民机货舱气溶胶燃爆特性的实验研究*

2020-09-23王伟王坚杨君涛张永丰任常兴

工业安全与环保 2020年9期

王伟王坚杨君涛张永丰任常兴

(1.应急管理部上海消防研究所上海 200032； 2.清华大学公共安全研究院北京 100084；3.应急管理部天津消防研究所天津 300381)

0 引言

我国国产大飞机发展迅猛，ARJ21和C919相继问世，中国商飞预计在未来20年内全球大型民用飞机将新增37 000多架，客运周转量将达到17万亿人公里。民机货舱位于机舱腹部，输运货物种类繁杂且一般呈散装堆放，其中不乏含锂电池电子产品、气溶胶类等易燃易爆品，极易引起舱内超压6.895 kPa限值而触发舱体卸压板。此外，碳纤维复合材料、镁合金材料等航空新材料逐渐推广应用，对大飞机火灾防护不断提出新的挑战。货舱火灾已成为威胁航空安全的主要因素，近年来发生多起货舱货物起火造成机毁人亡的事故[1]。与平原地区燃烧相比，飞机货舱火灾处于特殊低压低氧的受限空间中，其碳颗粒浓度和辐射热通量等降低，使得机载光电感烟探测系统更难准确报警[2]。目前对大飞机高空降/升压过程火灾动力学特性、降压过程抑灭火效能以及升压过程中火灾复燃机制等问题认识不清，缺乏关于动态变压和细水雾对气溶胶爆炸抑制机制等的研究。如何有效抑制气溶胶燃爆，保护机上人身财产安全，是民机货舱高空火灾研究的一个重要安全课题。

近年来，随着航空防灭火和高原火灾等问题所受到的关注日益增加，国内外学者对飞机货舱在高海拔或低压低氧特殊环境下火灾动力学特色及火灾危险性开展了大量研究工作。在受限空间内细水雾抑制爆炸方面，2004年PARRA T 等[3]在受限空间内开展细水雾与预混火焰作用研究，提出了细水雾能够延缓火焰前锋压力波的向前传递。2009年李成兵等[4]分析了细水雾在抑制甲烷燃爆过程中的化学动力学作用机理。CAO X等[5]采用NaCl作为添加剂，开展了超细水雾抑灭火不同浓度瓦斯气体爆炸实验，认为超细水雾从物理和化学作用两方面有效提高抑爆效果。2009年WILLAUER H D等[6]在管状容器中开展细水雾抑制TNT和Destex爆炸实验，证明了细水雾对初压和静态超压有较好的控制作用。2016年LINTERIS G T等[7]采用C3H2F3Br开展飞机货舱抑制气溶胶爆炸实验，有效降低舱体内峰值温度和超压强度，并提出其灭火抑爆热动力学模型和燃烧增强机理。美国联邦航空管理局(FAA)长期开展飞机货舱特殊火行为和抑灭火系统研究，JOHN W R[8-9]开展了多项气溶胶燃爆实验，并于2012年更新制定了飞机货舱内针对包括气溶胶在内的4类火灾场景的哈龙替代灭火剂最低性能标准。2016年YANG S L等[10]重点研究了低压条件对正庚烷燃烧烟气中碳颗粒浓度、微观形貌特征、烟粒子散射特性等方面的影响。2019年WANG W等[11]研究了降压抑灭火措施对货舱内液体和固体火灾不同的影响机制，并分析两者不同的火灾危险性阶段。国内外针对动态变压环境特殊火行为以及民机货舱细水雾灭火抑爆机制方面已开展了大量研究，为本课题提供了良好的研究基础，但缺乏真实机舱环境特别是飞行状态的测试环境，仍存在一些不足之处。现阶段对于民航货舱受限空间内气溶胶燃爆特性研究较为缺乏，对于细水雾对气溶胶爆炸抑制机制不清，亟需借助于全尺寸的模拟标准舱开展相关的实验研究。

1 实验平台及装置

1.1 全尺寸动态变压标准实验货舱

符合美国FAA-MPS标准的全尺寸动态变压标准实验货舱于2016年8月在康定机场实验室搭建完成，如图1所示。该实验平台舱体内腔室尺寸为8.11 m×4.16 m×1.67 m，总容积为56.6 m3，主要由舱体、气压控制系统、检测系统、顶棚、实验装置、电控系统、外围设备等组成，可以重现民航大飞机在火灾应急情况下真实货舱变压条件。通过由高压泵站组成的气压控制系统调节舱内气压，其舱内气压可调节范围是24～110 kPa (9.144 km至海平面)，动态变压速率可设定范围为3～20 kPa/min，舱体还配备有舱门气体泄漏模拟系统。该实验舱体是国际首创的可实现动态变压条件下货舱火行为特性及其抑灭火技术探究的全尺寸实验平台，可以在舱内开展多种类型的火灾、爆炸及灭火实验研究，为本文研究内容的最主要研究载体。

(a)外部全景

1.2 气溶胶爆炸装置研制

课题组研制高压气溶胶爆炸触发装置示意见图2，由气溶胶混合腔体、压力传感器(罐压)、气动阀、热风枪、固定架等组成。固定好爆炸装置支架，安装气动阀、压力传感器和热风枪等，压力传感器(罐压)与无纸记录仪相连，实时监测气溶胶罐内混合物压力。气动阀与高压气路相连控制阀门开关，气动阀球阀从关闭到全开时间控制在0.1 s以内，保证气溶胶蒸气云的形成。采用电弧点火器进行气溶胶引爆，点火器与气溶胶腔体释放口相平齐，距离地面高度61.0 cm，距离释放口水平距离91.4 cm。

图2 气溶胶爆炸实验装置示意

气溶胶由水、乙醇和液态丙烷按照90 g∶270 g∶90 g比例组成，将拆卸后的气溶胶罐体放置于高精度天平上，将称重后的水和乙醇依次加入罐内，之后将气溶胶罐与丙烷钢瓶连接，打开钢瓶阀门通过天平质量控制注入90 g液态丙烷。实验场地人员撤离到安全位置后开启热风枪对混合腔体加热，升温后罐体内压力增大，当混合腔体压力达到1.6 MPa时，先断开热风枪电源，然后气动阀控制器触发启动，释放形成气溶胶气云。

2 民机货舱受限空间内气溶胶燃爆机制

2.1 开放空间气溶胶燃爆

在开放空间中气溶胶燃爆过程见图3，通过高速摄像机获得燃爆过程图像，气动阀触发后气溶胶迅速喷出形成白色蒸气云，蒸气云向前方运移扩展体积增大，接触到火源后被引爆伴有巨大响声和冲击波。燃爆火焰在气溶胶蒸气云内迅速传播，在惯性的作用下整体继续向前运动，燃爆初期阶段燃爆火焰成球状，随爆炸发展逐渐转变为长条状。在靠近气溶胶释放口侧蒸气云有部分未参与燃爆过程，推测与气溶胶中组成有关。

(a)气溶胶触发 (b)气溶胶点燃 (c)气云全面燃爆 (d)燃爆衰减

2.2 模拟货舱内气溶胶燃爆特性

本次受限空间内气溶胶燃爆实验在课题组研制的受限空间气溶胶燃爆实验舱内完成，在实验舱内气溶胶燃爆实验设备布置见图4。电弧式点火器位于气溶胶释放口正前方91 cm处，采用沙袋进行加固，4组爆炸冲击波压力传感器依次等间距1 m布置在点火器前面，第一个传感器位置靠近点火器。

图4 受限空间燃爆实验布置

在受限实验舱体内气溶胶燃爆过程见图5，通过高速摄像机获得燃爆过程图像，气动阀触发后气溶胶迅速喷出形成白色蒸气云，蒸气云向前方运移扩展体积增大，蒸气云接触到点火器的初期未直接发生燃爆，在蒸气云向前运动的过程中突然被点燃发生爆炸，燃爆火焰向前后方均发生爆炸传播，在开放空间气溶胶气云运动和燃爆传播均在喷射口前方区域且向前传播。在模拟货舱受限空间内所形成爆炸火焰体积更大更明亮，在舱体高程1.67 m范围内充满火焰，同时伴随爆炸声响，受舱体隔绝影响爆炸声响较小，燃爆后火焰明亮度降低，体积迅速减少并消失。

(a)气溶胶触发 (b)气溶胶点燃 (c)气云全面燃爆 (d)燃爆衰减

2.3 点火能和气压对气溶胶燃爆的影响

分别采用电弧点火器和10 cm正庚烷油池火做为点火源进行气溶胶燃爆实验，由油池火作为点火源的工况所产生的燃爆强度更大，起爆时间也更短，气溶胶气云经过油池火的过程中被迅速点燃，转化成全面燃爆；而采用电弧点火器的实验工况，气溶胶气云接触到点火器后被点燃，被点燃的火焰在气云内部扩散传播逐渐形成大面积燃爆火焰，引燃后发生爆燃的时间更长，火焰体积相对较小。

通过模拟货舱气压控制系统分别将货舱内气压调整到46 kPa和76 kPa开展气溶胶燃爆实验，两种气压条件下均发生燃爆现象。46 kPa气压条件下气云燃爆体积较小，爆炸强度较低，此外燃爆火焰持续时间较长，甚至爆炸完成后仍有部分气溶胶液体未参与燃爆，被喷射到距离喷射口前面1.5 m左右的地面继续燃烧。在低气压条件下，一方面受空气密度降低影响，喷射燃料与空气作用不够充分，所形成的气溶胶体积较小，空间密度较高，不易充分燃爆；另一方面低气压带来较低的氧气分压，气溶胶燃爆过程中所能获得氧气偏低，也是影响其爆炸强度的主要因素。

2.4 细水雾环境中气溶胶燃爆

细水雾以响应迅速、灭火有效、对环境污染和防护对象破坏性小、耗水量低等特点已被看作主要哈龙替代品，在飞机货舱抑灭火方面展示出广阔的应用前景。

采用自主研发的适用于飞机货舱抑灭火的水平射流喷头，0.4 MPa氮气作为驱动，水压设定为0.2 MPa，水量为300 mL/min，所形成的细水雾环境稳定后其粒径90%在200 μm以下。分别在细水雾触发初期和稳定细水雾环境中开展气溶胶燃爆实验，如图6所示。

(a)细水雾触发初期气溶胶与细水雾互相激励燃爆

在细水雾触发初期的实验条件下，气溶胶发生猛烈的燃爆，燃爆火焰体积充满整个模拟货舱，并且伴有猛烈的冲击力，将布置在舱体门口附近的摄像机吹散到3 m以外。细水雾触发初期所产生的细水雾参与到气溶胶燃爆过程中，在大量气溶胶燃爆火焰的强烈作用下形成水煤气，水煤气和气溶胶混在一起相互激励燃爆，从而造成更大的燃爆强度。当细水雾在货舱内弥漫形成稳定的细水雾环境后，喷射口打开后仍会形成气溶胶雾状体，但是气溶胶接触到点火器之后没有发生燃爆。细水雾可以抑制民机货舱内的气溶胶爆炸，但是若在细水雾触发初期气溶胶被引爆，反而会起到相反的激励作用，可以考虑在细水雾中增加其他添加剂来进一步增加细水雾的抑爆作用，减弱其参与爆炸的可能性。