随着我国生活水平的提高，人均汽车持有量快速增加，给人们带来方便的同时，也带来了安全隐患。车辆、飞机等交通工具在遭遇事故或高温天气时，容易起火发生自燃，所产生的高温可能进一步引燃油箱内的油料，甚至产生爆燃，造成二次破坏。此外，储油区、加油站等火灾及爆炸高发的危险区域，一旦出现起火源，极易发生燃烧爆炸事故^[1]，在火焰的炙烤下，周边车辆油箱及油料储罐的安全受到威胁，容易发生更为严重的次生事故。为提高车辆和飞机的燃油箱以及油料储罐的本质安全化程度，国内外的专家学者进行了相关研究。美国空军早在1978年就制定了在飞机燃油箱内填充网状泡沫材料的相关规范^[2]。20世纪末中国陆续研制了铝合金抑爆材料。姜光华等^[3]发现填充铝合金抑爆材料的易燃易爆液/气体容器在明火点燃、射击、气焊等操作下没有爆炸危险。江平等^[4]发现在油箱、油罐内填充的聚氨酯网状泡沫材料具有抑爆特性，并探讨了其抑爆机理。范广龙等^[5]对卡车燃油箱的防爆技术进行了相关研究，从多个方面分析了影响抑爆材料效果的因素。黄勇等^[6]对填充球形非金属抑爆材料的108L柴油油箱进行了明火烤燃实验，验证了抑爆球的抑爆效果。E.Planas等^[7]研究了液化天然气(liquefied natural gas，LNG)油罐车车祸撞击引发的油罐及燃油箱BLEVE(boiling liquid expanding vapour explosion)爆炸的成因和热辐射效应。B.Song等^[8]采用Fluent软件模拟了飞机油箱经太阳辐射1h后燃料表面和蒸气的温度变化，为进一步研究火灾情况下油箱和油罐内部的温度变化提供了参考。F.Heymes等^[9]研究了50m处的树冠火对2m³液化石油气(liquefied petroleum gas，LPG)油罐的影响，实验发现树冠火没有引起油罐的BLEVE爆炸。L.A.Godoy等^[10]模拟了空的钢制储罐在不同外部火焰烤燃下的变形情况，所得结果与2009年Bayamon大火下油罐的变形一致。目前，有关油箱和油罐的抑爆、防爆研究较多，但是对于含有油料的油箱在明火烤燃下的燃爆特性研究较少。

为模拟油箱在外部受热条件下的燃爆特性，本文中以76L油箱为研究对象，在敞开空间进行油箱的烤燃实验，对比不同密闭条件和填充情况下油箱的烤燃现象，分析影响烤燃反应的主要因素，为进一步提高油箱的本质安全化程度提供技术参考。

1.   实验

1.1   实验装置与仪器

实验设备：标准货车油箱，容积为76L，长、宽、高分别为680、400和290mm，壁厚1.5mm，材质为不锈钢；金属支架，钢制，用于放置油箱，其长、宽、高均为500mm；燃烧池，钢制，长、宽、高分别为1000、460和200mm。

测试仪器：普通摄像机；WRNT-187 K型铠装热电偶，最大量程1000℃，长1.5m；XMTA-9000型智能温度数显仪，北京雷辉盛宗仪表有限公司生产；Mikronscan 7200V型红外热成像仪，美国Mikron公司生产，系统采用320×240微热辐射计UFPA探测器，温度响应时间为2μs。

1.2   实验样品

实验油料：92号汽油、-10号军用柴油，其理化性质如表 1所示。

抑爆材料：中空栅格状球体^[11](简称抑爆球)，棕色，直径为30mm，单球质量为1.65g。

表  1  实验油料的理化性能

Table  1.  Physical and chemical properties of experimental oil

油料	闪点/℃	沸点/℃	爆炸极限/%	相对密度
92号汽油	-50	40	1.3~6.0	0.70
-10号军用柴油	65	282		0.87

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1.3   实验方法

实验场地布局见图 1。将盛装25L油料和抑爆球(填充密度约60kg/m³)的油箱放置在金属支架上，油池置于支架下方，实验前在油池中添加15L煤油作为燃料。将普通摄像机和红外热成像仪置于距油箱中心20m处。其中，红外热成像仪用于采集油箱和燃烧火焰的表面温度，采样周期为1秒每帧；热电偶用于测量油箱内部的温度场。

图  1  实验场地布置示意

Figure  1.  Experimental layout

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2.   实验结果分析与讨论

2.1   烤燃油箱的燃爆特性

不同时刻油箱的烤燃情况如图 2所示。实验1、实验3和实验4的油箱表面出现喷射火焰或火苗，实验2发生爆燃。实验结果和现象说明列于表 2。

图  2  不同时刻拍摄的实验照片

Figure  2.  Consecutive moments in experiments

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表  2  实验现象与结果

Table  2.  Experimental phenomena and results

实验	填充物	出油口	油箱表面喷射火焰燃烧情况	抑爆球	其他
1	汽油	开	多股喷射火柱，最大尺寸约2m
2	汽油	关	爆燃火球，直径约10m		发生爆燃，有巨大声响，油箱解体，有大面积池火
3	汽油、抑爆球	关	一股喷射火柱，最大尺寸约2m	约1/3球体熔化
4	军用柴油、抑爆球	关	火苗，最大尺寸约0.5m	约1/8球体熔化

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从图 2和表 2可以看到，实验1出现多股喷射火柱，实验2在烤燃过程中发生爆燃，产生巨大火球，产生差异的原因在于油箱密闭情况不同。实验1中，油箱的出油口打开，用于模拟油箱敞开条件下的烤燃反应；而实验2中，油箱的出油口关闭，用于模拟当出油口与外部设备连接时油箱封闭条件下的烤燃反应。对于实验1，在烤燃过程中，油箱内产生的油蒸气从出油口喷出，形成多股火柱；对于实验2，烤燃产生的油蒸气在油箱内积聚，当油蒸气压力超过油箱承受压力时，油箱发生爆炸，油蒸气和油料迅速向四周扩散，与周围空气混合发生爆燃，部分油料落地形成大面积池火。实验1中，喷射火柱的总体积约为0.4m³，为油箱容积的5倍；而实验2中，爆燃火球的体积约为125.6m³，为油箱容积的1675倍。

在实验3中，油箱内填充抑爆球，出油口关闭，实验发现在烤燃过程中油箱表面只有一股火柱。这主要归功于油箱中的抑爆球，抑爆球的蜂窝状高孔隙结构可以有效降低油箱内油料的汽化和挥发。蜂窝结构材料具有较高的表面效能及良好的吸热性，可以迅速地将油液和油蒸气热量吸收，使温度降低，气体的产生速率和膨胀程度降低。在相同的烤燃条件下，实验3中油箱内的压力上升较缓慢，在烤燃过程中油箱内的压力未达到承压极限。实验结束后，发现只有油箱上部的抑爆球(约1/3)发生熔化，下部抑爆球完好。这是因为对油箱下部进行加热时，汽油大量挥发，油蒸气集中在油箱上部空间，并从排气孔缝隙逸出，产生火柱，此时油箱上部温度会急剧上升，抑爆球在火焰附近炙烤，容易发生熔化、烧结。由此可见，抑爆球的存在可以有效延缓油蒸气的产生，降低油箱明火烤燃的危险性。

2.2   烤燃油箱外部火焰的温度分布

运用红外热成像仪自带的MikroSpec软件，对烤燃过程中的热成像图进行处理、分析，得到选定图像区域内的最高、最低和平均温度，及其随时间变化的关系^[12]。图 3为喷射火焰表面温度最高时的红外热成像图。烤燃过程中喷射火焰的表面温度、尺寸等参数列于表 3，其中：d、h分别为喷射火焰的最大直径和高度，由Lens Calculator程序计算得到；T_m为火焰表面最高温度；T_a为表面温度最高时火焰表面的平均温度；t_h为温度超过1273.15K时的高温持续时间。

图  3  温度最高时刻喷射火焰的红外热成像图

Figure  3.  Infrared images of jet fire when T_m reached

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表  3  喷射火焰尺寸和表面温度

Table  3.  Size and surface temperature of jet fire

实验	Tm/K	Ta/K	d/m	h/m	th/s
1	1423	1021	2.2	0.5	588
2	1883	1352	8.9	10.6	5
3	1278	949	0.5	2.1	0.033
4	1099	840		0.5

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根据实验2中火球表面最高温度和尺寸，利用Baker火球模型^[13]进行估算，得到距火球中心1和10m处产生的热剂量分别为3145和47kJ/m²。根据热剂量毁伤准则，爆燃火球在1m处产生的热剂量可以引燃木材，在10m处产生的热剂量能造成人员皮肤疼痛。实验3中火柱的最高表面温度为1278K，比实验2中火球最高表面温度下降32.1%。这主要是因为油箱内充满抑爆球，抑爆球排列紧密，其蜂窝状结构存在较多的细小孔隙，油蒸气向上逸出通过孔隙时，由于传热效应和器壁效应，热交换频繁，从而损耗部分能量，油蒸气压力和蒸发速度逐渐降低，产生火柱的尺寸和表面温度相应减小。

2.3   烤燃油箱内部的温度分布

为研究明火烤燃过程中油箱内部温度随时间变化的规律，选用两个K型铠装热电偶分别测试油液和油蒸气的温度。在烤燃过程中实验3和实验4的油箱内部温度变化如图 4所示。

图  4  实验3和实验4中油箱内部温度变化

Figure  4.  Internal temperature of fuel tanks in Exp.3 and Exp.4

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实验3中，油箱内油液的温度稳步上升，平均升温速率约为0.12K/s，800s后维持在410K左右；油蒸气温度在420s时超过油液温度，1000s时达到525K，平均升温速率约为0.25K/s，且升温速率随时间的延长不断升高。92号汽油的主要成分为C₅~C₁₂脂肪烃和环烷烃类。随着油箱底部温度的上升，汽油所含的轻组分不断挥发，油蒸气在油箱上部积聚，在油箱上部喷射火焰的炙烤下，汽油蒸气温度不断升高，逐渐高于油液温度。

实验4中，油箱内油液和油蒸气的升温速率相近，约为0.14K/s，比汽油蒸气的平均升温速率低36.0%，800s后升温速率逐渐下降，1000s时柴油蒸气温度达到440K，比汽油蒸气低16.2%。在整个烤燃过程中，柴油油液温度与柴油蒸气温度接近，但始终比柴油蒸气温度高3~5K。-10号军用柴油的主要成分为C₁₁~C₂₄脂肪烃和环烷烃类，加热过程中只有少量组分挥发。油蒸气通过抑爆球的孔隙时，与抑爆球相互作用，有部分能量损耗，故热电偶测得的蒸气温度略低于油液温度。由于柴油中的挥发性组分较少，因此油箱上部只出现火苗，油箱内部温度的上升主要依赖于油池火，所以油液温度高于柴油蒸气温度。

3.   结论

为模拟油箱在外部受热条件下的燃爆特性，以76L油箱为研究对象，在敞开空间进行油箱外部烤燃实验，对比不同密闭条件和填充情况下油箱的烤燃现象，结果表明：

(1) 对于未填充抑爆球、出油口密闭的汽油油箱，烤燃产生的爆燃火球表面最高温度达1800K以上，火球体积约为油箱体积的1600多倍，影响范围较广，热危害严重；

(2) 对于填充抑爆球的汽油油箱，其喷射火焰的表面最高温度和尺寸显著降低；

(3) 在相同条件下，油箱内柴油蒸气的平均升温速率比汽油低，且柴油蒸气温度略低于其油液温度。