案例 | 造成如此劇烈“回燃”的原因
1994年5月28日19點36分左右,紐約消防局接警前往Watts街62號處置一起煙囪火災,到場時建筑煙囪正向外冒出滾滾濃煙。隨后火勢突然失去控制,造成3名消防員犧牲。
我們在這篇文章中探究這一特殊的回燃案列——回燃過程本身和案例記錄非常詳細。
圖1.1 起火建筑外景
相鄰的左側建筑完全一樣,右側建筑有些許不同
1.建筑情況
起火建筑曾被翻新數次,最近的一次翻修將老舊的石膏包木天花板的換成了新的,導致天花板只有2.5m高。門和窗戶也被換過,建筑整體加裝了保溫材料,且嘗試提升了建筑的封閉性。
每間公寓大約有80㎡,包含一個客廳、一個廚房、一個廁所和一個臥室(見圖3.1)。實際上,我們在布魯塞爾或安特衛普的很多翻新公寓都見過非常相似的建筑布局。所以毫無疑問地,這種事也會發生在我們身上。
圖1.1 起火建筑外景
相鄰的左側建筑完全一樣,右側建筑有些許不同
1.建筑情況
起火建筑曾被翻新數次,最近的一次翻修將老舊的石膏包木天花板的換成了新的,導致天花板只有2.5m高。門和窗戶也被換過,建筑整體加裝了保溫材料,且嘗試提升了建筑的封閉性。
每間公寓大約有80㎡,包含一個客廳、一個廚房、一個廁所和一個臥室(見圖3.1)。實際上,我們在布魯塞爾或安特衛普的很多翻新公寓都見過非常相似的建筑布局。所以毫無疑問地,這種事也會發生在我們身上。
圖1.2 樓梯間剖面圖
(來自:Ed Martin和Richard Bubowski)
2.火場情況
火災始于一樓,經調查了解,一樓的戶主在18點25分左右離開公寓時,將一裝滿垃圾的塑料袋遺落在廚房爐子旁。
推斷是氣爐的飛火引燃了塑料袋和里面的垃圾。火勢發展非常迅速,整個廚房都開始燃燒,房間內溫度急劇上升。
火災初期,燃燒所需新鮮空氣的唯一通道是經客廳壁爐的煙囪,由于通向廁所的臥室的門都是關上的,所以流向廚房的空氣量非常有限。火災造成的損失也僅限于客廳和廚房。
在某一時刻,煙層的下部已達到了客廳壁爐的上部,從此時起,煙囪也成了濃煙散發的通道。
由于絕佳的建筑封閉性,在氧氣幾乎被耗盡后,火災轉入陰燃。建筑整體的保溫性能,使得起火房間內的溫度一直保持在使可燃物發生熱分解的程度——房間變成了一個充滿可燃氣的空間。
初期并未引起注意,隨后一個過路的人發現煙囪排出的煙氣異常多,并且伴有火光,這個人給消防隊報警稱有一起煙囪火災。
3.撲救經過
到場時,指揮員采取了紐約消防內部通用的標準處置程序。排煙是大多數北美消防機構的一項重要任務。因此,現場直接安排了一輛云梯車打開樓梯間頂層的艙門來排煙。
大隊指揮員對滅火行動進行了周密的部署,派遣了兩個三人小隊內攻,他們的任務是從一樓開始,在水槍的掩護下檢查建筑的每個公寓內是否有被困人員。
兩個組都事先鋪好水帶,當消防員打開一樓房門,熱煙氣(溫度不是很高)翻滾而出,流向樓梯間,緊跟著一股空氣涌入公寓內部。
開門的消防員意識到這是回燃的前兆「國內消防員應該進行這方面學習」,嘗試躲開。隨即發生了回燃,整個樓梯間都陷入火海,猛烈的火焰甚至穿出了建筑頂層的艙門——在街上都可以看見。
一位過路的市民拍下了現場畫面,根據他的視頻,研究人員推斷出這次回燃持續了6分鐘。
一樓的消防員察覺到了回燃,所以只是在撤離時受了點小傷。但是,二樓的消防員們卻被困住且無路可逃,一名當場犧牲,另兩名被送往醫院的燒傷科,其中一人沒挺過24小時,第二個只堅持了40天……
紐約消防局請求國家標準與技術研究院調查造成如此劇烈回燃的原因——火焰居然持續了6分鐘之久!
圖3.1 一樓平面圖
(來自:Ed Martin)
4.科學分析
4.1 回燃現象的實驗
早在19世紀初,就有3名科學家對引起回燃的條件進行了研究。
研究人員用甲烷(天然氣)代替火場中被熱分解揮發的氣體。實驗的封閉空間尺寸為2.4m*1.2m*1.2m,內部裝有傳感器和一扇由電腦控制可隨意打開的艙門(用于模擬空氣的進入)。還有70kW和200kW的火爐各一個。
結論是空間內至少需要10%的氣態烴才能引發真正的回燃。濃度過低只會使混合氣體燃燒,并不會引發爆燃。
該研究表明由于缺乏足夠的熱量,初始火災的陰燃并不能引發回燃——是二次點火引燃了可燃氣體。在調查Watts街62號火災期間,研究人員將這些結論納入了考慮范圍。
4.2 CFAST的分析
CFAST是一款可以模擬火災的軟件,科學家們在軟件中調節火災中的各個因素使其與Watts街事故現場無限接近。
假定塑料袋燃燒產生的熱量為25kW(跟現實情況下一樣),研究人員在跟火災現場尺寸、布局一樣的房間內模擬,同時還考慮到了樓梯間與煙囪的影響。預期的峰值是1MW,但由于缺少新鮮空氣,并未達到這一數字。
藍線代表公寓內的熱釋放速率,紅線代表樓梯間內的熱釋放速率(制表:Ed Martin和Richard Bubowski)
在打開門的瞬間,電腦模擬顯示可燃氣體從公寓內部涌出,同時空氣流入公寓。電腦模擬確認了當時在一樓消防員的所見。
圖4.1表示的是熱釋放速率隨時間發生的變化,注意公寓內的熱釋放速率從未超過500kW,而樓梯間內的卻達到了5MW。
公寓內的溫度一直保持在較低的水平,模擬中,帶焰燃燒發生(火勢的發展階段)發生在500秒之后,此時溫度達到了300℃,之后直到房間門打開前溫度逐漸降低。
這意味著房間內的溫度足以產生熱分解氣體,并保持了相當長一段時間。這些熱分解氣體和一氧化碳支持火焰燃燒了7分鐘。
開門前,公寓內的溫度在100℃以下,開門后,樓梯間的溫度上升至1200℃,很顯然在那種環境下生存是不可能的。
5.事故教訓
建筑翻新是大趨勢,政府鼓勵有財力的群眾把房子的使用率變高。事故中的公寓建于19世紀晚期,之后不斷被改造使其變化巨大。
鑒于此,我們對建筑的第一印象并不能預計其火災條件下的情況。過去,如果我們到場時看到的是一個明顯老舊的建筑,那火勢的發展一般可以猜個八九不離十。
因為一旦溫度升高,窗戶就會破裂,火災會發展為全面燃燒的態勢。豎井等其他煙氣可能聚集成隱患的空隙也更少。所以,現在就算是處理老舊建筑火災時,也必須派一名安全員隨時注意通風不暢的燃燒和豎井、空隙、吊頂內集聚的可燃氣體。
5.1 入門程序
比利時全國的新晉消防員,其中一項初級訓練就是標準化的入門程序。這一程序,強制性要求使用射流冷卻「水霧點放,首部曲-初略概念 | 神奇的水霧點放技術」從建筑內冒出的煙氣。
并且同組的消防員要保持對門的控制——在事情急轉直下時,可以關閉房門。
第一個行動至少可以延緩熱煙氣的燃燒,第二項行動確保小組其他成員在房內冒出大量濃煙或有強烈內向氣流時,有足夠的反應時間關門。
5.2 垂直排煙
直到最近,大家才開始接受垂直排煙可以解決回燃問題。跟其他任何需要排煙的情況相同,可燃煙氣流動的路徑至關重要。
如果大量的可燃煙氣在排除時被點燃,那基本上會造成第二處火災。任何處在這個煙火蔓延路徑內的群眾甚至消防員都會遭受嚴重的傷害。
在比利時,排煙技巧這一領域還相當空白,但可以確定的是,“回燃=垂直排煙”行不通。
5.3 煙氣冷卻
煙氣冷卻是當今世界范圍公認的降低可燃煙氣危險性的技術,但需要說明的是,這種技術的適用空間應小于40㎡和較低的高度。
這個案例,教會我們存在煙氣溫度很低的通風控制型火災,這種情況下,冷卻基本上沒什么用,開門前公寓的溫度低于100℃。
這意味著水不會蒸發,沒有水蒸氣意味著煙氣的溫度也不會降低。冷卻煙氣這一技術很有效,但并不是萬能的。
5.4 煙囪火災
消防部門最初是根據煙囪火災進行力量調派。與歐洲相比,北美會調集更多但更小型的消防站到場。幸虧有這個制度,回燃發生時,事故現場有足夠的人手和資源,避免了事態的惡化。
比利時消防部門有時調派4名消防員,一到兩輛水罐車處置煙囪火。如果有一到兩名消防員在回燃中受傷倒地怎么辦?
2007年2月7日,比利時羅什福爾消防局的Eric Pero因某種極端火災現象犧牲。他們出的警同樣是煙囪火災。