艦船噴氣燃料艙填充新型抑爆材料大尺度試驗研究

吳曉偉,賈 佳,李 斌,楊仲坤

(1.中國人民解放軍92942部隊, 北京 100161;2.南京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 南京 210094)

0 引言

液態(tài)燃料作為最常見的能源之一,已被廣泛應(yīng)用于軍工、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個方面,如石油化工行業(yè)、航空航天行業(yè)、發(fā)電行業(yè)等[1-2]。但其在生產(chǎn)、運輸、儲存和使用過程中極易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故,造成人員傷亡和財產(chǎn)損失[3-4]。在軍用方面,比如艦船在作戰(zhàn)過程中,油艙受到爆炸破片打擊或外界炮火襲擊,容易引發(fā)二次爆炸,對武器裝備和人員安全造成巨大威脅。

相對艦用柴油、滑油,噴氣燃料的閃點較低,火災(zāi)爆炸風(fēng)險相對較高,因此艦船噴氣燃料艙防火防爆問題成為艦船行業(yè)關(guān)注的重點。目前,部分艦船噴氣燃料艙采用氮氣填充進行惰化,但此方法存在一定的缺陷:一是需要配備單獨的氮氣發(fā)生和存儲系統(tǒng),占用了一定艦船資源;二是由于油艙難以完全密封,氮氣存在泄漏,需要不時補充氮氣;三是當(dāng)油艙遭受打擊破損時,氮氣溢出,將失去防爆抑爆作用。

除了氮氣惰化手段,針對油箱、油艙等油料存儲容器,目前研發(fā)了一些新型抑爆材料,已經(jīng)工程化應(yīng)用的包括網(wǎng)狀鋁合金材料、聚氨酯網(wǎng)狀材料(發(fā)泡抑爆材料)以及非金屬球形抑爆材料(注塑成型抑爆材料)等[5-6]。Yang等[7]研究了網(wǎng)狀鋁合金材料在不同裝填密度下對氣態(tài)燃料預(yù)混氣體的抑爆效果和超壓分布的影響,為抑爆材料性能優(yōu)化提供了參考。張婧等[8-9]探究了鋁合金抑爆油箱的抗彈性能,得出了填充材料具有更好的抗彈性能。賈佳等[10]對填充球形抑爆材料的油艙進行實彈炮擊的形式,研究了其抑爆效果,實驗結(jié)果為選擇抑爆材料提供了一定的理論基礎(chǔ)。袁必和等[11]討論了在管道中填充多孔材料的爆炸抑制效果,探究了各種填充情況對抑爆性能的影響。王子拓等[12]基于網(wǎng)狀高分子材料(聚氨酯材料),研究了裝填工藝對抑制油氣爆炸的影響,結(jié)果證明其對火焰發(fā)展、超壓等參數(shù)起到了有效抑制。與惰性氣體抑制[13]不同,抑爆材料的抑制原理[14-15]是將有限空間分割成數(shù)量較多小空間,從而增大空間內(nèi)表面積,加強對燃燒熱量的耗散,削弱火焰?zhèn)鞑ニ俣?減弱爆炸壓力,滿足燃爆的抑制要求[16-18]。前期研究成果表明,相比鋁合金網(wǎng)狀抑爆材料和惰性氮氣而言,非金屬球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料可有效抑制燃料艙內(nèi)可燃混合氣的爆炸。

為研究新型抑爆材料對艦船噴氣燃料艙的抑爆效果,研究將基于大尺度艦船噴氣燃料(RP-5)艙,填充2種新型抑爆材料(非金屬球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料),采用2種載荷(爆炸、破片)開展抑爆效能試驗,該研究結(jié)果可為油艙、油箱等儲油容器防爆提供理論依據(jù)和應(yīng)用參考。

1 試驗系統(tǒng)和試驗方案

1.1 作用載荷及模擬油艙

本試驗采用了爆炸、破片2種載荷,其中爆炸載荷(見圖1)采用150 g海薩爾-3炸藥,通過電雷管起爆;破片載荷(見圖2)采用12.7 mm子彈射擊裝置發(fā)射制式12.7 mm殺爆彈,模擬破片對油箱的殺傷。

1.高速攝像機;2.紅外攝像機;3.電起爆器;4.雷管;5.海薩爾.3炸藥;6.模擬油艙;7.隔艙;8.壓力傳感器;9.注油孔;10.排油孔;11.熱電偶

1.高速攝像機;2.紅外攝像機;3. 12.7 mm殺爆彈;4.壓力傳感器;5.隔艙;6.注油孔;7.熱電偶;8.模擬油艙;9.排油孔

模擬油艙(見圖3)采用1∶2的簡化艦船噴氣燃料艙鋼制模型,鋼板壁厚2 mm。模擬油艙包括儲油艙和隔離艙兩部分,其中儲油艙尺寸為2.5 m×1.5 m×1 m,隔離艙為儲油艙周界向外拓展0.375 m的空間,儲油艙四周及頂部均設(shè)置了隔離艙,頂部設(shè)有注油孔,底部設(shè)有排油孔。

圖3 模擬油艙

1.2 油料

試驗均采用RP-5噴氣燃料,其理化性質(zhì)如表1所示。試驗前,向儲油艙內(nèi)注入1/4的油量。

表1 噴氣燃料(RP-5)的主要理化性質(zhì)

1.3 抑爆材料

試驗采用的抑爆材料為非金屬球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料。材料實物圖如圖4所示。按照GJB8455—2015《油艙油罐填充用阻隔防爆材料通用規(guī)范》要求,裝填留空率不大于10%。

圖4 抑爆材料

1.4 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)包括溫度測量設(shè)備、壓力測量設(shè)備、高速攝像設(shè)備以及紅外攝像設(shè)備等,2種載荷作用試驗時的測量設(shè)備總體布置情況見圖1—圖3。其中溫度與壓力測量設(shè)備分別用于記錄油艙內(nèi)溫度和壓力隨時間變化數(shù)據(jù),傳感器設(shè)置情況見表2,溫度傳感器測點艙內(nèi)布置情況如圖5所示。壓力傳感器測點艙內(nèi)布置情況如圖6所示。高速攝像設(shè)備(Photrom UX100型)和紅外攝像設(shè)備(IRS 669型)分別用于記錄油艙外部的運動情況和溫度情況。

表2 溫度和壓力傳感器設(shè)置

圖5 溫度傳感器測點艙內(nèi)布置示意圖

圖6 壓力傳感器布置示意圖

1.5 試驗方案

分別進行爆炸、破片2種載荷作用下油艙的抑爆效能試驗,探討不同抑爆材料的抑爆效果,試驗方案見表3。

表3 試驗方案表

2 結(jié)果與討論

2.1 爆炸載荷試驗

2.1.1空白對照試驗

通過圖7空白對照試驗的高速攝像拍攝的整個過程可以看出,爆炸載荷作用后,油艙內(nèi)RP-5被引燃并發(fā)生二次爆炸,燃料從油艙噴射出,發(fā)生較大噴射火焰,且油艙內(nèi)燃料形成池火燃燒。紅外熱成像圖(見圖8)表明,爆炸載荷作用后,RP-5從油艙中噴射出并出現(xiàn)明顯的噴射火焰和噴射火焰明顯擴大熱輻射范圍,最高溫度達到1 434.6 ℃。油艙內(nèi)燃料在二次爆炸后形成池火燃燒,引爆5 min后池火仍未熄滅。同時,通過油艙內(nèi)記錄的壓力狀態(tài)分析,爆炸載荷作用后,油艙內(nèi)觀察到明顯的壓力上升,最大壓力達到13.8 MPa(見圖9),發(fā)生燃料劇烈的二次爆炸。試驗后油艙狀態(tài)如圖10所示。油艙頂面、正面與背面均發(fā)生嚴重鼓包變形。油艙內(nèi)燃料持續(xù)燃燒,艙體臨近解體,注油頂蓋螺桿斷裂,注油頂蓋板飛出,油艙出現(xiàn)大面積變形與突起,油艙出現(xiàn)嚴重損毀。

圖8 空白對照爆炸載荷試驗溫度分布

圖9 空白對照爆炸載荷試驗壓力變化圖

圖10 空白對照爆炸載荷試驗后油艙形態(tài)

2.1.2球形抑爆材料抑爆試驗

結(jié)合圖11與圖12,球形抑爆材料爆炸載荷試驗顯示了整個高速攝像過程與紅外熱成像溫度的變化,可以看出爆炸載荷作用后,油艙內(nèi)溫度未出現(xiàn)明顯變化,未觀察到噴射火焰或噴射火焰明顯擴大熱輻射范圍,說明RP-5未被引燃,油艙未發(fā)生爆炸。通過表4油艙內(nèi)的壓力狀態(tài)分析來看,爆炸載荷作用后,油艙內(nèi)觀察到壓力上升,隔艙壓力小于油艙側(cè)面壓力,最大壓力為408.5 kPa,應(yīng)為炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力。爆炸壓力相較于空白對照試驗出現(xiàn)顯著下降,爆炸壓力衰減了97.0%。從油艙內(nèi)熱電偶記錄的溫度變化曲線(見圖13)分析來看,油艙和隔艙內(nèi)溫度均持續(xù)升高,最高溫度分別達到146.2 ℃和61.8 ℃,判定為油艙內(nèi)炸藥爆炸所產(chǎn)生的溫度變化,未達到油艙內(nèi)RP-5的燃燒溫度,進一步說明油艙內(nèi)燃料未被引燃。試驗后油艙整體形態(tài)(見圖14)也與空白對照試驗出現(xiàn)顯著區(qū)別,其整體保持完好,只有頂面出現(xiàn)輕微鼓起,并未解體。

表4 爆炸載荷抑爆試驗各測試點峰值壓力

圖11 球形抑爆材料爆炸載荷試驗高速攝像

圖12 球形抑爆材料爆炸載荷試驗紅外最高溫度曲線

圖13 球形抑爆材料爆炸載荷試驗熱電偶溫度變化圖

圖14 球形抑爆材料爆炸載荷試驗后油艙形態(tài)

2.1.3發(fā)泡抑爆材料抑爆試驗

在爆炸載荷作用下,發(fā)泡抑爆材料的抑爆試驗現(xiàn)象與球形抑爆材料相似,油艙內(nèi)RP-5也未被引燃,油艙未發(fā)生爆炸。紅外溫度未出現(xiàn)明顯變化,且未觀察到噴射火焰或噴射火焰明顯擴大熱輻射范圍(見圖15—18)。油艙內(nèi)壓力觀察到最大400.2 kPa的壓力上升(見表4),同樣為炸藥爆炸所產(chǎn)生的壓力。爆炸壓力相較于空白對照試驗衰減了97.1%。油艙和隔艙內(nèi)溫度均持續(xù)升高,最高溫度分別達到154.3 ℃和60.0 ℃,判定為油艙內(nèi)炸藥爆炸所產(chǎn)生的溫度變化,未達到油艙內(nèi)RP-5的著火點(自燃溫度),進一步證實油艙內(nèi)燃料未被引燃。試驗后油艙整體形態(tài)保持完好,并未發(fā)生解體。

圖15 發(fā)泡抑爆材料爆炸載荷試驗高速攝像

圖16 發(fā)泡抑爆材料爆炸載荷試驗紅外最高溫度曲線圖

圖17 發(fā)泡抑爆材料爆炸載荷試驗熱電偶溫度變化圖

圖18 發(fā)泡抑爆材料爆炸載荷試驗后油艙形態(tài)

以上結(jié)果表明,在爆炸載荷作用下,未填充抑爆材料的油艙內(nèi)RP-5被引燃,發(fā)生劇烈的二次爆炸,油艙出現(xiàn)嚴重損毀。填充球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料的油艙在爆炸載荷作用下,均未發(fā)生二次爆炸,樣品油艙整體均保持完好,油艙內(nèi)壓力分別下降了97.0%和97.1%。相較于未填充抑爆材料的條件,抑爆試驗在艙內(nèi)壓力、溫度與油艙形態(tài)等方面均與其觀察到顯著區(qū)別,因此判定上述2種抑爆材料在爆炸載荷作用下均能對油艙起到良好的阻隔防爆效果。

2.2 破片載荷試驗

2.2.1球形抑爆材料抑爆試驗

圖19為球形抑爆材料破片載荷試驗高速攝像圖片。從高速攝像拍攝的整個過程可以看出,破片擊中樣品油艙時,只觀察到12.7 mm穿燃破片中炸藥爆炸產(chǎn)生的瞬時爆炸產(chǎn)物的火焰;30 ms時從彈孔噴出的爆炸產(chǎn)物出現(xiàn)灰白色煙氣;60 ms時破片中炸藥爆炸產(chǎn)生產(chǎn)物的火焰消散;爆炸產(chǎn)物的灰白色煙氣在1 s時消失;未觀測到油料燃燒形成的火焰。說明油艙內(nèi)RP-5未被引燃,油艙未發(fā)生二次爆炸。

圖19 球形抑爆材料破片載荷試驗高速攝像

圖20為紅外圖像,溫度最高為199.2 ℃,為破片擊中油艙瞬間,破片爆炸從噴孔噴出的產(chǎn)物溫度,隨后溫度出現(xiàn)下降,進一步證明油艙內(nèi)RP-5未被引燃。表5表明油艙內(nèi)壓力測試點的峰值壓力,破片撞擊后未觀察到明顯的壓力上升,且隔艙壓力小于油艙側(cè)面壓力,最大壓力均小于20 kPa。試驗后樣品油艙形態(tài)如圖21所示。圖中顯示油艙僅正面出現(xiàn)破片穿孔,其余各面均未發(fā)生變形,其整體保持完好。

表5 破片載荷抑爆試驗各測試點峰值壓力

圖20 球形抑爆材料破片載荷試驗溫度分布

圖21 球形抑爆材料破片載荷試驗后油艙形態(tài)

2.2.2發(fā)泡抑爆材料抑爆試驗

圖22—圖24分別為發(fā)泡抑爆材料破片載荷試驗高速攝像、紅外溫度、壓力變化和試驗后油艙形態(tài)。與球形抑爆材料試驗所觀察到的現(xiàn)象保持一致,油艙內(nèi)RP-5未出現(xiàn)被引燃的現(xiàn)象,試驗后樣品油艙整體也保持完好。

圖22 發(fā)泡抑爆材料破片載荷試驗高速攝像

圖23 發(fā)泡抑爆材料破片載荷試驗溫度分布

圖24 發(fā)泡抑爆材料破片載荷試驗后油艙形態(tài)

以上結(jié)果表明,在填充球形和發(fā)泡抑爆材料的情況下,裝有RP-5的樣品油艙在12.7 mm破片載荷作用下,油艙內(nèi)燃料均未被引燃,均未發(fā)生二次爆炸,樣品油艙整體性均保持完好。球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料在破片載荷作用下均能對油艙起到良好的阻隔防爆效果。

3 結(jié)論

針對新型抑爆材料的抑爆效能,基于大尺度油艙抑爆試驗平臺,通過開展爆炸、破片2種載荷作用下的抑爆效能試驗得到以下結(jié)論:

1) 在爆炸載荷作用下,球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料均能對油艙起到良好的阻隔防爆效果。相比于未填充抑爆材料的爆炸載荷試驗,分別填充2種抑爆材料的油艙內(nèi)燃料均未被引燃,未發(fā)生二次爆炸;填充球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料的油艙的爆炸壓力降低率分別達到97.0%和97.1%。

2) 在12.7 mm破片載荷作用下,球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料均能對油艙起到良好的阻隔防爆效果。分別填充2種抑爆材料的油艙內(nèi)燃料未被引燃,未發(fā)生二次爆炸;樣品油艙整體均保持完好。