柴油的烤燃燃爆性能实验*

刘 健,姚 箭,宋述忠,李 斌,解立峰,王永旭

(1.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；2.北京奥信化工科技发展有限责任公司，北京 100043)

车辆的燃油系统一直是其最薄弱的环节。由于油料的闪点低，而军用装甲装备、飞机、大型货运汽车以及油罐槽车具有超大油箱且经常处于明火、静电、枪击、雷电及意外碰撞的环境，燃油箱不可避免存在火灾爆炸危险。特别在军事领域，一旦车辆、装备发生安全事故或遭受炮火袭击，容易引发油箱中柴油的二次爆炸，造成严重的装备损毁和人员伤亡[1-3]。

以往，油箱阻燃防爆技术主要通过填充阻隔防爆材料，而长时间使用后材料会被腐蚀和破损并影响燃料基本性能[4-6]。目前，对阻燃抑爆柴油有了相关研究。防火柴油(fire-resistant diesel, FRD)[7]是利用微乳化技术向柴油中添加了表面活性剂和水的柴油。阻燃抑爆柴油(fire-resistant-explosion-suppression diesel, FED)是向柴油中添加了聚合物抑爆剂和复合抗抛撒剂的柴油。Gupta等[8]通过庚烷池火和双流体雾化器研究水雾特性在抑制油池火焰上的作用。Fahd等[9]研究10%水乳化柴油在梯度变化负载条件下，直喷式柴油机的性能和排放变化，并与基地柴油进行比较。Ochoterena等[10]主要利用NMR和光学分析表征水系乳化柴油、微乳化柴油和常规柴油燃料的物理性质、喷雾特征及燃烧特性。Apparao等[11]通过爆炸装置形成环氧丙烷和环氧乙烷易爆气溶胶，研究碳氢燃料在空气中的抛撒分散性条件。Marty等[12]评估水系乳化防火燃料发展局限性及JP-8防火燃料的使用。在我国，有相关研究：陈中元等[13]研究微乳化柴油中以正构醇作助乳化剂，利用三元相图分析体系中组分相的变化情况，并通过实验对微乳化柴油进行分析测试；黄勇等[14]通过静爆实验，研究了安全柴油的燃爆性能，以进一步完善制备工艺，提高其性能；魏成龙[15]研究了抑爆剂、乳化剂与助乳化剂的选择对阻燃抑爆柴油的阻燃性能的影响，进行微观表征。阻燃抑爆柴油的相关研究较多，但该燃油的阻燃抑爆效果还未在明火烤燃油箱的实验中得到验证。

为此，本文中利用76 L标准小货车油箱,考察油箱在模拟外部受热条件下的燃爆特性。对比盛装不同油料的油箱，在明火炙烤下是否发生剧烈的燃烧和爆炸现象，以评估燃油的阻燃抑爆效果，为进一步改进及日后相关标准的制定提供参考。

1 实 验

1.1 装置与仪器

标准货车油箱的容积为76 L，材质为20钢，长宽高分别为680、400、290 mm，壁厚为1.5 mm。钢制燃烧池的长宽高分别为700、460、200 mm。

WRNT-187 K型热电偶的最大量程1 000 ℃，长1.5 m。Fastcam nltima APX型高速照相机(日本Photron公司生产)的拍摄频率为1 000 s-1，每帧像素1 024×1 024。IRS 669型红外热成像仪由上海热像机电科技有限公司生产。铝板作为验证板使用，长宽高分别为2 000、2 000、2 mm，布氏硬度23，抗拉强度90 MPa。XMTA-9000型智能温度数显仪由北京雷辉盛宗仪表有限公司生产。还有高清摄像机、电子秤等。

1.2 样品

实验油料为-10#柴油、防火柴油(FRD)、阻燃抑爆柴油(FED)，表1为3种柴油的理化性能。

表1 实验油料理化性能Table 1 Physical and chemical properties of experimental diesel

1.3 实验方法与布置

参照GB/T 14372-2013《危险货物运输:爆炸品的认可和分项试验方法》、AQ 3001-2005《汽车加油(气)站、轻质燃油和液化石油气汽车罐车用阻隔防爆储罐技术要求》和GJB 3075-1997《军用柴油规范》，分别将盛装38 L的-10#柴油、防火柴油和阻燃抑爆柴油的试验油箱放置于金属支架上。钢制燃烧池置于支架正下方，在油箱内部分别添加热电偶测量烤燃过程中油蒸气温度与油液温度，油箱四周的三面(除下风面)距离其边缘4 m处竖直放置验证板，并且使见证板中心与油箱中心同高。每次实验前在油池中添加20 L煤油作为燃料。高速摄像机、普通摄像机和红外热成像仪置于距油箱中心30 m处。红外热成像仪用于采集油箱及燃烧火焰的表面温度，采样周期为1 s。电子秤用于测量明火烤燃过程中油箱内油料蒸发速率。 实验布置如图1所示。

2 结果分析

2.1 现象分析

图2为高清摄像机拍摄的分别盛装-10#柴油、防火柴油、阻燃抑爆柴油3组油箱烤燃实验的典型时刻图片。

从图2中可以看出，在17 min左右，盛装-10#柴油的油箱表面及侧面出现明显喷射火焰，后发生爆炸形成巨大火球，侧面验证板受损。因为烤燃过程中密闭油箱中的油蒸气在内部迅速积聚，当油蒸气压力超过油箱承受压力时，油箱发生爆炸，油蒸气与油料迅速向外扩散，形成爆炸云团，与空气周围混合发生爆燃，爆炸高温火球体积约为157.4 m3，为油箱容积的2 071倍。而盛装防火柴油和阻燃抑爆柴油的油箱仅产生了喷射火焰，阻燃抑爆柴油的火焰比防火柴油的微弱些。这是由于油箱排气口溢出的油蒸气被池火点燃，形成喷射火焰。-10#柴油在烤燃过程产生喷射火焰的最高温度约为1 490.4 ℃，防火柴油喷射火焰最高温度比-10#柴油降低31.39%，阻燃抑爆柴油比防火柴油降低24.67%。

由于体系含水量、聚合物抑爆剂和表面活性剂的添加改变了柴油的理化性质。3种燃料的闪点、密度差别不大，运动黏度差别较大。在烤燃条件下：一方面，高分子聚合物抑爆剂的添加导致油样黏度增大，蒸发性变差，限制了油蒸气与空气的充分混合，从而阻碍油蒸气的剧烈燃烧和爆炸；另一方面，阻燃抑爆柴油中的水分一部分气化成为水蒸气，混合在柴油蒸气中，在遇火点燃时，水蒸汽的形成过程吸收了大量热量，降低燃烧区域火焰温度，影响了柴油蒸气的燃烧。

可见，阻燃抑爆柴油能降低油料的汽化和蒸发速率，降低燃烧过程的温度，影响火焰传播，降低燃油油箱烤燃过程的危险性。

2.2 烤燃油箱外部温度场分布

图3是红外热成像系统拍摄的3组实验烤燃过程中温度最高时刻红外热成像图。运用系统自带软件对所记录的图像进行处理，得到喷射火焰最高温度和尺寸，见表2。

根据图3和表2可以看出，盛装-10#柴油油箱烤燃过程中发生剧烈燃烧和爆炸，爆炸火球表面最高温度达1 490.4 ℃，火球高温持续时间达3.2 s，最高温火球尺寸体积约为157.4 m3，在17 min左右有一个明显的突越，说明在该点发生的爆炸。防火柴油喷射火焰体积约为0.576 m3，阻燃抑爆柴油喷射火焰体积约为0.168 m3；-10#柴油最高温火球高度为7.3 m，防火柴油喷射火焰高度比-10#柴油降低了75.34%，阻燃抑爆柴油比防火柴油降低了61.11%。 可见，阻燃抑爆柴油能够通过阻滞火焰传播速度，明显降低火焰高度。

表2 喷射火焰的尺寸和表面温度Table 2 Size and surface temperature of jet fire

2.3 烤燃油箱内部温度场变化

为研究阻燃抑爆柴油对油箱内部温度场的影响，选用两个热电偶分别测量烤燃过程中油蒸气温度与液相温度。盛装3种柴油的油箱烤燃过程中其内部温度变化如图4所示。

同类柴油相比，3组实验油箱内部油蒸气温度都始终高于油液温度，-10#柴油油箱油液温度平均升温速率为13.06 ℃/min，油蒸气升温速率先增加后减小，且始终高于油液温度，平均升温速率为18.65 ℃/min。17 min时，油箱内部油液温度达到251 ℃，油蒸气温度到达363 ℃，随后油箱发生爆炸，油料抛洒，热电偶被抛出；防火柴油油箱内部油液温度平均升温速率为7.96 ℃/min，油蒸气温度升温速率为7.96 ℃/min，20 min后，两者接近；阻燃抑爆柴油油箱内部温度随变化与防火柴油相似，油液温度平均升温速率为7.36 ℃/min，油蒸气温度平均升温速率为7.36 ℃/min。25 min后，油箱内部油蒸气温度与油液温度接近，最终维持在243 ℃。两组实验后期，蒸汽温度都有下降过程，油池火逐渐转弱，提供热量有限。防火柴油油箱内部蒸气温度和油液温度平均升温速率比-10#柴油分别降低39.05%和57.32%；阻燃抑爆柴油油箱内部蒸气温度和油液温度平均升温速率比防火柴油分别降低7.54%和7.54%。

不同柴油同类温度比较，阻燃抑爆柴油与防火柴油对于降低油箱内部油液温度和油蒸气温度效果明显，其中阻燃抑爆柴油效果最佳。烤燃过程，油箱内部有多种相态存在，防火柴油与阻燃抑爆柴油体系中的水蒸气能稀释柴油中的挥发组分，且能附着在燃油的表面达到隔绝氧气的效果，水份也能吸收热量降低体系温度，达到降低油箱内部温度的效果[16]。

2.4 3种柴油的蒸发速率

为研究明火烤燃过程中油箱内油料蒸发速率，根据试验前后油箱和油料总体质量的变化，获得相应油料烤燃过程中的质量蒸发速率，见表3。

从表2中可以看出，-10#柴油油箱在烤燃过程中发生剧烈燃烧和爆炸，油箱破损，未蒸发的油料被抛撒，实验后质量无法测得。防火柴油在烤燃过程中质量蒸发速率为0.35 kg/min，阻燃抑爆柴油的质量蒸发速率为0.30 kg/min。阻燃抑爆柴油油料质量蒸发速率比防火柴油降低14.29%。阻燃抑爆柴油和防火柴油中的液态水吸热汽化为水蒸汽，水蒸汽能吸收高温火焰的辐射热，降低对可燃物表面的热反馈，导致其表面温度下降，蒸发速率减小。另外，水的汽化潜热远大于柴油(常温常压下，柴油的汽化潜热为230～250 kJ/kg，水的汽化潜热约为2 257 kJ/kg)，导致油料汽化减缓。抑爆剂也导致油料黏度增大，蒸发性差，所以同样条件下阻燃抑爆柴油的质量蒸发速率略低于防火柴油。

表3 油箱内油料蒸发速率Table 3 Evaporation rate of diesel in tanks

3 结 论

(1)以3种柴油基燃油为原料，以76 L标准小货车油箱为载体，模拟3种柴油装入油箱在烤燃条件下的特性。-10#柴油油箱烤燃反应剧烈，并发生剧烈燃烧和爆炸，防火柴油和阻燃抑爆柴油烤燃反应程度较低，在油箱口形成喷射火焰。

(2)在剧烈燃烧和爆炸过程中，-10#柴油爆炸时高温火球体积约为157.4 m3，为油箱容积的2 071倍，最高温度为1 490.4 ℃，高温持续时间为3.2 s。阻燃抑爆柴油的开发，降低了油品在高温时的危险性。

(3)防火柴油和阻燃抑爆柴油在烤燃条件下与-10#柴油相比，喷射火焰的最高温度和尺寸、油料质量的蒸发速率都有显著降低，阻燃抑爆柴油效果最好。

(4)阻燃抑爆柴油能够降低油料气化和蒸发速率，有效阻滞火焰传播。在明火烤燃条件下危险性排序为：-10#柴油最高，防火柴油次之，阻燃抑爆柴油最低。

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