《Fire》：Experimental Evaluation of the Fire Performance of Pipe Insulation Materials Under ISO 20632 Actual Fire Test Conditions
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对管道保温材料在ISO 20632实际火灾试验条件下的火灾性能进行了试验评价。连续敷设的有机管道保温材料在火灾中可促进火焰蔓延，因此是重要的消防安全因素。然而，韩国法规依据《建筑法》和《消防服务法》分别对管道保温材料的阻燃性能进行管控，主要通过小尺寸材料试验，
对管道保温材料在ISO 20632实际火灾试验条件下的火灾性能进行了试验评价。连续敷设的有机管道保温材料在火灾中可促进火焰蔓延，因此是重要的消防安全因素。然而，韩国法规依据《建筑法》和《消防服务法》分别对管道保温材料的阻燃性能进行管控，主要通过小尺寸材料试验，可能无法反映实际管道安装条件。本研究采用韩国广泛使用的五种管道保温材料——聚氨酯（PUR）、发泡聚乙烯（PE）、发泡橡胶（NBR/PVC）、玻璃棉和多层复合保温材料——开展了ISO 20632实际火灾试验。试验在模拟安装条件下先施加100 kW持续10 min，随后施加300 kW持续10 min。比较了峰值热释放速率（PHRR）、产烟速率（SPR）、火灾增长速率指数（FIGRA）、烟气增长速率指数（SMOGRA）、分区温度历程及时间温升速率。聚氨酯（PHRR 2857 kW）和发泡聚乙烯（1469 kW）表现出高热释放、快速火灾增长和闪燃，而玻璃棉（384 kW）和多层复合保温材料（801 kW）未达到闪燃。多层复合保温材料的FIGRA和SMOGRA最低，玻璃棉则表现出相对良好的热稳定性。这些结果表明，基于材料的标准可能无法充分反映实际火灾行为，支持了开展ISO 20632实际火灾试验的必要性。
**研究背景与问题提出**
随着建筑规模大型化、高层化以及地下空间和混合用途空间的增加，排水、供暖通风空调（HVAC）及消防系统的管道安装规模不断扩大。为防止结露和冻结，这些管道系统普遍采用玻璃棉、发泡聚乙烯、聚氨酯、发泡橡胶和多层复合保温材料等进行保温。然而，有机泡沫保温材料具有较高的热释放速率，且沿管道连续敷设，在火灾情况下可形成长距离燃烧路径。燃烧过程中产生的热量、烟雾和有毒气体影响人员疏散和消防救援，因此管道保温材料必须作为决定建筑火灾发展的关键安全因素予以评价。
这些风险在韩国火灾事故中已得到证实：2021年天安市Buldang-dong公寓地下停车场火灾、2024年仁川Cheongna地下停车场火灾中，天花板管道的保温材料被确定为火灾蔓延路径；2025年釜山Gijang County Banyan Tree度假村施工现场火灾中，焊接火花点燃发泡聚乙烯保温材料，造成重大人员伤亡。上述案例表明，管道连续敷设并沿天花板大面积裸露的安装特征，形成了局部点火后火焰可沿管道路径长距离传播的潜在燃烧通道。
管道保温材料的阻燃性能通常通过小尺寸材料试验评价，如ISO 5660-1、ISO 9772和极限氧指数试验。已有研究利用锥形量热仪、水平燃烧试验、气体毒性试验及缩尺和实际火灾试验分析了管道保温材料的火灾特性，并报道点火时间、火灾增长速率和阻燃等级随试样配置和安装条件而变化，仅凭单元材料试验难以预测实际火灾行为。由于此类小尺寸试验无法全面复现连续敷设管道所产生的热释放、烟气生成和火焰传播，仅符合现行标准可能不足以表征安装条件下的实际火灾风险。
为解决上述局限性，ISO 20632提供了在更接近实际管道保温安装条件下评价热释放速率（HRR）、产烟速率（SPR）、火灾增长速率指数（FIGRA）、烟气增长速率指数（SMOGRA）、火焰蔓延和闪燃的试验方法。然而，鲜有研究在相同ISO 20632实际火灾试验条件下直接比较韩国广泛使用的不同材质商用管道保温材料，也鲜有研究量化与热传播相关的分区温度响应和时间温升速率，并将其与现行建筑和消防安全阻燃标准的充分性相关联。因此，有必要不仅分析各材料的热释放、烟气释放和火灾增长行为，还需分析实际施工空间中的温度传播。本研究对玻璃棉、发泡聚乙烯、聚氨酯、发泡橡胶和多层复合结构五种保温材料开展了复现实际管道安装条件的ISO 20632实际火灾试验。尽管ISO 20632于2023年作为国际标准被撤销，但尚无替代它的后续国际标准，且在韩国它仍被用作评价管道保温材料实际火灾行为的试验程序；此外，试验方法本身的科学有效性不受标准撤销的影响。通过该方法，比较了不同管道保温材料在不同空间分区的峰值热释放速率（PHRR）、产烟速率（SPR）、FIGRA、SMOGRA、闪燃发生情况及随时间温升速率，从而量化材料间火灾行为差异，并评估现行材料尺度阻燃评价方法是否充分反映真实火灾环境，旨在为系统级、基于性能的消防安全评价及相关标准改进提供基础数据。
**关键技术方法**
研究人员采用ISO 20632实际火灾试验方法，在依据ISO 9705-1配置的小型燃烧室内，将五种商用管道保温材料按实际安装条件敷设于公称直径15 mm的钢管道上（约30根管道、总长约90 m，间距25±1 mm），以100 kW持续10 min后300 kW持续10 min的火源功率进行点火试验。通过氧消耗法测定热释放速率（HRR），并计算PHRR、SPR、FIGRA和SMOGRA；在火源左侧（Zone 1）、右侧（Zone 2）和开口处（Zone 3）共布置32个热电偶，采用温升速率指数（TRRI）和最小二乘线性回归斜率评价分区平均温度的时间响应。试验材料为韩国市场广泛使用的聚氨酯、发泡聚乙烯、发泡橡胶、玻璃棉和多层复合保温材料，每种材料各一个试样。
**研究结果**
**热释放速率（HRR）结果**：通过氧消耗法测定各材料PHRR，聚氨酯最高（2857.9 kW），依次为发泡聚乙烯（1469.5 kW）、发泡橡胶（1030.4 kW）、多层复合保温材料（801.14 kW）和玻璃棉（384.13 kW）。以火源与试样热释放速率之和达到1000 kW并持续10 s以上为闪燃判据（含燃烧器热输出），聚氨酯、发泡聚乙烯和发泡橡胶发生闪燃，火焰从开口喷出；多层复合保温材料和玻璃棉在300 kW加热条件下未发生闪燃，未见开口外火焰蔓延。有机泡沫材料因高热释放速率加速火灾增长和闪燃，玻璃棉作为无机材料表现出低热释放特性。
**产烟速率（SPR）、FIGRA和SMOGRA**：发泡聚乙烯SPR最高（43.638 m2/s），发泡橡胶（38.868 m2/s）和聚氨酯（37.671 m2/s）次之，玻璃棉（21.778 m2/s）和多层复合保温材料（15.379 m2/s）较低。FIGRA以发泡聚乙烯最高（23.780 kW/s），聚氨酯（20.666 kW/s）、发泡橡胶（10.906 kW/s）次之，玻璃棉（4.537 kW/s）和多层复合保温材料（2.548 kW/s）很低。SMOGRA以发泡聚乙烯最高（4432.4 m2/s2），发泡橡胶（4024.1 m2/s2）、聚氨酯（3664.7 m2/s2）次之，玻璃棉（1700.7 m2/s2）和多层复合保温材料（655.36 m2/s2）最低，表明多层复合保温材料早期烟气传播速率最慢。
**各类型管道保温材料的火灾行为**：通过实际火灾试验观察各材料点火时间、火焰蔓延、闪燃、熔滴和试验后残留状况的差异。玻璃棉约28 s出现短暂表面火焰（粘结剂局部热分解），未蔓延并自行熄灭，无熔滴或结构脱落，试验后纤维结构基本保持，尺寸稳定性较好。发泡聚乙烯点火后迅速燃烧，熔融保温材料持续滴落，火焰沿管道垂直快速蔓延，伴有大量黑烟，熔滴落地增加二次引燃可能性。发泡橡胶燃烧行为类似发泡聚乙烯，火焰沿管道反复上下移动，产生大量熔滴，试验结束时大部分保温材料烧尽、无法保持形状。聚氨酯燃烧响应最快，点火后火焰迅速沿管道垂直蔓延至试验室顶部，持续释放大量黑烟和热解气体，无自熄性，试验后原形完全丧失，仅余熔融残留物和部分炭层。多层复合保温材料点火后火焰蔓延受限，随火源功率增加出现边缘颗粒脱落；其层状结构由铝膜、网状玻璃纤维层和石墨层组成，热流增加时外膜破裂、层间分层，细炭化颗粒和灰分随气流扩散；试验后除开口侧面部分保温材料外，大部分试样烧尽，但火焰蔓延相对受限。
**温度比较**：通过分区热电偶和TRRI、线性回归分析水平火焰蔓延特征。100 kW阶段近火源区（Zone 1和Zone 2）温升主要受燃烧器火焰控制，各材料TRRI排序为发泡聚乙烯>玻璃棉>发泡橡胶>聚氨酯>多层复合保温材料；聚氨酯持续升温约250 s，Zone 1达739.4 °C（246 s）、Zone 2达771.8 °C（242 s），为各区和各材料最高峰值温度。开口处（Zone 3）聚氨酯（3.07 °C/s）和发泡聚乙烯（3.02 °C/s）TRRI显著高于发泡橡胶（0.86 °C/s）、多层复合保温材料（0.68 °C/s）和玻璃棉（0.045 °C/s）；但聚氨酯开口处达765.9 °C（243 s）并维持高温，发泡聚乙烯仅达211.6 °C（64 s）后下降。开口处温升段（发泡聚乙烯38–58 s、发泡橡胶38–89 s、聚氨酯74–166 s）与各自闪燃时间（46、85、77 s）吻合。300 kW阶段除多层复合保温材料（TRRI 1.69 °C/s，713 s瞬时峰值521.9 °C）外，各材料TRRI均低于0.10 °C/s（开口处）或处于0.30–0.85 °C/s（近火源区）。玻璃棉和多层复合保温材料在开口处TRRI最低。
**各保温材料最终试验结果**：通过多指标综合比较发现，各火灾性能指标的排序并不一致，单一指标不能表征管道保温材料的整体消防安全。多层复合保温材料FIGRA和SMOGRA最低，早期火灾增长和烟气传播最慢，但试验后大部分烧尽并出现外层面层分层和炭化；玻璃棉FIGRA和SMOGRA高于多层复合保温材料，但PHRR最低、未闪燃、试验后纤维结构基本保持、燃烧局部受限，归因于其无机纤维不可燃组成导致热分解和复燃可能性极低。两者差异表明早期增长指标与试验后结构完整性并不必然对应。温度分析提供了热和烟相关指标之外的比较依据：聚氨酯持续升温约240 s并在三个分区均记录最高峰值温度（739.4–771.8 °C），开口处聚氨酯和发泡聚乙烯TRRI分别为3.07和3.02 °C/s，与其他材料的0.05–0.86 °C/s形成对比，且与闪燃时间吻合；但仅聚氨酯在开口处维持高温（765.9 °C），发泡聚乙烯在211.6 °C峰值后下降，表明聚氨酯向开口传热远快于且持久于其他材料，此特征无法仅从PHRR看出。实际火灾试验揭示各材料在火灾增长速率、热释放和烟气生成特性及闪燃发生方面存在显著差异，表明仅材料级阻燃性能评价可能无法充分反映实际管道安装条件下的火灾行为。
**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究基于每种材料单一试样的试验，在保证重复性方面存在局限，且考虑HRR测量的固有不确定性，需重点关注材料间的相对趋势而非定量值的绝对比较。未来应通过代表性材料的重复试验验证再现性、扩展保温厚度/管径/接头几何等安装变量、定量评价燃烧气体毒性、阐明材料级试验指标与实际火灾试验结果的相关性，以增强结果的普适性和实用性。
结论部分翻译如下：本研究采用复现真实管道安装条件的ISO 20632实际火灾试验，直接比较了韩国广泛使用的五种管道保温材料——聚氨酯、发泡聚乙烯、发泡橡胶、玻璃棉和多层复合材料——分析了PHRR、SPR、FIGRA和SMOGRA以及三个空间分区的温度历程和时间温升速率。主要结论如下：第一，材料组成对实际火灾试验中的火灾行为有实质性影响，有机泡沫材料——聚氨酯（PHRR 2857.9 kW）和发泡聚乙烯（1469.5 kW）——表现出快速火灾增长和大量烟气生成并达到闪燃，而无机玻璃棉（384.13 kW）和多层复合保温材料（801.14 kW）在300 kW加热条件下未达到闪燃；PHRR约七倍的差异表明材料组成与实际火灾试验中的火灾行为密切相关，但由于PHRR、SPR、FIGRA和SMOGRA之间排序各异，整体消防安全不能由任何单一性能指标表征。第二，消防安全性能应基于多指标综合评价而非单一指标；多层复合保温材料FIGRA和SMOGRA最低，有利于抑制初期火焰增长和烟气生成，但试验后观察到外层层分层和炭化等结构损伤；玻璃棉FIGRA和SMOGRA略高于多层复合保温材料，但PHRR最低、未闪燃、试验后纤维结构基本保持，表现出相对良好的热稳定性，表明初期增长指标不能代表材料的整体消防安全性能。第三，实际火灾试验结果表明仅材料级阻燃评价可能不足以表征实际安装条件下管道保温材料的火灾行为；本研究的五种材料均在韩国作为管道保温材料商用，但在ISO 20632试验中表现出显著不同的火灾行为，聚氨酯、发泡聚乙烯和发泡橡胶达到闪燃，而玻璃棉和多层复合保温材料未达到，PHRR分别为玻璃棉384 kW、发泡聚乙烯1469 kW、发泡橡胶1030 kW、聚氨酯2857 kW、多层复合保温材料801 kW；这些差异表明氧指数和水平燃烧试验等小尺寸材料试验可能无法充分捕捉连续管道安装、接头、空气间隙和安装方向对火焰蔓延的影响，仅符合材料级标准可能无法充分代表实际安装条件下的火灾性能。第四，管道保温材料的消防安全评价应以系统级实际火灾试验加以补充；材料级试验作为筛选工具是有效的，但为识别实际安装条件下的火灾增长、火焰蔓延和闪燃风险，有必要引入将ISO 20632等系统级燃烧性能试验与EN 13501-1等定量分级相结合的性能化标准。总之，本研究在ISO 20632实际火灾试验中比较了五种管道保温材料的火灾特性，得出不同材料类型火灾行为的差异，从而凸显了材料级阻燃评价的潜在局限性，并支持系统级火灾试验的补充使用。
