低压条件下燃油开闭口闪点变化规律的实验研究

丁 超，周德闯，张晓会，汪 箭＊

（1．中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；2．亳州市第二中学，亳州，236832）

0 引言

乘坐飞机已逐渐成为人们日常的出行方式，飞机安全问题也越来越受到重视，而在飞机事故中，因航空煤油爆炸引起的飞行失事占了很大比例。1996年，美国环球航空公司［1］的TWA800航班起飞后在海拔4194．048m 发生爆炸事故，据鉴定发现该事故发生的主要原因是燃油箱遇不明火源点燃发生爆炸。该飞机起飞后，环境压力变化如图1所示。另外，由于市场对燃料的需求迅速增长，导致世界成品油管道运输规模不断扩大，而这些管道通常都是横跨高海拔的高原环境，如我国的格尔木至拉萨的成品油管道、大西南成品油管道等，油品运输安全问题也越来越受到重视。因此，研究燃油闪点随压力（海拔高度）的变化规律，对飞机油箱安全设计和油品运输安全管理有着重要的应用意义。

闪点，通常被作为判断可燃液体火灾危险性大小的一个重要因素。闪点越低，可燃液体越容易挥发也越容易发生爆炸，危险性就越大。目前，在闪点研究中，以传统预测方法和实际生产经验为基础，在蒸汽压、燃烧极限、点火能、分子结构等物化性质与闪点的相关性上取得了一定的进展。2000年，Shepherd［2］等人分析燃料与空气质量比、可燃液体的蒸汽压、质量运输以及海拔对闪点的影响。Lee［3］等人发现最小点火温度与航空煤油的闪点呈线性关系。2003年，Kong［4］等人通过实验测量不同氧气浓度下二氯甲烷的闪点，通过实验表明增加氧气浓度对二氯甲烷闪点的影响较小，而二氯甲烷闪点主要取决于点火源的类型以及点火源的能量。另外，关于闪点与海拔高度关系的研究，目前主要通过低压舱模拟高原环境，1968年，Nestor［5］等人和2008年刘振翼［6］等人通过采用实验研究的方法，均发现随着海拔高度的升高闪点呈线性下降关系。

图1 TWA800飞行过程中环境压力变化［1］Fig．1 Nominal fuel pressure history for TWA800

然而，这些研究主要集中在低海拔环境中，不能满足航空飞行器在高空低压环境中的安全要求。少数通过低压舱环境模拟高原环境的研究认为闪点与海拔高度的变化关系为线性。因此在低压条件下，需要对可燃液体闪点变化的规律进行重新评估。本文通过采用低压舱模拟低压环境，进行航空煤油和柴油开、闭口闪点测量实验，研究燃油闪点与压力的关系。

1 实验设计及测量装置

1．1 实验介绍

闪点是指可燃液体挥发出的可燃蒸气与空气的混合物同明火源（或电火花）接触时发生闪燃的最低温度。美国材料与试验协会（ASTM）在其闪点测量标准手册中对闪点的定义［7］为“在规定的实验条件下，试验火焰引起试样蒸汽着火，并蔓延至液体表面的最低温度，修正到101．3kPa大气压下。”

本文采用开、闭口闪点自动测定一体机，可以满足不同压力下的测量要求。图2为开、闭口闪点自动测定一体机实物图，该闪点仪具有自动锁存打印功能，其主要性能参数如表1所示。

表1 仪器主要性能参数Table 1 The main performance parameters of the instruments

图2 实验装置实物图Fig．2 Physical map of the experimental apparatus

1．2 实验方法

首先按照设计连接好仪器，利用低压舱模拟设定的环境压力，开通点火乙炔气体，接通闪点仪电源；在连续搅拌的条件下，以较低的恒定速率加热升温。在升温过程中，采用一定频率（3～5秒）的周期性点火对试样蒸发的可燃液体蒸气进行自动点火，火焰使试样表面的蒸气产生闪燃的最低温度即试样的闪点温度。当试样出现闪点时，显示温度值立即被锁定，同时自动切断电加热系统和高压打火系统电源，此时对应的温度即被测试样的闭口闪点温度值［9］，并通过闪点传感器将闪点温度以数字方式显示。

2 实验结果

本次实验中测量了航空煤油（Jet A）和柴油（0）的开、闭口闪点值，可对实验的结果进行相互验证。压力范围在33kPa～101kPa。由于我国未建立自己的标准大气模式，并且目前选用较多的是美国在1976年制定的大气模式，我国国家标准局已将USSA－1976的30km 以下部分选作国家标准GB1920－80［10］，据此可以换算出不同压力对应的海拔高度。如表2和表3所示，给出了在不同环境压力和海拔条件下，航空煤油和柴油的闪点（开／闭口）测量结果。

3 分析及讨论

3．1 航空煤油闪点数据的处理

图3和图4给出了航空煤油开、闭口闪点随环境压力的变化关系。利用数据处理方法，可得非线性拟合结果比线性拟合更好。拟合结果如表4 所示，其中，Tf表示航空煤油闪点（开／闭口），℃；P表示环境压力，kPa。

表2 航空煤油开闭口闪点测量值Table 2 The measured values of Jet A’s open and closed flash points

表3 柴油开闭口闪点测量值Table 3 The measured values of diesel’s open and closed flash points

从表4中可以看出非线性拟合关系式优于线性拟合关系式，可见利用非线性的关系表示燃油闪点与环境压力（海拔）关系更具有适用性。即随着压力的下降，闪点降低并且趋势越来越快。根据我国火灾危险性等级分类标准［11］，闭口闪点值低于45℃时，火灾危险性等级由乙B 上升至乙A，即当环境压力低于65kPa（海拔高度约为3743m）时，航空煤油火灾危险性也会随之升高，因此在这样的条件下，航空飞机从地面飞行至一定高度的过程中，燃油箱的火灾危险性保护应按照最高等级进行设计。

图3 航空煤油开口闪点与压力的关系（线性拟合）Fig．3 The open－closed flash points of Jet A with pressure

图4 航空煤油闭口闪点与压力的关系（对数拟合）Fig．4 The open－closed flash points of Jet A with pressure

表4 闪点数据处理结果Table 4 The processed result of the flash point data

3．2 柴油闪点数据的处理

图5和图6给出了柴油开、闭口闪点随环境压力有变化关系。利用数据处理方法，可得非线性拟合结果比线性拟合更好。拟合结果如表5所示，其中，Tf表示柴油闪点（开／闭口），℃；P表示环境压力，kPa。

图5 柴油开闭口闪点与压力的关系（线性拟合）Fig．5 The open－closed flash points of diesel with pressure

从表5中可以看出非线性拟合关系式优于线性拟合关系式，可见利用非线性的关系表示柴油闪点与环境压力（海拔）关系更具有适用性。即随着压力的下降，闪点降低并且趋势越来越快。根据我国火灾危险性等级分类标准［11］，闭口闪点值低于60℃时，火灾危险性等级由丙A 上升至乙B，即当环境压力低于49kPa（海拔高度约为6126m）时，柴油火灾危险性也会随之升高，因此在这样的条件下，柴油的生产、运输、储存以及使用中都应该给予更高的重视。

表5 闪点数据处理结果Table 5 The processed result of the flash point data

结合表4和表5，在高原低压环境下，利用非线性的关系拟合燃油开、闭口闪点与环境压力之间的关系更加具有适用性。即燃油闪点随环境压力下降存在非线性的下降关系。燃料空气比［5］是指燃料与空气的混合物中，燃料的质量与其所需要的空气的质量的比值，简称燃空比，记为f。下面在假设燃空比为定值的基础上，进行简单的理论分析。

即

图6 柴油开闭口闪点与压力的关系（对数拟合）Fig．6 The open－closed flash points of diesel with pressure

其中f为燃空比，C为常数，燃空比可以由燃料蒸气的摩尔质量Mf和摩尔数Nf与空气的摩尔质量Mair和摩尔数Nair计算得到。又知摩尔比等于气体体积分压比：

式中，P为环境压力，Pf为燃料蒸气分压。结合克劳修斯－克拉贝龙方程，整理公式（1）和（2）得到：

其中P1是在已知液体温度为T1时的蒸气分压。又知，液体蒸发潜热由温度决定，因此在温度变化范围不大的情况下，液体蒸发潜热hfg为常数。公式（3）可简化为：

由公式（4）可知，燃油闪点与环境压力之间存在非线性的对数关系，但是上述公式的适用性有待进一步验证。另外不同燃油开、闭口杯闪点随环境压力下降的趋势具有差异性，结合Shepherd［2］等人饱和蒸发理论，可知燃油饱和蒸气压的不同是导致其闪点随环境压力下降趋势差异性的一个重要原因。

4 结论

本文利用模拟低压环境，在压力范围33kPa～101kPa内对航空煤油和柴油进行开、闭口杯法的闪点测量，研究了闪点与环境压力的对应关系，主要结论如下：

（1）在高原低压环境下，燃油开、闭口杯闪点与环境压力之间利用非线性的拟合比线性拟合更加具有适用性

（2）不同燃油开、闭口杯闪点随环境压力下降的趋势具有差异性，相关的主要原因是其饱和蒸气压的不同，但尚需进一步进行相关的研究予以证实；

（3）随着压力的降低，航空煤油和柴油闪点下降的幅度越来越大，其火灾危险性变得更高，对于现行的火灾危险性评价标准需要重新进行评估，以适应高原低压环境下的要求

以上结论表明，在高原低压环境下，可燃液体的闪点低于常压环境，由于火灾危险性的增高，可燃液体的生产、运输和存储也需要有新的安全应急技术。另外，在飞机飞行的海拔高度下燃油闪点降低的幅度更大，因此建议飞机的油箱安全设计需要重视低压环境导致的燃油低闪点问题。

［1］Flanner M．Causes and effects of the central fuel tank explosion in TWA flight 800［R］．An Analysis of the Central Fuel Tank Explosion of TWA Flight，2001，800．

［2］Shepherd JE，et al．Flash point and chemical composition of aviation kerosene（Jet A）［R］．California：California Institute of Technology．2000．

［3］Lee JJ，Shepherd JE．Spark ignition measurements in Jet A：part II［R］．Prepared for and suported by the National Transportation Safety Board，Under Order NTSB12－98－CB－0415，2000．

［4］Kong D，et al．Determination of flash point in air and pure oxygen using an equilibrium closed bomb apparatus［J］．Journal of Hazardous Materials，2003，102（2）：155－165．

［5］Nestor LJ．Investigation of turbine fuel flammability within aircraft fuel tanks［R］．Naval air Propulsion Test Center Philadelphia Paaeronautical Engine Dept，1967．

［6］刘振翼．不同海拔条件下柴油闪点变化规律实验研究［A］．2008（沈阳）国际安全科学与技术学术研讨会［C］，沈阳，2008．

［7］ASTM：Philadelphia．ASTM Standard test methods for flash point by pensky－martens closed tester［S］．In Annual Book of ASTM Standards，1993，90－93．

［8］中华人民共和国国家标准．GB／T3536－2008．石油产品闪点和燃点的测定（克利夫兰开口杯法）［S］．北京：中国标准出版社．

［9］中华人民共和国国家标准．GB／T261－2008A．闪点的测定（宾斯基－马丁闭口杯法）［S］．北京：中国标准出版社．

［10］中华人民共和国国家标准．GB1920－80．标准大气［S］．北京：中国标准出版社，1981．

［11］彭湘潍，姜春明．国内外关于“轻柴油”安全标准规范的概况与比较［J］．安全、健康和环境，2003，3（7）：10－13．