、机理、发展过程和危害以及处置措施等方面进行对比分析,供消防人员在火灾预防和扑救工作中参考。

    1.室内火灾发展过程

    室内火灾是在一个受限空间中发生的火灾。在理想条件下,室内火灾可以被分为四个阶段:初起(点燃)、发展、猛烈(完全发展)和熄灭阶段(见图1[1]

    1  室内火灾发展阶段

    室内火灾的燃烧包括通风控制燃烧和燃料控制燃烧两种形式[2]。如果可燃物的燃烧速率是由空气流入的速率决定的,称为通风控制燃烧。如果火源的大小与室内受限空间相比很小(比如大房间内燃烧的炉具)时,空气供应不成问题,则可燃物的燃烧只与本身的燃烧速度有关即燃料控制燃烧。假如火源的体积不断增大,通风状况便可逐渐成为燃烧速率的支配因素,也即室内燃烧过程由燃料控制逐渐向通风控制燃烧转变。通风控制燃烧是室内火灾的通常状况,是在受限空间内火源具有一定规模时达到的阶段。通风控制燃烧是室内火灾燃烧研究的重点之一。轰燃是一种燃料控制燃烧现象,回燃则主要表现为通风控制燃烧现象。

    已有的研究成果表明,轰燃是火灾发展阶段过渡到猛烈阶段的转折点;而回燃是火灾发展过程可能出现的现象,不但自身危害大,而且能引发轰燃、爆燃。

    2.轰燃和回燃

    2.1含义比较

    2.1.1轰燃

    轰燃通常定义为在室内火灾中,室内所有可燃物表面全部卷入燃烧的瞬变状态。也有人将室内火的轰燃定义为是受限火灾发展的一个阶段,在此阶段火焰迅速传播充满整个空间

    通过图1可以发现在火灾的发展阶段和猛烈阶段之间有一个温度急剧上升的狭窄区即为轰燃区,它是火灾发展的重要的转折阶段。一旦发生轰燃, 火灾将进入猛烈发展阶段,不但严重损害室内物品,造成建筑物损坏甚至倒塌;高温火焰还常常带着相当多的可燃气体从起火室窜出,使得火焰蔓延到临近的区域,是火灾中最危险的阶段。

    轰燃造成危害在时有发生[3]。一方面较早以前,房屋结构的简陋便于通风和热交换,热量得不到积累,温度不够高,轰燃发生的几率小。现在的房子建筑结构比以往的更加结实、密封更好,比以前具有了更多的可燃装修、家具和织物等,增加了轰燃的几率。另一方面以往消防队员遇到的轰燃也没有现在多。尽管以前的消防员同样英勇,但那时的火灾报警系统无法使他们在火场温度上升到轰燃前到达火灾现场。现在,随着火灾探测技术的发展,发现火灾的时间越来越短,消防员越来越多的在轰燃发生之前到达火灾现场。由于没有足够人手和措施延迟轰燃,使消防员遇到轰燃的机会大大增多,在轰燃之前进入一个起火的建筑内变得十分危险。国外媒体报道每年都会有一些消防员因轰燃而牺牲。对消防员来说轰燃的危害是:消防队员进入起火房间后会突然陷入火海之中;消防队员开门时会被突然喷出的火焰烧伤。同时在火灾发展阶段,房间或室内仍会有人活着,如果发生轰燃则意味着火灾发展阶段的结束,进入猛烈的全面燃烧阶段,房间内的被困人员将因此被夺去生命。

    2.1.2回燃

    回燃现象是室内火灾中的另一个重要的特殊火行为。回燃定义为一个充满不完全燃烧产物的房间内流入氧气时发生的快速的爆燃过程。也有人将其描述为建筑火灾中在通风受限时由于补充新鲜空气再次燃烧热烟气的一种特殊火行为。因此也被人描述为一种爆燃或者热烟气爆炸。

    在通风受限的建筑物火灾发生过程中,由于新鲜空气的补充不足以满足加速燃烧的要求,燃烧将逐步进入缺氧性燃烧状态,这时建筑物内的热烟气中会含有大量的可燃成分。如果由于某种原因(门的突然打开或窗玻璃突然破裂等)造成新鲜空气的突然进入,热烟气将会发生极强烈的燃烧,室内温度将迅速升高,并促使初期火灾转变为轰燃或爆燃, 当火焰传播到房间外部时,会点燃房间外部的混合气形成一个巨大的火球或冲击波。这就是建筑火灾中的回燃现象[4]

    显然,回燃现象由于其突然性和强大的破坏性威胁着人类的安全,特别是消防人员的安全。压力的骤升可使局部封闭空间发生倒塌,消防队员也可能被突发的冲击波、火焰和热烟气伤害。

    2.2研究进展

    由于轰燃和回燃现象是火灾发生发展过程中特殊行为,特别是对人们生命安全的威胁比较大,许多科研机构和科学家都在进行相关研究和探索并取得了一些定性或定量的成果。

    在轰燃研究方面,Thomas等人开展了轰燃现象的理论研究,提出了经典的热爆炸理论基本原理在内的理论框架;Bishop等人、Graham等人对火灾轰燃的临界条件进行了理论分析;McCaffrey等人在估计室内轰燃前火灾温度方面提出了比较典型的方法; Feasey等人对建筑室内轰燃后可能对建筑结构的影响进行了分析;M. Luo等人以聚氨基甲酸酯材料为燃料在全尺寸实验室内对火灾轰燃过程进行了实验,并开发了相应的数值模拟程序;Peacock等人对性能化设计有关的轰燃的危险性进行了解释[5]。在国内,中国人民武装警察部队学院的陈爱平,中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的范维澄、宋卫国、宋 虎、杨立中,同济大学结构工程与防灾研究所胡克旭、李金宝等也开展了一些相应研究。

    在回燃研究方面,由于开展的相对更晚,仅对回燃中的一些基本现象进行了研究。Fleichmann等人对回燃现象进行了一些建设性的研究,包括回燃的半尺度实验、重力流的盐水模拟模型以及与重力流相关的数值研究等。Richard ,Bukowski 著名的回燃案例 “62 Watts St(NY)fire”建立了模型。Gottuk做了回燃的全尺度船舱实验。中国科学技术大学的范维澄、宋卫国等[6,7,8]也对回燃现象进行了一些研究。所有这些为今后的回燃研究打下了基础,但至今为止还没有回燃现象的数学模型。至于回燃是如何影响整个室内火灾过程、回燃和火灾的其它过程之间存在什么样的联系等都是需要研究的课题。

    2.3机理分析

    2.3.1轰燃

    在通风能够满足的情况下,室内火灾表现为燃料控制燃烧,只要室内有足够的可燃物并持续燃烧,燃烧生成的热烟气在顶棚下的积累,将使顶棚和墙壁上部(两部分可合称扩展顶棚)受到加热;同时,扩展顶棚温度的升高又以辐射形式增大反馈到可燃物的热通量。随着燃烧的持续,热烟气层的厚度和温度都在不断增加,使得可燃物的燃烧速率不断增大。随着可燃物的质量燃烧速率的增大,当室内火源的释热速率达到发生轰燃时的临界释热速率,室内所有可燃物表面同时燃烧,就会发生轰燃。标志着火灾猛烈阶段的开始,轰燃的出现是燃烧释放的热量大量积累的结果[9]

    2.3.2回燃

    在燃料能够满足的情况下,室内火灾表现为通风控制燃烧。在门、窗户关闭等较差的通风条件下,可能的通风途径是通过与室内相通的小孔、裂缝等的泄漏。当火灾加热房间内部时,室内边界的气体向外泄漏,使内外的压力差减小甚至被平衡掉。当热烟气层下降时,可用的氧气不断减少,燃烧效率不断下降。过剩的热解产物积聚在上层,形成了富含燃料的热烟气层。如果通风条件不得到改善,这种前导火灾会随着时间而减弱,最后熄灭。

    但当前导火灾还未完全熄灭时,门、窗或其它通风口打开或者破裂了。冷的、富含氧气的空气进入了室内,以重力流的形式向内传播。如果此时没有了点火源,重力流会在到达通风口对面的室内壁后向回反射,重又回到通风口处。一个由富含由热解气体和固体小颗粒组成的过剩的热解产物(上层烟气)和富含氧气的新鲜空气混合而成的新的下层形成并不断发展。如果这时有点火源包括烟火余烬、红热的金属制品、小火焰等等,火灾会在新的通风条件下继续发展,使火灾过程出现了个能量爆发,发生剧烈的、高速的燃烧,回燃就可能发生。

    2.4判据比较

    2.4.1轰燃

    在对轰燃进行的研究中,有两种定量预测轰燃的判据:(1)室内顶棚温度接近600(2)地板表面辐射热通量超过20kW/m2。一般认为,达到上述条件之一轰燃即会发生。但无论是对室内被困人员,还是对扑救火灾的消防人员来说,还没有技术措施准确及时测量或预测是否会达到或将要达到上述温度或辐射热,也就无法及时判断是否会达到或将要达到轰燃状态。因此这些判据应当对理论研究者更有实际意义。对扑救火灾的消防人员比较实用的应当是一些专家提出的第三种判据:(3)通风口有火焰喷出[10,11]

    2.4.2回燃

    由于在回燃研究方面开展的相对更晚,所以目前没有关于回燃方面的量化判据。但一般认为回燃的发生需要两个定性条件:1)前导燃烧;(2)通风条件的改变。同时还与烟气组分、温度和环境条件有关,但目前还没有合理的数学模型,被认为是火灾科学中有待深入研究的难点之一。

    2.5迹象差异

    量化判据对理论研究者更有实际意义,对扑救火灾的消防人员比较实用的应当是迹象和感官判断。根据大量的火灾案例和专家研究分析,轰燃、回燃过程中都有一些特殊的迹象,可作为消防人员的参考依据。

    2.5.1轰燃

    人们可以观察和感知轰燃前的一些迹象[11]。如:(1)在到达火场时,通风口有火焰喷出,预示轰燃即将发生;(2)产生灼人皮肤的辐射热,几秒钟后辐射热强度可达lOKW/m2;(3)室内的热气流使人无法坚持,室内的对流温度接近450;(4)门热得烫人,木质部分的平均温度超过320;(5)由门上窜出的火舌几乎达到顶棚高度,大量的辐射热由顶棚反射到室内的可燃物上;(6)热烟气降至距地面lm左右,空气中的热层部分占据上部空气驱使热分解产物下降。笔者曾经对五合板、中密度纤维板和三聚氰胺饰面板等装修材料的室内燃烧行为进行研究,试验证明在房间内仅有试验材料装修时,室内发生轰燃时冷热气流的界面(中性面)下降到1.2 m左右[12,13]

    另外有黑色的浓烟产生、热量大量积聚并烈焰翻腾。也有专家描述:开始时室内顶部橙色火焰伴随者零星噼里啪啦声,之后频率和强度不断加大,从而发展成顶部大面积的橙色火焰。这种以橙色火焰为特征的爆燃状态一般也被认为是马上发生轰燃的前兆。

    2.5.1回燃

    回燃的迹象目前描述不够具体,但可以借鉴的有[14]:(1)火灾发生在有限通风的受限空间,尤其是已存在了一段时间有限通风的室内火灾;(2)有普通碳氢物质热分解的黑色浓烟,硫化物和腈化物热解浓重的黄色烟或乳胶泡沫阴燃产生的白色烟云等;(3)门窗发热,表明可燃烧气体过热;(4)空气快速涌入火场,从火场方向传来哨响;(5)室内产生局部真空将烟气吸入,烟气从门缝涌入室内或者烟气往复扰动等。

    新鲜空气与可燃气体混合并点燃的时间取决于通风口的大小、空气和烟气的温度以及空气流动的路线。一般在门窗被打开后几秒钟内就发生回燃。 回燃后,火可能会熄灭,整个房间不一定都着火,这取决于可燃物的数量、质量和布置。由于燃烧速率是亚音速的,也会出现轰燃或爆燃。压力的上升受房间的容积、燃烧速率、初始压力和爆炸后的时间控制。暴燃后会出现冲击波。

    3.应对措施

    3.1轰燃

    发生轰燃以及从引燃至轰燃的时间主要取决于房间的大小、房间内的火灾荷载(可燃物的数量、质量和布局)和房间的结构等。因此,尽量利于不燃或阻燃材料,减小室内火灾荷载(可燃物的数量、质量和布局),是避免轰燃的根本。

    火灾发生后消防员可以采取一定的措施来延迟轰燃的发生[3]:(1)给火场通风,加快对流,让热量和热气从房间内散发出去,让低温的空气进入,快速高效的通风,破坏轰燃发生所需要的足够的高温和热量;(2)将着火房间隔绝。房门洞开是轰燃发生的前提条件,在不能及时扑灭火灾的情况下将着火房间的门窗暂时关闭使空气不能随便进入,延缓轰燃的发生,延缓火灾向周围房间的蔓延,有更多的时间对其他房间搜救;(3)用水对高温的室内空气和物品进行降温,温度的降低可以延缓轰燃的发生。

    特别需要指出的是在房子外部不可能看到内部火灾发展的状况和变化。对房间内火灾发展状况进行监控是防止轰燃危害的重要措施,对室内情况进行监控是室内指挥员的的重要职责。尽管现在消防队员的个人防护装备功能先进,轰燃状态也只有持续很短,但在处于近600高温下,这些装备很快就会失去功能。因此指挥员必须了解所在建筑的处境:自己的队员在哪里?门窗在哪里?假如被高温的火海所包围,这种意识可能使人幸免于难。这就需要实际的训练才能确保消防员具有准确的判断能力,目前一些国家已经开展了利用轰燃室进行轰燃判断能力的训练。也有报道可以利用互联网上一些模拟视频随时随地进行演练。

    3.2回燃

    回燃的发生所需要前导燃烧和通风条件的改变两个条件表明:扑救这类火灾是一个两难选择。若要扑灭火灾,必然要破拆门窗射水,必然改善通风条件可能引发回燃;若不破拆门窗,火灾就无法扑灭。但消防队员丰富的的经验已经表明,在能够准确判断回燃迹象的基础上,在做好充分的安全防护和灭火战斗准备后,回燃的发生是可以预防的,至少不会因此造成人员损伤。同时应当注意已经通风的火灾现场要持续通风排烟,密闭的尚未充分通风的火场要慎重通风。

    3.3强行进入程序

    强行进入着火房间扑救火灾中是消防员不可回避的灭火程序,但应注意以下事项[12,13]:1)充分观察有无轰燃和回燃的迹象;(2)施放保护水;(3)施放保护水幕的水枪应与门呈一定的角度,以防拿水枪的消防队员被喷出的火烧伤或冲击波击中;(4)如果破门,负责破门的消防队员应利用门锁这一侧的墙作掩护;(5)破拆前用手触摸门特别是门的手柄是否发热,如果门发热,就应戴上手套之后再开门并做好防护,避免受到回燃冲击波和火焰伤害;(6)在必须强行进入时,应先打开门栓暂不开门,找好掩护物后迅速打开门;(8)向房屋的高处喷雾状水;(9)最后进入室内灭火,并用保护水流掩护。

     

     

    参考文献

    [1]宋卫国,范维澄.回燃及其对腔室火灾过程的影响[J]. 火灾科学,20007,9卷第3:28-34.

    [2]李引擎.建筑防火性能化设计[M],北京,化学工业出版社,2005. 3341.

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    [4]翁文国,范维澄.回燃现象的非线性动力学模型[J]. 燃烧科学与技术, 2002年第8卷第4:314-318.

    [5]厉培德等.室内家具轰燃的实验研究[J]. 国安全科学学报, 20035, 13卷第5:49-52.

    [6]翁文国等.关于回燃前重力流的盐水模拟实验研究[J]. 水动力学研究与进展, 20021,A辑第17卷第5:618-623.

    [7]翁文国,范维澄.突变理论应用于腔室火灾中的回燃现象[J]. 数学物理学报,2002, 22A(4):564- 570.

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    [9]胡克旭,李金宝.室内火灾轰燃研究的动态述评[J]. 四川建筑科学研究, 20043,

    30卷第1:10-12.

     

    [10]陈爱平等.室内轰燃预测方法研究[J]. 爆炸与冲击, 2003, 23卷第4:368-373.

    [11]国建强.轰燃前火灾温度方法的研究[J]. 消防联动与建筑防火,2006,7:31-32.

    [12]高伟译. 轰燃和烟气爆炸[J]. 消防技术与产品信息,19942:36-39.

    [13]刘本生. 典型装饰板材燃烧特性及其对室内火灾发展过程影响的研究[D].青岛科技大学硕士研究生论文,2006.34-61.

    [14]陈维译. 轰燃和灭火[J].消防技术与产品信息,19942:39-42.

     

     

     

     

     



    *作者简介:刘本生,1968年生,男,汉族,高级工程师,工程硕士,主要从事防火监督工作。山东省青岛市市南区金湖路16号,邮编266071。电话:0532-66577190138089772993702119@163.com

     

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