熱表面對典型植物油的引燃規(guī)律研究*

張網(wǎng) 王玥

(應急管理部天津消防研究所 天津 300381)

0 引言

熱表面是一種常見的點火源形式，如汽車發(fā)動機排氣管、渦輪增壓器外殼、熱流體管道表面等。1980—1990年墨西哥灣石油開采工業(yè)發(fā)生的火災事故中，有35%的火災是由于泄漏的可燃液體或氣體遇到機械設備的熱表面所導致[1]。在美國的多起汽車著火事故中，有相當比例的事故是由于熱表面點火源引起[2]。2010年美國礦山安全衛(wèi)生管理局的一份技術報告顯示，在一起嚴重的汽車事故中，是由于柴油遇到熾熱的渦輪增壓器表面而引發(fā)了著火事故。2016年湖南郴州宜鳳高速“6·26”特別重大道路交通事故中，是事故車輛右前輪輪轂與地面摩擦產(chǎn)生高溫，引燃了車輛油箱內泄漏流淌到地面上的柴油[3]。因此，研究熱表面點火源對可燃液體的引燃特征對于火災事故的預防具有重要意義。

1 可燃液體火災危險性參數(shù)

1.1 閃點和燃點

可燃液體通常指的是常溫下以液體狀態(tài)存在，遇火容易引起燃燒的液體，包括可燃液體或可燃液體的混合物?？扇家后w種類繁多，通常有碳氫類可燃液體、醇類可燃液體等。評價可燃液體的火災危險性主要采用“閃點”這一參數(shù)。對于易揮發(fā)的可燃液體(如汽油、酒精等)，其揮發(fā)出的可燃液體蒸氣與空氣混合后，遇到點火源也會發(fā)生爆炸。因此，對于易揮發(fā)液體，爆炸極限也是評價其火災危險性的重要參數(shù)?？扇家后w主要危險性參數(shù)及測定標準見表1。

1.2 自燃溫度

除閃點、燃點、爆炸極限3個參數(shù)外，自燃溫度(Auto-Ignition Temperature)也是評價可燃液體火災危險性的重要參數(shù)。國家標準中對于可燃液體自燃溫度的測定方法和標準主要有3個，見表2。

《可燃液體和氣體引燃溫度試驗方法》(GB/T 5332—2007)規(guī)定了可燃氣體、液體引燃溫度的測定方法，該標準中的反應燒瓶為200 mL的錐形燒瓶?！兑后w化學品自燃溫度的試驗方法》(GB/T 21860—2008)規(guī)定了液體化學品自燃溫度的測定方法，該標準等同采用的是美國材料與試驗協(xié)會標準ASTM E 659-78(2005)，其中的試驗燒瓶為短頸圓底硼硅酸鹽玻璃燒瓶，其容積為500 mL?！妒彤a(chǎn)品自燃溫度測定法》(GB/T 21791—2008)規(guī)定了石油產(chǎn)品自燃溫度的測定方法，該方法中所使用的燒瓶為200 mL的細頸錐形燒瓶。上述3種實驗方法中均采用加熱爐將燒瓶加熱至一定溫度之后放入待測樣品，通過觀察是否發(fā)生燃燒現(xiàn)象，最終找到能發(fā)生燃燒的最低溫度。上述3個標準中，反應燒瓶形狀、容積略有差別，但對同一種樣品，其自燃溫度的測定結果差異不大。

表2 可燃液體自燃溫度測定標準

1.3 熱表面最低引燃溫度

實驗中反應燒瓶內空氣的溫度是比較均勻的，這與我們通常所見的熱表面有很大不同。由于熱表面多處于開放的自然環(huán)境中，熱表面附近的空氣溫度隨著距離熱表面距離的增加會逐漸降低?？扇家后w接觸熱表面發(fā)生著火的溫度通常高于標準方法中測定的自燃溫度。因此，有研究學者提出了熱表面最低引燃溫度(Minimum Heated Surface Ignition Temperature, MHSIT)用于評價可燃液體遇到熱表面點火源的危險[4]。

1.4 典型植物油的火災危險性參數(shù)

植物油的主要成分是脂肪酸，與柴油、酒精等可燃液體相比，植物油的粘性較大。因此，采用開杯閃點測定裝置，依據(jù)《石油產(chǎn)品閃點和燃點的測定 克利夫蘭開口杯法》(GB/T 3536—2008)中規(guī)定的方法測定了幾種典型植物油的閃點。采用《可燃液體和氣體引燃溫度試驗方法》中的方法測定了幾種典型植物油的自燃溫度，實驗結果見表3。

表3 可燃液體自燃溫度測定標準 ℃

2 熱表面對植物油的引燃實驗研究

在《可燃液體和氣體引燃溫度試驗方法》中，反應燒瓶中的熱空氣溫度上下基本均勻一致，但日常生活中的熱表面附近的空氣溫度與實驗爐中空氣的溫度有很大的不同。距離熱表面越遠，空氣溫度越低。熱空氣爐與熱表面的對比見圖1。

2.1 熱表面實驗裝置

為了研究典型熱表面對可燃物的引燃特征，試制了熱表面實驗裝置，見圖2。實驗裝置采用電熱絲加熱方式，熱表面采用圓形金屬片，直徑為20 cm，厚度為10 cm。在熱表面上布置了5只熱電偶，其中1只位于圓形熱表面的圓心處，另外4只均勻布置在以圓心為圓點、直徑為10 cm的圓周上。

(a)標準中自燃溫度的測定

(b)日常生活中的熱表面圖1 標準熱空氣爐與熱表面的對比示意

由于熱表面通常處于開放的自然環(huán)境中，當可燃液體接觸熱表面時能否發(fā)生引燃，除與熱表面的溫度高低有關外，還與熱表面附近空氣流速、可燃液體自燃溫度、可燃液體物性參數(shù)有關。因此，當可燃液體接觸某一高溫的熱表面時，能否引燃存在一定的概率。對于熱表面引燃可燃液體的概率問題，已有相關研究人員開展了一定研究[4]。

該研究方法的步驟如下：①將熱表面加熱并控制在一定溫度h，將可燃液體樣品滴落至熱表面，觀察是否發(fā)生引燃；②以一定的溫度步長d，逐步升高熱表面的溫度，滴入可燃液體，觀察是否引燃；③記錄下每個溫度點發(fā)生引燃和未引燃的次數(shù)。根據(jù)多次實驗結果可計算引燃概率。

圖2 熱表面實驗裝置

式中，Tm為50%引燃概率時的熱表面溫度，N(0)為所有實驗中發(fā)生引燃的次數(shù)。

2.2 熱表面對典型植物油的引燃實驗

隨著化石燃料的逐漸減少和環(huán)保要求的不斷提高，科研人員探索在發(fā)動機中采用植物油作為燃料[5]，在變壓器行業(yè)也逐步使用高燃點植物油替代傳統(tǒng)的礦物油作為變壓器的絕緣液[6]。植物油的推廣應用帶來了一定的火災風險，針對熱表面對典型植物油的引燃特征研究對于防火具有重要意義。

2.2.1 大豆油引燃實驗

首先將熱表面的溫度控制在410 ℃，滴入大豆油1.5 mL，觀察是否發(fā)生引燃。然后以5 ℃為步長，逐步提高熱表面的溫度，重復滴入大豆油，進行引燃實驗。

對大豆油共進行了73次實驗，其中33次發(fā)生了引燃，40次未發(fā)生引燃。每個溫度點具體是否發(fā)生引燃情況見表4。根據(jù)熱表面溫度計算式，得出大豆油50%引燃概率的熱表面溫度為440 ℃。

表4 熱表面對大豆油的引燃實驗匯總

2.2.2桐油引燃實驗

桐油作為典型的植物油，是一種干性油，具有干燥快、比重輕、光澤度好、附著力強等優(yōu)點，大量用于建筑、機械、防銹涂料等，其主要成分是脂肪酸甘油三酯混合物。熱表面對桐油的引燃實驗情況見表5。可以看出，在59次實驗中，有13次發(fā)生了引燃，46次未發(fā)生引燃。根據(jù)熱表面溫度計算式，得出桐油50%引燃概率的熱表面溫度為455 ℃。

表5 熱表面對桐油的引燃實驗匯總

2.2.3 葵花籽油引燃實驗

本節(jié)實驗采用的是物理壓榨葵花籽油，100 g該葵花籽油的主要成分為飽和脂肪酸約12.42 g，單不飽和脂肪酸約25.23 g，其余為多不飽和脂肪酸。葵花籽油的引燃實驗結果匯總見表6。對葵花籽油共進行了41次實驗，實驗中熱表面的溫度范圍從420～465 ℃，其中23次實驗發(fā)生了引燃，18次實驗未發(fā)生引燃。根據(jù)熱表面溫度計算式，得出葵花籽油50%引燃概率熱表面溫度為448 ℃。

表6 熱表面對葵花籽油的引燃實驗匯總

2.2.4 稻米油引燃實驗

對稻米油共進行了54次實驗，其中14次發(fā)生了引燃，40次未發(fā)生引燃，實驗情況匯總見表7。根據(jù)熱表面溫度計算式，得出稻米油50%引燃概率的熱表面溫度為444 ℃。

2.2.5 花生油引燃實驗

對花生油共進行了32次實驗，其中20次發(fā)生了引燃，12次未發(fā)生引燃，具體實驗情況見表8。根據(jù)熱表面溫度計算式，得出花生油50%引燃概率的熱表面溫度為450 ℃。

表7 熱表面對稻米油的引燃實驗匯總

表8 熱表面對花生油的引燃實驗匯總

厚度為10 mm的球墨鑄鐵熱表面接觸花生油時的熱表面溫度變化情況如圖3所示。實驗中，將熱表面加熱至460 ℃，恒溫約3 min后滴入花生油1.5 mL?？煽吹降稳牖ㄉ秃螅瑹岜砻娴臏囟妊杆傧陆抵?50 ℃，之后花生油逐漸升溫、蒸發(fā)。從滴入時刻計時起，約延遲5 s后發(fā)生了引燃。圖4為花生油發(fā)生引燃的實驗。

圖3 滴入花生油后熱表面溫度變化情況

圖4 花生油接觸熱表面發(fā)生引燃

2.3 自燃溫度與熱表面最低引燃溫度的比較

根據(jù)1.4節(jié)與2.2節(jié)中的實驗結果，幾種典型植物油的自燃溫度與50%引燃概率的熱表面溫度比較見表9。

表9 自燃溫度與熱表面引燃溫度的比較 ℃

3 植物油熱表面引燃影響因素

3.1 植物油成分

植物油中最基本的組成成分為脂肪酸，主要分為飽和脂肪酸(SFA)、單不飽和脂肪酸(MUFA)、多不飽和脂肪酸(PUFA)[7]。楊明等[8]采用氣相色譜-質譜聯(lián)用雙內標定量的檢測方法給出了幾種典型植物油中不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的比例。典型植物油的成分見表10，植物油成分的不同，對其引燃溫度有一定的影響。

表10 典型植物油中不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的質量分數(shù) %

3.2 植物油黏度

與柴油、酒精等可燃液體相比，植物油的粘度較大，典型植物油的運動粘度約27～40 mm2/s。當接觸熱表面時，由于植物油粘性大，能更好的附著在熱表面上，因而更容易受熱、升溫，進而發(fā)生引燃。

3.3 可燃液體量

滴入熱表面的可燃液體質量也是影響能否發(fā)生引燃的因素之一。滴入可燃液體質量較少時，較大比例的可燃液體揮發(fā)后，會導致沒有足夠的液體蒸氣升高至較高溫度，因而不能發(fā)生引燃。當?shù)稳胍后w較多時，會導致熱表面溫度降低幅度較大，從而可能不易發(fā)生引燃。

4 結論

以工業(yè)場所中可能出現(xiàn)的熱表面點火源，建立了模擬實驗裝置，研究了典型植物油接觸熱表面的引燃特征，主要結論如下：

(1)幾種典型植物油接觸高溫熱表面，50%概率發(fā)生引燃的溫度約440～455 ℃；

(2)典型植物油的主要成分為C16～C18的脂肪酸，其閃點(開杯)、燃點均較高。實驗結果顯示，熱表面最低引燃溫度比標準方法中測量的自燃溫度高出約50 ℃。