油箱明火烤燃燃爆特性實驗研究＊

姚 箭，王海洋，王翠華，王永旭，朱祥東，李 斌

（1．南京理工大學化工學院，江蘇南京210094；2．山東誠泰安全技術咨詢有限公司，山東濟南250013；3．中國人民解放軍總后勤部油料研究所，北京102300）

油箱明火烤燃燃爆特性實驗研究＊

姚 箭1，王海洋1，王翠華2，王永旭1，朱祥東3，李 斌1

（1．南京理工大學化工學院，江蘇南京210094；2．山東誠泰安全技術咨詢有限公司，山東濟南250013；3．中國人民解放軍總后勤部油料研究所，北京102300）

車輛在遭遇事故或高溫天氣時容易起火自燃，車輛油箱可能發生爆燃，威脅人員的生命安全。為研究裝有油料的油箱在明火烤燃下的燃爆特性，采用攝像機、紅外熱成像儀和熱電偶對油箱在烤燃過程中噴射火焰的表面溫度和尺寸以及油箱內部溫度進行測試，以76L油箱為研究對象，對比不同密閉條件和填充情況下油箱的燃爆特性。實驗結果表明：油箱在出油口關閉、未填充抑爆材料時，易發生爆炸，烤燃產生的爆燃火球表面最高溫度在1 800K以上，火球體積約為油箱體積的1 600多倍；油箱內填充抑爆球可使噴射火焰的最高表面溫度和尺寸顯著降低；在相同條件下，油箱內柴油蒸氣的平均升溫速率比汽油蒸氣低36．0%，最高溫度低16．2%。

油箱；烤燃；爆燃；抑爆材料

隨著我國生活水平的提高，人均汽車持有量快速增加，給人們帶來方便的同時，也帶來了安全隱患。車輛、飛機等交通工具在遭遇事故或高溫天氣時，容易起火發生自燃，所產生的高溫可能進一步引燃油箱內的油料，甚至產生爆燃，造成二次破壞。此外，儲油區、加油站等火災及爆炸高發的危險區域，一旦出現起火源，極易發生燃燒爆炸事故［1］，在火焰的炙烤下，周邊車輛油箱及油料儲罐的安全受到威脅，容易發生更為嚴重的次生事故。為提高車輛和飛機的燃油箱以及油料儲罐的本質安全化程度，國內外的專家學者進行了相關研究。美國空軍早在1978年就制定了在飛機燃油箱內填充網狀泡沫材料的相關規范［2］。20世紀末中國陸續研制了鋁合金抑爆材料。姜光華等［3］發現填充鋁合金抑爆材料的易燃易爆液／氣體容器在明火點燃、射擊、氣焊等操作下沒有爆炸危險。江平等［4］發現在油箱、油罐內填充的聚氨酯網狀泡沫材料具有抑爆特性，并探討了其抑爆機理。范廣龍等［5］對卡車燃油箱的防爆技術進行了相關研究，從多個方面分析了影響抑爆材料效果的因素。黃勇等［6］對填充球形非金屬抑爆材料的108L柴油油箱進行了明火烤燃實驗，驗證了抑爆球的抑爆效果。E．Planas等［7］研究了液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）油罐車車禍撞擊引發的油罐及燃油箱BLEVE（boiling liquid expanding vapour explosion）爆炸的成因和熱輻射效應。B．Song等［8］采用Fluent軟件模擬了飛機油箱經太陽輻射1h后燃料表面和蒸氣的溫度變化，為進一步研究火災情況下油箱和油罐內部的溫度變化提供了參考。F．Heymes等［9］研究了50m處的樹冠火對2m3液化石油氣（liquefied petroleum gas，LPG）油罐的影響，實驗發現樹冠火沒有引起油罐的BLEVE爆炸。L．A．Godoy等［10］模擬了空的鋼制儲罐在不同外部火焰烤燃下的變形情況，所得結果與2009年Bayamon大火下油罐的變形一致。目前，有關油箱和油罐的抑爆、防爆研究較多，但是對于含有油料的油箱在明火烤燃下的燃爆特性研究較少。

為模擬油箱在外部受熱條件下的燃爆特性，本文中以76L油箱為研究對象，在敞開空間進行油箱的烤燃實驗，對比不同密閉條件和填充情況下油箱的烤燃現象，分析影響烤燃反應的主要因素，為進一步提高油箱的本質安全化程度提供技術參考。

1 實 驗

1．1 實驗裝置與儀器

實驗設備：標準貨車油箱，容積為76L，長、寬、高分別為680、400和290mm，壁厚1．5mm，材質為不銹鋼；金屬支架，鋼制，用于放置油箱，其長、寬、高均為500mm；燃燒池，鋼制，長、寬、高分別為1 000、460和200mm。

測試儀器：普通攝像機；WRNT－187K型鎧裝熱電偶，最大量程1 000℃，長1．5m；XMTA－9000型智能溫度數顯儀，北京雷輝盛宗儀表有限公司生產；Mikronscan 7200V型紅外熱成像儀，美國Mikron公司生產，系統采用320×240微熱輻射計UFPA探測器，溫度響應時間為2μs。

1．2 實驗樣品

實驗油料：92號汽油、－10號軍用柴油，其理化性質如表1所示。

抑爆材料：中空柵格狀球體［11］（簡稱抑爆球），棕色，直徑為30mm，單球質量為1．65g。

表1 實驗油料的理化性能Table 1 Physical and chemical properties of experimental oil

1．3 實驗方法

實驗場地布局見圖1。將盛裝25L油料和抑爆球（填充密度約60kg／m3）的油箱放置在金屬支架上，油池置于支架下方，實驗前在油池中添加15L煤油作為燃料。將普通攝像機和紅外熱成像儀置于距油箱中心20m處。其中，紅外熱成像儀用于采集油箱和燃燒火焰的表面溫度，采樣周期為1秒每幀；熱電偶用于測量油箱內部的溫度場。

圖1 實驗場地布置示意Fig．1 Experimental layout

2 實驗結果分析與討論

2．1 烤燃油箱的燃爆特性

不同時刻油箱的烤燃情況如圖2所示。實驗1、實驗3和實驗4的油箱表面出現噴射火焰或火苗，實驗2發生爆燃。實驗結果和現象說明列于表2。

表2 實驗現象與結果Table 2 Experimental phenomena and results

圖2 不同時刻拍攝的實驗照片Fig．2 Consecutive moments in experiments

從圖2和表2可以看到，實驗1出現多股噴射火柱，實驗2在烤燃過程中發生爆燃，產生巨大火球，產生差異的原因在于油箱密閉情況不同。實驗1中，油箱的出油口打開，用于模擬油箱敞開條件下的烤燃反應；而實驗2中，油箱的出油口關閉，用于模擬當出油口與外部設備連接時油箱封閉條件下的烤燃反應。對于實驗1，在烤燃過程中，油箱內產生的油蒸氣從出油口噴出，形成多股火柱；對于實驗2，烤燃產生的油蒸氣在油箱內積聚，當油蒸氣壓力超過油箱承受壓力時，油箱發生爆炸，油蒸氣和油料迅速向四周擴散，與周圍空氣混合發生爆燃，部分油料落地形成大面積池火。實驗1中，噴射火柱的總體積約為0．4m3，為油箱容積的5倍；而實驗2中，爆燃火球的體積約為125．6m3，為油箱容積的1 675倍。

在實驗3中，油箱內填充抑爆球，出油口關閉，實驗發現在烤燃過程中油箱表面只有一股火柱。這主要歸功于油箱中的抑爆球，抑爆球的蜂窩狀高孔隙結構可以有效降低油箱內油料的汽化和揮發。蜂窩結構材料具有較高的表面效能及良好的吸熱性，可以迅速地將油液和油蒸氣熱量吸收，使溫度降低，氣體的產生速率和膨脹程度降低。在相同的烤燃條件下，實驗3中油箱內的壓力上升較緩慢，在烤燃過程中油箱內的壓力未達到承壓極限。實驗結束后，發現只有油箱上部的抑爆球（約1／3）發生熔化，下部抑爆球完好。這是因為對油箱下部進行加熱時，汽油大量揮發，油蒸氣集中在油箱上部空間，并從排氣孔縫隙逸出，產生火柱，此時油箱上部溫度會急劇上升，抑爆球在火焰附近炙烤，容易發生熔化、燒結。由此可見，抑爆球的存在可以有效延緩油蒸氣的產生，降低油箱明火烤燃的危險性。

2．2 烤燃油箱外部火焰的溫度分布

運用紅外熱成像儀自帶的MikroSpec軟件，對烤燃過程中的熱成像圖進行處理、分析，得到選定圖像區域內的最高、最低和平均溫度，及其隨時間變化的關系［12］。圖3為噴射火焰表面溫度最高時的紅外熱成像圖。烤燃過程中噴射火焰的表面溫度、尺寸等參數列于表3，其中：d、h分別為噴射火焰的最大直徑和高度，由Lens Calculator程序計算得到；Tm為火焰表面最高溫度；Ta為表面溫度最高時火焰表面的平均溫度；th為溫度超過1 273．15K時的高溫持續時間。

圖3 溫度最高時刻噴射火焰的紅外熱成像圖Fig．3 Infrared images of jet fire when Tmreached

表3 噴射火焰尺寸和表面溫度Table 3 Size and surface temperature of jet fire

根據實驗2中火球表面最高溫度和尺寸，利用Baker火球模型［13］進行估算，得到距火球中心1和10m處產生的熱劑量分別為3 145和47kJ／m2。根據熱劑量毀傷準則，爆燃火球在1m處產生的熱劑量可以引燃木材，在10m處產生的熱劑量能造成人員皮膚疼痛。實驗3中火柱的最高表面溫度為1 278K，比實驗2中火球最高表面溫度下降32．1%。這主要是因為油箱內充滿抑爆球，抑爆球排列緊密，其蜂窩狀結構存在較多的細小孔隙，油蒸氣向上逸出通過孔隙時，由于傳熱效應和器壁效應，熱交換頻繁，從而損耗部分能量，油蒸氣壓力和蒸發速度逐漸降低，產生火柱的尺寸和表面溫度相應減小。

2．3 烤燃油箱內部的溫度分布

為研究明火烤燃過程中油箱內部溫度隨時間變化的規律，選用兩個K型鎧裝熱電偶分別測試油液和油蒸氣的溫度。在烤燃過程中實驗3和實驗4的油箱內部溫度變化如圖4所示。

圖4 實驗3和實驗4中油箱內部溫度變化Fig．4 Internal temperature of fuel tanks in Exp．3and Exp．4

實驗3中，油箱內油液的溫度穩步上升，平均升溫速率約為0．12K／s，800s后維持在410K左右；油蒸氣溫度在420s時超過油液溫度，1 000s時達到525K，平均升溫速率約為0．25K／s，且升溫速率隨時間的延長不斷升高。92號汽油的主要成分為C5～C12脂肪烴和環烷烴類。隨著油箱底部溫度的上升，汽油所含的輕組分不斷揮發，油蒸氣在油箱上部積聚，在油箱上部噴射火焰的炙烤下，汽油蒸氣溫度不斷升高，逐漸高于油液溫度。

實驗4中，油箱內油液和油蒸氣的升溫速率相近，約為0．14K／s，比汽油蒸氣的平均升溫速率低36．0%，800s后升溫速率逐漸下降，1 000s時柴油蒸氣溫度達到440K，比汽油蒸氣低16．2%。在整個烤燃過程中，柴油油液溫度與柴油蒸氣溫度接近，但始終比柴油蒸氣溫度高3～5K。－10號軍用柴油的主要成分為C11～C24脂肪烴和環烷烴類，加熱過程中只有少量組分揮發。油蒸氣通過抑爆球的孔隙時，與抑爆球相互作用，有部分能量損耗，故熱電偶測得的蒸氣溫度略低于油液溫度。由于柴油中的揮發性組分較少，因此油箱上部只出現火苗，油箱內部溫度的上升主要依賴于油池火，所以油液溫度高于柴油蒸氣溫度。

3 結 論

為模擬油箱在外部受熱條件下的燃爆特性，以76L油箱為研究對象，在敞開空間進行油箱外部烤燃實驗，對比不同密閉條件和填充情況下油箱的烤燃現象，結果表明：

（1）對于未填充抑爆球、出油口密閉的汽油油箱，烤燃產生的爆燃火球表面最高溫度達1 800K以上，火球體積約為油箱體積的1 600多倍，影響范圍較廣，熱危害嚴重；

（2）對于填充抑爆球的汽油油箱，其噴射火焰的表面最高溫度和尺寸顯著降低；

（3）在相同條件下，油箱內柴油蒸氣的平均升溫速率比汽油低，且柴油蒸氣溫度略低于其油液溫度。

［1］ 周麗秀．汽車加油站油罐火災案例分析及消防安全對策［J］．廣東化工，2015，42（9）：156－157．Zhou Lixiu．Gasoline tank fire case analysis and fire safety countermeasures on automobile gasoline filling station［J］．Guangdong Chemical Industry，2015，42（9）：156－157．

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［3］ 姜光華，劉建國，南子江．可防止易燃易爆液、氣體容器爆炸的抑爆材料［J］．兵工安全技術，1997（3）：19－21．Jiang Guanghua，Liu Jianguo，Nan Zijiang．Explosion suppression materials of preventable explosion of flammable and explosive liquid and gas containers［J］．Ordnance Safety Technology，1997（3）：19－21．

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Experimental study of cook－off performance of fuel tanks

Yao Jian1，Wang Haiyang1，Wang Cuihua2，Wang Yongxu1，Zhu Xiangdong3，Li Bin1

（1．School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing210094，Jiangsu，China；2．Shandong Cheng－tai Security Technology Consulting Company，Ltd．，Jinan 250013，Shandong，China；3．Oil Research Institute，The General Logistics Department of China Peoples Liberation Army，Beijing102300，China）

Vehicles are apt to catch fire easily in high－temperature weather or in traffic accidents．When their fuel tanks cook off，an explosion may occur，thereby posing a hazard to personal safety．To investigate the cook－off performance of fuel tanks，we conducted 4tests on 76Lfuel tanks under different airtight conditions and infillings，and obtained the surface and internal temperatures and the size of the fireballs using an infrared thermal imager，thermocouples and a camera．The experimental results show that the explosion may occur when the fuel outlets are closed and the fuel tank is not filled with explosion suppression balls．In our experiments，the highest surface temperature of the explosion fireball was above 1 800K，and the volume of the fireball was 1 600times more than that of the fuel tank．The explosion suppression balls filled in the tanks decreased the highest surface temperature and sizes of the jet fire．Under the same conditions，the average heating rate and the highest temperature of the diesel fuel vapor were 36．0%and 16．2%lower than that of the gasoline vapor respectively．

fuel tanks；cook－off；explosion；explosion suppression materials

O385國標學科代碼：13035

A

10．11883／1001－1455（2017）04－0779－06

（責任編輯 王 影）

2015－12－03；

2016－04－05

科技部國際科技合作重大專項（2013DFR60080）；江蘇省科技廳計劃項目（BE2014735）

姚 箭（1991－ ），男，博士研究生；通信作者：李 斌，wrilber＠sina．com。