热源条件下油气二次热着火实验＊

欧益宏，杜 扬，蒋新生，王 冬

（解放军后勤工程学院火灾与爆炸安全防护重庆市重点实验室，重庆401311）

大量事故统计表明，由热爆燃引起的二次及后续多次爆炸比初期爆炸事故危害要大得多。因此，为防止和减轻燃烧爆炸灾害，研究受限空间内油气多次受热产生的燃烧爆炸的条件及其影响因素具有重要意义。A.J.Harrisond等［1］、B.Polizy等［2］、C.A.Catlin等［3］、F.Thom 等［4］对各种情况下泄爆引起的二次爆炸进行了研究。近几年来，范维澄等［5］、谢之康等［6－7］、姜孝海等［8］、范宝春等［9］、沈伟等［10］、杜扬等［11－12］对可燃气体和粉尘多次爆炸的诱发过程、影响因素、数学模型进行了实验和数值模拟。这些工作验证和推动了热爆炸理论的研究的发展。但由于放热反应物质的多次着火机理和影响因素不尽相同，当前文献对简单组分可燃气体的研究较深入，但对复杂组分的可燃气体，尤其是针对汽油、柴油等在空气中挥发形成的多组分混合气的多次热自燃的研究成果极少。本文中拟将通过实验分析，获取汽油蒸汽－空气混合物二次热着火的基础数据与起燃规律，为制定二次热着火的规范奠定基础。

1 油气二次热着火过程

油气二次热着火实验采用文献［11－12］的实验系统。实验方法为：保持不同初始条件下的一次热着火完成后的真实灾后环境，再次加热热源，同时连续监控热源温度、环境温度、组分浓度、压力的变化，热源达到一定温度后，油气接触热源，采用高速摄影仪连续拍摄油气着火情况。实验发现，油气二次热着火的着火模式可分为燃烧、热爆燃和热爆炸。与油气一次热着火相比，油气二次热着火强度更强烈，着火概率更大，着火持续时间更短。图1～3为典型工况条件下的油气二次热着火方式实验照片。

1.1 燃 烧

图1 典型的二次热燃烧过程图Fig.1Secondary combustion course

油气一次热着火后，受限空间内环境温度为335K，油气浓度为1.95%，湿度为24%，油气接触温度为778K的热源，受限空间内发生的典型热着火过程，如图1所示。着火特征表现为燃烧。油气接触热源后25.2s热源表面出现火焰见图1（a）；至27.1s火焰逐渐扩大见图1（b）；至35.1s火焰扩展，油气在热壁下方燃烧见图1（c）；25.2s火焰逐渐熄灭见图1（d）。着火延迟期为25.2s，从起燃到熄灭持续了20s。与油气一次热着火的燃烧情况相比［11］，二次燃烧的着火延迟期和燃烧持续时间明显缩短。

1.2 爆 燃

油气一次热着火后，受限空间内环境温度为352K，油气浓度为1.03%，湿度为18%RH，在热源温度773K时油气接触热源，受限空间内发生的典型热着火过程，如图2所示。着火特征表现为热爆燃。油气接触热源后5.4s，热源表面出现红色火焰见图2（a）；5.8s内火焰突然以火球状在热源上方膨胀并迅速向受限空间内传递见图2（b）；6.1s火焰减弱，热源周围呈现绿白色的火焰见图2（c）；7.0s时火焰逐渐熄灭见图2（d）。着火延迟期仅为5.4s，从起燃到熄灭仅持续了1.6s。与油气一次热着火的爆燃情况相比，二次热爆燃不但着火延迟期和爆燃持续时间明显缩短，且未出现爆燃后再引发二次、三次着火现象。

图2 典型的二次热爆燃过程图Fig.2Secondary deflagration course

1.3 爆 炸

油气一次热着火后，受限空间内环境温度为403K，油气浓度为2.67%，湿度为13%RH，在热源温度773K时油气接触热源，受限空间内发生的典型热着火过程，如图3所示。着火特征表现为爆炸。油气接触热源后17.2s热源上突然爆炸见图3（a）；17.6s火焰迅速向受限空间内传递见图3（b）；18.2s火焰减弱，热源上方呈现蓝色的火焰见图3（c）；18.6s时火焰逐渐熄灭见图3（a）。着火延迟期为17.2 s，从起燃到熄灭仅持续了1.4s。与油气一次热着火的爆炸情况相比，二次热爆炸且着火延迟期范围更宽，发生爆炸的概率大大增加。

图3 典型的二次热爆炸过程图Fig.3Secondary explosion course

2 油气二次热着火临界着火温度

测定油气二次热着火临界温度的步骤为：（1）在不同初始条件的一次热着火完成后，测量特征参数。（2）加热热源达到一定温度后，油气接触热源，通过监控系统观测油气着火情况。（3）改变油气接触热源的温度，直到着火不再发生。然后归类不同初始条件的二次热着火情况，总结影响临界着火温度的关键因素。（4）改变关键影响因素，重复以上过程，相同实验条件重复5次，直到得到着火的最低临界温度。实验发现，油气二次热着火的临界温度与一次热着火［11］有明显差异：油气一次热着火的临界温度为常量，而油气二次热着火的临界温度为变量，并受一次热着火后形成的高温环境温度的影响。图4为油气二次热着火临界温度曲线图。图4的趋势线显示，油气一次着火后，当环境温度冷却至286～373K范围内时，油气二次热着火的临界温度并不随着环境温度的升高而改变，保持在778～783K。当一次着火后的环境温度超过373K时，油气二次热着火的临界温度随着环境温度的升高而线形下降；在环境温度升高到474K时，临界温度降低到738K。

图4 油气二次热着火临界温度曲线Fig.4Critical temperature of secondary thermal ignition

当环境温度高于373K后，油气二次热着火临界温度的拟合曲线呈线性：y＝－2.9T＋765.06。

为了研究油气二次热着火临界着火温度在环境温度373K下出现拐点的原因，对受限空间的湿度进行分析，发现在高温环境下，一次热着火生成的H2O和混合气中的水雾受热蒸发形成气态，气态的H2O与空间内大量的中间生成物和反应残留物继续反应，导致临界着火温度随环境温度的升高而下降。而在低温环境（低于373K，也即水的沸点），受限空间内的混合气中含有的水始终以水雾形式存在，水雾不但不能参与气体反应，还有可能因其惰性原子阻碍反应，因此油气的临界着火温度几乎不变。

基于大量实验数据的归纳研究，上述情况存在于现有实验条件下的所有温度测试的结果之中。因此可以推断，在油气一次热着火形成的高温环境286～463K范围内，373K是油气热着火临界温度的拐点；当环境温度高于373K时，油气遭遇温度范围为730～783K的热源时，发生二次热着火的临界温度随环境温度的升高而线性下降。

3 油气二次热着火临界浓度

测定油气二次热着火临界浓度的步骤为：（1）油气一次热着火后，测量组分浓度。（2）热源达到813K后，油气接触热源，连续测量组分浓度，观测油气二次着火情况。（3）重复以上过程，分析归类不同初始组分浓度的二次热着火情况，得到二次热着火所需的最低反应物浓度。表1为典型的油气二次热着火前后组分浓度对比。由表1可见，油蒸汽浓度最低至0.45%的情况下，氧气浓度最低至10.4%，仍然可以引发二次热着火。该浓度范围已经低于文献［10］中的油蒸汽一次着火临界浓度1%。

对中间产物进行分析，油气一次热着火通常属于不完全燃烧，化学反应不充分，受限空间内存在大量的中间产物以及活性自由基，CO最高浓度达到了6.06%，油气二次着火后，其浓度降低到0.01%，CO2浓度升高到6.32%，这反映了中间产物在遭遇高温热源时，持续发生反应，放出热量，导致二次热着火。同时由于油气一次热着火后，如受限空间内环境温度升高，湿度降低，压力增大等原因，使各组分更加活跃，更容易参与化学反应，引起着火。

基于上述分析可以认为，油气一次热着火后组分更加复杂，一次热着火的氧气和油蒸汽浓度极限的判据已经不适用于油气能否二次热着火的判断。因此基于组份临界浓度提出油气二次热着火判据：一次着火后油蒸汽浓度高于0.45%，氧气浓度高于10.4%。

表1 油气二次热着火前后组分浓度对比Table 1Species concentration before and after secondary thermal ignition

4 油气二次热着火强度实验

实验发现，同样的热源温度条件下，油气二次热着火强度比一次热着火［11－12］明显增大，且油气二次热着火发生爆炸的概率远大于一次热着火。环境温度低于401K时，即使热源的温度高达823K，也未发生爆炸现象，而油气二次热着火在热源温度为783K时就发生爆炸，发生爆炸的概率随环境温度的增加而增加。表2统计了以最剧烈着火方式进行的着火强度实验结果，其中Ta为环境温度，Ts为热源温度。表2显示，一次着火后的高温环境影响了油气二次着火的强度。环境温度越低，二次着火强度越小，油气发生燃烧的可能性越大；环境温度越高，二次着火强度越大，油气发生燃烧的可能性越小，油气发生爆炸的可能性越大。

表2 不同环境温度下油气二次热着火强度统计Table 1The intensity statistics of secondary thermal ignition under different ambient temperature

5 油气二次热着火概率实验

图5为油气二次热着火概率曲线图。图中可以看出，油气二次热着火的概率随环境温度的升高而增加。环境温度在286～323K区间时，二次着火概率仅有4.4%。环境温度为453～463K时，二次着火概率达到了40%。

图5 油气二次热着火概率曲线Fig.5Probability curve of secondary thermal ignition

油气二次热着火概率拟合曲线可表示为指数形式Φ＝，与化学反应速度式Arrhenius公式［12］类似，Arrhenius公式反映了化学反应速度随温度的升高而加快，二次热着火概率的指数形式反映出着火概率随环境温度的升高而增加，再结合Arrhenius公式说明环境温度的升高使化学反应速度加快，从而更容易引发二次着火。

基于大量的实验数据的归纳，上述情况存在于所有结果之中。可以推断，在油气一次热着火后形成的高温环境286～463K范围内，油气二次热着火概率和环境温度的关系可以用Φ＝表示。

6 结 论

本文中对地下受限空间油气二次热着火现象及其特征参数进行实验研究，获得了油气二次热着火的方式，着火的临界温度、临界浓度、着火概率和强度。根据实验结果，得出如下结论：

（1）地下受限空间油气二次热着火可分为燃烧、爆燃和爆炸等3种方式。与油气一次热着火相比，油气二次热着火的强度更剧烈，着火概率更大，但着火延迟期和着火持续时间更短。

（2）环境温度低于373K时，油气二次热着火的临界着火温度为778～783K，环境温度高于373K时，油气二次热着火的临界着火温度随随环境温度的升高而线性下降。

（3）油气二次热着火的概率和环境温度的关系可以用指数形式表示。相同的环境温度情况下，油气二次热着火比一次热着火的概率更大。

（4）油气一次热着火的氧气和油蒸汽浓度极限的判据已经不适用于油气能否二次热着火的判断。基于组分浓度的二次热着火的判据为：油蒸汽浓度高于0.45%，氧气浓度高于10.4%。

综合以上结论，提出油气一次热着火后遭遇高温热源发生二次热着火的综合判据为：油蒸汽浓度高于0.45%，氧气浓度高于10.4%，热源温度达到730～783K。同时环境温度在286～373K范围内时，油气热着火临界温度为778～783K；着火概率与环境温度的关系满足指数关系式Φ＝

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