卡車燃油箱防爆技術研究

范廣龍，舒勇

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

卡車燃油箱防爆技術研究

范廣龍，舒勇

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

隨著科學技術的發展燃油箱防爆技術更多的運用在車輛上，抑爆效果是防爆技術的重要指標。本文從抑爆材料的工作原理、材料的性能、填充方式、以及實驗幾方面來探討影響抑爆效果的因素，供廣大設計工作者參考。

燃油箱防爆技術；抑爆原理；性能特點；填充方式；實驗分析

CLC NO.: U461.91 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-18-03

引言

油箱及貯油設施的防火抑爆是人們一直需要解決的重要問題，隨著燃油的消耗，燃油箱內會形成一定大小的空腔，燃油汽化揮發后在空腔內會產生油氣混合易燃易爆氣體，一旦油箱受到打擊或者出現火花，易燃易爆氣體極易產生爆炸，必須采取抑爆措施保證乘員安全。

1、抑爆材料

1.1 網狀聚氨酯泡沫結構

網狀聚氨酯泡沫（以下稱“網泡”）材料是由普通開孔的柔性聚氨酯泡沫材料經網化處理而成，微觀結構是五邊形十二面體，面與面的交線稱為經絡，經絡間面膜經網化處理后消失，形成整體上的立體骨架結構。

1.2 網狀聚氨酯抑爆材料工作原理

在燃料箱中，燃料水平線以下（耗損量）的空間里包含有爆炸性氣體和空氣，如果被點燃，就會在耗損量處發生爆炸。箱中燃料水平線越低，蒸汽量越大，當存在一個點燃源（一個火花），靠近火花的蒸氣就會迅速點燃（如1），形成一種燃燒的“鏈式反應”，最終蔓延到整個蒸氣（如2）空間，在罐內壁形成持續增大的壓力波，從而使爆炸的威力持續增大（如3），箱體在微秒內發生爆炸。

在箱中填充網狀聚氨酯抑爆材料可以阻止這種鏈式反應的傳遞，在點火源周圍可以明顯抑制蒸氣被點燃（如4），泡沫可以使火焰和壓力波減少到蔓延水平以下（如5），因此可以阻止災難性的爆炸發生（如6）。

2、網狀聚氨酯泡沫的性能特點

2.1 機械強度

網狀泡沫也和一般聚氨酯泡沫一樣，根據原料配方調節可獲得一定性能的泡沫，從表1數據可看出，網狀泡沫比一般泡沫抗張強度及伸長率要大而壓縮強度與密度均低。由表2可知，單位長度上的空數越大，則抗張強度與伸長率也越高。

2.2 開孔率與孔徑

網狀泡沫具有非常高的開孔率，通常為97%以上。網狀泡沫的泡孔數是單位直線距離（25mm）上泡孔的個數，一般6～70孔，所以泡孔的孔徑在0.3～3mm范圍。

2.3 透氣性能

透氣性能是泡沫通過流體能力的大小，它與泡沫的開孔、孔徑及厚度有關。一般開孔率高的聚氨酯泡沫也能通氣，但由于在泡孔上殘留泡壁，則透氣阻力大，而網狀泡沫透氣性好，壓力損失非常小。

3、抑爆材料填充方式

有兩種經過實踐驗證的燃油箱泡沫材料填充方法：完全填充和部分填充（“中空”填充）。前者具有最大的防護作用，但增加的網泡質量和吸附的燃油量也較大；后者減少了材料的使用量和燃油的吸附量，但要求油箱本身能夠承受一定的內部正壓載荷，兩種方法各有優劣，下文分析中空填充網泡的抑爆原理。

4、中空填充網狀聚氨酯泡沫抑爆原理

4.1 壓力比的推導

圖2為抑爆模型。

其中，Vc為燃燒體積；Vf為淬熄體積，減壓體積Vr是淬熄材料所占體積的一部分，假如淬熄材料的厚度足以隔離火焰的傳播，那么淬熄材料后面空間的體積是減壓體積，如B圖，此時減壓體積就是Vr與Vf之和。

由于燃油的蒸發，在燃油的液面之上存在燃油和空氣的爆炸性混合氣體。當爆炸性混合氣體被點燃，立即形成一個小火球，并以燃燒波的形式向四周傳播；燃燒波面上的火焰離開中心火焰并點燃波面外部的預混氣體，形成一個新的燃燒波面；如此下往，空間中的預混氣全部被點燃。由于油箱是一個密閉的空間，氣體燃燒會使壓力急劇增加，終極超過油箱的強度而導致油箱的爆炸解體，整個過程僅需幾毫秒。由于烴類混合物在燃燒過程中，燃氣均勻分子量或分子總摩爾數變化很小或基本無變化，有下式成立：

式中下標1、2分別表示油箱內氣體的初態和末態。對于大多數的碳氫燃料和空氣的混合物，化學計量混合時的T2/T1的比率一般為7.7～8.2，而與模型中其他的參數無關。由于是等容過程，熱力方程就可以寫為：

以上方程對等容過程是成立的，但當油箱中只是有限體積的混合氣體發生燃燒，同時大量氣體盡熱膨脹時，上述模型就不適用了，此時可以假設僅有一部分Vx體積混合氣體燃燒膨脹，將Vc中原有的一部分混合氣體通過泡沫壓進Vr中。在模型中引進Vx，如圖3所示。等體積均勻分布的網泡材料將模型分隔成n個小室。某一小室中的一部分混合氣體Vx發生燃燒反應，盡熱膨脹為Vc體積，用以下方程描述：

式中，P2為終態壓力，N為比熱比，取值在1.3-1.4之間。

未反應的混合氣體絕熱壓縮過程用方程(5-5)描述

聯立（4-4）（4-5），求得油箱內初、終態壓力比P2/P1為：

4.2 壓力比與中空比率的關系

設模型中空體積所占的比率為a，則：

將（4-8）式帶入（4-6）式得

（4-9）式反映了壓力變化與模型中空系數a、分隔出的小室數目n的關系。n反映了油箱中網泡填充結構的不同，所以壓力變化和油箱內的泡沫填充結構有關。對不同的填充結構和填充比率的油箱，可以依據以上分析過程進行分析，將得到與（5-9）式類似的公式，可用于計算油箱內終極壓力與初始壓力的比值。

以上的理論分析模型適用于理想氣體盡熱過程，未考慮活動阻力。分析中假設網泡材料無燒蝕，因此理論結果壓力比偏低。

5、防爆性能實驗分析

5.1 填充材料時燃爆壓力與時間的關系

石油氣的爆炸極限為1.5%～9.5%（體積分數）。液化石油氣在混合氣中的體積分數處于爆炸下限或爆炸上限時，混合氣體遇火源一般只是發生爆燃。爆燃所產生的壓力不會超過405KPa。當液化石油氣在混合氣中的體積分數超過爆炸下限，達到約4.0%，爆炸時所產生的壓力可達800KPa。

裝填網狀抑爆材料時（以留空率5%，填充密度25kg/m3為例），燃爆壓力隨時間的變化如圖4所示。由圖4可知，填裝材料時爆炸產生的最大壓力為50kPa，遠小于液化石油氣未填裝網狀抑爆材料時的爆炸壓力，說明材料具有良好的抑爆性能。

5.2 不同填裝密度和不同留空率對燃爆壓力的影響

不同填充密度和不同留空率對燃爆壓力影響實驗數據見表3。

表3 不同填充密度和不同留空率對燃爆壓力影響的實驗數據

不同填裝密度對燃爆壓力影響的測試結果如圖5所示。

由圖5可知：填充密度一定時，留空率增加，燃爆壓力增加。留空率一定時，填充密度增加，燃爆壓力降低。填充密度由25kg/m3增加到30 kg/m3時，燃爆壓力的下降大于由30kg/m3增加到35kg/m3時的燃爆壓。說明留空率一定時，填充密度增加，抑爆效果的增加幅度減小。

不同留空率對燃爆壓力影響的測試結果如圖6所示。

由圖6可以看出，留空率增大，燃爆壓力增高。曲線填充密度為25kg/m3在填充密度為30kg/m3和35kg/m3之上，曲線填充密度為35kg/m3在填充密度25kg/m3和30kg/m3之下，說明當留空率一定時，填充密度增大，抑爆效果增加，反之，填充密度降低，抑爆效果降低。

試驗中保持填充密度不變而改變留空率，則填充量改變。抑爆材料的原理是材料對燃爆氣體的阻滯和吸熱效能，隨著填裝量的減少，吸熱效能必然下降，再加上留空率的增加。因此，要保證一定的抑爆性能，不僅要使抑爆材料的留空率適當，而且要保證一定的填裝量。填充密度、留空率及燃爆壓力間的關系

6、結論

通過以上計算分析，油箱中空填充網狀聚氨酯泡沫，為防止油箱爆炸有明顯效果。

[1] 《機械設計手冊》4卷 新版，機械設計手冊編委會編著。 機械工業出版社，2004.8.

[2] 《機械設計手冊》5卷 第四版，主編 成大先。 化學工業出版社，2002.1.

The disquisition of the fuel oil box's prevent-blasting on truck

Fan Guanglong, Shu Yong
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

With the development of the technology，the fuel oil box's prevent-blasting are putting into action on the vehicles more and more. The effection of prevent-blasting is the important target of the prevent-blasting. The article discusses the factors of influence on prevent-blasting from the material elements、material performance、the mode of filling and the experimentation, the article offers reference for many devisers.

the fuel oil box's prevent-blasting; prevent-blasting elements; capability; the mode of Filling; the analyse of the experimentation

U461.91

A

1671-7988(2015)02-18-03

范廣龍，就職于陜西重型汽車有限公司。