卡车燃油箱防爆技术研究

范广龙，舒勇

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

卡车燃油箱防爆技术研究

范广龙，舒勇

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

随着科学技术的发展燃油箱防爆技术更多的运用在车辆上，抑爆效果是防爆技术的重要指标。本文从抑爆材料的工作原理、材料的性能、填充方式、以及实验几方面来探讨影响抑爆效果的因素，供广大设计工作者参考。

燃油箱防爆技术；抑爆原理；性能特点；填充方式；实验分析

CLC NO.: U461.91 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-18-03

引言

油箱及贮油设施的防火抑爆是人们一直需要解决的重要问题，随着燃油的消耗，燃油箱内会形成一定大小的空腔，燃油汽化挥发后在空腔内会产生油气混合易燃易爆气体，一旦油箱受到打击或者出现火花，易燃易爆气体极易产生爆炸，必须采取抑爆措施保证乘员安全。

1、抑爆材料

1.1 网状聚氨酯泡沫结构

网状聚氨酯泡沫（以下称“网泡”）材料是由普通开孔的柔性聚氨酯泡沫材料经网化处理而成，微观结构是五边形十二面体，面与面的交线称为经络，经络间面膜经网化处理后消失，形成整体上的立体骨架结构。

1.2 网状聚氨酯抑爆材料工作原理

在燃料箱中，燃料水平线以下（耗损量）的空间里包含有爆炸性气体和空气，如果被点燃，就会在耗损量处发生爆炸。箱中燃料水平线越低，蒸汽量越大，当存在一个点燃源（一个火花），靠近火花的蒸气就会迅速点燃（如1），形成一种燃烧的“链式反应”，最终蔓延到整个蒸气（如2）空间，在罐内壁形成持续增大的压力波，从而使爆炸的威力持续增大（如3），箱体在微秒内发生爆炸。

在箱中填充网状聚氨酯抑爆材料可以阻止这种链式反应的传递，在点火源周围可以明显抑制蒸气被点燃（如4），泡沫可以使火焰和压力波减少到蔓延水平以下（如5），因此可以阻止灾难性的爆炸发生（如6）。

2、网状聚氨酯泡沫的性能特点

2.1 机械强度

网状泡沫也和一般聚氨酯泡沫一样，根据原料配方调节可获得一定性能的泡沫，从表1数据可看出，网状泡沫比一般泡沫抗张强度及伸长率要大而压缩强度与密度均低。由表2可知，单位长度上的空数越大，则抗张强度与伸长率也越高。

2.2 开孔率与孔径

网状泡沫具有非常高的开孔率，通常为97%以上。网状泡沫的泡孔数是单位直线距离（25mm）上泡孔的个数，一般6～70孔，所以泡孔的孔径在0.3～3mm范围。

2.3 透气性能

透气性能是泡沫通过流体能力的大小，它与泡沫的开孔、孔径及厚度有关。一般开孔率高的聚氨酯泡沫也能通气，但由于在泡孔上残留泡壁，则透气阻力大，而网状泡沫透气性好，压力损失非常小。

3、抑爆材料填充方式

有两种经过实践验证的燃油箱泡沫材料填充方法：完全填充和部分填充（“中空”填充）。前者具有最大的防护作用，但增加的网泡质量和吸附的燃油量也较大；后者减少了材料的使用量和燃油的吸附量，但要求油箱本身能够承受一定的内部正压载荷，两种方法各有优劣，下文分析中空填充网泡的抑爆原理。

4、中空填充网状聚氨酯泡沫抑爆原理

4.1 压力比的推导

图2为抑爆模型。

其中，Vc为燃烧体积；Vf为淬熄体积，减压体积Vr是淬熄材料所占体积的一部分，假如淬熄材料的厚度足以隔离火焰的传播，那么淬熄材料后面空间的体积是减压体积，如B图，此时减压体积就是Vr与Vf之和。

由于燃油的蒸发，在燃油的液面之上存在燃油和空气的爆炸性混合气体。当爆炸性混合气体被点燃，立即形成一个小火球，并以燃烧波的形式向四周传播；燃烧波面上的火焰离开中心火焰并点燃波面外部的预混气体，形成一个新的燃烧波面；如此下往，空间中的预混气全部被点燃。由于油箱是一个密闭的空间，气体燃烧会使压力急剧增加，终极超过油箱的强度而导致油箱的爆炸解体，整个过程仅需几毫秒。由于烃类混合物在燃烧过程中，燃气均匀分子量或分子总摩尔数变化很小或基本无变化，有下式成立：

式中下标1、2分别表示油箱内气体的初态和末态。对于大多数的碳氢燃料和空气的混合物，化学计量混合时的T2/T1的比率一般为7.7～8.2，而与模型中其他的参数无关。由于是等容过程，热力方程就可以写为：

以上方程对等容过程是成立的，但当油箱中只是有限体积的混合气体发生燃烧，同时大量气体尽热膨胀时，上述模型就不适用了，此时可以假设仅有一部分Vx体积混合气体燃烧膨胀，将Vc中原有的一部分混合气体通过泡沫压进Vr中。在模型中引进Vx，如图3所示。等体积均匀分布的网泡材料将模型分隔成n个小室。某一小室中的一部分混合气体Vx发生燃烧反应，尽热膨胀为Vc体积，用以下方程描述：

式中，P2为终态压力，N为比热比，取值在1.3-1.4之间。

未反应的混合气体绝热压缩过程用方程(5-5)描述

联立（4-4）（4-5），求得油箱内初、终态压力比P2/P1为：

4.2 压力比与中空比率的关系

设模型中空体积所占的比率为a，则：

将（4-8）式带入（4-6）式得

（4-9）式反映了压力变化与模型中空系数a、分隔出的小室数目n的关系。n反映了油箱中网泡填充结构的不同，所以压力变化和油箱内的泡沫填充结构有关。对不同的填充结构和填充比率的油箱，可以依据以上分析过程进行分析，将得到与（5-9）式类似的公式，可用于计算油箱内终极压力与初始压力的比值。

以上的理论分析模型适用于理想气体尽热过程，未考虑活动阻力。分析中假设网泡材料无烧蚀，因此理论结果压力比偏低。

5、防爆性能实验分析

5.1 填充材料时燃爆压力与时间的关系

石油气的爆炸极限为1.5%～9.5%（体积分数）。液化石油气在混合气中的体积分数处于爆炸下限或爆炸上限时，混合气体遇火源一般只是发生爆燃。爆燃所产生的压力不会超过405KPa。当液化石油气在混合气中的体积分数超过爆炸下限，达到约4.0%，爆炸时所产生的压力可达800KPa。

装填网状抑爆材料时（以留空率5%，填充密度25kg/m3为例），燃爆压力随时间的变化如图4所示。由图4可知，填装材料时爆炸产生的最大压力为50kPa，远小于液化石油气未填装网状抑爆材料时的爆炸压力，说明材料具有良好的抑爆性能。

5.2 不同填装密度和不同留空率对燃爆压力的影响

不同填充密度和不同留空率对燃爆压力影响实验数据见表3。

表3 不同填充密度和不同留空率对燃爆压力影响的实验数据

不同填装密度对燃爆压力影响的测试结果如图5所示。

由图5可知：填充密度一定时，留空率增加，燃爆压力增加。留空率一定时，填充密度增加，燃爆压力降低。填充密度由25kg/m3增加到30 kg/m3时，燃爆压力的下降大于由30kg/m3增加到35kg/m3时的燃爆压。说明留空率一定时，填充密度增加，抑爆效果的增加幅度减小。

不同留空率对燃爆压力影响的测试结果如图6所示。

由图6可以看出，留空率增大，燃爆压力增高。曲线填充密度为25kg/m3在填充密度为30kg/m3和35kg/m3之上，曲线填充密度为35kg/m3在填充密度25kg/m3和30kg/m3之下，说明当留空率一定时，填充密度增大，抑爆效果增加，反之，填充密度降低，抑爆效果降低。

试验中保持填充密度不变而改变留空率，则填充量改变。抑爆材料的原理是材料对燃爆气体的阻滞和吸热效能，随着填装量的减少，吸热效能必然下降，再加上留空率的增加。因此，要保证一定的抑爆性能，不仅要使抑爆材料的留空率适当，而且要保证一定的填装量。填充密度、留空率及燃爆压力间的关系

6、结论

通过以上计算分析，油箱中空填充网状聚氨酯泡沫，为防止油箱爆炸有明显效果。

[1] 《机械设计手册》4卷 新版，机械设计手册编委会编著。 机械工业出版社，2004.8.

[2] 《机械设计手册》5卷 第四版，主编 成大先。 化学工业出版社，2002.1.

The disquisition of the fuel oil box's prevent-blasting on truck

Fan Guanglong, Shu Yong
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

With the development of the technology，the fuel oil box's prevent-blasting are putting into action on the vehicles more and more. The effection of prevent-blasting is the important target of the prevent-blasting. The article discusses the factors of influence on prevent-blasting from the material elements、material performance、the mode of filling and the experimentation, the article offers reference for many devisers.

the fuel oil box's prevent-blasting; prevent-blasting elements; capability; the mode of Filling; the analyse of the experimentation

U461.91

A

1671-7988(2015)02-18-03

范广龙，就职于陕西重型汽车有限公司。