木材及人造板對(duì)火燒環(huán)境下復(fù)合運(yùn)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(quán)

木材及人造板對(duì)火燒環(huán)境下復(fù)合運(yùn)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(quán)

（中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 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(fù)合運(yùn)輸包裝容器設(shè)計(jì)時(shí)在火燒環(huán)境下的防熱性能。設(shè)計(jì)由鋼質(zhì)外容器、木材夾層、鋼質(zhì)內(nèi)容器組成的典型運(yùn)輸容器模擬試驗(yàn)件，開展了平均溫度約為800 ℃、持續(xù)時(shí)間約為30 min的野外油池火燒試驗(yàn)，測(cè)試了試驗(yàn)件內(nèi)外溫度及木材炭化情況。4種木材的隔熱效果由優(yōu)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(shí)隔熱效果差異較大，厚度達(dá)到120 mm及以上時(shí)差異減小，并均能在火燒環(huán)境下將內(nèi)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(yōu)，中纖板次之，然后是刨花板，最后是水杉。本文研究結(jié)果為放射性物品復(fù)合運(yùn)輸容器隔熱設(shè)計(jì)提供了參考。

放射性物品；運(yùn)輸包裝容器；耐熱試驗(yàn)；木材；隔熱

放射性物品在運(yùn)輸過(guò)程中可能遭遇跌落、撞擊、火燒等嚴(yán)酷的事故場(chǎng)景，為此國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)[1-2]都明確要求放射性物品運(yùn)輸容器必須通過(guò)正常運(yùn)輸和運(yùn)輸事故條件的自由下落、耐熱等試驗(yàn)考核。其中，運(yùn)輸事故條件下力學(xué)試驗(yàn)主要包括自由下落試驗(yàn)Ⅰ（9 m跌落）、自由下落試驗(yàn)Ⅱ（1 m穿刺）、自由下落試驗(yàn)Ⅲ（9 m壓碎），事故條件下耐熱試驗(yàn)是指30 min、800 ℃火燒試驗(yàn)。這些試驗(yàn)考核項(xiàng)目對(duì)運(yùn)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(yùn)輸容器制造中得到了廣泛的應(yīng)用。邢攸冬等[3]分析了乏燃料運(yùn)輸容器減震器填充木材、聚氨酯泡沫和蜂窩鋁的性能優(yōu)劣。鐘衛(wèi)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(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算方法和理論分析等。國(guó)外學(xué)者M(jìn)usolff等[5]、Ammerman等[6]、Neumann等[7]對(duì)木材在運(yùn)輸容器中的抗沖擊應(yīng)用和進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析及確認(rèn)。Huang等[8]對(duì)火燒環(huán)境下包裝箱中木材的傳熱性能、熱解性能進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬。郭春秋等[9]從設(shè)計(jì)、加工、試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面介紹了木材在新燃料運(yùn)輸容器制造中的應(yīng)用。Bang等[10]介紹了巴爾杉木在船用放射性材料運(yùn)輸包裝箱中的應(yīng)用，利用該木材作為主要防護(hù)材料的包裝箱在經(jīng)歷跌落及火燒試驗(yàn)后，檢測(cè)表明內(nèi)容器未發(fā)生泄漏，防護(hù)效果良好。

木材的種類、構(gòu)型和尺寸的確定是相關(guān)運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[11-16]。然而，在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，很少對(duì)木材選用進(jìn)行對(duì)比分析，僅有Andersen等[11]對(duì)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(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，最終選擇了紅木作為某運(yùn)輸容器的主要防護(hù)材料。但由于木材資源的地域性特征，這些研究對(duì)象和結(jié)果并不能適用于所有國(guó)家。其他絕大多數(shù)文獻(xiàn)都基于既定的木材種類、構(gòu)型和尺寸，通過(guò)試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法，對(duì)其緩沖、隔熱效果進(jìn)行驗(yàn)證。本文立足國(guó)內(nèi)易獲取的且基本熱學(xué)性能參數(shù)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(shè)計(jì)加工了典型的鋼–木–鋼容器模擬試驗(yàn)件，通過(guò)野外油池火燒試驗(yàn)對(duì)其隔熱效果進(jìn)行了對(duì)比研究。與此對(duì)應(yīng)，鐘衛(wèi)洲等[4]也對(duì)上述4種木材的緩沖性能進(jìn)行了對(duì)比研究。因此，本文研究結(jié)果配合鐘衛(wèi)洲等[4]的研究結(jié)果，可為國(guó)內(nèi)相關(guān)運(yùn)輸容器的木材選型及構(gòu)型、尺寸設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)件

1.1 試驗(yàn)材料簡(jiǎn)介

試驗(yàn)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(chǎn)地為綿陽(yáng)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(chǎn)地綿陽(yáng)市平武縣。由于含水率對(duì)木材質(zhì)量、傳熱性能、熱解性能等均有較大影響，因此對(duì)所用的4種木材進(jìn)行了含水率、密度和導(dǎo)熱系數(shù)（瞬態(tài)平面熱源技術(shù)，TPS）的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 4種木材的含水率測(cè)試結(jié)果

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

1.2 試驗(yàn)件描述

試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鋼質(zhì)外容器、木材夾層和鋼質(zhì)內(nèi)容器組成。外容器材質(zhì)為耐火鋼，壁厚為5 mm，下端蓋與側(cè)壁焊接，上端蓋與側(cè)壁螺接，尺寸為220 mm×400 mm、340 mm×400 mm、500 mm× 600 mm等3種規(guī)格。側(cè)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(yàn)件軸向，2種人工木材的順面方向沿試驗(yàn)件軸向。內(nèi)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(yàn)件技術(shù)狀態(tài)見(jiàn)表2。

圖1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

表2 試驗(yàn)件技術(shù)狀態(tài)

Tab.2 Technical conditions of test piece

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

2.1 火燒試驗(yàn)系統(tǒng)

火燒試驗(yàn)系統(tǒng)主要由10 m油池、供油管道、止回閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及控制系統(tǒng)、油泵、儲(chǔ)油罐、液位傳感器及測(cè)試系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

油池由耐熱鋼板制作而成，分為內(nèi)圈油池和外圈冷卻水池。試驗(yàn)前，先在內(nèi)圈油池內(nèi)注入一定高度的水，再注入適量的燃料（煤油）。同時(shí)，還需在外圈冷卻水池中注入適量的水，以避免試驗(yàn)過(guò)程中火焰高溫導(dǎo)致鋼油池變形。油池液位通過(guò)水井下的液位傳感器感知，通過(guò)電纜將信號(hào)傳輸至上位機(jī)控制程序，實(shí)時(shí)判斷煤油燃燒速率和剩余燃燒時(shí)間，從而控制油泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥向油池中補(bǔ)充適量煤油，以確保加載時(shí)間在30 min左右。

溫度測(cè)點(diǎn)布局示意圖見(jiàn)圖1，各測(cè)點(diǎn)具體位置及測(cè)試傳感器見(jiàn)表3。其中，T0—T4由K型熱電偶測(cè)量，測(cè)點(diǎn)T5由溫度試紙測(cè)量，通過(guò)試驗(yàn)后拆解試驗(yàn)件，根據(jù)其顏色直接讀取其最高值。試驗(yàn)時(shí)K型熱電偶、數(shù)據(jù)采集器、上位機(jī)及測(cè)試軟件等組成溫度測(cè)試系統(tǒng)，持續(xù)記錄相應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)。

圖2 火燒試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

表3 溫度測(cè)點(diǎn)位置

Tab.3 Positions of temperature measurement points

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)件放置在由耐火鋼制成的托架上，試驗(yàn)件分橫放和豎放2種姿態(tài)，試驗(yàn)時(shí)確?；鹧鎸?duì)試驗(yàn)件充分包覆，如圖3所示。根據(jù)表3中測(cè)點(diǎn)安排，試驗(yàn)中采用電測(cè)法對(duì)每個(gè)試驗(yàn)件內(nèi)外部測(cè)試了T0—T4這5個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線。考慮到橫放試驗(yàn)件迎火面與背火面溫度環(huán)境有一定差異，為確保橫放試驗(yàn)件之間狀態(tài)一致，并與豎放試驗(yàn)件溫度測(cè)試結(jié)果具有可比性，橫放試驗(yàn)件統(tǒng)一放置溫度測(cè)試點(diǎn)在其側(cè)面。試驗(yàn)后，對(duì)各試驗(yàn)件進(jìn)行了分解，讀取了T5測(cè)點(diǎn)溫度試紙示值，測(cè)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(yàn)件放置示意圖與火焰包覆情況

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 溫度測(cè)試結(jié)果

圖4a給出了各試驗(yàn)件的加載溫度，即附近空氣中T0測(cè)點(diǎn)的溫度。由圖4a可見(jiàn)，火燒加載溫度在400～1 200 ℃內(nèi)波動(dòng)，其中多數(shù)時(shí)間的溫度為600～1 000℃。加載時(shí)間為30 min左右，30 min內(nèi)的平均溫度和最高溫度見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，12個(gè)試驗(yàn)件的T0測(cè)點(diǎn)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(cè)試曲線

圖4b給出了試驗(yàn)件內(nèi)外部的溫度測(cè)試曲線。由圖4b可見(jiàn)，從T0到T4測(cè)點(diǎn)，即由外到內(nèi)，被測(cè)點(diǎn)的最高響應(yīng)溫度依次降低。

驗(yàn)件內(nèi)部測(cè)點(diǎn)T1—T5的最高溫度見(jiàn)表5和圖5a—c。由表5、圖5a—c可見(jiàn)，由熱電偶測(cè)得的T4和由溫度試紙測(cè)得的T5數(shù)值吻合較好；每個(gè)試驗(yàn)件從T1到T4都具有很明顯的降低的趨勢(shì)；對(duì)于“1”型試驗(yàn)件（側(cè)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(duì)于“2”型和“3”型試驗(yàn)件，由于木材夾層較厚，到T3、T4測(cè)點(diǎn)位置，最高溫度已經(jīng)降低至一定水平，彼此間差別不大。

表4 各試驗(yàn)件T0測(cè)點(diǎn)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(nèi)容器內(nèi)表面（即T4測(cè)點(diǎn)）的最高溫度。很明顯，對(duì)“1”型試驗(yàn)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(nèi)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(xiàn)較好（100 ℃左右及以下）且差異較小（20 ℃以內(nèi)），但彼此間的隔熱性能優(yōu)劣順序依然不變。由上述結(jié)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(yàn)件外界環(huán)境溫度（即T0測(cè)點(diǎn)）平均值的分散性未對(duì)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(yàn)后各試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果。由圖6和表6可見(jiàn)，橫放試驗(yàn)件由于溫度環(huán)境不對(duì)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(duì)稱，豎放試驗(yàn)件溫度環(huán)境基本對(duì)稱，故木材炭化也基本對(duì)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(yàn)件內(nèi)的最高溫度分布

表5 在試件中測(cè)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(yīng)，但整個(gè)熱解（包括之前的干燥階段和預(yù)炭化階段）是大量吸熱的過(guò)程。在外界持續(xù)加熱的情況下，外層木材逐漸熱解，反應(yīng)界面逐漸由外向內(nèi)推進(jìn)，最終形成了2個(gè)完全不同的區(qū)域：炭化區(qū)域和未炭化區(qū)域。因此，在火燒過(guò)程中，木材夾層中的炭化、未炭化分界面，正是此時(shí)高低溫區(qū)域的分界面。最終的炭化厚度則反映了曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)高溫的厚度。炭化越淺，說(shuō)明高溫區(qū)域越靠外，隔熱效果越好，反之亦然。由此可見(jiàn)，上述木材夾層炭化厚度測(cè)試結(jié)果與3.1節(jié)溫度測(cè)試結(jié)果是吻合的。綜合溫度測(cè)試結(jié)果和炭化厚度測(cè)試結(jié)果，可以明確4種木材隔熱效果從優(yōu)到劣排序?yàn)槊讞?、中纖板、刨花板、水杉。

圖6 試驗(yàn)后各試驗(yàn)件頂蓋下第2層木材表面炭化情況照片

表6 各試驗(yàn)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(jié)語(yǔ)

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(guī)格的運(yùn)輸容器模擬試驗(yàn)件，并進(jìn)行了溫度約800 ℃、時(shí)長(zhǎng)約30 min的野外油池火燒試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)件內(nèi)部溫度分布和炭化厚度進(jìn)行綜合分析，可得出明確結(jié)論：

1）4種木材中，毛白楊隔熱效果最優(yōu)，中纖板次之，然后是刨花板，最后是水杉。

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

綜合本文數(shù)據(jù)和結(jié)論，結(jié)合文獻(xiàn)[4]所述緩沖性能研究結(jié)果，可為放射性運(yùn)輸容器緩沖隔熱設(shè)計(jì)中的木材選型、構(gòu)型及尺寸設(shè)計(jì)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(guó)家自然科學(xué)基金（51706213）

吳松（1986—），男，碩士。

毛勇建（1976—），男，博士。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋