木材及人造板對火燒環境下復合運輸包裝容器隔熱性能影響的比較研究

吳松，馬紅，毛勇建，胡宇鵬，周本權

木材及人造板對火燒環境下復合運輸包裝容器隔熱性能影響的比較研究

吳松，馬紅，毛勇建，胡宇鵬，周本權

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

比較易于獲取的天然（毛白楊、水杉）和人工木材（中纖板、刨花板）用于復合運輸包裝容器設計時在火燒環境下的防熱性能。設計由鋼質外容器、木材夾層、鋼質內容器組成的典型運輸容器模擬試驗件，開展了平均溫度約為800 ℃、持續時間約為30 min的野外油池火燒試驗，測試了試驗件內外溫度及木材炭化情況。4種木材的隔熱效果由優到劣依次為毛白楊、中纖板、刨花板、水杉；4種木材在厚度小于120 mm時隔熱效果差異較大，厚度達到120 mm及以上時差異減小，并均能在火燒環境下將內部容器的溫度保持在100 ℃左右及以下。4種木材中，毛白楊隔熱效果最優，中纖板次之，然后是刨花板，最后是水杉。本文研究結果為放射性物品復合運輸容器隔熱設計提供了參考。

放射性物品；運輸包裝容器；耐熱試驗；木材；隔熱

放射性物品在運輸過程中可能遭遇跌落、撞擊、火燒等嚴酷的事故場景，為此國內外標準[1-2]都明確要求放射性物品運輸容器必須通過正常運輸和運輸事故條件的自由下落、耐熱等試驗考核。其中，運輸事故條件下力學試驗主要包括自由下落試驗Ⅰ（9 m跌落）、自由下落試驗Ⅱ（1 m穿刺）、自由下落試驗Ⅲ（9 m壓碎），事故條件下耐熱試驗是指30 min、800 ℃火燒試驗。這些試驗考核項目對運輸容器的緩沖和隔熱性能提出了很高的要求。

木材是一種既能夠緩沖又能夠隔熱的天然材料，在放射性物品運輸容器制造中得到了廣泛的應用。邢攸冬等[3]分析了乏燃料運輸容器減震器填充木材、聚氨酯泡沫和蜂窩鋁的性能優劣。鐘衛洲等[4]詳研究了云杉、毛白楊、中纖板和刨花板的抗沖擊性能，以及獲得這些性能參數的試驗設計、數值計算方法和理論分析等。國外學者Musolff等[5]、Ammerman等[6]、Neumann等[7]對木材在運輸容器中的抗沖擊應用和進行了相關的試驗，并對試驗結果進行了分析及確認。Huang等[8]對火燒環境下包裝箱中木材的傳熱性能、熱解性能進行了理論分析和數值模擬。郭春秋等[9]從設計、加工、試驗和數值模擬等方面介紹了木材在新燃料運輸容器制造中的應用。Bang等[10]介紹了巴爾杉木在船用放射性材料運輸包裝箱中的應用，利用該木材作為主要防護材料的包裝箱在經歷跌落及火燒試驗后，檢測表明內容器未發生泄漏，防護效果良好。

木材的種類、構型和尺寸的確定是相關運輸容器設計的重要內容[11-16]。然而，在公開發表的文獻中，很少對木材選用進行對比分析，僅有Andersen等[11]對紅木（Redwood）、巴爾杉木（Balsa Wood）、膠合板（Plywood）等材料的單位體積吸能和吸熱指標進行了對比分析，最終選擇了紅木作為某運輸容器的主要防護材料。但由于木材資源的地域性特征，這些研究對象和結果并不能適用于所有國家。其他絕大多數文獻都基于既定的木材種類、構型和尺寸，通過試驗或數值模擬的方法，對其緩沖、隔熱效果進行驗證。本文立足國內易獲取的且基本熱學性能參數與早期使用的云杉[8,14-15]類似的2種天然木材和2種人工木材，即毛白楊、水杉、中纖板、刨花板，設計加工了典型的鋼–木–鋼容器模擬試驗件，通過野外油池火燒試驗對其隔熱效果進行了對比研究。與此對應，鐘衛洲等[4]也對上述4種木材的緩沖性能進行了對比研究。因此，本文研究結果配合鐘衛洲等[4]的研究結果，可為國內相關運輸容器的木材選型及構型、尺寸設計提供重要參考。

1 試驗材料與試驗件

1.1 試驗材料簡介

試驗材料包括2類共4種木材，其中天然木材為毛白楊（Populus Tomentosa Carrière）、水杉（Metasequoia Glyptostroboides）2種，產地為綿陽市平武縣，胸徑小于0.4 m；人工木材為中纖板、刨花板2種，產地綿陽市平武縣。由于含水率對木材質量、傳熱性能、熱解性能等均有較大影響，因此對所用的4種木材進行了含水率、密度和導熱系數（瞬態平面熱源技術，TPS）的測試，結果見表1。

表1 4種木材的含水率測試結果

Tab.1 Test results of moisture content in the four woods

1.2 試驗件描述

試驗件結構如圖1所示，由鋼質外容器、木材夾層和鋼質內容器組成。外容器材質為耐火鋼，壁厚為5 mm，下端蓋與側壁焊接，上端蓋與側壁螺接，尺寸為220 mm×400 mm、340 mm×400 mm、500 mm× 600 mm等3種規格。側壁木材夾層均分3層布置，均為順紋方向，兩端均分4層布置，其中2種天然木材的順紋方向沿試驗件軸向，2種人工木材的順面方向沿試驗件軸向。內容器為外形尺寸100 mm× 150 mm、壁厚5 mm的空心圓柱形鋼制容器。試驗件技術狀態見表2。

圖1 試驗件結構

表2 試驗件技術狀態

Tab.2 Technical conditions of test piece

2 試驗系統與方法

2.1 火燒試驗系統

火燒試驗系統主要由10 m油池、供油管道、止回閥、電動調節閥及控制系統、油泵、儲油罐、液位傳感器及測試系統等組成，如圖2所示。

油池由耐熱鋼板制作而成，分為內圈油池和外圈冷卻水池。試驗前，先在內圈油池內注入一定高度的水，再注入適量的燃料（煤油）。同時，還需在外圈冷卻水池中注入適量的水，以避免試驗過程中火焰高溫導致鋼油池變形。油池液位通過水井下的液位傳感器感知，通過電纜將信號傳輸至上位機控制程序，實時判斷煤油燃燒速率和剩余燃燒時間，從而控制油泵和電動調節閥向油池中補充適量煤油，以確保加載時間在30 min左右。

溫度測點布局示意圖見圖1，各測點具體位置及測試傳感器見表3。其中，T0—T4由K型熱電偶測量，測點T5由溫度試紙測量，通過試驗后拆解試驗件，根據其顏色直接讀取其最高值。試驗時K型熱電偶、數據采集器、上位機及測試軟件等組成溫度測試系統，持續記錄相應測點溫度數據。

圖2 火燒試驗系統示意圖

表3 溫度測點位置

Tab.3 Positions of temperature measurement points

2.2 試驗方法

試驗件放置在由耐火鋼制成的托架上，試驗件分橫放和豎放2種姿態，試驗時確保火焰對試驗件充分包覆，如圖3所示。根據表3中測點安排，試驗中采用電測法對每個試驗件內外部測試了T0—T4這5個測點的溫度時間歷程曲線。考慮到橫放試驗件迎火面與背火面溫度環境有一定差異，為確保橫放試驗件之間狀態一致，并與豎放試驗件溫度測試結果具有可比性，橫放試驗件統一放置溫度測試點在其側面。試驗后，對各試驗件進行了分解，讀取了T5測點溫度試紙示值，測試了木材夾層（上端面第2層木材的上表面）的炭化厚度。

圖3 試驗件放置示意圖與火焰包覆情況

3 試驗結果與分析

3.1 溫度測試結果

圖4a給出了各試驗件的加載溫度，即附近空氣中T0測點的溫度。由圖4a可見，火燒加載溫度在400～1 200 ℃內波動，其中多數時間的溫度為600～1 000℃。加載時間為30 min左右，30 min內的平均溫度和最高溫度見表4。由表4可見，12個試驗件的T0測點平均溫度具有一定分散性，但最高溫度更趨于一致。

圖4 部分溫度測試曲線

圖4b給出了試驗件內外部的溫度測試曲線。由圖4b可見，從T0到T4測點，即由外到內，被測點的最高響應溫度依次降低。

驗件內部測點T1—T5的最高溫度見表5和圖5a—c。由表5、圖5a—c可見，由熱電偶測得的T4和由溫度試紙測得的T5數值吻合較好；每個試驗件從T1到T4都具有很明顯的降低的趨勢；對于“1”型試驗件（側壁木材夾層厚度為60 mm），毛白楊（M1）降低最快，其次是中纖板（Z1）和刨花板（B1），最后是水杉（S1）；對于“2”型和“3”型試驗件，由于木材夾層較厚，到T3、T4測點位置，最高溫度已經降低至一定水平，彼此間差別不大。

表4 各試驗件T0測點的平均溫度和最高溫度

Tab.4 Mean and maximum temperature at T0 point of each test piece

圖5d整理了不同種類、不同厚度木材夾層情況下內容器內表面（即T4測點）的最高溫度。很明顯，對“1”型試驗件（即木材夾層厚度為60 mm），4種木材隔熱效果差異非常顯著：裝填毛白楊（M1）的內容器最高溫度最低，為102.1 ℃；中纖板（Z1）次之，為139.1 ℃；其次為刨花板（B1），溫度為201.9 ℃；最后為水杉（S1），溫度為279.6 ℃。木材夾層增厚至120 mm（即“2”型）、200 mm（即“3”型）以后，隔熱效果均表現較好（100 ℃左右及以下）且差異較小（20 ℃以內），但彼此間的隔熱性能優劣順序依然不變。由上述結果還可看出，由于4種木材隔熱效果差異比較明顯，所以試驗件外界環境溫度（即T0測點）平均值的分散性未對隔熱效果造成影響。

3.2 木材夾層炭化情況

圖6給出了試驗后各試驗件上端面第2層木材的上表面炭化情況照片，表6給出了炭化厚度測試結果。由圖6和表6可見，橫放試驗件由于溫度環境不對稱（迎火面燃燒不充分、溫度低，背火面燃燒充分、溫度高），木材炭化也不對稱，豎放試驗件溫度環境基本對稱，故木材炭化也基本對稱。在相同條件下，4種木材中，毛白楊炭化最薄，中纖板次之，刨花板第三，水杉最厚。

圖5 試驗件內的最高溫度分布

表5 在試件中測得的溫度最高值

Tab.5 Measured maximum temperature in test piece ℃

炭化是木材熱解吸熱的重要階段和重要表象。盡管炭化階段是放熱反應，但整個熱解（包括之前的干燥階段和預炭化階段）是大量吸熱的過程。在外界持續加熱的情況下，外層木材逐漸熱解，反應界面逐漸由外向內推進，最終形成了2個完全不同的區域：炭化區域和未炭化區域。因此，在火燒過程中，木材夾層中的炭化、未炭化分界面，正是此時高低溫區域的分界面。最終的炭化厚度則反映了曾經經歷過高溫的厚度。炭化越淺，說明高溫區域越靠外，隔熱效果越好，反之亦然。由此可見，上述木材夾層炭化厚度測試結果與3.1節溫度測試結果是吻合的。綜合溫度測試結果和炭化厚度測試結果，可以明確4種木材隔熱效果從優到劣排序為毛白楊、中纖板、刨花板、水杉。

圖6 試驗后各試驗件頂蓋下第2層木材表面炭化情況照片

表6 各試驗件頂蓋下第2層木材表面炭化厚度

Tab.6 Carbonization depth of the wood on the 2nd layer under the coping of every test piece after test

4 結語

將毛白楊、水杉2種天然木材和中纖板、刨花板2種人工木材填充入不同規格的運輸容器模擬試驗件，并進行了溫度約800 ℃、時長約30 min的野外油池火燒試驗。通過對比試驗件內部溫度分布和炭化厚度進行綜合分析，可得出明確結論：

1）4種木材中，毛白楊隔熱效果最優，中纖板次之，然后是刨花板，最后是水杉。

2）厚度小于120 mm時，4種木材隔熱效果差異較大；厚度達120 mm及以上，隔熱性能差異較小，均能在火燒環境下將內部容器溫度保持在100 ℃左右及以下。

綜合本文數據和結論，結合文獻[4]所述緩沖性能研究結果，可為放射性運輸容器緩沖隔熱設計中的木材選型、構型及尺寸設計等提供參考。

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Comparative Study on Effects of Wood and Wood-based Panel on Thermal Insulation of Composite Transport Packaging Containers under Fire Environment

WU Song, MA Hong, MAO Yong-jian, HU Yu-peng, ZHOU Ben-quan

(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China)

The work aims to compare the thermal insulation of natural (Populus tomentosa, Metasequoia glyptostroboides) and artificial (MDF and particleboard) woods that are easy to obtain and can be used in the design of composite transport packaging containers under fire environment. A typical transport container simulation test piece consisting of a steel outer container, a wood interlayer and a steel inner container was designed. The field oil pool fire test with an average temperature of about 800 ℃ and duration of about 30 min was carried out. The temperature inside and outside the test piece and the wood carbonization were tested. The thermal insulation effects of the four kinds of wood were: Populus tomentosa, MDF, particleboard, metasequoia glyptostroboides from superior to inferior. When the thickness of the four kinds of wood was less than 120 mm, the difference of thermal insulation effect was large, and when the thickness reached 120 mm or more, the difference was reduced, and all of them could keep the temperature of the inner container at about 100 ℃ or below under the fire environment. Among the four kinds of wood, Populus tomentosa has the best thermal insulation effect, followed by MDF, particleboard, and finally Metasequoia glyptostroboides. The results of this study provide a reference for the thermal insulation design of radioactive composite transport containers.

radioactive material; composite transport packaging containers; heat resistance test; wood; thermal insulation

TB485.3；V416.5；X45

A

1001-3563(2023)13-0292-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.035

2022?11?22

國家自然科學基金（51706213）

吳松（1986—），男，碩士。

毛勇建（1976—），男，博士。

責任編輯：曾鈺嬋