Study on Multiphase Pyrolysis Kinetics and Fire Early Warning Characteristics of Cable Sheaths and Insulating Layers
यह अध्ययन थर्मल विश्लेषण और काइनेटिक मॉडलिंग को एकीकृत करता है ताकि यह स्पष्ट किया जा सके कि मल्टीलेयर केबल शीथ में श्रेणीबद्ध खनिज फिलर्स पायरोलिसिस तंत्र और वाष्पशील उत्सर्जन को कैसे नियंत्रित करते हैं, जिससे अंततः शहरी उपयोगिता सुरंग सुरक्षा को बढ़ाने के लिए विशिष्ट तापमान थ्रेशोल्ड और विशिष्ट गैस मार्करों पर आधारित एक द्वि-स्तरीय अग्नि प्रारंभिक चेतावनी प्रतिमान स्थापित किया जा सके।
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आधुनिक शहरों की सड़कों के नीचे उपयोगिता सुरंगों का एक जटिल जाल बिछा है, जो उस विद्युत शक्ति को ले जाता है जो हमारी लाइटों को चालू रखने और हमारे अस्पतालों को चलाने में मदद करती है। इन अंधेरे, संकीर्ण स्थानों के भीतर, केबलों के मोटे बंडल बुनियादी ढांचे के माध्यम से रेंगते हैं, जो प्लास्टिक और रबर की परतों द्वारा सुरक्षित होते हैं। ये बाहरी परतें, जिन्हें शीथ (sheaths) कहा जाता है, और आंतरिक इन्सुलेशन आग के खिलाफ सुरक्षा की पहली पंक्ति हैं। हालाँकि, जब ये सामग्रियां अत्यधिक गर्म हो जाती हैं, तो वे केवल पिघलती नहीं हैं; वे पायरोलिसिस (pyrolysis) नामक एक रासायनिक विघटन से गुजरती हैं, जहाँ ऊष्मा ठोस प्लास्टिक को गैसों में बदलने के लिए मजबूर करती है। इनमें से कुछ गैसें जहरीली होती हैं, जबकि अन्य ज्वलनशील होती हैं, जो एक छोटी सी विद्युत खराबी को एक विनाशकारी आग में बदल सकती हैं। इन सामग्रियों के टूटने के सटीक तरीके और समय को समझना उन शुरुआती चेतावनी प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है जो आग फैलने से पहले उसका पता लगा सकें, जिससे निकासी और हस्तक्षेप के लिए बहुमूल्य समय मिल सके।
चीन पीपल्स पुलिस यूनिवर्सिटी और हांग्जो पब्लिक ट्रांसपोर्ट कंपनी लिमिटेड के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस छिपी हुई रासायनिक प्रक्रिया को पहले से कहीं अधिक सटीकता के साथ मैप करने का लक्ष्य रखा। केबल सामग्रियों को सरल, एकसमान ब्लॉकों के रूप में देखने के बजाय, उन्होंने उन्हें जटिल, बहु-स्तरीय प्रणालियों के रूप में माना जहाँ प्लास्टिक के भीतर खनिज फिलर (mineral filler) की मात्रा यह निर्धारित करती है कि वह ऊष्मा के तहत कैसा व्यवहार करेगी। उन्होंने वास्तविक दुनिया के केबलों में पाए जाने वाले चार विशिष्ट प्रकार के सामग्रियों पर ध्यान केंद्रित किया: एक मानक प्लास्टिक शीथ, खनिज योजनों की मध्यम मात्रा वाली एक अग्नि-मंदक (flame-retardant) शीथ, खनिजों की उच्च सांद्रता वाली एक अग्नि-प्रतिरोधी (fire-resistant) शीथ, और क्रॉस-लिंक्ड पॉलीइथाइलीन से बना आंतरिक इन्सुलेशन कोर। नमूनों को एक नियंत्रित वातावरण में गर्म करते हुए और साथ ही यह मापते हुए कि उन्होंने कितना द्रव्यमान खोया और उन्होंने कौन सी विशिष्ट गैसें छोड़ीं, शोधकर्ता वास्तविक समय में इस विघटन को देख सके।
अध्ययन से पता चला कि आंतरिक इन्सुलेशन और बाहरी शीथ मौलिक रूप से अलग तरीकों से विफल होते हैं। आंतरिक इन्सुलेशन, जो विद्युत प्रवाह की रक्षा करता है, एक एकल, ठोस इकाई की तरह व्यवहार करता है। जब यह 400 और 500 डिग्री सेल्सियस के बीच एक महत्वपूर्ण तापमान तक पहुँचता है, तो यह एक तीव्र, एकल-चरणीय पतन से गुजरता है, जिससे यह एक साथ टूट जाता है और मीथेन और अन्य हाइड्रोकार्बन गैसों की बड़ी मात्रा छोड़ देता है। इसके विपरीत, बाहरी शीथ, जिन्हें केबल को बाहरी दुनिया से बचाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, एक अधिक जटिल, बहु-चरणीय प्रक्रिया में विघटित होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि बाहरी शीथ के भीतर खनिज फिलर की मात्रा इस विघटन के लिए एक नियामक (regulator) के रूप में कार्य करती है। बिना किसी अतिरिक्त खनिज वाली एक मानक प्लास्टिक शीथ में, सामग्री कम तापमान पर तेजी से टूटती है, जिससे हाइड्रोजन क्लोराइड गैस और ज्वलनशील टुकड़ों के रूप में भारी वजन निकलता है।
जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने खनिज फिलर की मात्रा बढ़ाई, शीथ का व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। मध्यम मात्रा में खनिजों वाली अग्नि-मंदक शीथ में, विघटन धीमा हो गया और खतरनाक गैसों का उत्सर्जन कम हो गया। खनिज एक विलायक (diluent) की तरह कार्य करते थे, ज्वलनशील प्लास्टिक को फैला देते थे और गर्मी को सामग्री के माध्यम through यात्रा करना कठिन बना देते थे। अग्नि-प्रतिरोधी शीथ में, जिसमें खनिजों की उच्चतम सांद्रता थी, प्रभाव और भी गहरा था। खनिजों ने न केवल प्रक्रिया को धीमा किया; उन्होंने विघटन की रसायन विज्ञान को मौलिक रूप से बदल दिया। उच्च तापमान पर, ये खनिज आपस में जुड़कर एक कठोर, सिरेमिक जैसी बाधा (barrier) बनाने के लिए फ्यूज हो गए जिसने गैसों को अंदर ही कैद कर लिया। यह बाधा इतनी प्रभावी थी कि इसने मानक प्लास्टिक की तुलना में मीथेन, जो आग के लिए एक प्रमुख ईंधन है, के उत्सर्जन को दो आदेशों (two orders of magnitude) से अधिक कम कर दिया।
शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि इन सामग्रियों के रासायनिक बंधों को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा फिलर की मात्रा के आधार पर बदलती रही। मानक प्लास्टिक के लिए, बंधों को तोड़ने के लिए उच्च ऊर्जा की आवश्यकता थी, लेकिन जैसे-जैसे खनिज सामग्री बढ़ी, विघटन शुरू करने के लिए आवश्यक आभासी ऊर्जा वास्तव में कम हो गई। यह विरोधाभासी परिणाम इसलिए हुआ क्योंकि खनिजों ने प्लास्टिक की निरंतर संरचना को बाधित कर दिया, जिससे इसे एक पूर्ण शीट के बजाय छोटे, स्थानीयकृत पॉकेट के रूप में टूटने के लिए मजबूर होना पड़ा। हालाँकि, अग्नि-प्रतिरोधी शीथ के विघटन के अंतिम चरण में, ऊर्जा की आवश्यकता फिर से बढ़ गई। ऐसा इसलिए था क्योंकि खनिजों को एक कठिन भौतिक परिवर्तन से गुजरना पड़ता था, यानी उस सुरक्षात्मक सिरेमिक शेल को बनाने के लिए आपस में सिंटरिंग (sintering) करनी पड़ती थी, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें काफी ऊष्मा की खपत होती है।
ऊष्मा, द्रव्यमान हानि और गैस उत्सर्जन के इन अवलोकनों को जोड़कर, टीम ने केबल की आग का पता लगाने के लिए एक नई, दो-स्तरीय प्रणाली स्थापित की। पहला चेतावनी चरण, या टियर I, 270 और 310 डिग्री सेल्सियस के बीच होता है। इस बिंदु पर, बाहरी शीथ विघटित होने लगती है, जिससे हाइड्रोजन क्लोराइड और कार्बन मोनोऑक्साइड निकलती है। यह इस बात का संकेत है कि सुरक्षात्मक आवरण विफल हो रहा है। दूसरा, अधिक महत्वपूर्ण चरण, या टियर II, लगभग 450 डिग्री सेल्सियस पर होता है, जब आंतरिक इन्सुलेशन ढहने लगता है। यह चरण मीथेन, एथिलीन और एसिटिलीन के अचानक उत्सर्जन द्वारा चिह्नित होता है। यह दो-चरणीय दृष्टिकोण निगरानी प्रणालियों को एक मामूली ओवरहीटिंग घटना जिसे प्रबंधित किया जा सकता है, और एक विनाशकारी विफलता जिसे तत्काल आपातकालीन प्रतिक्रिया की आवश्यकता है, के बीच अंतर करने की अनुमति देता है। अध्ययन पुष्टि करता है कि विभिन्न केबल सामग्रियों के विशिष्ट रासायनिक हस्ताक्षरों को समझकर, इंजीनियर उन भूमिगत सुरंगों के लिए स्मार्ट, अधिक संवेदनशील सुरक्षा प्रणालियाँ बना सकते हैं जो हमारे शहरों को शक्ति प्रदान करती हैं।
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