張鋮鋮，方 俊，林樹寶，江 澄，商 蕊（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026）

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多因素下小尺度油罐火燃燒速率的研究

張鋮鋮，方 ?。?，林樹寶，江 澄，商 蕊
（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026）

摘要：以正庚烷為研究對(duì)象，開展了不同因素耦合作用下小尺度油罐火燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在不改變其他工況條件下，開口因子直接影響燃料燃燒速率，發(fā)現(xiàn)不同開口因子下燃燒速率與全開口下燃燒速率之比始終正比于對(duì)應(yīng)的開口面積之比，且之間存在著相應(yīng)的關(guān)系式。在實(shí)驗(yàn)所測(cè)兩種液位6cm和8cm下，其燃燒速率變化不大，由此可發(fā)現(xiàn)，在該實(shí)驗(yàn)液位下油罐火液位高度不是影響燃燒速率的主要因素。在不同的風(fēng)速下，隨著風(fēng)速的增加燃燒速率逐漸增加并趨于一定值，且不同開口因子下風(fēng)速對(duì)燃燒速率的影響程度不同。風(fēng)速對(duì)開口因子大的油罐燃燒速率的影響小于開口因子較小的油罐。

關(guān)鍵詞：油罐火；燃燒速率；開口因子；液位；風(fēng)速

0　引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)于石油的需求日益增加，各個(gè)國(guó)家都在極力增加石油儲(chǔ)量，由此儲(chǔ)油罐的使用量也在日益增加。儲(chǔ)油罐在廣泛應(yīng)用于石油行業(yè)的同時(shí)，也帶來一系列的安全隱患。眾所周知，石油本身具有易燃、易爆、易揮發(fā)等特性，一旦儲(chǔ)油罐發(fā)生火災(zāi)事故，后果將非常嚴(yán)重，不僅會(huì)造成重大財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)威脅到人員的生命安全。1989年8月12日中國(guó)石油總公司管道局勝利輸油公司黃島油庫(kù)受到雷擊發(fā)生爆炸事故，造成19人死亡，100多人受傷，直接損失約3540萬(wàn)元人民幣。2005年12月11日英國(guó)邦斯菲爾德油庫(kù)發(fā)生火災(zāi)事故，燒毀大型儲(chǔ)油罐20多個(gè)，43人受傷，直接損失2．5億英鎊［1，2］。

對(duì)我國(guó)油罐火事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)油罐發(fā)生火災(zāi)的概率約為14．6%，且油罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)多數(shù)伴隨著爆炸的發(fā)生，罐體發(fā)生破裂。其中罐頂受到破壞的占事故的75%，罐底遭到破壞的占4%，未受影響的約21%，其內(nèi)儲(chǔ)存的燃料量各有不同，燃料液位高低不同［3，4］，造成的火災(zāi)事故后果也不同。

在眾多的油罐火研究中，往往把油罐火當(dāng)作一種特殊的油池火，對(duì)油罐火的分析大多數(shù)也是采用油池火的理論模型。國(guó)外對(duì)油池火的研究早在六七十年代就已經(jīng)開始，在Babrauskas，Blinov［5，6］經(jīng)典池火理論中，研究表明一定范圍內(nèi)池火燃燒速率隨著風(fēng)速、油盤直徑的變大而增加。Seong［7］等對(duì)小尺度型油池火研究發(fā)現(xiàn)燃燒速率隨著風(fēng)速的增加而增加，臨界風(fēng)速與熱釋放速率成正比。Burgess［8］通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，得到池火的燃燒速率與油盤直徑的關(guān)系公式。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)池火研究很多［9－16］，且已十分全面。胡等人對(duì)一定范圍風(fēng)速下不同尺寸油池火的燃燒速率及燃燒機(jī)制進(jìn)行分析，得到燃燒速率與風(fēng)速和直徑關(guān)系式。李等人對(duì)不同尺寸正方形池火進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)各個(gè)油盤的燃燒速率都隨著風(fēng)速、尺寸的增加而增加。康等對(duì)薄油池火的燃燒特性進(jìn)行了研究。孫、童、倪研究了航空煤油的燃燒速率與風(fēng)速、油盤尺寸的關(guān)系。而國(guó)內(nèi)的油罐火總體研究較少，只有少數(shù)高校及消防所等對(duì)油罐火進(jìn)行了研究［17－22］。如王提出了三層模型，指出油罐火分為火焰、液面和中間層，其中中間層在熱交換過程中形成熱屏蔽層。魏、楊等運(yùn)用計(jì)算機(jī)手段對(duì)大尺寸油罐火的燃燒進(jìn)行模擬分析，得到大尺寸油罐火燃燒速率隨風(fēng)速、初溫的增加而增大；鄭曾對(duì)非金屬大型油罐燃燒調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，油類的燃燒速率與油罐的開口面積成正比，但是均沒有對(duì)其原因及燃燒機(jī)理進(jìn)行分析。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于油罐火的研究，較少系統(tǒng)地研究多因素條件下油罐火的燃燒特性，且很多關(guān)于油罐火的理論及模型基本沿用池火理論，沒有考慮罐火的火災(zāi)發(fā)展與池火的區(qū)別，依據(jù)池火建立的諸多模型對(duì)油罐火并不完全適用。因此本文從油罐火的燃燒速率出發(fā)，研究多因素條件下對(duì)其的影響，旨在為預(yù)防和控制油罐火災(zāi)事故提供指導(dǎo)。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)的多因素條件包括油罐開口因子，液位高度和外界風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)采用的小尺度油罐尺寸為：高10cm，直徑15cm，壁厚2mm。油罐開口因子的變化有5種情況（八分之一開口、四分之一開口、二分之一開口、四分之三開口、全開口），開口因子指的是不同開口面積與全開口面積之比，不同開口因子及對(duì)應(yīng)的開口直徑如表1和圖1所示。罐體與開口做成一體結(jié)構(gòu)，防止因縫隙漏氣影響火焰燃燒。實(shí)驗(yàn)采用的燃料為正庚烷，設(shè)計(jì)兩種燃料層厚度，分別為6cm、8cm。風(fēng)速的改變是在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型燃燒風(fēng)洞平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，其風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)驗(yàn)布置圖如圖2所示；風(fēng)洞總長(zhǎng)度約20m，實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口截面為1．8m 1．8m，長(zhǎng)度為6m，共分為動(dòng)力段、加熱段、穩(wěn)定段、收縮段和實(shí)驗(yàn)段五部分，通過調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓可改變實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，最大可達(dá)到15m／s，本次實(shí)驗(yàn)風(fēng)速變化范圍為0m／s～2．5m／s。實(shí)驗(yàn)所用熱線風(fēng)速儀為日本加野麥克斯生產(chǎn)的多通道智能型風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)MODEL 6243，該風(fēng)速儀在0m／s～9．9m／s時(shí)，顯示分辨率可達(dá)0．01 m／s，風(fēng)速增加，分辨率變?yōu)?．1m／s，測(cè)量誤差2%，采集模塊與計(jì)算機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速的測(cè)量值、溫度、濕度及風(fēng)速平均值等參數(shù)。電子天平的規(guī)格為梅特勒－托利多公司制造的Excellence－SB16001，最大量程可達(dá)到16kg，精確度為0．1g，線性誤差為±0．3g。該電子天平采用單模塊傳感技術(shù)，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)得到瞬時(shí)質(zhì)量，通過計(jì)算得到質(zhì)量損失速率。本文重點(diǎn)從燃燒速率出發(fā)，研究多因素條件對(duì)油罐火燃燒速率的影響。

表1　不同開口因子對(duì)應(yīng)的開口直徑Table 1 The opening diameter of different opening factors

圖1　不同開口因子示意圖Fig．1 Schematic diagram of different opening factors

2　理論分析

燃燒速率是研究火災(zāi)發(fā)展過程的重要參數(shù)，本文對(duì)不同開口、不同液位、不同風(fēng)速下油罐火的穩(wěn)定燃燒階段的燃燒速率進(jìn)行研究，得到不同因素對(duì)小尺寸油罐火燃燒速率的影響。在研究油罐火時(shí)一般假設(shè)火焰與油面直接進(jìn)行熱量交換，大多未考慮中間燃料蒸汽層；另外即便考慮到此蒸汽層的存在，也未考慮對(duì)油罐火發(fā)展形成的影響。油罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在火焰底端和罐內(nèi)燃料液面中存在未燃燒的中間蒸汽層，蒸汽層不僅包括燃料蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽，還

×包括卷吸進(jìn)入的空氣和燃燒產(chǎn)物。燃料開始燃燒時(shí)，表面被迅速加熱形成一層薄的蒸汽層，源源不斷的蒸汽進(jìn)入燃燒區(qū)與空氣混合燃燒，燃燒時(shí)火焰和空氣卷吸混合如圖3所示。隨著燃燒的進(jìn)行，燃料逐漸被加熱，預(yù)熱層厚度逐漸增加到一定值并保持不變，直到因液面下降該預(yù)熱層與罐底接觸。燃料和火焰之間的熱量交換如圖4所示。

圖2　風(fēng)洞及實(shí)驗(yàn)布置圖Fig．2 Schematic diagram of the wind tunnel and the experimental arrangement

圖3　油罐火燃燒示意圖Fig．3 Schematic diagram of oil tank fire

圖4　燃燒過程的熱交換示意圖Fig．4 Heat exchange between the combustion processes

對(duì)油罐火蒸汽層和預(yù)熱層進(jìn)行熱平衡分析，方程如下：

其中Qrad、Qconv、Qcond分別為燃料從火焰得到的輻射熱量、火焰之間的對(duì)流熱、通過油罐壁面的熱傳導(dǎo)獲得的熱量。Qfuel為蒸發(fā)燃料需要的熱量，Qrer為燃料表面對(duì)外界的輻射量，Qref為燃料表面對(duì)Qrad反射損失，Qcvf為高溫層與底部燃料之間的對(duì)流熱量。

其中Q1為燃料從初始溫度到達(dá)沸點(diǎn)所需的熱量（kW），Wf為燃料的質(zhì)量損失速率（kg／s），Tb（K）為燃料沸點(diǎn)，Tf0（K）為燃料初始溫度，ΔHf為燃料的蒸發(fā)焓（kJ／kg），Cp為燃料的比熱容（J kg－1K－1）。

結(jié)合油池火熱量平衡方程進(jìn)行完善，油罐火燃燒過程中各個(gè)熱量表達(dá)方程式如下：

其中As為油罐的開口面積，σ為斯特藩－玻爾茲曼常數(shù)，ΦF為火焰及高溫氣體對(duì)液面形態(tài)系數(shù)；εF為火焰及高溫氣體輻射率，ελ為液體輻射率，h對(duì)流系數(shù)，Do代表全開口下油罐直徑，Tf為火焰溫度，Ts為液面溫度，k′為傳導(dǎo)系數(shù)。

3　結(jié)果分析

3．1 開口因子對(duì)燃燒速率的影響

為了研究不同開口面積下油罐火的燃燒特征，本次實(shí)驗(yàn)選取五種開口進(jìn)行分析。結(jié)合上述熱平衡公式對(duì)油罐火的燃燒速率進(jìn)行分析可知，對(duì)同一直徑下不同開口的油罐，D相同，Qcond幾乎不變，因此燃料的燃燒速率主要取決于Qconv、Qrad，且Qconv、Qrad正比于開口面積，可以得到質(zhì)量損失速率W正比于開口面積A，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)八分之一開口下無(wú)法持續(xù)燃燒，原因?qū)⒃诤竺孢M(jìn)行分析，對(duì)得到的其余四組開口數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證如圖5所示。

圖5　Wf／Wf0隨A／A0變化曲線Fig．5 The curve of A／A0versus Wf／Wf0

可得：

其中a為截距，b為斜率，Wf、A為某一開口下的庚烷燃燒速率和開口面積，Wf0、A0為同等條件下全開口庚烷的燃燒速率和開口面積。不同風(fēng)速下a、b不同，但是Wf／Wf0始終正比于開口面積之比A／A0。這是因?yàn)樵谟酗L(fēng)條件下火焰發(fā)生傾斜，油罐下壁面被火焰加熱，下壁面溫度升高，燃料通過壁面?zhèn)鲗?dǎo)得到的熱量增加，火焰發(fā)生傾斜，液面通過開口與火焰之間的對(duì)流、輻射均發(fā)生變化，因此Qrad、Qconv、Qcond占的比例不同，a、b不同。由上述公式可知，在不改變其他工況條件下，開口面積直接影響燃料燃燒速率，油罐燃料的燃燒速率隨著開口面積的增大而增加，開口面積大則燃燒速率快，開口面積小，燃燒速率慢。

另外，在五種不同開口因子中，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)開口因子為1／8時(shí)，燃料燃燒時(shí)間特別短，無(wú)法維持正常燃燒。結(jié)合庚烷燃燒時(shí)化學(xué)方程式進(jìn)行分析：

C7H16＋11O2→7CO2＋8H2O（7）

由式（7）可知庚烷燃燒時(shí)需要大量氧氣供給，氧氣供應(yīng)不足反應(yīng)就無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。開口因子為1／8時(shí)，開口面積過小，新鮮的空氣無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充進(jìn)入油罐燃燒區(qū)，氧氣不能充分與燃料蒸汽進(jìn)行混合，導(dǎo)致無(wú)法維持反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，因此燃燒很快由于供氧不足而熄滅。

3．2 液位高度對(duì)燃燒速率的影響

油罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，其內(nèi)儲(chǔ)存的燃料量各有不同，燃料液位高低不同，造成不一樣的火災(zāi)事故后果。為了分析油罐火災(zāi)中液位的高低對(duì)油罐燃燒速率的影響，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定兩種液位，分別為6cm、8cm。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析（如圖6所示）。

圖6　不同開口下燃燒速率與液位的關(guān)系Fig．6 Relationship between burning rate and depth under different openings

Wf、D為某一開口下的庚烷燃燒速率和對(duì)應(yīng)開口直徑，可以看出6cm、8cm兩種液位下油罐火穩(wěn)定燃燒階段燃燒速率曲線基本重合，差別并不明顯。6cm和8cm這兩種液位下燃料厚度高度對(duì)燃燒速率幾乎無(wú)影響，燃燒速率基本不變。同一油罐不同液位到達(dá)穩(wěn)定燃燒后，對(duì)燃燒過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)液位高低對(duì)火焰與燃料之間的熱交換影響很小，不同液位高度僅代表余下底部燃料層的厚度不同，由此這兩種液位高度下油罐火的穩(wěn)定燃燒階段屬于厚油池火燃燒控制，底部燃料層相當(dāng)于熱屏蔽層，油罐底壁散熱影響較小，燃燒機(jī)理和熱量交換一致，可知在該6cm和8cm兩種液位下燃燒速率與液位高度參數(shù)無(wú)關(guān)。

3．3 外界風(fēng)速對(duì)燃燒速率的影響

目前對(duì)有風(fēng)條件下池火燃燒速率研究較多，但是對(duì)有風(fēng)條件下不同開口油罐火的研究資料很少。實(shí)際中油罐火通常發(fā)生在有風(fēng)環(huán)境中，與假設(shè)的靜止無(wú)風(fēng)下燃燒有很大的區(qū)別。風(fēng)速改變了火災(zāi)燃燒過程中的相關(guān)特征參量，影響油罐火的發(fā)展，因此有必要研究外界風(fēng)速對(duì)油罐火燃燒特性的影響，補(bǔ)充研究空白。本次實(shí)驗(yàn)的風(fēng)速變化共有5種情況：0．5m／s、1．0m／s、1．5m／s、2．0m／s、2．5m／s，另外再加一組空白對(duì)照，即無(wú)風(fēng)條件下的油罐火燃燒速率。

風(fēng)速對(duì)燃燒速率的影響較為復(fù)雜，一方面，風(fēng)速的存在促進(jìn)空氣和燃料的混合，源源不斷提供新鮮空氣，使得反應(yīng)加快進(jìn)行，燃燒速率變大，另一方面風(fēng)帶走熱氣流和燃料蒸汽，帶走熱量。因此風(fēng)速對(duì)火焰的影響機(jī)理是多重因素疊加的結(jié)果。

圖7　燃燒速率與風(fēng)速的關(guān)系Fig．7 Relation between burning rate and wind speed

對(duì)不同開口下庚烷燃燒速率隨風(fēng)速變化進(jìn)行分析如圖7所示，從0m／s增加到2．5m／s時(shí)，1／4開口下Wf增加到原來的14倍，1／2開口下Wf增加到原來6倍，3／4開口下Wf增加到原來4倍，全開口下Wf增加到原來3倍?？梢缘弥m然燃燒速率隨著風(fēng)速的增加而增加，但是不同開口下風(fēng)速對(duì)燃燒速率的影響略有不同。小開口油罐下燃燒速率隨風(fēng)速的增加變化很快，大開口油罐燃燒速率隨風(fēng)速的增加影響較小，風(fēng)速對(duì)開口大的油罐燃燒速率的影響小于開口較小的油罐。隨著風(fēng)速的繼續(xù)增加，發(fā)現(xiàn)燃燒速率變化逐漸變小趨于一定值。

Blinov［6］曾對(duì)有風(fēng)條件下池火的燃燒進(jìn)行研究，得到燃燒速率與風(fēng)速之間的關(guān)系式：

其中mwindy為有風(fēng)條件下池火的燃燒速率，mstill為同工況無(wú)風(fēng)條件下油池火的燃燒速率，u為風(fēng)速，D為油盤的直徑。可知風(fēng)速對(duì)池火燃燒速率的影響與直徑成反比，風(fēng)速對(duì)池火燃燒速率的影響隨著油盤直徑的增加而減小。參照該結(jié)論，雖然油罐火不符合該關(guān)系式，但是風(fēng)速對(duì)其燃燒速率的影響隨著開口直徑的增加而減小。分析可知小開口油罐火在有風(fēng)條件下，火焰發(fā)生傾斜，下風(fēng)向罐頂和側(cè)壁受熱，燃料通過傳導(dǎo)得到的熱量增加，由火焰傾斜造成對(duì)液面的熱輻射、對(duì)流的減小能夠更好的通過壁面對(duì)燃料的傳導(dǎo)重新獲取，而大開口下罐頂受熱面減小，因此小開口下燃燒速率增長(zhǎng)快于大開口，即風(fēng)速對(duì)小開口油罐燃燒速率的影響大于大開口油罐火。

在有風(fēng)條件下，火焰會(huì)發(fā)生傾斜，下側(cè)壁面直接接受熱輻射，燃料從罐壁獲得的傳導(dǎo)熱量變大，燃燒速率增加。隨著風(fēng)速的不斷增加到臨界風(fēng)速，火焰將面臨吹熄情況，燃燒速率下降。結(jié)合圖7發(fā)現(xiàn)全開口燃燒速率隨著風(fēng)速的變大已經(jīng)趨于一定值，可知對(duì)全開口條件下該實(shí)驗(yàn)風(fēng)速已經(jīng)在臨界風(fēng)速附近。

4　結(jié)論

油罐火燃燒機(jī)理與池火存在很大的不同，在火焰和底部燃料中存在一個(gè)中間燃?xì)鈱雍皖A(yù)熱層。分析油罐火時(shí)需要全面考慮該蒸汽層和預(yù)熱層的存在對(duì)油罐火發(fā)展過程及其熱物理機(jī)制的影響。本文研究了不同開口因子、不同液位、外界風(fēng)速下小尺寸油罐火的燃燒速率，得到以下結(jié)論：

（1）在不改變其他工況條件下，開口面積直接影響燃料燃燒速率，Wf／Wf0始終正比于開口面積之比A／A0，得到Wf／Wf0與A／A0關(guān)系式，風(fēng)速影響參數(shù)a、b：

（2）實(shí)驗(yàn)共設(shè)定兩種液位6cm和8cm，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)在此兩種液位下液位高度對(duì)燃燒速率的影響差別并不明顯，在實(shí)驗(yàn)液位范圍內(nèi)燃燒速率基本與液位無(wú)關(guān)。

（3）研究風(fēng)速對(duì)燃燒速率的影響發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的增加燃燒速率逐漸增加并趨于一定值。風(fēng)速對(duì)開口大的油罐燃燒速率的影響小于開口小的油罐，小開口油罐下燃燒速率隨風(fēng)速的增加變化很快，大開口油罐燃燒速率隨風(fēng)速的增加影響較小。

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Keyword：Oil tank fire；Burning rate；Opening area；Depth；Wind

Study on burning rates of small－scale oil tank fires

ZHANG Chengcheng，F(xiàn)ANG Jun，LIN Shubao，JIANG Cheng，SHANG Rui
（State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

Abstract：In this work，experiments were conducted to study the combustion characteristics of small－scale oil tank fire by using heptane as the fuels．The oil tank fires with different openings，different depths and different wind speeds were examined．The results showed that when other conditions are specified，the opening area directly affects the burning rate．It was found that the ratio of burning rates under different openings to that with full opening is proportional to the ratio of opening areas．For two depths of 6cm and 8cm，the experimental results showed that the height of liquid level does not affect the burning rate．The burning rate increases gradually and approaches a certain value with the increase of wind speed，and the effect of the wind speed on burning rate depends on the opening．

通訊作者：方俊，fangjun＠ustc．edu．cn

作者簡(jiǎn)介：張鋮鋮（1993－），女，碩士，安全科學(xué)與工程專業(yè)，主要研究有風(fēng)條件下油罐火災(zāi)火焰參數(shù)，研究方向?yàn)榛鹧鎴D像。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012CB719704）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51323010）

收稿日期：2014－12－06；修改日期：2014－12－28

DOI：10．3969／j．issn．1004－5309．2015．01．08

文章編號(hào)：1004－5309（2015）(－)0052－07

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：X932