阻隔防爆材料應用與研究進展

楊真理，魯長波，周友杰，熊春華，解立峰

阻隔防爆材料應用與研究進展

楊真理1，魯長波2，周友杰2，熊春華2，解立峰1

(1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094;2.中國人民解放軍總后勤部油料研究所，北京 102300)

為阻隔防爆材料的應用與推廣提供科學依據，在調研國內外阻隔防爆材料文獻的基礎上，介紹了阻隔防爆材料的基本概念和應用現狀；重點討論了阻隔防爆材料的抑爆機理和阻隔防爆性能評價方法，并分析阻隔防爆材料技術研究領域存在的問題，指出新型阻隔防爆材料在研制過程中應注意的要素，分析了目前國內阻隔防爆材料評價測試方法中的不足之處；最后對新的阻隔防爆材料的推廣與應用進行了研究展望。

阻隔防爆材料；爆炸；抑爆機理；抑爆性能

210094，China;2.OilResearchInstituteofGeneralLogisticsDepartment,Beijing102300,China)

現代戰爭和反恐行動中，飛機、艦艇、坦克等作戰裝備以及乘坐、運輸等保障裝備的油箱被炮火擊中后引發的燃料“二次爆炸”是造成裝備損毀和人員傷亡的重要原因。在油箱或者油罐中填充阻隔防爆材料可以有效地避免裝備遭受火力打擊后燃料產生的“二次爆炸效應”，從而大幅提升人員生存率，顯著降低裝備損毀率，使作戰能力得到提高[1]。

HAN阻隔防爆材料是指以金屬或有機高分子材料為基體，制成網狀、球狀或其他形狀的材料，填充或安裝在車輛、飛機、艦艇、坦克油箱中或其他設施的油罐、管道中，將相對較大的內部空間分割形成若干個足夠小的空間結構，這種結構可阻隔火焰的迅速傳播與能量的瞬間釋放，并利用材料本身的結構、表面和熱傳導效應，破壞可燃蒸氣的爆炸條件，從而防止進一步的燃燒和爆炸，以確保易燃易爆石油化工產品的儲存、運輸和使用安全。阻隔防爆材料主要分為金屬和非金屬兩大類，按形狀有蜂窩狀和球狀兩大類[1-4]。在社會日常生活中阻隔防爆材料的應用有助于解決危險品運輸、消防車輛、船舶等因燃料意外燃燒和爆炸帶來的安全隱患問題,但阻隔防爆材料在應用中也存在一些問題。本文對不同阻隔防爆材料的優勢和存在的問題進行了評述，重點論述了阻隔防爆材料在抑爆機理和性能評價方法方面的研究進展，并對阻隔防爆材料今后的研究方向進行了展望。

1 HAN阻隔防爆技術及其應用狀況

1.1 HAN阻隔防爆技術

HAN阻隔防爆技術是有效防止易燃、易爆、氣態、液態危險化學品在儲運中因意外事故(靜電、焊接、槍擊、碰撞、錯誤操作等)引發的爆炸，從根本上解決易燃易爆液態、氣態危險化學品儲運過程中的本質安全的專有技術。HAN是英文Hypostasis Anch Noexplosion的縮寫,意為本質安全不爆炸。油箱本質安全的實現可以通過向油箱中裝填阻隔防爆材料或者在車輛、艦艇、坦克油箱中使用阻燃抑爆柴油來實現，也可以兩種措施結合。HAN阻隔防爆技術具有保護危險化學品儲運容器和裝置在遇到明火、槍擊、雷擊、碰撞等意外事故時不爆炸，抑制容器內油氣的揮發、防止浪涌、阻隔火焰的燃燒等特點。HAN阻隔防爆技術在我國是一項具有自主知識產權的先進技術，2003年4月科技部將HAN阻隔防爆技術列入2003 年國家重點科技推廣項目，2004年12月30日國家安監局將HAN阻隔防爆技術列為2005年安全生產重點科技推廣項目，2005年3月2日在北京HAN阻隔防爆技術通過國家安監局組織的第三次專家鑒定。HAN阻隔防爆材料的實際應用，對保護人民生命安全、國家財產具有重要的現實意義,對國防現代化建設也具有戰略意義。

1.2 阻隔防爆材料的應用進展

1.2.1 國外阻隔防爆材料的應用進展

二次世界大戰后，歐美國家就開始了阻隔防爆材料的研究，主要針對的是軍用飛機燃油箱防火防爆材料的研究。20世紀80年代歐美等國家已在軍用領域特別是空軍廣泛使用阻隔防爆材料，并且美國軍方1982年頒布實施了《飛機燃油箱用網狀鋁合金阻隔抑爆材料》(MIL-B—87162)規范[5]。為進一步對金屬網狀鋁合金抑爆材料測試評定方法作出詳細規定，1994年MIL-B—87162規范被修訂為MIL-B—87162A。但因為金屬類抑爆材料存在填裝拆卸過程繁瑣、維護成本高、金屬碎屑阻塞油口等問題[6]，美軍于2004年最終取消了MIL-B—87162A規范，并放棄在飛機上使用金屬類抑爆材料。如今金屬類抑爆材料主要應用于民用領域，生產公司主要有美國的Deto-Stop、加拿大的Explosafe、奧地利的Exess和EXCO等公司[7]。

20個世紀60年代初，斯科特紙品公司研制的Ⅰ型網狀泡沫材料被美國空軍所接受采用，1970—1972年，Ⅱ型網狀泡沫材料被研制出來。Ⅰ型和Ⅱ型網狀泡沫材料均是對油箱進行全部填充，隨后的Ⅲ型網狀泡沫材料實現了燃油箱部分填充。至1978年，后續研制的Ⅳ型和Ⅴ型聚酯型網狀泡沫材料已應用于美國軍機系統。1984年，美國軍方頒布實施了《飛機燃油箱用的阻隔惰性材料》(MIL-B—83054B)[8]；1987年，美國空軍開始為其新型戰機研發和評估耐高溫泡沫材料，1990年此種材料已被研制出來，并提供給美國空軍基地進行試驗。隨著阻隔防爆材料的發展，1986年至1990年期間，美國空軍使用了具有導電性的網狀泡沫材料。1992年美軍針對自身具有導靜電功能的網狀泡沫材料又制定了新的規范MIL- F—87260[9]；1998年、2006年先后兩次對MIL- F—87260規范進行修訂，最終修訂為MIL-PRF—87260B規范。現在研制生產網狀聚氨酯泡沫材料的公司主要有美國的Foamex和Crestfoam公司、比利時PRB公司的Racticel分部、全俄航空材料研究院和日本的Bridge Slance公司等。1.2.2 國內阻隔防爆材料的應用進展

我國阻隔防爆技術研究相對起步較晚，但其推廣和應用很迅速。1992年，由中國兵器工業集團52所研發的網狀鋁合金阻隔防爆材料的防爆性能等指標已達到國際同類產品先進水平[10]。目前國內生產金屬抑爆材料的廠家主要有上海華篷防爆科技有限公司、汕頭華安防爆科技公司、北京飛尼課斯抑爆材料有限責任公司等。中國兵器工業集團53所在國內是較早從事非金屬抑爆材料的研究單位，原沈陽航空工業學院也相繼開展了“燃油箱填充用防火抑爆網狀泡沫材料”和“充填俄制網狀聚氨酯泡沫油箱的燃油沖刷靜電試驗研究”等方面的研究工作[11-12]。現在國內有深圳國志匯富高分子材料股份有限公司等廠家生產網狀聚氨酯抑爆材料，目前總后勤部油料研究所聯合其他一些科研單位正在研發一種新型球形非金屬阻隔防爆材料，即將進入推廣應用階段。如今我國已有28 個省( 自治區、直轄市)開始推廣應用阻隔防爆技術，如總后勤部軍需物資燃油部于2005年起陸續在少量運油車上進行阻隔防爆材料的試點應用；武警部門在新疆等反恐敏感地區的運油車上也開始應用阻隔抑爆材料[1]；2008年北京奧運會舉辦前夕，北京等4個城市的奧運場館周邊地區添置了近200臺HAN阻隔防爆加油裝置[13]。

2 阻隔防爆材料的研究進展

2.1 阻隔防爆材料抑爆機理的研究進展

可燃油氣的爆炸過程是一個復雜的反應過程，涉及到化學反應動力學、流體力學、爆炸力學、沖擊波理論等多種學科的理論。由于爆炸過程的復雜性，目前阻隔防爆材料抑爆機理尚無定論，當前的理論研究主要認為阻隔防爆材料的抑爆機理可分為物理機理和化學機理兩部分：物理機理為火焰受阻效應；化學機理為器壁效應。連鎖反應理論認為：燃燒、爆炸反應不是在分子間直接進行的反應，而是在一種游離態基進行的連鎖反應，并且隨著游離基數量的增加燃燒速度也隨之增大；火焰在充滿可燃混合氣體的容器或者管道內傳播時，當管徑變小時，游離基撞擊器壁或者管壁的概率就增大，若管徑小到火焰傳播臨界直徑時，火焰將不能繼續傳播[14]。混合爆炸是自由基連鎖反應，反應速度受單位容積內自由基數量影響，而自由基可被器壁的材料和表面雜質吸附，產生器壁效應，減少單位容積內的自由基數量，進而減少參與燃燒反應的自由基數量，從而抑制燃燒爆炸反應速度。Ciccarelli[15]在理論分析的基礎上，指出多孔材料引發的湍流、熱損失以及氣體可壓縮特性對可燃氣體爆炸火焰的傳播會產生促進和阻礙雙重作用，當火焰超音速傳播時，多孔材料湍流和可壓縮性起主導作用；當火焰亞音速傳播時，多孔材料熱損失起主導作用。

劇烈的燃燒一般都是自加速反應，即化學反應中產生的熱量除了各種損耗外仍有余量給自身提供，從而使反應能不斷加速達到不可抑制的程度，直至爆炸。阻隔防爆材料比表面積比較大，即散熱面積較大，可對反應產生一定的冷卻作用；同時，阻隔防爆材料本身的熱傳導可把部分熱量傳遞到裝置壁面或著火區以外，一定程度上可起到阻止火焰發展和蔓延的作用；此外，阻隔防爆材料具有的空格單元和骨架結構，對火焰的傳播會產生機械阻礙作用，可消弱壓力波的傳播，這樣就降低了空氣分子和油氣分子的混合速率，降低火焰傳播和發展成爆炸的危險，并使得火焰表面趨于平整，火焰前鋒的表面積得到減小，從而達到減小火焰鋒面傳播的作用。

2.2 阻隔防爆材料性能評價方法的研究進展

目前針對阻隔防爆材料的性能主要從基本性能、儲存相容性和阻隔防爆性能三個方面對其進行綜合評價。

2.2.1 基本性能

阻隔防爆材料填充在油箱、油罐、石油天然氣管道中要有良好的力學性能和導電性能，其基本性能指標主要包括壓縮強度、體積電阻率、振動耐久性等[16-17]。壓縮強度主要通過萬能電子試驗機來檢測;體積電阻率依據GB/T15662規定條件由體積電阻率測試儀完成;油箱振動耐久性主要考察填充在油箱或者油罐中的阻隔防爆材料在長期行車過程中的可靠性，主要依據GB18296和GJB150.16兩種方法模擬車行試驗進行檢測。

2.2.2 儲存相容性

為防止阻隔防爆材料在使用中對油品質量產生影響需進行相容性評估，主要通過油品加速儲存試驗完成。目前油品加速儲存試驗方法包括《餾分燃料油在43℃儲存試驗方法》(SH/T0690)、《餾分燃料油氧化安定性測定法(加速法)》(SH/T0175)、《汽油儲存安定性測定法》(SH/T0273)和《柴油儲存安定性測定法》(SH/T0238—1992)。

2.2.3 阻隔防爆性能

阻隔防爆材料阻隔防爆性能評價主要是通過實驗室水平激波管爆炸試驗和外場等效靜爆試驗來完成。《汽車加油(氣) 站、輕質燃油和液化石油氣汽車罐車用阻隔防爆儲罐技術要求》(AO3001)中給出了如圖1所示的阻隔防爆材料阻隔防爆性能激波管測試裝置，在相同測試條件下，其可測出安裝和未安裝阻隔防爆材料的燃爆峰值壓力，并通過計算出燃爆增壓值ΔP來對阻隔防爆材料的防爆性能進行評定。

圖1 阻隔防爆性能激波管測試裝置示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the shock tube testing device for the separate and explosion- proof performance1.測試容器;2.壓力傳感器;3.觀察窗;4.壓力表;5.點火源;6.燃爆容器;7.閥門;8.循環泵;9.配料容器;10.試樣

場外等效靜爆試驗是將海薩爾炸藥置于油氣界面并用軍用電雷管引爆，采用高速紅外錄像采集爆炸火球的溫度場，計算油氣爆炸產生火球的高溫區持續時間和爆炸后油桶的毀傷體積，用于評價阻隔防爆材料的阻隔防爆性能。此外，通過殺爆燃彈動爆試驗、破甲戰斗部油箱穿深靜爆試驗也可對阻隔防爆材料的阻隔防爆性能進行評價。

2.3 阻隔防爆材料技術的研究進展

2.3.1 金屬阻隔防爆材料

金屬阻隔防爆材料主要是以鋁合金為基材，經過切割、拉展后形成蜂窩網狀結構的多孔材料。金屬阻隔防爆材料在達到防爆的同時，還具有體積置換率、油品滯留率低等優點，在實際的應用中可一定程度上減少易燃易爆危險化學品火災爆炸事故的發生，為社會和企業營造安全環境。盧徐節等[18]采取在20 L爆炸試驗裝置中填充鋁鎂合金抑爆材料的方法來減小爆炸壓力，試驗發現網狀鋁鎂合金阻隔防爆材料的有效填充密度為34 kg/m3,球狀鋁鎂合金阻隔防爆材料的有效填充密度為60 kg/m3；解立峰等[19]通過激波管試驗研究了JFJ型特種鋁合金阻隔防爆材料在環氧乙烷氣體容器中的抗氧化能力以及阻隔防爆能力，研究發現經高溫氧化的鋁合金阻隔防爆材料的抑爆性能降低明顯。

雖然科學證明鋁合金阻隔防爆材料在很多情況下顯示抑爆的功效，但實際應用中還是有其自身的缺點。如Birk[20]研究發現鋁合金阻隔防爆材料一定條件能作為陽極，將會發生電解反應，使得自身質量損失并產生氧化污垢沉積在油罐底部，這樣的后果會導致油料過濾器堵塞影響油泵的操作；張健中等[21]在研究網狀鋁合金阻隔防爆材料在加油站埋地油罐應用的合理性過程中，發現該材料存在容易塌陷、影響油罐清洗、阻塞過濾器等缺點，并且安裝維護成本高，這些因素很大程度上影響了鋁合金阻隔防爆材料在實際應用中的推廣。

2.3.2 非金屬泡沫阻隔防爆材料

非金屬阻隔防爆材料主要有聚醚、聚酯等系列，但是以聚氨酯泡沫材料為主。與金屬阻隔防爆材料相比，非金屬泡沫阻隔防爆材料具有質輕的特點，并且填充在油箱中具有緩沖燃油晃動的能力。目前非金屬網狀泡沫阻隔防爆材料已應用于P-3、F-15和C-130等軍機上[11]。

王松等[22]研究網狀聚氨酯泡沫制備工藝，將聚氨酯泡沫的制備方法歸結為兩大類：一類是直接制備法，此種方法發泡與網格化同時完成，降低了成本和工序；另一類是間接制備法，其優點是網格化程度高，利于泡沫孔徑的均勻化，缺點是增加了工序和成本，任何后處理都會對孔棱產生影響。鄭雙忠等[23]研究了聚氨酯阻隔防爆材料在飛機油箱中的填充設計，結果表明為取得最佳的防火、抑爆效果，油箱中網狀聚氨酯阻隔防爆材料的填充率應不少于70%。徐全軍等[24]通過建立逆向拒爆裝置的物理模型，驗證了試驗裝置中聚氨酯泡沫阻隔防爆材料阻隔沖擊波的作用。

聚氨酯泡沫阻隔防爆材料的缺點也是明顯的，首先聚氨酯泡沫阻隔防爆材料滯留率較高，使用的過程中會對油箱有效容積造成影響;其次在高濕的環境中使用該材料缺乏水解穩定性，2至5年的使用壽命會導致故障頻生，如燃油系統被污染、過濾器被堵塞等，并且材料自身發生塌陷的情況較為嚴重[25]。2.3.3 球形非金屬阻隔防爆材料

球形非金屬阻隔防爆材料是一種新型阻隔防爆材料，國外鮮有商業化應用，目前在國內尚屬于研發階段。球形非金屬阻隔防爆材料以惰性有機高分子材料為基體，設計成薄壁骨架的結構，具有很好的化學惰性、導熱導靜電和抑菌等特性；另外，相較聚氨酯泡沫材料和網狀金屬材料，規整的球狀外形更加適應各種管線、異型油箱，可對大型石化儲罐進行機械自動化快速裝卸。與傳統金屬阻隔防爆材料相比，非金屬阻隔防爆材料具有比表面積大、相對密度小、不易污染油品等優點[26]。韓志偉等[27]利用激波管對鋁合金網狀抑爆材料、鋁鎂合金網狀抑爆材料和球形非金屬阻隔防爆材料的抑爆性能進行了評價和對比研究,試驗結果表明球形非金屬阻隔防爆材料的阻隔抑爆性能比其他兩種阻隔防爆材料更為優良。

王棟等[28]通過試驗對比了經過60 ℃空氣加速氧化1個月后的球形非金屬阻隔防爆材料和未經氧化的同一材料的力學性能和抑爆性能，其對比結果見表1和表2。

表1 球形非金屬阻隔防爆材料抗壓試驗結果

表2 填裝不同球形非金屬阻隔防爆材料的激波管試驗結果

注：ΔP為激波管內壓力峰值的燃爆增加值。

由表1可以看出，球形非金屬阻隔防爆材料在60 ℃空氣中加速氧化后力學性能變化很小，材料表現出較好的抗氧化能力。由表2的試驗數據可以看出，裝填未氧化的和加速氧化后的球形非金屬阻隔防爆材料后，抑爆能力分別為89.0%和87.5%，球形非金屬阻隔防爆材料表現出良好的抑爆性能，并且經加速氧化后的非金屬阻隔防爆材料的抑爆能力幾乎未受到影響。

球形非金屬阻隔防爆材料作為一種新型的阻隔防爆材料不僅具有優良的抑爆性能，而且具有良好的耐腐蝕性。由于自身球形結構能滿足更為復雜的局部小空間的填充，對消除現有的阻隔防爆材料的缺陷具有一定的意義，是金屬阻隔防爆材料的良好替代品。但目前球形非金屬阻隔防爆材料也存在一些不足之處，如填裝油箱或者油罐中其占空比相對較大，且裝填密度也相對較高，這樣會造成生產成本過高，不利于球形非金屬阻隔防爆材料的推廣應用。因此，在保證具有良好的抑爆性能的基礎上，還需要對球形非金屬阻隔防爆材料的孔徑結構進行優化。

3 討論與展望

本文在上述論述的阻隔防爆材料抑爆機理和防爆性能研究的基礎上，進行以下幾點討論和研究展望：

(1) 要加大對阻隔防爆材料抑爆機理、結構設計等方面關鍵要素的研究力度。特別是阻隔防爆材料的結構設計需要以阻燃防爆機理為基礎，可采用數值模擬與試驗研究相結合的手段，實現其結構設計的科學性、合理性，同時縮短研制周期、節約人力物力資源。

(2) 在研制新型阻隔防爆材料時，除了考慮增強其阻燃防爆性能外，還要考慮填充密度、置換率等影響到材料成本的因素，要重視降低成本以為阻隔防爆材料的推廣和使用創造有利條件。

(3) 對于新型阻隔防爆材料的研制還要注重探討基材中改性添加劑的含量對基材物性的影響，如材料的導熱導電性、強度等力學性能以及孔徑結構對材料抑爆性能的影響。

(4) 要進一步完善阻隔防爆材料防爆性能測試評價方法，建立阻隔防爆材料綜合性能評價方法標準。現有阻隔防爆材料防爆性能測試方法中，在國家標準規定的配套測試方法中對實驗裝置尺寸、測試用氣等重要環節的描述較為粗略，忽視了可燃性氣體爆炸的一些物理機制，如測試管道壁面散熱特性對爆炸火焰的影響以及爆炸尺度效應問題等。可見，采用更加全面、科學的綜合性能評價方法標準指導阻隔防爆材料的研發生產與應用推廣，對解決易燃易爆石油化工安全問題具有重要的指導意義和實用價值。

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Application and Development Trend of Separate and Explosion-proof Material

YANG Zhenli1,LU Changbo2,ZHOU Youjie2,XIONG Chunhua2,XIE Lifeng1

(1.SchoolofChemicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing

In order to provide scientific basis for application and popularization of separate and explosion-proof materials,this paper introduces their basic concept and application situation based on the literature review at home and abroad,and emphatically discusses their explosion-proof mechanism and performance evaluation methods.Also,the paper analyzes the existing problems in the research field of the separate and explosion-proof material technology,and points out the key elements that should be paid attention to in the research and development of the new type of materials.After that,the paper analyzes the deficiencies that exist in the evaluation and testing methods of the separate and explosion-proof materials in China.At last,the paper sets out our vision for the future popularization and application of new separate and explosion-proof materials.Key words:separate and explosion-proof material;explosion;explosion-proof mechanism;explosion suppression performance

馬清文(1978—)，男，博士，講師，主要從事水利與交通基礎設施安全防護、巖土工程災害防治等方面的研究。E-mail：mqw2008@zzu.edu.cn

1671-1556(2016)02-0130-05

2015-07-14

2016-01-26

全軍后勤科研計劃項目(BX214J008)

楊真理(1983—)，男，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向為爆炸理論及應用。E-mail:yangzhenli.007@163.com

X937；TE88+1;TB34

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.024