通风柜管道上的消防问题

 
Bob Haugen博士产品和技术开发总监Flow Sciences, Inc.

摘 要

我们研究了通风柜内发生的事故,并提出了几个问题,这些问题可能是在通风柜发生火灾后直接闪过人们的脑海的。
从以前引用的早期论文和另外的文献检索中,我们将在第二篇论文中研究以下问题:
  • 在选择和安装通风柜时必须遵守哪些结构和安装技术,以减少通风柜火灾蔓延到剩余实验室空间和整个建筑物的可能性?
  • 如果通风柜起火,应该关闭通风柜风扇吗?
  • 什么样的管道系统应该用于化学通风柜排气?
作者在本文的其余部分回顾了这些关键问题

关键问题

1)在选择和安装通风柜时必须遵守哪些结构和安装技术,以减少通风柜火灾蔓延到剩余实验室空间和整个建筑物的可能性?
任何通风柜的火灾都会与它所在的房间相互作用。这样的实验室中的吊顶是决定火灾蔓延的关键特征。在这种情况下,火焰可能会通过通风柜进入管道系统。让我们来看看如何安装这样的天花板以及在火灾期间它应该做什么。
由防火矩形砖制成的悬吊天花板通常用于实验室建筑中,作为通过防止房间内的火焰快速向上扩散并影响房间天花板来阻止火灾进展的方式,这将加速火焰蔓延到楼上。

经发现,这样的天花板必须具有适当的全部瓷砖以执行该功能。维护或更换期间留下的开放式矩形空间会破坏整个保护策略。一旦通过这样的开口,火和热可以快速地水平向上扩散,从而直接将火焰传播到楼上。
如果通风柜内里材料因热或裂缝的管道检修板破裂而产生裂口,则会发生非常糟糕的事情。通风柜可以通过通风柜的外壳和内里材料之间形成的“烟囱”将火引导到悬吊的天花板空腔中。
上面显示了一个实际脱落的检修面板(图5)。面板比其圆形开口小,并用垫圈装入切口。在这张照片中,垫圈已经被爆炸力移开,导致面板从开口落下,从而使得火道向上。在图6中,大于覆盖开口的旋入式面板能抵抗爆炸性位移。
在任何情况下,内部通风柜管道检修面板都不应小于它们所覆盖的开口。应避免用于“密封”这种开口的垫片材料。更一般地,检修面板和垫圈绝不应该由熔化或可能变形的材料制造,以防止掉落或挤压进覆盖口。
一旦火焰穿过通风柜内壁材料或进入开口,它就可以自由地向上移动。图7显示了两个软化成吊顶的通风柜;这个通风柜上方的开放间隙将使火焰进入吊顶空腔,破坏其有效性。一个完整的吊顶是首选建筑!(图8)该通风柜安装在天花板和通风柜上部结构之间有明显的分离,保留了天花板的阻燃特性。
如果通风柜火焰蔓延到这个悬浮的天花板空腔中,它将相对不受阻碍地水平移动。由于许多实验室的“墙”终止于悬吊式天花板,因此这些区域通常是巨大且不整洁的火灾通道。
NFPA 45第6.1.1.1节要求所有新实验室中的喷水灭火系统符合NFPA 13. NFPA 13规定完整的吊顶应在这样的天花板下方安装洒水喷头。不完整的天花板,有时被称为“云天花板”,可能需要在吊顶线上方和下方使用洒水器。这里的差异化有点不清楚。显然,天花板上方的区域应采用符合NFPA 13和当地法规的方式进行喷洒器的适当保护。
弗朗西斯·布兰纳根5总结了吊顶设计的一般脆弱性如下:
“在第一版消防服务建筑施工(1971年)中,我指出了该系统的基本缺陷:一块瓷砖的丢失或失效使整个楼暴露在大火之中。美国总务管理局(GSA)的消防工程师告诉我,GSA从未建造过这种类型的建筑。“
总而言之,实验室吊顶设计不应包括通风柜上部结构的“穿透”开口。完整的吊顶应始终放置在整个实验室的上方,包括通风柜上部结构。这样一个完整的吊顶将抵抗从通风柜的内部安全壳区域进入涂漆钢外壳的火焰,在那里它们可以很容易地像“烟囱”通过通风柜上部结构。
因此,承包商不应将通风柜上部结构用作实验室吊顶的固定点。悬挂式天花板上的通风柜上方有一个间隙孔。这种情况显然加剧了任何通风柜火灾通过吊顶空间的蔓延。
有一个非常值得注意的例子,说明吊顶空间如何能够快速传播实验室火灾。它发生在2012年在塔尔萨俄克拉荷马州:
“历史悠久的巴纳德学校大楼于9月5日凌晨5点左右起火。当消防队员抵达时,大楼爆炸,在塔尔萨市中心摇摆,并向医院派遣了8名消防员。
经过为期一周的调查,官员们说,由于“在实验室区安装排气口相关的结构”导致火灾和爆炸,据新闻报道。
爆炸发生的原因是,化学实验室天花板与房间地板和走廊之间的空隙中的火焰已经闷烧。
调查人员说,火灾在走廊地板下向北迁移到教室,下面的爬行空间从教室窗口排出。当消防队员进入房间以灭火时,氧气被引入该区域时,就会发生烟雾爆炸或“逆流”。
2)如果通风柜起火,应关闭通风柜风扇或启动防火阀吗? 
首先,我们转到最新的NFPA 45标准,以确定在管道中存在火灾的情况下是否应该在通风柜中自动关闭阻尼器:
7.5.10.1.1在需要平衡或控制排气系统的情况下,控制装置和减震器应在失效的情况下打开以确保连续通风的类型。
NFPA 45明确禁止通风柜防火阀。此外,今年增加了一项条款(7.5.10.1.1),说明由于其他原因在通风柜排气管道中添加的流量控制阻尼器必须打开。
关于在发生火灾时关闭排气通风的问题,NFPA 45第7.5.11节规定:火灾探测和报警系统不应互锁,以自动关闭实验室排气扇。
虽然NPPA没有说明为什么如此强烈地提出这个要求(在所有情况下都应该使用),但这里有许多众所周知的现实:
  1. 在火灾期间停止通过通风柜排气管道的流动将确保所有燃烧副产物将爆发回实验室区域。(一氧化碳,芳香烃,煤烟,其他)。
  2. 在通风柜火灾中,功能通风柜排气会释放热量和烟雾。在短期内,排气截止将增加容纳腔内的温度,更快地损害该结构。
  3. 逃离实验室人员需要新鲜空气,这些空气将被吸入实验室,与从中抽出的废气成正比。
  4. 在某种程度上,这个问题几乎已经成为学术性问题,因为首先使用风扇开关的通风柜越来越少。
鉴于这些问题,我们得出结论,在火灾情况下不应关闭通风柜排气装置!
3)化学通风柜排气应使用哪种管道系统?
NFPA 45再次提出这个问题,尽管是模棱两可的:
7.5 通风柜和局部排气系统的管道施工
7.5.1 来自化学通风柜和局部排气系统的管道应完全由不燃材料制成,以下情况除外:
(1)实验室工作区域内的特殊局部排气系统应允许使用可燃结构的柔性管道。(见7.5.2)
(2)如果在封闭不可燃或有限可燃结构的竖井中,允许通过非实验室区域或实验室装置(其服务的实验室装置除外)使用可燃排放物。(见7.5.2)
(3)如第6章所述,如果经过的所有区域均采用经批准的自动灭火系统进行保护,则应允许使用可燃物排放物(见7.5.2)
7.5.2根据ASTME84《建筑材料表面燃烧特性标准试验方法》或ANSI/UL723《建筑材料表面燃烧特性试验标准》进行试验时,可燃管道或管道衬里的火焰蔓延指数应小于等于25,试验样品应为管道或管道内施工中使用的最小厚度。
8.3.3.2管道施工材料管道和容器的结构材料应与待转移或搬运的材料兼容。
虽然通风柜内部和管道系统仅限于火焰蔓延<25,但管道系统也必须与输送材料相容(8.3.3.2)。
如果实验室设计人员希望NFPA 45能够给出管道类型的具体帮助,那么他们会对8.3.3.2节感到非常失望。特别是在具有不同实验室的大型项目中,关于管道兼容性的这个相当模糊的部分假定化学家都做同样的事情并且有一种全方位的管道类型。这些假设都是不可能的。
由不同材料制成的管道系统表现不同。以下是示例:
1)不锈钢管道系统很好,除了像HCl这样的卤酸(最常见的试剂之一)。
2)PVC管道系统适用于HCl(g)等酸性烟雾,但某些类型在250°时会变软
3)镀锌钢管道系统(最便宜的选择)可能适用于较温和的应用,除非在某些新应用中大量增加耗尽腐蚀剂的数量时会出现腐蚀情况。
当新的化学项目和任务改变常规使用的化学物质被排放到实验室建筑物内的原始管道中时,建筑师/设计师如何确保建筑物的安全性,因为管道可能不再符合NFPA 45的8.3.3.2节的要求?
由于上述问题,Flow Sciences总是向客户提出应用问题。你的申请是什么?每周用尽多少试剂?您是否通过减少排气量来考虑节能?您的应用程序有哪些机会发生重大变化?
显然,当制造商提出这样的问题时,我们会保护自己和客户免于接收错误的产品。整个楼宇的排气问题总是一个更大的问题,通常在建筑维护的时候被遗忘。随着VAV和其他低能耗技术的改进,进一步减少通风柜程序的废气流量,腐蚀性废气浓度将增加。安装用于更稀释的烟气浓度的管道可能因此而受到严重挑战!

结 论

1)从消防安全的角度来看,设计良好的通风柜必须有一个密封腔,使用ASTM E84火焰蔓延<25的材料制成。
所有内部通道切口应覆盖衬里材料,并具有类似的低火焰蔓延。侧壁内部检修面板必须比切口大,并用螺钉而不是垫圈固定,除非所述垫圈在着火时不会燃烧,熔化或松动。
除此预防措施外,绝不能将通风柜安装为吊顶支撑系统的一部分。吊顶应该高于通风柜,永远不要通过它!
2)在通风柜火灾事件期间,永远不应关闭通风柜排气系统。阻尼器不应该关闭。不是自动的,不是手动的。
NFPA 45在这个问题上很清楚。对实验室人员和室内火灾的影响禁用排气系统的参与率通常比允许系统运行时更差。
3)化学气管的ASTM E84火焰蔓延<25。
虽然任何管道必须与耗尽的材料兼容,但设施应记录所使用的管道类型,因此当通风柜应用随时间变化时,可检查新用途是否与现有管道兼容。必要时,非零火焰蔓延管道系统必须采用NFPA 45中所述的防火屏蔽。常用的管道材料为不锈钢,PVC和镀锌钢。每种材料都具有局限性和优点,可以根据实验室废气使用情况进行评述。
总之,我们已经看到通风柜火灾必须在通风柜上方以及内部发生的情况下看到。风扇,管道系统和完整吊顶的维护都可以起到防止严重实验室火灾的作用。
脚 注
  1. Fume Hood Fires, Robert Haugen, Flow Sciences White Paper, 8/2018, https://www.flowsciences.com/fume-hood-firessmoke-heat-and-finally-illumination/
  2. Making Sense of Laboratory Fire Codes, Richard Palluzi, AIHCE Journal, pp 54-58
  3. University of Hawaii Fined $115,000 for lab explosion, C&EN News, Sept 29,2016
  4. Overview of the International Mechanical Code, International Code Council, 2018, https://www.iccsafe.org/products-and-services/i-codes/2018-i-codes/imc/
  5. https://www.fireengineering.com/articles/print/volume-158/issue-4/departments/the-ol-professor/suspended-ceilings.html, FRANCIS L. BRANNIGAN, SFPE (Fellow), the recipient of Fire Engineering’s first Lifetime Achievement Award, has devoted more than half of his 63-year career to the safety of firefighters in building fires. He is well known as the author of Building Construction for the Fire Service, Third Edition (National Fire Protection Association, 1992) and for his lectures and videotapes. Brannigan is an editorial advisory board member of Fire Engineering.
  6. https://www.huffpost.com/entry/chemistry-fire-video-lab-sprinklers_n_3314085
  7. Flow Sciences floor mount fume hoods
  8. https://publicsafety.tufts.edu/ehs/fire-safety/
  9. http://www.expertconstructioninc.com/acoustical.html
  10. This is a photo of the Flow Sciences Saf T Flow fume hood sidewall access panel. Other manufacturers emulate this design.

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