低壓條件下燃油開(kāi)閉口閃點(diǎn)變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

丁 超，周德闖，張曉會(huì)，汪 箭＊

（1．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026；2．亳州市第二中學(xué)，亳州，236832）

0 引言

乘坐飛機(jī)已逐漸成為人們?nèi)粘５某鲂蟹绞?，飛機(jī)安全問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，而在飛機(jī)事故中，因航空煤油爆炸引起的飛行失事占了很大比例。1996年，美國(guó)環(huán)球航空公司［1］的TWA800航班起飛后在海拔4194．048m 發(fā)生爆炸事故，據(jù)鑒定發(fā)現(xiàn)該事故發(fā)生的主要原因是燃油箱遇不明火源點(diǎn)燃發(fā)生爆炸。該飛機(jī)起飛后，環(huán)境壓力變化如圖1所示。另外，由于市場(chǎng)對(duì)燃料的需求迅速增長(zhǎng)，導(dǎo)致世界成品油管道運(yùn)輸規(guī)模不斷擴(kuò)大，而這些管道通常都是橫跨高海拔的高原環(huán)境，如我國(guó)的格爾木至拉薩的成品油管道、大西南成品油管道等，油品運(yùn)輸安全問(wèn)題也越來(lái)越受到重視。因此，研究燃油閃點(diǎn)隨壓力（海拔高度）的變化規(guī)律，對(duì)飛機(jī)油箱安全設(shè)計(jì)和油品運(yùn)輸安全管理有著重要的應(yīng)用意義。

閃點(diǎn)，通常被作為判斷可燃液體火災(zāi)危險(xiǎn)性大小的一個(gè)重要因素。閃點(diǎn)越低，可燃液體越容易揮發(fā)也越容易發(fā)生爆炸，危險(xiǎn)性就越大。目前，在閃點(diǎn)研究中，以傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在蒸汽壓、燃燒極限、點(diǎn)火能、分子結(jié)構(gòu)等物化性質(zhì)與閃點(diǎn)的相關(guān)性上取得了一定的進(jìn)展。2000年，Shepherd［2］等人分析燃料與空氣質(zhì)量比、可燃液體的蒸汽壓、質(zhì)量運(yùn)輸以及海拔對(duì)閃點(diǎn)的影響。Lee［3］等人發(fā)現(xiàn)最小點(diǎn)火溫度與航空煤油的閃點(diǎn)呈線性關(guān)系。2003年，Kong［4］等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同氧氣濃度下二氯甲烷的閃點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明增加氧氣濃度對(duì)二氯甲烷閃點(diǎn)的影響較小，而二氯甲烷閃點(diǎn)主要取決于點(diǎn)火源的類型以及點(diǎn)火源的能量。另外，關(guān)于閃點(diǎn)與海拔高度關(guān)系的研究，目前主要通過(guò)低壓艙模擬高原環(huán)境，1968年，Nestor［5］等人和2008年劉振翼［6］等人通過(guò)采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，均發(fā)現(xiàn)隨著海拔高度的升高閃點(diǎn)呈線性下降關(guān)系。

圖1 TWA800飛行過(guò)程中環(huán)境壓力變化［1］Fig．1 Nominal fuel pressure history for TWA800

然而，這些研究主要集中在低海拔環(huán)境中，不能滿足航空飛行器在高空低壓環(huán)境中的安全要求。少數(shù)通過(guò)低壓艙環(huán)境模擬高原環(huán)境的研究認(rèn)為閃點(diǎn)與海拔高度的變化關(guān)系為線性。因此在低壓條件下，需要對(duì)可燃液體閃點(diǎn)變化的規(guī)律進(jìn)行重新評(píng)估。本文通過(guò)采用低壓艙模擬低壓環(huán)境，進(jìn)行航空煤油和柴油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，研究燃油閃點(diǎn)與壓力的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)量裝置

1．1 實(shí)驗(yàn)介紹

閃點(diǎn)是指可燃液體揮發(fā)出的可燃蒸氣與空氣的混合物同明火源（或電火花）接觸時(shí)發(fā)生閃燃的最低溫度。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）在其閃點(diǎn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)中對(duì)閃點(diǎn)的定義［7］為“在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，試驗(yàn)火焰引起試樣蒸汽著火，并蔓延至液體表面的最低溫度，修正到101．3kPa大氣壓下。”

本文采用開(kāi)、閉口閃點(diǎn)自動(dòng)測(cè)定一體機(jī)，可以滿足不同壓力下的測(cè)量要求。圖2為開(kāi)、閉口閃點(diǎn)自動(dòng)測(cè)定一體機(jī)實(shí)物圖，該閃點(diǎn)儀具有自動(dòng)鎖存打印功能，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 儀器主要性能參數(shù)Table 1 The main performance parameters of the instruments

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig．2 Physical map of the experimental apparatus

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

首先按照設(shè)計(jì)連接好儀器，利用低壓艙模擬設(shè)定的環(huán)境壓力，開(kāi)通點(diǎn)火乙炔氣體，接通閃點(diǎn)儀電源；在連續(xù)攪拌的條件下，以較低的恒定速率加熱升溫。在升溫過(guò)程中，采用一定頻率（3～5秒）的周期性點(diǎn)火對(duì)試樣蒸發(fā)的可燃液體蒸氣進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火，火焰使試樣表面的蒸氣產(chǎn)生閃燃的最低溫度即試樣的閃點(diǎn)溫度。當(dāng)試樣出現(xiàn)閃點(diǎn)時(shí)，顯示溫度值立即被鎖定，同時(shí)自動(dòng)切斷電加熱系統(tǒng)和高壓打火系統(tǒng)電源，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度即被測(cè)試樣的閉口閃點(diǎn)溫度值［9］，并通過(guò)閃點(diǎn)傳感器將閃點(diǎn)溫度以數(shù)字方式顯示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了航空煤油（Jet A）和柴油（0）的開(kāi)、閉口閃點(diǎn)值，可對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證。壓力范圍在33kPa～101kPa。由于我國(guó)未建立自己的標(biāo)準(zhǔn)大氣模式，并且目前選用較多的是美國(guó)在1976年制定的大氣模式，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局已將USSA－1976的30km 以下部分選作國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1920－80［10］，據(jù)此可以換算出不同壓力對(duì)應(yīng)的海拔高度。如表2和表3所示，給出了在不同環(huán)境壓力和海拔條件下，航空煤油和柴油的閃點(diǎn)（開(kāi)／閉口）測(cè)量結(jié)果。

3 分析及討論

3．1 航空煤油閃點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理

圖3和圖4給出了航空煤油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力的變化關(guān)系。利用數(shù)據(jù)處理方法，可得非線性擬合結(jié)果比線性擬合更好。擬合結(jié)果如表4 所示，其中，Tf表示航空煤油閃點(diǎn)（開(kāi)／閉口），℃；P表示環(huán)境壓力，kPa。

表2 航空煤油開(kāi)閉口閃點(diǎn)測(cè)量值Table 2 The measured values of Jet A’s open and closed flash points

表3 柴油開(kāi)閉口閃點(diǎn)測(cè)量值Table 3 The measured values of diesel’s open and closed flash points

從表4中可以看出非線性擬合關(guān)系式優(yōu)于線性擬合關(guān)系式，可見(jiàn)利用非線性的關(guān)系表示燃油閃點(diǎn)與環(huán)境壓力（海拔）關(guān)系更具有適用性。即隨著壓力的下降，閃點(diǎn)降低并且趨勢(shì)越來(lái)越快。根據(jù)我國(guó)火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)［11］，閉口閃點(diǎn)值低于45℃時(shí)，火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)由乙B 上升至乙A，即當(dāng)環(huán)境壓力低于65kPa（海拔高度約為3743m）時(shí)，航空煤油火災(zāi)危險(xiǎn)性也會(huì)隨之升高，因此在這樣的條件下，航空飛機(jī)從地面飛行至一定高度的過(guò)程中，燃油箱的火災(zāi)危險(xiǎn)性保護(hù)應(yīng)按照最高等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 航空煤油開(kāi)口閃點(diǎn)與壓力的關(guān)系（線性擬合）Fig．3 The open－closed flash points of Jet A with pressure

圖4 航空煤油閉口閃點(diǎn)與壓力的關(guān)系（對(duì)數(shù)擬合）Fig．4 The open－closed flash points of Jet A with pressure

表4 閃點(diǎn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 4 The processed result of the flash point data

3．2 柴油閃點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理

圖5和圖6給出了柴油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力有變化關(guān)系。利用數(shù)據(jù)處理方法，可得非線性擬合結(jié)果比線性擬合更好。擬合結(jié)果如表5所示，其中，Tf表示柴油閃點(diǎn)（開(kāi)／閉口），℃；P表示環(huán)境壓力，kPa。

圖5 柴油開(kāi)閉口閃點(diǎn)與壓力的關(guān)系（線性擬合）Fig．5 The open－closed flash points of diesel with pressure

從表5中可以看出非線性擬合關(guān)系式優(yōu)于線性擬合關(guān)系式，可見(jiàn)利用非線性的關(guān)系表示柴油閃點(diǎn)與環(huán)境壓力（海拔）關(guān)系更具有適用性。即隨著壓力的下降，閃點(diǎn)降低并且趨勢(shì)越來(lái)越快。根據(jù)我國(guó)火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)［11］，閉口閃點(diǎn)值低于60℃時(shí)，火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)由丙A 上升至乙B，即當(dāng)環(huán)境壓力低于49kPa（海拔高度約為6126m）時(shí)，柴油火災(zāi)危險(xiǎn)性也會(huì)隨之升高，因此在這樣的條件下，柴油的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及使用中都應(yīng)該給予更高的重視。

表5 閃點(diǎn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 5 The processed result of the flash point data

結(jié)合表4和表5，在高原低壓環(huán)境下，利用非線性的關(guān)系擬合燃油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)與環(huán)境壓力之間的關(guān)系更加具有適用性。即燃油閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力下降存在非線性的下降關(guān)系。燃料空氣比［5］是指燃料與空氣的混合物中，燃料的質(zhì)量與其所需要的空氣的質(zhì)量的比值，簡(jiǎn)稱燃空比，記為f。下面在假設(shè)燃空比為定值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行簡(jiǎn)單的理論分析。

即

圖6 柴油開(kāi)閉口閃點(diǎn)與壓力的關(guān)系（對(duì)數(shù)擬合）Fig．6 The open－closed flash points of diesel with pressure

其中f為燃空比，C為常數(shù)，燃空比可以由燃料蒸氣的摩爾質(zhì)量Mf和摩爾數(shù)Nf與空氣的摩爾質(zhì)量Mair和摩爾數(shù)Nair計(jì)算得到。又知摩爾比等于氣體體積分壓比：

式中，P為環(huán)境壓力，Pf為燃料蒸氣分壓。結(jié)合克勞修斯－克拉貝龍方程，整理公式（1）和（2）得到：

其中P1是在已知液體溫度為T(mén)1時(shí)的蒸氣分壓。又知，液體蒸發(fā)潛熱由溫度決定，因此在溫度變化范圍不大的情況下，液體蒸發(fā)潛熱hfg為常數(shù)。公式（3）可簡(jiǎn)化為：

由公式（4）可知，燃油閃點(diǎn)與環(huán)境壓力之間存在非線性的對(duì)數(shù)關(guān)系，但是上述公式的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。另外不同燃油開(kāi)、閉口杯閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力下降的趨勢(shì)具有差異性，結(jié)合Shepherd［2］等人飽和蒸發(fā)理論，可知燃油飽和蒸氣壓的不同是導(dǎo)致其閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力下降趨勢(shì)差異性的一個(gè)重要原因。

4 結(jié)論

本文利用模擬低壓環(huán)境，在壓力范圍33kPa～101kPa內(nèi)對(duì)航空煤油和柴油進(jìn)行開(kāi)、閉口杯法的閃點(diǎn)測(cè)量，研究了閃點(diǎn)與環(huán)境壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要結(jié)論如下：

（1）在高原低壓環(huán)境下，燃油開(kāi)、閉口杯閃點(diǎn)與環(huán)境壓力之間利用非線性的擬合比線性擬合更加具有適用性

（2）不同燃油開(kāi)、閉口杯閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力下降的趨勢(shì)具有差異性，相關(guān)的主要原因是其飽和蒸氣壓的不同，但尚需進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)的研究予以證實(shí)；

（3）隨著壓力的降低，航空煤油和柴油閃點(diǎn)下降的幅度越來(lái)越大，其火災(zāi)危險(xiǎn)性變得更高，對(duì)于現(xiàn)行的火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)需要重新進(jìn)行評(píng)估，以適應(yīng)高原低壓環(huán)境下的要求

以上結(jié)論表明，在高原低壓環(huán)境下，可燃液體的閃點(diǎn)低于常壓環(huán)境，由于火災(zāi)危險(xiǎn)性的增高，可燃液體的生產(chǎn)、運(yùn)輸和存儲(chǔ)也需要有新的安全應(yīng)急技術(shù)。另外，在飛機(jī)飛行的海拔高度下燃油閃點(diǎn)降低的幅度更大，因此建議飛機(jī)的油箱安全設(shè)計(jì)需要重視低壓環(huán)境導(dǎo)致的燃油低閃點(diǎn)問(wèn)題。

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［6］劉振翼．不同海拔條件下柴油閃點(diǎn)變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究［A］．2008（沈陽(yáng)）國(guó)際安全科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)［C］，沈陽(yáng)，2008．

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［8］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB／T3536－2008．石油產(chǎn)品閃點(diǎn)和燃點(diǎn)的測(cè)定（克利夫蘭開(kāi)口杯法）［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社．

［9］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB／T261－2008A．閃點(diǎn)的測(cè)定（賓斯基－馬丁閉口杯法）［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社．

［10］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB1920－80．標(biāo)準(zhǔn)大氣［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1981．

［11］彭湘濰，姜春明．國(guó)內(nèi)外關(guān)于“輕柴油”安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的概況與比較［J］．安全、健康和環(huán)境，2003，3（7）：10－13．