充填抑爆材料油箱的烤燃性能

黃 勇, 魯長波,安高軍, 熊春華, 解立峰

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

1 引 言

車輛、飛機等運載工具在遭遇事故或恐怖襲擊時易引發(fā)火災、爆炸,還可能引爆油箱中油料發(fā)生“二次效應”[1]。消防車、救護車等特殊車輛經常出現(xiàn)在火災事故救援現(xiàn)場,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、飛機等油箱的本質安全性,專家、學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,美國空軍最早開始在F-105、C-130和F-4等飛機的油箱內填充網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等飛機上采用同樣方法來保護燃油箱[2]。1984年美國空軍制定了飛機燃油箱充用的網狀泡沫材料規(guī)范MIL-B-83054B,即《飛機燃油箱用的阻隔惰性材料》[3]。本世紀初,我國開始著手對JL8飛機機翼整體油箱進行抑爆設計,并將鋁合金網狀材料充填到機冀整體油箱[2]。中國兵器工業(yè)集團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燃、射擊或用電、氣焊直接進行補漏操作均不發(fā)生爆炸[4]。然而,以上抑爆材料易水解或氧化,在使用中會破碎并產生顆粒物,使發(fā)動機動力下降甚至油路堵塞[5-6]。因此,近年國內一些科研單位開發(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驗中得到驗證。

為此,本研究開展了燃油箱的明火烤燃實驗,對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的破壞效應,以評估抑爆材料的阻燃抑爆效果,為進一步提高、改進抑爆材料的研制技術提供技術參考。

2 實驗

2.1 實驗裝置與儀器

(1)實驗油箱: 圓桶形,容積為108 L,尺寸: Ф500 mm×550 mm,材質為20號鋼,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,抗拉強度90 MPa。

(5)高速照相機: 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Mikron公司,該系統(tǒng)用320×240微熱輻射計UFPA探測器接收探測目標所釋放出來的能量,其溫度響應時間為2 μs。

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

2.2 實驗樣品

(1)實驗油料: -10號柴油(-10PD)、噴氣燃料(RP-5),其理化性能見表1[7]。

表1 實驗油料理化性能

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(簡稱抑爆球),外觀直徑30 mm,單球質量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,具有良好的導熱性能和耐酸、耐堿、耐溫特性。

2.3 實驗方法和實驗布置

參照標準《危險貨物運輸 爆炸品的認可和分項試驗方法》(GB/T 14372-2013)中危險貨物外部火燒實驗方法,觀測盛裝54 L油料的油箱,在外部火焰作用下的反應情況及其危險性和破壞效應:

(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)危險的拋射物;

(3)熱效應(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)的實驗油箱放置于金屬格柵上,木籠堆于金屬格柵下,堆成網格狀,總體積不小于6.25 m3,木籠應超出油箱邊緣每個方向至少1.0 m。在油箱四周的三面(除下風面)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。點火系統(tǒng)采用煤油浸透的木材或木刨花,并從兩邊同時點燃木籠,一邊是頂風側。測試和記錄儀器如普通攝像機、高速照相機、紅外熱成像儀、熱通量計分別設置在下風面的30，140，140，15 m處。實驗場布置示意圖如圖1所示。普通攝像機用于記錄油箱烤燃的全過程; 高速照相機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; 熱通量計記錄了烤燃點附近某處的熱通量,采樣頻率為1次/s。

圖1 實驗場布置示意圖

Fig.1 Schematic of experimental layout

2.4 實驗數(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,熱通量計不宜設置在距烤燃點過近的位置,同時又考慮GB/T 14372-2013的相關實驗方法要求,因此將熱通量計設置在距烤燃中心點15 m處的位置,烤燃過程中產生的噴射火球表面的輻射度則由紅外測溫原理[8]計算得到。

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為黑體的絕對溫度,K。將碳氫燃料視為黑體[10]。

3 實驗結果分析與討論

3.1 油箱烤燃反應的劇烈程度

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驗的典型照片。

從圖2可以看出,油箱烤燃反應的實驗現(xiàn)象不盡相同,盛裝-10PD的油箱(實驗1、2)僅產生了噴射火,而盛裝RP-5油箱(實驗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,導致油箱內壓力不斷增加,當壓力增加到超過油箱所能承受最大壓力值時,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,油箱內仍保持了較高的油氣濃度,此時處于過熱狀態(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 油箱烤燃實驗照片

Fig.2 Photos of fuel tank cook-off experiments

油箱烤燃反應的劇烈程度可以由油箱初始燃燒時間、油箱毀傷情況和見證板狀態(tài)等實驗結果反映,實驗結果如表2所示。

表2顯示,填充抑爆球油箱(實驗2、4)的油料受熱初始燃燒的時間比只盛裝油料的油箱(實驗1、3)要延后很多,如-10PD油箱初始燃燒時間推遲了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、飛機中人員的逃生及救援工作贏得時間。

由表2中油箱毀傷情況和見證板狀態(tài)可知,實驗4的爆炸威力比實驗3小了很多,這是因為實驗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散霧化程度,減緩了油蒸氣與空氣燃燒反應的劇烈進行。

3.2 抑爆球的抑爆效果

3.2.1 噴射火球尺寸與表面溫度

運用紅外熱成像系統(tǒng)自帶的MikroSpec軟件對噴射火球熱成像圖進行分析、處理,可以得到選定圖像區(qū)域內的最高、最低和平均溫度,以及它們隨時間的變化關系。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的直徑、高度,它們是通過運用AutoCAD軟件對高速照相機拍攝的火焰噴射及爆炸過程照片處理計算得到的,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)時間。圖3為木籠火焰燒到油箱底部后10 min時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．averificationboardwasknockeddownbyexplosionshockwaves．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計算得到,實驗2、4填充抑爆球使-10PD、RP-5噴射火球的最大截面積S分別相對于實驗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)也相對較小。其主要原因是由于抑爆球排列緊密,球體的形狀導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,導致噴射火球的尺寸、表面溫度等均減小。但是,由于實驗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)的時間較短,只有3.20 s,小于實驗4火球的高溫持續(xù)時間。

由實驗錄像可知,木籠火焰燒到油箱底部后10 min時,實驗1、2的噴射火正持續(xù)猛烈噴射,而實驗3、4蒸氣云爆炸已發(fā)生,火球正處于自由擴散期。從圖3可以看出,實驗2、4的噴射火球截面積明顯小于同時刻未填充抑爆球實驗的噴射火球,尤其實驗2,此時噴射火強度較小,其表面溫度基本在800 K以下,而實驗1的噴射火高度遠大于實驗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)計算得出,距烤燃中心點15 m處的熱通量由熱通量計直接測出,結果列于表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15 m處噴射火球能量急速釋放階段的瞬時熱通量q、環(huán)境溫差ΔT隨時間變化的曲線。

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-時間、溫差-時間曲線

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軟件對每一次實驗噴射火球的熱成像圖分析、比對獲得,噴射火球輻射度R是將其Ta′代入公式(1)中計算得到的。比較各次實驗的Ta′、R,實驗2的噴射火球Ta′、R分別只有實驗1噴射火球的62.80%、15.53%,同理,實驗4的噴射火球Ta′、R是實驗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。

實驗1、2的溫差-時間曲線的變化趨勢與瞬時熱通量的變化趨勢相差較大,而實驗3、4的則更接近,主要因為實驗1、2產生的噴射火(柱)釋放熱量小、時間長,熱量以傳導、輻射等多種方式進行能量傳遞,對熱通量計讀數(shù)的影響也較大,而實驗3、4產生的火球,釋放熱量大,時間短暫,基本可以忽略熱傳導的作用因素[14],主要是熱輻射作用,對熱通量計讀數(shù)的影響較小。

3.3 油箱烤燃反應的破壞效應

根據(jù)GB/T14372-2013中對烤燃物危害的判定,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,可以認為烤燃物的危害主要表現(xiàn)為熱效應。因此,由表2可見,除了填充抑爆球的-10PD油箱烤燃實驗,其它各次實驗均滿足以上熱效應表現(xiàn),所以盛裝-10PD和RP-5油箱烤燃反應的破壞效應主要為油料燃燒產生的噴射火球的熱效應。

對熱效應嚴重程度的評判通常是通過熱輻射對人的傷害或對物體的毀傷程度來判斷。常見的熱輻射毀傷準則有: 熱通量(q)準則、熱劑量(Q)準則、熱通量-熱劑量(q-Q)準則、熱通量-時間(q-t)準則和熱劑量-時間(Q-t)準則。其中,q-Q準則、q-t準則、Q-t準則是完全等價的,因此,一般只常用q準則、Q準則、q-Q準則。又因為q-Q準則的毀傷曲線需要通過大量的實驗來獲取,實際操作存在難度[15],所以不選擇q-Q準則作為烤燃實驗噴射火球的熱輻射傷害程度的判據(jù)。

q準則以熱流密度作為衡量目標是否被破壞的參數(shù),其適用范圍為: 熱流密度作用時間比目標達到熱平衡所需的時間長。Q準則以目標接收到的熱劑量作為目標是否被破壞的參數(shù),其適應范圍為: 作用于目標的熱流密度持續(xù)時間非常短,以至目標接收到的熱量來不及散失。烤燃實驗的噴射火球主要以熱輻射方式持續(xù)作用于目標,且作用時間遠比目標達到熱平衡所需的時間長,因此噴射火球的熱效應傷害比較符合q準則。

熱輻射對人的傷害機理主要有皮膚燒傷、眼睛損傷及次生火焰燒傷,傷害嚴重時可導致死亡。國內外研究者,根據(jù)大量的理論和生物實驗研究,得到了熱通量對目標的傷害閾值,并推算出對人的傷害閾值[16]。將表4中噴射火球輻射度以及距烤燃中心點15 m處的熱通量,對照熱通量對人的傷害閾值標準,可以獲知噴射火球的熱通量對人的傷害后果,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,無論是烤燃中心點附近,還是距烤燃中心點15 m處,-10PD油箱烤燃反應的熱通量傷害后果均低于RP-5油箱烤燃反應。填充了抑爆球的油箱烤燃反應的熱通量傷害更小,如-10PD油箱的熱通量傷害在烤燃中心點附近已降至人暴露1 min只是有疼痛感覺,而RP-5油箱雖然在烤燃中心點附近的熱通量大小仍足以導致人的死亡,但在距烤燃中心點15 m處已降至暴露超過20 s才會引起疼痛,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的熱通量傷害后果。

4 結 論

(1)填充抑爆球延遲了油箱破裂及其油料開始燃燒的時間,盛裝-10PD、RP-5的油箱開始燃燒時間分別從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生的是噴射火球,其破壞效應主要表現(xiàn)為火球的熱效應。

(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,其熱效應傷害程度也顯著降低。

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