柴油的烤燃燃爆性能實(shí)驗(yàn)*

劉 健,姚 箭,宋述忠,李 斌,解立峰,王永旭

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.北京奧信化工科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100043)

車輛的燃油系統(tǒng)一直是其最薄弱的環(huán)節(jié)。由于油料的閃點(diǎn)低，而軍用裝甲裝備、飛機(jī)、大型貨運(yùn)汽車以及油罐槽車具有超大油箱且經(jīng)常處于明火、靜電、槍擊、雷電及意外碰撞的環(huán)境，燃油箱不可避免存在火災(zāi)爆炸危險。特別在軍事領(lǐng)域，一旦車輛、裝備發(fā)生安全事故或遭受炮火襲擊，容易引發(fā)油箱中柴油的二次爆炸，造成嚴(yán)重的裝備損毀和人員傷亡[1-3]。

以往，油箱阻燃防爆技術(shù)主要通過填充阻隔防爆材料，而長時間使用后材料會被腐蝕和破損并影響燃料基本性能[4-6]。目前，對阻燃抑爆柴油有了相關(guān)研究。防火柴油(fire-resistant diesel, FRD)[7]是利用微乳化技術(shù)向柴油中添加了表面活性劑和水的柴油。阻燃抑爆柴油(fire-resistant-explosion-suppression diesel, FED)是向柴油中添加了聚合物抑爆劑和復(fù)合抗拋撒劑的柴油。Gupta等[8]通過庚烷池火和雙流體霧化器研究水霧特性在抑制油池火焰上的作用。Fahd等[9]研究10%水乳化柴油在梯度變化負(fù)載條件下，直噴式柴油機(jī)的性能和排放變化，并與基地柴油進(jìn)行比較。Ochoterena等[10]主要利用NMR和光學(xué)分析表征水系乳化柴油、微乳化柴油和常規(guī)柴油燃料的物理性質(zhì)、噴霧特征及燃燒特性。Apparao等[11]通過爆炸裝置形成環(huán)氧丙烷和環(huán)氧乙烷易爆氣溶膠，研究碳?xì)淙剂显诳諝庵械膾伻龇稚⑿詶l件。Marty等[12]評估水系乳化防火燃料發(fā)展局限性及JP-8防火燃料的使用。在我國，有相關(guān)研究：陳中元等[13]研究微乳化柴油中以正構(gòu)醇作助乳化劑，利用三元相圖分析體系中組分相的變化情況，并通過實(shí)驗(yàn)對微乳化柴油進(jìn)行分析測試；黃勇等[14]通過靜爆實(shí)驗(yàn)，研究了安全柴油的燃爆性能，以進(jìn)一步完善制備工藝，提高其性能；魏成龍[15]研究了抑爆劑、乳化劑與助乳化劑的選擇對阻燃抑爆柴油的阻燃性能的影響，進(jìn)行微觀表征。阻燃抑爆柴油的相關(guān)研究較多，但該燃油的阻燃抑爆效果還未在明火烤燃油箱的實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

為此，本文中利用76 L標(biāo)準(zhǔn)小貨車油箱,考察油箱在模擬外部受熱條件下的燃爆特性。對比盛裝不同油料的油箱，在明火炙烤下是否發(fā)生劇烈的燃燒和爆炸現(xiàn)象，以評估燃油的阻燃抑爆效果，為進(jìn)一步改進(jìn)及日后相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 裝置與儀器

標(biāo)準(zhǔn)貨車油箱的容積為76 L，材質(zhì)為20鋼，長寬高分別為680、400、290 mm，壁厚為1.5 mm。鋼制燃燒池的長寬高分別為700、460、200 mm。

WRNT-187 K型熱電偶的最大量程1 000 ℃，長1.5 m。Fastcam nltima APX型高速照相機(jī)(日本Photron公司生產(chǎn))的拍攝頻率為1 000 s-1，每幀像素1 024×1 024。IRS 669型紅外熱成像儀由上海熱像機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)。鋁板作為驗(yàn)證板使用，長寬高分別為2 000、2 000、2 mm，布氏硬度23，抗拉強(qiáng)度90 MPa。XMTA-9000型智能溫度數(shù)顯儀由北京雷輝盛宗儀表有限公司生產(chǎn)。還有高清攝像機(jī)、電子秤等。

1.2 樣品

實(shí)驗(yàn)油料為-10#柴油、防火柴油(FRD)、阻燃抑爆柴油(FED)，表1為3種柴油的理化性能。

表1 實(shí)驗(yàn)油料理化性能Table 1 Physical and chemical properties of experimental diesel

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與布置

參照GB/T 14372-2013《危險貨物運(yùn)輸:爆炸品的認(rèn)可和分項(xiàng)試驗(yàn)方法》、AQ 3001-2005《汽車加油(氣)站、輕質(zhì)燃油和液化石油氣汽車罐車用阻隔防爆儲罐技術(shù)要求》和GJB 3075-1997《軍用柴油規(guī)范》，分別將盛裝38 L的-10#柴油、防火柴油和阻燃抑爆柴油的試驗(yàn)油箱放置于金屬支架上。鋼制燃燒池置于支架正下方，在油箱內(nèi)部分別添加熱電偶測量烤燃過程中油蒸氣溫度與油液溫度，油箱四周的三面(除下風(fēng)面)距離其邊緣4 m處豎直放置驗(yàn)證板，并且使見證板中心與油箱中心同高。每次實(shí)驗(yàn)前在油池中添加20 L煤油作為燃料。高速攝像機(jī)、普通攝像機(jī)和紅外熱成像儀置于距油箱中心30 m處。紅外熱成像儀用于采集油箱及燃燒火焰的表面溫度，采樣周期為1 s。電子秤用于測量明火烤燃過程中油箱內(nèi)油料蒸發(fā)速率。 實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)象分析

圖2為高清攝像機(jī)拍攝的分別盛裝-10#柴油、防火柴油、阻燃抑爆柴油3組油箱烤燃實(shí)驗(yàn)的典型時刻圖片。

從圖2中可以看出，在17 min左右，盛裝-10#柴油的油箱表面及側(cè)面出現(xiàn)明顯噴射火焰，后發(fā)生爆炸形成巨大火球，側(cè)面驗(yàn)證板受損。因?yàn)榭救歼^程中密閉油箱中的油蒸氣在內(nèi)部迅速積聚，當(dāng)油蒸氣壓力超過油箱承受壓力時，油箱發(fā)生爆炸，油蒸氣與油料迅速向外擴(kuò)散，形成爆炸云團(tuán)，與空氣周圍混合發(fā)生爆燃，爆炸高溫火球體積約為157.4 m3，為油箱容積的2 071倍。而盛裝防火柴油和阻燃抑爆柴油的油箱僅產(chǎn)生了噴射火焰，阻燃抑爆柴油的火焰比防火柴油的微弱些。這是由于油箱排氣口溢出的油蒸氣被池火點(diǎn)燃，形成噴射火焰。-10#柴油在烤燃過程產(chǎn)生噴射火焰的最高溫度約為1 490.4 ℃，防火柴油噴射火焰最高溫度比-10#柴油降低31.39%，阻燃抑爆柴油比防火柴油降低24.67%。

由于體系含水量、聚合物抑爆劑和表面活性劑的添加改變了柴油的理化性質(zhì)。3種燃料的閃點(diǎn)、密度差別不大，運(yùn)動黏度差別較大。在烤燃條件下：一方面，高分子聚合物抑爆劑的添加導(dǎo)致油樣黏度增大，蒸發(fā)性變差，限制了油蒸氣與空氣的充分混合，從而阻礙油蒸氣的劇烈燃燒和爆炸；另一方面，阻燃抑爆柴油中的水分一部分氣化成為水蒸氣，混合在柴油蒸氣中，在遇火點(diǎn)燃時，水蒸汽的形成過程吸收了大量熱量，降低燃燒區(qū)域火焰溫度，影響了柴油蒸氣的燃燒。

可見，阻燃抑爆柴油能降低油料的汽化和蒸發(fā)速率，降低燃燒過程的溫度，影響火焰?zhèn)鞑?，降低燃油油箱烤燃過程的危險性。

2.2 烤燃油箱外部溫度場分布

圖3是紅外熱成像系統(tǒng)拍攝的3組實(shí)驗(yàn)烤燃過程中溫度最高時刻紅外熱成像圖。運(yùn)用系統(tǒng)自帶軟件對所記錄的圖像進(jìn)行處理，得到噴射火焰最高溫度和尺寸，見表2。

根據(jù)圖3和表2可以看出，盛裝-10#柴油油箱烤燃過程中發(fā)生劇烈燃燒和爆炸，爆炸火球表面最高溫度達(dá)1 490.4 ℃，火球高溫持續(xù)時間達(dá)3.2 s，最高溫火球尺寸體積約為157.4 m3，在17 min左右有一個明顯的突越，說明在該點(diǎn)發(fā)生的爆炸。防火柴油噴射火焰體積約為0.576 m3，阻燃抑爆柴油噴射火焰體積約為0.168 m3；-10#柴油最高溫火球高度為7.3 m，防火柴油噴射火焰高度比-10#柴油降低了75.34%，阻燃抑爆柴油比防火柴油降低了61.11%。 可見，阻燃抑爆柴油能夠通過阻滯火焰?zhèn)鞑ニ俣?，明顯降低火焰高度。

表2 噴射火焰的尺寸和表面溫度Table 2 Size and surface temperature of jet fire

2.3 烤燃油箱內(nèi)部溫度場變化

為研究阻燃抑爆柴油對油箱內(nèi)部溫度場的影響，選用兩個熱電偶分別測量烤燃過程中油蒸氣溫度與液相溫度。盛裝3種柴油的油箱烤燃過程中其內(nèi)部溫度變化如圖4所示。

同類柴油相比，3組實(shí)驗(yàn)油箱內(nèi)部油蒸氣溫度都始終高于油液溫度，-10#柴油油箱油液溫度平均升溫速率為13.06 ℃/min，油蒸氣升溫速率先增加后減小，且始終高于油液溫度，平均升溫速率為18.65 ℃/min。17 min時，油箱內(nèi)部油液溫度達(dá)到251 ℃，油蒸氣溫度到達(dá)363 ℃，隨后油箱發(fā)生爆炸，油料拋灑，熱電偶被拋出；防火柴油油箱內(nèi)部油液溫度平均升溫速率為7.96 ℃/min，油蒸氣溫度升溫速率為7.96 ℃/min，20 min后，兩者接近；阻燃抑爆柴油油箱內(nèi)部溫度隨變化與防火柴油相似，油液溫度平均升溫速率為7.36 ℃/min，油蒸氣溫度平均升溫速率為7.36 ℃/min。25 min后，油箱內(nèi)部油蒸氣溫度與油液溫度接近，最終維持在243 ℃。兩組實(shí)驗(yàn)后期，蒸汽溫度都有下降過程，油池火逐漸轉(zhuǎn)弱，提供熱量有限。防火柴油油箱內(nèi)部蒸氣溫度和油液溫度平均升溫速率比-10#柴油分別降低39.05%和57.32%；阻燃抑爆柴油油箱內(nèi)部蒸氣溫度和油液溫度平均升溫速率比防火柴油分別降低7.54%和7.54%。

不同柴油同類溫度比較，阻燃抑爆柴油與防火柴油對于降低油箱內(nèi)部油液溫度和油蒸氣溫度效果明顯，其中阻燃抑爆柴油效果最佳。烤燃過程，油箱內(nèi)部有多種相態(tài)存在，防火柴油與阻燃抑爆柴油體系中的水蒸氣能稀釋柴油中的揮發(fā)組分，且能附著在燃油的表面達(dá)到隔絕氧氣的效果，水份也能吸收熱量降低體系溫度，達(dá)到降低油箱內(nèi)部溫度的效果[16]。

2.4 3種柴油的蒸發(fā)速率

為研究明火烤燃過程中油箱內(nèi)油料蒸發(fā)速率，根據(jù)試驗(yàn)前后油箱和油料總體質(zhì)量的變化，獲得相應(yīng)油料烤燃過程中的質(zhì)量蒸發(fā)速率，見表3。

從表2中可以看出，-10#柴油油箱在烤燃過程中發(fā)生劇烈燃燒和爆炸，油箱破損，未蒸發(fā)的油料被拋撒，實(shí)驗(yàn)后質(zhì)量無法測得。防火柴油在烤燃過程中質(zhì)量蒸發(fā)速率為0.35 kg/min，阻燃抑爆柴油的質(zhì)量蒸發(fā)速率為0.30 kg/min。阻燃抑爆柴油油料質(zhì)量蒸發(fā)速率比防火柴油降低14.29%。阻燃抑爆柴油和防火柴油中的液態(tài)水吸熱汽化為水蒸汽，水蒸汽能吸收高溫火焰的輻射熱，降低對可燃物表面的熱反饋，導(dǎo)致其表面溫度下降，蒸發(fā)速率減小。另外，水的汽化潛熱遠(yuǎn)大于柴油(常溫常壓下，柴油的汽化潛熱為230～250 kJ/kg，水的汽化潛熱約為2 257 kJ/kg)，導(dǎo)致油料汽化減緩。抑爆劑也導(dǎo)致油料黏度增大，蒸發(fā)性差，所以同樣條件下阻燃抑爆柴油的質(zhì)量蒸發(fā)速率略低于防火柴油。

表3 油箱內(nèi)油料蒸發(fā)速率Table 3 Evaporation rate of diesel in tanks

3 結(jié) 論

(1)以3種柴油基燃油為原料，以76 L標(biāo)準(zhǔn)小貨車油箱為載體，模擬3種柴油裝入油箱在烤燃條件下的特性。-10#柴油油箱烤燃反應(yīng)劇烈，并發(fā)生劇烈燃燒和爆炸，防火柴油和阻燃抑爆柴油烤燃反應(yīng)程度較低，在油箱口形成噴射火焰。

(2)在劇烈燃燒和爆炸過程中，-10#柴油爆炸時高溫火球體積約為157.4 m3，為油箱容積的2 071倍，最高溫度為1 490.4 ℃，高溫持續(xù)時間為3.2 s。阻燃抑爆柴油的開發(fā)，降低了油品在高溫時的危險性。

(3)防火柴油和阻燃抑爆柴油在烤燃條件下與-10#柴油相比，噴射火焰的最高溫度和尺寸、油料質(zhì)量的蒸發(fā)速率都有顯著降低，阻燃抑爆柴油效果最好。

(4)阻燃抑爆柴油能夠降低油料氣化和蒸發(fā)速率，有效阻滯火焰?zhèn)鞑?。在明火烤燃條件下危險性排序?yàn)椋?10#柴油最高，防火柴油次之，阻燃抑爆柴油最低。

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