柴油艙組集中透氣管燃爆危險(xiǎn)性及阻隔防爆技術(shù)*

孫緒緒，郭 進(jìn)，陸守香

（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，安徽 合肥 230027；2. 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108）

柴油作為一種非常重要的化石燃料和現(xiàn)代艦船的重要能源，普遍存在于艦船的油艙中，為了平衡油艙內(nèi)和大氣之間的壓力，通常會(huì)在油艙上方安裝透氣管。此外，為了節(jié)省甲板上的有效空間，大多數(shù)艦船采用集中式透氣管，即將多個(gè)油艙的透氣管在甲板上方匯合在一處，如圖1(b)所示。集中式透氣管在帶來(lái)巨大便利的同時(shí)，也存在極大的安全隱患，一旦其中一個(gè)柴油艙發(fā)生意外爆炸，爆炸火球很可能沿著透氣管傳播到其他油艙，引起二次爆炸，嚴(yán)重威脅艦船上人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，常溫常壓下爆炸火球能否通過(guò)透氣管傳播到相鄰的油艙亟待確定，并急需給出有效的阻隔防爆方法。

圖 1 透氣管結(jié)構(gòu)Fig. 1 Schematic diagrams of ventilation tubes

柴油的燃爆危險(xiǎn)性已經(jīng)得到普遍關(guān)注。Wang 等[1]采用新型有效的評(píng)估方法預(yù)測(cè)了柴油爆炸火球的爆炸參數(shù)，在危險(xiǎn)性評(píng)估領(lǐng)域具有重要意義。Lu 等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了新型非金屬球形材料對(duì)柴油爆炸火球的抑制作用，結(jié)果表明該種材料在柴油燃料二次爆炸過(guò)程中具有較好的抑爆效果。黃勇等[3]采用靜爆實(shí)驗(yàn)研究了安全柴油的抑爆能力；之后，劉健等[4]通過(guò)烤燃實(shí)驗(yàn)研究了3 種柴油的抑爆性能，結(jié)果表明阻燃抑爆柴油具有較好的阻燃抑爆能力。黃勇等[5]和羅琳等[6]實(shí)驗(yàn)研究了柴油云霧的最小點(diǎn)火能和燃爆特性。宋剛等[7]采用內(nèi)部強(qiáng)起爆的方法研究了軍用柴油的燃爆性能，得出結(jié)論為安全柴油在爆炸火球高溫持續(xù)時(shí)間和池火上的抑制效果較好。雖然柴油的燃爆特性已被普遍研究，但是柴油蒸汽爆炸火球在大尺寸復(fù)雜管道中的傳播能力尚沒(méi)有得到關(guān)注。盡管賈佳等[8]通過(guò)數(shù)值模擬研究了柴油爆炸火球在透氣管中的傳播特性，但是其結(jié)果沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文中，擬首次對(duì)全尺寸艦船柴油油艙透氣管中柴油蒸汽的燃爆傳播危險(xiǎn)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并給出有效的阻隔防爆方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 裝置與儀器

圖2 為柴油燃爆實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物。兩個(gè)柴油油艙通過(guò)透氣管連接在一起。柴油油艙采用縮比模型，長(zhǎng)度和寬度均按照1∶10 縮小，高度按照1∶5 縮小，兩個(gè)油艙之間的距離為4 m，縮尺后的油艙為一個(gè)邊長(zhǎng)0.6 m 的正方體。兩個(gè)油艙側(cè)面各有一個(gè)直徑30 cm 的透明亞克力板觀察窗，用來(lái)觀察艙內(nèi)的點(diǎn)火情況。透氣管采用1∶1 原尺寸模擬，管徑為150 mm，高度為7 m。在兩個(gè)油艙表面和上方0.5、2.5 m處分別安裝CY-YD-205 壓力傳感器，用來(lái)記錄爆炸超壓。在距離實(shí)驗(yàn)裝置6 m 處，架設(shè)一臺(tái)nac HX-3 高速相機(jī)，拍攝頻率為2 000 s-1，用來(lái)記錄油艙內(nèi)的火焰?zhèn)鞑D像。值得注意的是：本工作的主要目的是探索其中一個(gè)油艙發(fā)生意外爆炸時(shí)，爆炸火球能否傳播到相鄰的油艙并引起二次爆炸，在此過(guò)程中，柴油油艙的尺寸并不是主要影響因素，透氣管的尺寸才是需要重點(diǎn)考慮的參數(shù)，因而透氣管采用1∶1 原尺寸模擬，柴油油艙的縮比模型并沒(méi)有考慮相似準(zhǔn)則。

圖 2 柴油燃爆實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 2 An experimental device for diesel fuel explosion

1.2 燃料準(zhǔn)備

在本文中，為了模擬艦船柴油油艙在海面上行駛的工況，采用10#柴油作為實(shí)驗(yàn)燃料，實(shí)驗(yàn)開始前，分別向兩個(gè)油艙中注入5 L 柴油，在陽(yáng)光下暴曬30 min，環(huán)境溫度為15～27 ℃，風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)3 級(jí)。暴曬期間，為使柴油蒸汽充滿整個(gè)透氣管，在兩個(gè)油艙之間安裝一個(gè)防爆循環(huán)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)循環(huán)時(shí)間為30 min，以保證柴油蒸汽充分循環(huán)。在右側(cè)油艙中間安裝一個(gè)點(diǎn)火電極，用來(lái)點(diǎn)燃柴油蒸汽。相較于本文中的實(shí)驗(yàn)條件，艦船油艙所處的實(shí)際環(huán)境更加苛刻，因?yàn)楹Ｃ嫔蠠o(wú)處遮擋，甲板上的溫度時(shí)常超過(guò)40 ℃，油艙在海面上長(zhǎng)時(shí)間處于陽(yáng)光下暴曬，且受海浪的影響，柴油燃料在油艙內(nèi)發(fā)生劇烈擺動(dòng)，致使透氣管內(nèi)充滿柴油蒸汽。以此類推，如果爆炸火球在本文中的實(shí)驗(yàn)條件下能夠通過(guò)透氣管進(jìn)入相鄰的油艙，那么在實(shí)際情況下，爆炸火球也一定能夠通過(guò)透氣管，并引燃相鄰的油艙。

1.3 阻隔防爆裝置

采用新型抑爆小球作為阻隔防爆裝置來(lái)研究其阻隔防爆效果。抑爆小球是一種球形蜂窩狀、高比表面積的抑爆材料，直徑為30 mm，主要成分為非金屬材料，不易燃，質(zhì)輕，卻有較高的比表面積，主要應(yīng)用于網(wǎng)狀抑爆材料不易填充的局部小空間。抑爆小球的外觀如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)之前，將新型防爆小球填充滿長(zhǎng)50 cm、直徑150 mm 的管道中，充滿小球的管道安裝在點(diǎn)火艙上方0.5 m 處。使用相同規(guī)格的普通波紋型阻火器與抑爆小球的阻隔防爆效果進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示。波紋型阻火器型號(hào)為ZGB-1，符合GB 5908-86《石油儲(chǔ)罐阻火器阻火性能和試驗(yàn)方法》的要求，其阻火芯材料為不銹鋼防爆阻火波紋板，質(zhì)量為25 kg。

圖 3 抑爆小球外觀Fig. 3 Picture of explosion suppression balls

圖 4 阻隔防爆裝置實(shí)物Fig. 4 Pictures of explosion suppression apparatuses

1.4 實(shí)驗(yàn)工況與步驟

本實(shí)驗(yàn)工況如表1 所示，具體步驟如下：

（1）實(shí)驗(yàn)人員檢查儀器設(shè)備是否正常，并進(jìn)行設(shè)備調(diào)試；

（2）在確定設(shè)備正常的情況下，著手開展空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，即測(cè)試常溫常壓下，點(diǎn)火艙發(fā)生意外爆炸后是否可以通過(guò)透氣管傳播到相鄰的油艙，并發(fā)生二次爆炸；

（3）測(cè)試普通波紋型阻火器是否能夠成功阻火，即將普通波紋型阻火器安裝在點(diǎn)火艙上方0.5 m 處，點(diǎn)燃點(diǎn)火艙內(nèi)的燃料，觀察爆炸火球能否傳播到被點(diǎn)火艙；

（4）測(cè)試新型抑爆小球阻隔防爆裝置的阻隔防爆效果，即將填充抑爆小球的阻火器安裝在點(diǎn)火艙上方0.5 m 處，點(diǎn)燃點(diǎn)火艙內(nèi)的燃料，觀察爆炸火球能否傳播到被點(diǎn)火艙；

（5）對(duì)比分析普通波紋型阻火器和新型抑爆小球阻隔防爆裝置的阻隔防爆效果，分析新型抑爆小球的阻隔防爆機(jī)理。

表 1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 柴油蒸汽燃爆危險(xiǎn)性及阻隔防爆裝置抑爆效果分析

本部分主要介紹柴油蒸汽在透氣管中的燃爆危險(xiǎn)性以及相應(yīng)阻隔防爆裝置的抑爆效果。光滑透氣管中點(diǎn)火艙與被點(diǎn)火艙的高速圖像如圖5 所示。從圖5 中可以清晰地看出，在常溫常壓下，一旦點(diǎn)火艙內(nèi)的柴油蒸汽發(fā)生爆炸，爆炸火球可以通過(guò)透氣管傳播到相鄰的油艙，并產(chǎn)生二次爆炸，危及人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。從圖5 中還可以發(fā)現(xiàn)，相較于點(diǎn)火艙，被點(diǎn)火艙內(nèi)燃燒更劇烈。這是因?yàn)楸ɑ鹎蛟诠艿乐袀鞑r(shí)經(jīng)歷了加速過(guò)程，而且此時(shí)條件允許（燃料充足、管徑較大），所以管道越長(zhǎng)，火焰加速越快，爆炸超壓越大，相應(yīng)的燃燒也更劇烈。

圖 5 火焰?zhèn)鞑ジ咚賵D像Fig. 5 High-speed pictures of flame propagation

安裝兩種阻隔防爆裝置后，被點(diǎn)火艙的高速圖像如圖6 所示。由圖6 可以明顯看出，波紋型阻火器阻火失效，爆炸火球成功傳播到被點(diǎn)火艙。而新型抑爆小球起到了很好的阻隔防爆作用，成功抑制爆炸火焰?zhèn)鞑サ奖稽c(diǎn)火艙?；鹧?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的爆炸超壓通過(guò)分布在管道上的壓力傳感器記錄。

圖7(a)展示了光滑透氣管中不同位置處的爆炸超壓隨時(shí)間的變化曲線。由圖7(a)可知，相對(duì)于油艙內(nèi)的爆炸超壓，油艙上方2.5 m 處的透氣管中爆炸超壓更大。這是由于點(diǎn)火之后，火焰進(jìn)入透氣管中經(jīng)歷了加速過(guò)程。管道越長(zhǎng)，火焰加速越快，相應(yīng)的爆炸超壓也越大。但是，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)入油艙后，由于突然進(jìn)入開放空間，火球急劇膨脹，導(dǎo)致火焰速度下降，爆炸超壓降低。波紋型阻火器被安裝在點(diǎn)火艙上方后，各處爆炸超壓降低約300 kPa，說(shuō)明波紋型阻火器起到了一定的阻隔防爆效果，但火焰還是傳播到了被點(diǎn)火艙，因此仍然認(rèn)為其未成功阻火（見圖7(b)）。將新型抑爆小球安裝在點(diǎn)火艙上方相同位置，點(diǎn)火艙內(nèi)的爆炸超壓急劇降至約300 kPa，被點(diǎn)火艙內(nèi)的壓力降至約35 kPa，抑爆小球阻火成功(見圖7(c))。

圖 6 被點(diǎn)火艙火焰?zhèn)鞑ジ咚賵D像Fig. 6 High-speed flame pictures in ignited chamber

圖 7 爆炸超壓隨時(shí)間變化曲線Fig. 7 Explosion overpressure versus time

光滑透氣管、含有波紋型阻火器透氣管和含有抑爆小球阻火器透氣管3 種工況中被點(diǎn)火艙內(nèi)的最大爆炸超壓分別為552.5、282.0 和35.0 kPa。另外，從圖7 可知，在光滑透氣管和含有波紋型阻火器的透氣管中，點(diǎn)火艙內(nèi)的壓力較低，而在含有抑爆小球的透氣管中，點(diǎn)火艙內(nèi)的爆炸超壓遠(yuǎn)大于其他兩種工況。這是因?yàn)樵诤幸直∏虻耐笟夤苤校直∏蛲耆钃踝×吮ɑ鹧娴膫鞑?，燃燒產(chǎn)物無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散出去，致使點(diǎn)火艙內(nèi)壓力急劇增加。而另外兩種工況中，火焰可順利通過(guò)透氣管，燃燒產(chǎn)物及時(shí)擴(kuò)散出去，沒(méi)有積聚，所以點(diǎn)火艙內(nèi)的壓力較低。

圖 8 實(shí)驗(yàn)后的抑爆小球Fig. 8 Explosion suppression balls after experiments

2.2 抑爆小球阻隔防爆機(jī)理分析

新型抑爆小球?yàn)槎嗫字锌盏乃芰锨蛐谓Y(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，當(dāng)火焰通過(guò)抑爆小球時(shí)，可以保證大部分的熱量都被小球吸收，起到降低火焰表面溫度、減小火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖饔茫瑥亩_(dá)到阻隔防爆的目的。實(shí)驗(yàn)后的抑爆小球如圖8 所示，可以發(fā)現(xiàn)在抑爆小球下方有約10 cm 高的燒焦區(qū)，而上方的抑爆小球結(jié)構(gòu)并未被破壞，這表明火焰在進(jìn)入抑爆小球裝置后，傳播約10 cm 就已經(jīng)完全熄滅。

為了定性分析抑爆小球的阻隔防爆機(jī)理，采用二維數(shù)值模擬方法近似模擬燃燒波通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)的情形。充滿抑爆小球的管道被近似簡(jiǎn)化為二維多孔結(jié)構(gòu)，如圖9 所示。控制方程為歐拉方程，采用兩步誘導(dǎo)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和GPU數(shù)值模擬方法，具體細(xì)節(jié)可以參考文獻(xiàn)[9-12]。由圖9 可知，當(dāng)燃燒波進(jìn)入多孔結(jié)構(gòu)后，反應(yīng)面被迅速分割成多個(gè)獨(dú)立的小區(qū)域，增加了反應(yīng)面與小球表面的接觸面積，增大了熱損失。另外，當(dāng)燃燒波面通過(guò)第一排障礙物后，被分割的反應(yīng)面與后面的障礙物迅速發(fā)生碰撞，進(jìn)一步降低反應(yīng)面的傳播速度，擴(kuò)大熱損失。如此循環(huán)往復(fù)，最終導(dǎo)致反應(yīng)終止，燃燒熄滅。

圖 9 燃燒波通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)的密度云圖Fig. 9 Density field showing combustion wave propagating through porous structure

3 結(jié) 論

（1）常溫常壓下，采用集中透氣管的柴油艙組，一旦其中一個(gè)油艙發(fā)生爆炸，爆炸火球可以通過(guò)透氣管傳播到相鄰的油艙，并引起二次爆炸。

（2）新型抑爆小球可以起到很好的抑爆效果，與光滑透氣管工況相比，安裝抑爆小球后，被點(diǎn)火艙內(nèi)的爆炸超壓可以從約552.5 kPa 顯著降低到35.0 kPa。

（3）抑爆小球多孔的中空球形結(jié)構(gòu)是其成功阻隔防爆的關(guān)鍵，較大的比表面積吸收了大量的熱量，降低了火焰溫度和傳播速度，從而有效地起到阻隔防爆效果；另外，抑爆小球的多孔結(jié)構(gòu)還可以起到分割削弱反應(yīng)面的作用，這也是導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)終止的重要原因。