黃 勇, 魯長(zhǎng)波,安高軍, 熊春華, 解立峰

(1. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 南京 210094; 2. 常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院, 江蘇 常州 213164; 3.中國(guó)人民解放軍總后勤部油料研究所, 北京 102300)

1 引 言

車輛、飛機(jī)等運(yùn)載工具在遭遇事故或恐怖襲擊時(shí)易引發(fā)火災(zāi)、爆炸,還可能引爆油箱中油料發(fā)生“二次效應(yīng)”[1]。消防車、救護(hù)車等特殊車輛經(jīng)常出現(xiàn)在火災(zāi)事故救援現(xiàn)場(chǎng),其油箱處于高溫環(huán)境中也可能引爆油料。因此,多年來為了提高車輛、飛機(jī)等油箱的本質(zhì)安全性,專家、學(xué)者研制出不同類型的抑爆材料，并嘗試填充在燃油箱中以便減輕油箱爆炸的后果。

1968年,美國(guó)空軍最早開始在F-105、C-130和F-4等飛機(jī)的油箱內(nèi)填充網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料來防止燃油箱爆炸,后來又相繼在A-7,A-10和F-15等飛機(jī)上采用同樣方法來保護(hù)燃油箱[2]。1984年美國(guó)空軍制定了飛機(jī)燃油箱充用的網(wǎng)狀泡沫材料規(guī)范MIL-B-83054B,即《飛機(jī)燃油箱用的阻隔惰性材料》[3]。本世紀(jì)初,我國(guó)開始著手對(duì)JL8飛機(jī)機(jī)翼整體油箱進(jìn)行抑爆設(shè)計(jì),并將鋁合金網(wǎng)狀材料充填到機(jī)冀整體油箱[2]。中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五二研究所研制的鋁合金抑爆材料填充在汽油油箱中用明火點(diǎn)燃、射擊或用電、氣焊直接進(jìn)行補(bǔ)漏操作均不發(fā)生爆炸[4]。然而,以上抑爆材料易水解或氧化,在使用中會(huì)破碎并產(chǎn)生顆粒物,使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降甚至油路堵塞[5-6]。因此,近年國(guó)內(nèi)一些科研單位開發(fā)了耐高溫、抗氧化的非金屬抑爆材料,如A12O3、ZrO2、SiC泡沫陶瓷、以尼龍為主的塑料組合物等,但該類材料的阻燃抑爆效果還未在明火烤燃油箱的實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

為此,本研究開展了燃油箱的明火烤燃實(shí)驗(yàn),對(duì)比盛裝不同油料的油箱在不填充和填充球形抑爆材料情況下烤燃反應(yīng)的破壞效應(yīng),以評(píng)估抑爆材料的阻燃抑爆效果,為進(jìn)一步提高、改進(jìn)抑爆材料的研制技術(shù)提供技術(shù)參考。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與儀器

(1)實(shí)驗(yàn)油箱: 圓桶形,容積為108 L,尺寸: Ф500 mm×550 mm,材質(zhì)為20號(hào)鋼,壁厚為2 mm。

(2)木籠: 將截面尺寸不小于50 mm×50 mm的木條以間距約100 mm制成籠狀。

(3)金屬格柵: 用于放置油箱,尺寸: 500 mm(L)×500 mm(W)×1000 mm(H)。

(4)見證鋁板: 作為見證板使用,底部帶有能夠使其豎立的支撐,尺寸: 2000 mm(W)×2000 mm(H)×2 mm(T),布氏硬度23,抗拉強(qiáng)度90 MPa。

(5)高速照相機(jī): Fastcam nltima APX型,日本Photron公司,最大拍攝速率為12000 幀/s,每幀最大1024×1024 像素。

(6)紅外熱成像儀: Mikronscan 7200V型,美國(guó)Mikron公司,該系統(tǒng)用320×240微熱輻射計(jì)UFPA探測(cè)器接收探測(cè)目標(biāo)所釋放出來的能量,其溫度響應(yīng)時(shí)間為2 μs。

(7)熱通量計(jì): DaqPRO 5300型,以色列Fourier公司,最大熱通量量程達(dá)2.3 MW·m-2,最大溫度測(cè)量為980 ℃。

2.2 實(shí)驗(yàn)樣品

(1)實(shí)驗(yàn)油料: -10號(hào)柴油(-10PD)、噴氣燃料(RP-5),其理化性能見表1[7]。

表1 實(shí)驗(yàn)油料理化性能

Table 1 Physical and chemical properties of experimental oil

fuelflashingpoint/℃ignitiontemperature/℃explosivelimit/%combustionflametemperature/℃mainuses-10PD≥65257nodata700～800fueloflargevehicles，shipsandweaponryRP?5≥60nodata0．6～3．7850～950kerosene，fuelofplane

(2)抑爆材料: 中空柵格狀球體抑爆材料(簡(jiǎn)稱抑爆球),外觀直徑30 mm,單球質(zhì)量1.65 g。抑爆球主要成分是石墨,還添加了少量聚酯類塑性材料,具有良好的導(dǎo)熱性能和耐酸、耐堿、耐溫特性。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)布置

參照標(biāo)準(zhǔn)《危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸 爆炸品的認(rèn)可和分項(xiàng)試驗(yàn)方法》(GB/T 14372-2013)中危險(xiǎn)貨物外部火燒實(shí)驗(yàn)方法,觀測(cè)盛裝54 L油料的油箱,在外部火焰作用下的反應(yīng)情況及其危險(xiǎn)性和破壞效應(yīng):

(1)發(fā)生爆轟、爆燃或爆炸的證據(jù),三塊垂直見證板中至少一塊有穿孔;

(2)危險(xiǎn)的拋射物;

(3)熱效應(yīng)(例如火球、熱通量等)。

將盛裝油料和填充抑爆球(填充密度約60 kg·m-3)的實(shí)驗(yàn)油箱放置于金屬格柵上,木籠堆于金屬格柵下,堆成網(wǎng)格狀,總體積不小于6.25 m3,木籠應(yīng)超出油箱邊緣每個(gè)方向至少1.0 m。在油箱四周的三面(除下風(fēng)面)距離其邊緣4 m處豎直放置見證板,并且使見證板中心與油箱中心同高。點(diǎn)火系統(tǒng)采用煤油浸透的木材或木刨花,并從兩邊同時(shí)點(diǎn)燃木籠,一邊是頂風(fēng)側(cè)。測(cè)試和記錄儀器如普通攝像機(jī)、高速照相機(jī)、紅外熱成像儀、熱通量計(jì)分別設(shè)置在下風(fēng)面的30，140，140，15 m處。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)布置示意圖如圖1所示。普通攝像機(jī)用于記錄油箱烤燃的全過程; 高速照相機(jī)用于拍攝火焰噴射及爆炸過程,拍攝速率為1000幀/s; 紅外熱成像儀用于采集噴射火球的表面溫度,采樣頻率為31 ms/次; 熱通量計(jì)記錄了烤燃點(diǎn)附近某處的熱通量,采樣頻率為1次/s。

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)布置示意圖

Fig.1 Schematic of experimental layout

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

由于油箱烤燃過程中可能伴有蒸氣云爆炸,熱通量計(jì)不宜設(shè)置在距烤燃點(diǎn)過近的位置,同時(shí)又考慮GB/T 14372-2013的相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法要求,因此將熱通量計(jì)設(shè)置在距烤燃中心點(diǎn)15 m處的位置,烤燃過程中產(chǎn)生的噴射火球表面的輻射度則由紅外測(cè)溫原理[8]計(jì)算得到。

根據(jù)斯蒂芬-玻耳茲曼定律[9],黑體的輻射度R為:

R=σT4

(1)

式中,σ為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù),5.67×10- 8W·m-2·K-4;T為黑體的絕對(duì)溫度,K。將碳?xì)淙剂弦暈楹隗w[10]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 油箱烤燃反應(yīng)的劇烈程度

圖2為盛裝-10PD、RP-5的油箱在不填充和填充抑爆球情況下四次實(shí)驗(yàn)的典型照片。

從圖2可以看出,油箱烤燃反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不盡相同,盛裝-10PD的油箱(實(shí)驗(yàn)1、2)僅產(chǎn)生了噴射火,而盛裝RP-5油箱(實(shí)驗(yàn)3、4)還發(fā)生了蒸氣云爆炸形成火球,這是由于密閉油箱中的油料受熱揮發(fā)和汽化,導(dǎo)致油箱內(nèi)壓力不斷增加,當(dāng)壓力增加到超過油箱所能承受最大壓力值時(shí),油箱薄弱部位將破裂,受熱的油蒸氣高速逸出形成了噴射火。由于RP-5的揮發(fā)性和著火性均較高,油箱內(nèi)仍保持了較高的油氣濃度,此時(shí)處于過熱狀態(tài)RP-5更容易發(fā)生蒸氣云爆炸[11-13]。

a. test 1: -10PD

b. test 2: -10PD+explosion suppression balls

c. test 3: RP-5

d. test 4: RP-5+explosion suppression balls

圖2 油箱烤燃實(shí)驗(yàn)照片

Fig.2 Photos of fuel tank cook-off experiments

油箱烤燃反應(yīng)的劇烈程度可以由油箱初始燃燒時(shí)間、油箱毀傷情況和見證板狀態(tài)等實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2顯示,填充抑爆球油箱(實(shí)驗(yàn)2、4)的油料受熱初始燃燒的時(shí)間比只盛裝油料的油箱(實(shí)驗(yàn)1、3)要延后很多,如-10PD油箱初始燃燒時(shí)間推遲了48 s,RP-5油箱推遲了121 s,這說明抑爆球起到了一定的阻燃抑爆作用,為車輛、飛機(jī)中人員的逃生及救援工作贏得時(shí)間。

由表2中油箱毀傷情況和見證板狀態(tài)可知,實(shí)驗(yàn)4的爆炸威力比實(shí)驗(yàn)3小了很多,這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)4的油箱填充了抑爆球,抑爆球本身有許多狹小的孔隙,這些孔隙能大大降低液滴分離與擴(kuò)散霧化程度,減緩了油蒸氣與空氣燃燒反應(yīng)的劇烈進(jìn)行。

3.2 抑爆球的抑爆效果

3.2.1 噴射火球尺寸與表面溫度

運(yùn)用紅外熱成像系統(tǒng)自帶的MikroSpec軟件對(duì)噴射火球熱成像圖進(jìn)行分析、處理,可以得到選定圖像區(qū)域內(nèi)的最高、最低和平均溫度,以及它們隨時(shí)間的變化關(guān)系。表3列出了噴射火球的尺寸、表面溫度等參數(shù),S、d和h分別指噴射火球的最大截面積及此時(shí)的直徑、高度,它們是通過運(yùn)用AutoCAD軟件對(duì)高速照相機(jī)拍攝的火焰噴射及爆炸過程照片處理計(jì)算得到的,Tm表示噴射火球發(fā)展過程中表面的最高溫度,Ta表示噴射火球Tm時(shí)的表面平均溫度,t為噴射火球表面1273.15 K以上高溫的持續(xù)時(shí)間。圖3為木籠火焰燒到油箱底部后10 min時(shí)的噴射火球紅外熱成像圖。

表2 油箱毀傷情況和見證板狀態(tài)

Table 2 Damage to fuel tanks and status of verification board

testexperimentalconditionsinitialburningtimeoffueltank/sfueltankdamagestatusofverificationboardsstatusofjetfireballs1-10PD280severalcracksonthetopoffueltank．noobviousindentationjetflameabout4mlongerthanthatwoodfire．2-10PD+explosionsuppressionballs328severalcracksonthetopoffueltank．noobviousindentation3RP?5326fueltanktopwasblownupabout30m．a(chǎn)verificationboardwasknockeddownbyexplosionshockwaves．thediameteroffireballexceededthedistancebetweenthe2verificationboards．4RP?5+explosionsuppressionballs447severalcracksonthetopandbottomoffueltank．noobviousindentationthediameteroffireballexceededthedistancebetweenthe2verificationboards．

表3 噴射火球的尺寸和表面溫度

Table 3 Sizes and surface temperature of jet fireball

testS/m2d/mh/mTm/KTa/Kt/s1 3．531．765．411494．651142．357．812 1．211．491．841104．05711．1503226．8522．0114．752031．751567．453．204130．5812．4417．631774．451213．2515．65

Note:S,d, andhare respectively the maximal cross sectional area, diameter, and height of the fireball at this moment.Tmis the highest surface temperature reached during the development of jet fireballs.Tais the average surface temperatures of jet fireballs at the moment whenTmis reached.tis the time span while the surface temperature of jet fireballs stays above 1273.15 K.

a. test 1 b. test 2 c. test 3 d. test 4

圖3 烤燃10 min時(shí)噴射火球的紅外熱成像圖

Fig.3 The infrared images of jet fireballs at 10 min

由表3中的S、Tm計(jì)算得到,實(shí)驗(yàn)2、4填充抑爆球使-10PD、RP-5噴射火球的最大截面積S分別相對(duì)于實(shí)驗(yàn)1、3減小了65.72%、42.44%,表面最高溫度Tm分別減小了26.13%、12.66%,并且火球的直徑、表面平均溫度等參數(shù)也相對(duì)較小。其主要原因是由于抑爆球排列緊密,球體的形狀導(dǎo)致它在排列的過程中孔隙形成的通道更加曲折,油蒸氣在逸出過程中通過這些曲折通道損耗的能量更大,其壓力和速度也隨之快速下降,導(dǎo)致噴射火球的尺寸、表面溫度等均減小。但是,由于實(shí)驗(yàn)3的蒸氣云爆炸更劇烈,能量瞬間釋放也更迅速,所以其火球表面高溫持續(xù)的時(shí)間較短,只有3.20 s,小于實(shí)驗(yàn)4火球的高溫持續(xù)時(shí)間。

由實(shí)驗(yàn)錄像可知,木籠火焰燒到油箱底部后10 min時(shí),實(shí)驗(yàn)1、2的噴射火正持續(xù)猛烈噴射,而實(shí)驗(yàn)3、4蒸氣云爆炸已發(fā)生,火球正處于自由擴(kuò)散期。從圖3可以看出,實(shí)驗(yàn)2、4的噴射火球截面積明顯小于同時(shí)刻未填充抑爆球?qū)嶒?yàn)的噴射火球,尤其實(shí)驗(yàn)2,此時(shí)噴射火強(qiáng)度較小,其表面溫度基本在800 K以下,而實(shí)驗(yàn)1的噴射火高度遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)2的噴射火,其表面溫度位于1000～1500 K之間。

3.2.2 噴射火球的熱通量

噴射火球表面不斷以電磁波的形式向四周輻射熱量,距火焰一定距離以外某點(diǎn)接收到的輻射熱流稱為熱通量。噴射火球表面的輻射度可由式(1)計(jì)算得出,距烤燃中心點(diǎn)15 m處的熱通量由熱通量計(jì)直接測(cè)出,結(jié)果列于表4,Ta′為噴射火球最大表面平均溫度,qmax、ΔTmax分別為距烤燃中心點(diǎn)15 m處的最大熱通量和最大環(huán)境溫差。圖4為距烤燃中心點(diǎn)15 m處噴射火球能量急速釋放階段的瞬時(shí)熱通量q、環(huán)境溫差ΔT隨時(shí)間變化的曲線。

表4 噴射火球熱輻射參數(shù)

Table 4 Thermal radiation parameters of jet fireball

a. test 1 and test 2

b. test 3 and test 4

圖4 噴射火球熱通量-時(shí)間、溫差-時(shí)間曲線

Fig.4 Curves of the heat flux-time and temperature difference-time for jet fireballs

表4中的最大表面平均溫度Ta′是通過MikroSpec軟件對(duì)每一次實(shí)驗(yàn)噴射火球的熱成像圖分析、比對(duì)獲得,噴射火球輻射度R是將其Ta′代入公式(1)中計(jì)算得到的。比較各次實(shí)驗(yàn)的Ta′、R,實(shí)驗(yàn)2的噴射火球Ta′、R分別只有實(shí)驗(yàn)1噴射火球的62.80%、15.53%,同理,實(shí)驗(yàn)4的噴射火球Ta′、R是實(shí)驗(yàn)3的77.89%、36.68%。另外,填充抑爆球可分別將-10PD、RP-5的噴射火球在距烤燃中心點(diǎn)15 m處的最大熱通量減小了623.3 W·m-2和1823.9 W·m-2,最大環(huán)境溫差減小了5.81 ℃和20.38 ℃,且使瞬時(shí)熱通量和環(huán)境溫差的變化幅度明顯減小,如圖4所示,這些變化說明抑爆球抑制了油料的劇烈燃燒,釋放的能量急劇減小,釋放速率趨于平緩。

實(shí)驗(yàn)1、2的溫差-時(shí)間曲線的變化趨勢(shì)與瞬時(shí)熱通量的變化趨勢(shì)相差較大,而實(shí)驗(yàn)3、4的則更接近,主要因?yàn)閷?shí)驗(yàn)1、2產(chǎn)生的噴射火(柱)釋放熱量小、時(shí)間長(zhǎng),熱量以傳導(dǎo)、輻射等多種方式進(jìn)行能量傳遞,對(duì)熱通量計(jì)讀數(shù)的影響也較大,而實(shí)驗(yàn)3、4產(chǎn)生的火球,釋放熱量大,時(shí)間短暫,基本可以忽略熱傳導(dǎo)的作用因素[14],主要是熱輻射作用,對(duì)熱通量計(jì)讀數(shù)的影響較小。

3.3 油箱烤燃反應(yīng)的破壞效應(yīng)

根據(jù)GB/T14372-2013中對(duì)烤燃物危害的判定,出現(xiàn)火球延伸到任何一塊見證板之外、噴射火焰超出木柴(燃料)火焰3 m以上、在離堆垛邊界15 m處噴射火焰比木柴(燃料)火焰的熱通量超過4 kW·m-2的情況之一,可以認(rèn)為烤燃物的危害主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)。因此,由表2可見,除了填充抑爆球的-10PD油箱烤燃實(shí)驗(yàn),其它各次實(shí)驗(yàn)均滿足以上熱效應(yīng)表現(xiàn),所以盛裝-10PD和RP-5油箱烤燃反應(yīng)的破壞效應(yīng)主要為油料燃燒產(chǎn)生的噴射火球的熱效應(yīng)。

對(duì)熱效應(yīng)嚴(yán)重程度的評(píng)判通常是通過熱輻射對(duì)人的傷害或?qū)ξ矬w的毀傷程度來判斷。常見的熱輻射毀傷準(zhǔn)則有: 熱通量(q)準(zhǔn)則、熱劑量(Q)準(zhǔn)則、熱通量-熱劑量(q-Q)準(zhǔn)則、熱通量-時(shí)間(q-t)準(zhǔn)則和熱劑量-時(shí)間(Q-t)準(zhǔn)則。其中,q-Q準(zhǔn)則、q-t準(zhǔn)則、Q-t準(zhǔn)則是完全等價(jià)的,因此,一般只常用q準(zhǔn)則、Q準(zhǔn)則、q-Q準(zhǔn)則。又因?yàn)閝-Q準(zhǔn)則的毀傷曲線需要通過大量的實(shí)驗(yàn)來獲取,實(shí)際操作存在難度[15],所以不選擇q-Q準(zhǔn)則作為烤燃實(shí)驗(yàn)噴射火球的熱輻射傷害程度的判據(jù)。

q準(zhǔn)則以熱流密度作為衡量目標(biāo)是否被破壞的參數(shù),其適用范圍為: 熱流密度作用時(shí)間比目標(biāo)達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間長(zhǎng)。Q準(zhǔn)則以目標(biāo)接收到的熱劑量作為目標(biāo)是否被破壞的參數(shù),其適應(yīng)范圍為: 作用于目標(biāo)的熱流密度持續(xù)時(shí)間非常短,以至目標(biāo)接收到的熱量來不及散失?？救紝?shí)驗(yàn)的噴射火球主要以熱輻射方式持續(xù)作用于目標(biāo),且作用時(shí)間遠(yuǎn)比目標(biāo)達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間長(zhǎng),因此噴射火球的熱效應(yīng)傷害比較符合q準(zhǔn)則。

熱輻射對(duì)人的傷害機(jī)理主要有皮膚燒傷、眼睛損傷及次生火焰燒傷,傷害嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致死亡。國(guó)內(nèi)外研究者,根據(jù)大量的理論和生物實(shí)驗(yàn)研究,得到了熱通量對(duì)目標(biāo)的傷害閾值,并推算出對(duì)人的傷害閾值[16]。將表4中噴射火球輻射度以及距烤燃中心點(diǎn)15 m處的熱通量,對(duì)照熱通量對(duì)人的傷害閾值標(biāo)準(zhǔn),可以獲知噴射火球的熱通量對(duì)人的傷害后果,如表5所示。

表5 噴射火球熱通量傷害后果

Table 5 Heat flux damage consequences of jet fireball

positionexperimentalconditionsdamageconsequencesnearcook?offpositionnearcook?offposition-10PDseverelyburnsfor10s-10PD+explosionsuppressionballspainthresholdfor1minRP?51%mortality10sexposureRP?5+explosionsuppressionballs1%mortality10sexposurethelocationawayfromcook?offposition15metersaway-10PDnodiscomfortableforprolongedexposure-10PD+explosionsuppressionballsnodiscomfortableforprolongedexposureRP?5painthresholdfor15sexposureRP?5+explosionsuppressionballspainifexposureformorethan20s

Note: Heat flux thresholds to human damage have been deducted by researchers from both home and abroad, based on theory and biological experiments. The consequences to personnel damage provided in Table 5 were evaluated according to relative references.

由表5可知,無論是烤燃中心點(diǎn)附近,還是距烤燃中心點(diǎn)15 m處,-10PD油箱烤燃反應(yīng)的熱通量傷害后果均低于RP-5油箱烤燃反應(yīng)。填充了抑爆球的油箱烤燃反應(yīng)的熱通量傷害更小,如-10PD油箱的熱通量傷害在烤燃中心點(diǎn)附近已降至人暴露1 min只是有疼痛感覺,而RP-5油箱雖然在烤燃中心點(diǎn)附近的熱通量大小仍足以導(dǎo)致人的死亡,但在距烤燃中心點(diǎn)15 m處已降至暴露超過20 s才會(huì)引起疼痛,這說明抑爆球具有明顯的阻止和抑制油箱中油料燃燒、爆炸的作用,從而有效降低了油箱烤燃反應(yīng)的熱通量傷害后果。

4 結(jié) 論

(1)填充抑爆球延遲了油箱破裂及其油料開始燃燒的時(shí)間,盛裝-10PD、RP-5的油箱開始燃燒時(shí)間分別從280 s、326 s延遲到328 s和447 s。

(2)-10PD和RP-5油箱在烤燃過程中產(chǎn)生的是噴射火球,其破壞效應(yīng)主要表現(xiàn)為火球的熱效應(yīng)。

(3)填充抑爆球使-10PD、RP-5噴射火球的最大截面積、表面最高溫度以及15 m處的最大熱通量等參數(shù)明顯減小,其熱效應(yīng)傷害程度也顯著降低。

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