火灾调查理论框架建立探讨

火灾调查理论框架建立探讨火灾调查理论框架建立探讨 火灾在诸多灾害中发生频率最高 给社会造成了巨大损失 特 别是造了人员的重大伤亡 目前世界各国已对火灾的探测 逃 生 扑救 材料阻燃等研究给予了极大的关注 取得了许多重 要的成果 并已形成了相对较完整的理论体系 但由于火灾的 随机性以及各种人为因素使得火灾仍将长期存在于人类社会的 发展中 随着国家经济的发展和科技的进步 火灾将呈现多元 化趋势 火灾后的情景再现 事故原因的确定对于国家安全 社会稳定 相关政策的制定 同类灾害的防治以及事故责任者 的认定等具有十分重要的意义 也是火灾科学研究者们目前必 须面临的重要课题之一 但由于火灾燃烧过程的极度复杂性 涉及高分子燃料 燃烧空间大 空间结构复杂 以及不同燃 烧行为会产生表面上相似的后果等原因 使得这类研究变得极 为困难 目前国内外对火灾事故类型的分析仍大量借助于专业 人员长期工作积累的经验或采用半经验的方式 1 火灾调查研究的国外发展状况 美国检验与材料协会 astm 自 1990 年以来 制定了火灾痕迹物 质分析的系列指导性技术文件 astm e 对需要采样的物质 采 样方法 采样仪器进行了规定 最近 astm 又制定了两个新标准 e1387 和 e1618 分别规定采用气相色谱 gc 和气相色谱质谱仪 gc ms 对可燃液体残余物进行分析 astm e 系列标准通过对含 碳 ci 物质的测定 分析是否有汽油 煤油 芳香类溶剂等速燃 物质 从而判断是否为人为纵火 法国 touron 等学者使用毛细 气相色谱 cgp gc ms 和 hnu 光化学电离分析仪 探测现场可能 存在的 c1 c40 碳氢组分 通过设计一个分析策略 使得对火灾 痕迹物质的分析实现了半自动化 主要判断火灾是否为人为事 故 台湾 chen 等人通过研究金属熔化部位的离子质谱仪 sims 测定曲线 分析电气短路火灾行为 美国和英国学者 mccurdy 等人采用相紫外线光谱 测量事故现场是否有速燃助燃物质成 分 石油产品中的芳香类碳氢物质或二甲苯同分异构体组分 从而分析判断是否为人为纵火 日本学者 eui pyeong lee 等人 采用 x 射线色散分析和电子扫描显微镜 对火灾发生后电气 线路上的碳化残余物质结构进行分析 研究证明了短路引起的 火灾其碳化物结构为石墨化碳和非晶碳 而非火源电线上的碳 化物仅包含非晶碳 美国国家火灾调查协会的 nafi 曾制定和进 行了一个火灾调查研究计划 采用录像的方法 对十种典型室 内火灾过程进行了全尺度实验 研究分析天花板 墙壁以及地 板上火灾发生后的痕迹 以确定火源位置和火灾类型 他们的 实验表明 发生轰燃会使壁面有不同的痕迹 并特别指出 当 火源为家具类物质 家具类材料中的可燃液相组分燃烧时 地 板上将包含聚氨脂类泡沫物质 而仅使用可燃液体作为助燃速 燃剂时 情况有较大不同 美国 nist 曾使用他们开发的火灾动 力学演化程序 fds 对 1999 年 12 月 22 日发生在 iowa 州一所 双层公寓大火进行了事后计算 模拟获得了火源位置 轰燃时 刻 烟气蔓延历程等一些重要信息 但正如他们所指出的 由 于采用所谓 正向 的模拟方法 使得许多输入参数不确定 从而不得不采用大量模拟的方法 并与目标击所述情况和灾后 的一些调查数据进行反复对比 美国烟酒和火器局 batf 火灾 行政管理局 fa nist 以及一些私营企业曾共同发起过一个火 灾调查者培训计划 通过大量火灾过程和灾后情景的录像以及 计算机模拟结果显示 对从事火灾调查者进行培训 美国 nist 建筑火灾研究室通过现场勘察和目击者访问 使用火灾模型技 术 对 1990 年 3 月 23 日发生在 washington 一座办公建筑的大 火进行计算分析 他们使用的模型为较为简单的区域模型 分 析结果表明 火源为一个易着火的箱体材料 着火后 6 分钟发 生轰燃 导致天花板上的电路等系统失灵 美国 nist 建筑火灾 研究室对泄漏在乙烯树脂 木地板和地毯上的汽油 煤油燃烧 行为进行过全尺度试验 结果表明 无孔表面上可燃液体的峰 值释热率约为相同面积油池火峰值释热率的 1 4 到 1 8 而地 毯上可燃液体的峰值释热率等价于相同的油池火峰值释热率 他们建议热释率可作为火灾情景估计的输入数据 美国 akron 大学 tan 等学者应用气相色谱 gc 气相色谱 质谱仪 gc ms 探 测火灾现场中基于石油产品中的速燃助燃物质 同时利用从变 量识别技术判断是否为人为纵火 由以上国外研究状况可以看出 各国已对火灾调查研究给予了 充分的重视 但火灾调查和重构还远没有形成较为完整的理论 体系 有限的研究仍是分散的 侧重于某一方面 如探测事故 现场中是否含有石油产品类物质 从而判断是否为人为纵火 但正如 mccurdy 所指出的 精心策划的纵火不总是以上方式 我们需要分析火灾的整个过程 2 火灾调查理论框架建立的可能性分析 火灾调查研究的关键是火灾后可能留下的过程信息以及对这些 信息的把握 不同燃料在不同的燃烧条件下 有其不同的燃烧 行为和后果 如木材燃烧时 其释放的悬浮微粒中含数十种可 溶离子成分 其中代表性的碳黑 k cl so2 4 等 成分 的组成 含量 微粒大小与木材产地 燃烧条件密切相关 基 于对燃烧碳化物质化学组成测量以及对其分形结构测定基础上 的火灾过程重构是可能的 具有可靠的科学依据 sahouli 等 学者使用化学分析电子分光镜 esca 离子质谱仪 sims 小角度 x 射线散射仪 saxs 以及氮吸收数据 对采用 cbp 热解的碳黑 进行过表面化学和形态分析 对比一般商用碳黑 在 cbp 表面 上的碳质沉积浓度依赖热解条件 当降低热解压力并增加热解 温度时 沉积浓度降低 同时在不变温度下 其分形维和碳质 沉积量有的对应关系 ruiz 等人使用 saxs 仪 研究含不同数 量 ca k fe 的纤维素在热解时其焦化碳形态变化 实验表明 含 k 纤维素热解时 其焦化碳在间隙孔区域具有分形特征 含 ca 纤维素热解时 其焦化碳有更多微孔结构 而含 fe 纤维素 热解时 其焦化碳的 saxs 实验图象中 明显具有二个线状结构 mikhailov 等研究了毫微米尺度碳黑聚结成长为树枝状分形结 构的过程 他们指出 由于颗粒之间的接触能量较低 多孔和 稀疏结是碳黑重要性质 稀疏以及不稳定性二个因素 使得周 围条件的变化会引起碳黑结构发生较大的改变 针对水蒸汽对 碳黑分形结构形成过程的影响 他们进行了实验和理论计算 jayashi 等学者对苯热解中碳黑聚结机理 进行了实验和数值 计算研究 发展了枝状间聚集模型 amp 模型涉及燃料热物性 参数 受热温度和气流速度 他们将模型计算的分形结构投影 图像 与使用电子显微镜获得的图像相对比 发现模拟的形态 分形维以及碳化聚集尺度分布与实验有较好的一致性 mikhailov 等人还研究了碳黑的加热重构问题 表明液相油燃 烧生成的碳黑 天然气燃烧碳黑 木材燃烧碳黑 含高分子化 合物碳黑在重新加热后 它们的结构会发生不同的变化 pratsinis 等学者研究了合成材料燃烧时 其燃烧颗粒的形成 过程 seledets 等学者采用氮吸收 解吸方法 研究具有不同 碳浓度的合成材料的热解行为 发现碳质吸附与分形聚合作用 空间有关 吸附载体对碳质吸附形态有很大影响 walavalkar 研究了乳胶在水面上的热解燃烧问题 提出了 walavalkar 计算 模型 该模型可以计算释热率 但不涉及热解燃烧详细的反应 动力学过程 yan 针对墙角火涉及的热解燃烧问题 提出了相 应的计算方法 但同样不涉及燃料热解燃烧的详细地动力学过 程 lyon 研究提出了碳化形成聚合物的热解动力学机理 他指 出 由热重数据和合适的碳化动力学模型 可以确定气相生成 物以及碳化过程 但应注意到 该机理不涉及碳化物理过程 同时该机理为多步动力学机理 没有考虑详细的化学过程 若 干模型常数需实验确定 hobbs 等学者对聚氨脂材料分解进行 了敏感性分析 他们的研究表明输入适当的化学动力学机理 聚合物结构 热物性参数 可以用数值计算其分解过程 由以 上分析可以发现 热解过程 碳黑生成 碳黑分形聚合 碳黑 结构形态与燃料热物性 温度 受热时间 气流 环境状况等 密切相关 火灾中典型的高分子材料的热解和碳化过程有其内 在规律性 3 火灾调查研究中的关键科学问题 目前国际上对于材料热解行为和碳黑形成 颗粒凝结 大尺度 颗粒分形聚合 形成和生长的研究较多 但碳黑生成机理研究 大多集中于以下三方面 不涉及壁面的空间燃烧行为研究 针 对简单气相燃料的预混和扩散火焰结构研究 碳黑生成详细反 应动力学机理的制定针对简单气相燃料 如文献 33 50 为 分别采用激光诊断 激光诱导荧光 lif 激光诱导热成像 lii 激光消光 le 等 透射电子显微镜 tem 多线辐射 me 以及模 型技术等 研究温度 温度梯度 浮力 压力 湍流混合 辐 射 气流速度 燃料热物性 分子结构等对碳黑形成 表面氧 化 成核临界温度 颗粒碳化速率等的作用和影响 文献 45 探讨了激光加热对碳黑形态的改变 文献 49 说明碳 黑氧化过程依赖其初始毫微尺度结构 由于火灾中涉及高分子 材料 碳黑化学组成较上述复杂 同时火灾后的碳化痕迹物质 大量存在于墙壁和家具表面上 这些痕迹物质是热解 氧化 碳化 分形聚合 燃烧颗粒物与壁面碰撞聚合的结果 因此目 前已有的上述研究成果对火灾调查理论体系的建立是远远不够 的 n bsp 作者认为 火灾调查理论研究中应包含以下关键科学问 题 1 火灾中涉及的典型表面物质 典型材料以及它们表面含有 速燃剂在各种燃烧条件下的燃烧行为和碳化行为 2 含热解行为的详细 半详细反应动力学模型是进行理论分 析和计算的前题 而目前存在的燃料详细 半详细反应动务学机 理主要针对简单气相分子燃料 如氢气 低碳烷烃类 低碳释 烃类和低碳炔烃类 并且由于是气相燃料 不考虑热解行为 的影响 因此制定相关高分子材料的含热解行为的详细 半详细 反应动力学模型是十分重要的 3 空间燃烧微粒包含燃料性质和湍流燃烧的大量信息 它们 与壁面有相互作用 影响壁面材料的碳化过程 所以必须对碳 化过程颗粒碰壁聚合进行模化 4 高分子材料热解燃烧时会形成微粒 并不断生长 氧化 聚合和大尺度分形聚结 材料本身性质和环境因素控制着这个 过程 建立相应模型就是寻找这些因果关系 从而获取火灾重 构的必要信息 模化中必须考虑自由程区 转捩区以及