丁 超，周德闖，張曉會(huì)，汪 箭＊

（1．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026；2．亳州市第二中學(xué)，亳州，236832）

0 引言

乘坐飛機(jī)已逐漸成為人們?nèi)粘５某鲂蟹绞?，飛機(jī)安全問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，而在飛機(jī)事故中，因航空煤油爆炸引起的飛行失事占了很大比例。1996年，美國(guó)環(huán)球航空公司［1］的TWA800航班起飛后在海拔4194．048m 發(fā)生爆炸事故，據(jù)鑒定發(fā)現(xiàn)該事故發(fā)生的主要原因是燃油箱遇不明火源點(diǎn)燃發(fā)生爆炸。該飛機(jī)起飛后，環(huán)境壓力變化如圖1所示。另外，由于市場(chǎng)對(duì)燃料的需求迅速增長(zhǎng)，導(dǎo)致世界成品油管道運(yùn)輸規(guī)模不斷擴(kuò)大，而這些管道通常都是橫跨高海拔的高原環(huán)境，如我國(guó)的格爾木至拉薩的成品油管道、大西南成品油管道等，油品運(yùn)輸安全問(wèn)題也越來(lái)越受到重視。因此，研究燃油閃點(diǎn)隨壓力（海拔高度）的變化規(guī)律，對(duì)飛機(jī)油箱安全設(shè)計(jì)和油品運(yùn)輸安全管理有著重要的應(yīng)用意義。

閃點(diǎn)，通常被作為判斷可燃液體火災(zāi)危險(xiǎn)性大小的一個(gè)重要因素。閃點(diǎn)越低，可燃液體越容易揮發(fā)也越容易發(fā)生爆炸，危險(xiǎn)性就越大。目前，在閃點(diǎn)研究中，以傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在蒸汽壓、燃燒極限、點(diǎn)火能、分子結(jié)構(gòu)等物化性質(zhì)與閃點(diǎn)的相關(guān)性上取得了一定的進(jìn)展。2000年，Shepherd［2］等人分析燃料與空氣質(zhì)量比、可燃液體的蒸汽壓、質(zhì)量運(yùn)輸以及海拔對(duì)閃點(diǎn)的影響。Lee［3］等人發(fā)現(xiàn)最小點(diǎn)火溫度與航空煤油的閃點(diǎn)呈線性關(guān)系。2003年，Kong［4］等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同氧氣濃度下二氯甲烷的閃點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明增加氧氣濃度對(duì)二氯甲烷閃點(diǎn)的影響較小，而二氯甲烷閃點(diǎn)主要取決于點(diǎn)火源的類型以及點(diǎn)火源的能量。另外，關(guān)于閃點(diǎn)與海拔高度關(guān)系的研究，目前主要通過(guò)低壓艙模擬高原環(huán)境，1968年，Nestor［5］等人和2008年劉振翼［6］等人通過(guò)采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，均發(fā)現(xiàn)隨著海拔高度的升高閃點(diǎn)呈線性下降關(guān)系。

圖1 TWA800飛行過(guò)程中環(huán)境壓力變化［1］Fig．1 Nominal fuel pressure history for TWA800

然而，這些研究主要集中在低海拔環(huán)境中，不能滿足航空飛行器在高空低壓環(huán)境中的安全要求。少數(shù)通過(guò)低壓艙環(huán)境模擬高原環(huán)境的研究認(rèn)為閃點(diǎn)與海拔高度的變化關(guān)系為線性。因此在低壓條件下，需要對(duì)可燃液體閃點(diǎn)變化的規(guī)律進(jìn)行重新評(píng)估。本文通過(guò)采用低壓艙模擬低壓環(huán)境，進(jìn)行航空煤油和柴油開、閉口閃點(diǎn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，研究燃油閃點(diǎn)與壓力的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)量裝置

1．1 實(shí)驗(yàn)介紹

閃點(diǎn)是指可燃液體揮發(fā)出的可燃蒸氣與空氣的混合物同明火源（或電火花）接觸時(shí)發(fā)生閃燃的最低溫度。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）在其閃點(diǎn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)中對(duì)閃點(diǎn)的定義［7］為“在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，試驗(yàn)火焰引起試樣蒸汽著火，并蔓延至液體表面的最低溫度，修正到101．3kPa大氣壓下?！?/p>

本文采用開、閉口閃點(diǎn)自動(dòng)測(cè)定一體機(jī)，可以滿足不同壓力下的測(cè)量要求。圖2為開、閉口閃點(diǎn)自動(dòng)測(cè)定一體機(jī)實(shí)物圖，該閃點(diǎn)儀具有自動(dòng)鎖存打印功能，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 儀器主要性能參數(shù)Table 1 The main performance parameters of the instruments

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig．2 Physical map of the experimental apparatus

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

首先按照設(shè)計(jì)連接好儀器，利用低壓艙模擬設(shè)定的環(huán)境壓力，開通點(diǎn)火乙炔氣體，接通閃點(diǎn)儀電源；在連續(xù)攪拌的條件下，以較低的恒定速率加熱升溫。在升溫過(guò)程中，采用一定頻率（3～5秒）的周期性點(diǎn)火對(duì)試樣蒸發(fā)的可燃液體蒸氣進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火，火焰使試樣表面的蒸氣產(chǎn)生閃燃的最低溫度即試樣的閃點(diǎn)溫度。當(dāng)試樣出現(xiàn)閃點(diǎn)時(shí)，顯示溫度值立即被鎖定，同時(shí)自動(dòng)切斷電加熱系統(tǒng)和高壓打火系統(tǒng)電源，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度即被測(cè)試樣的閉口閃點(diǎn)溫度值［9］，并通過(guò)閃點(diǎn)傳感器將閃點(diǎn)溫度以數(shù)字方式顯示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了航空煤油（Jet A）和柴油（0）的開、閉口閃點(diǎn)值，可對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證。壓力范圍在33kPa～101kPa。由于我國(guó)未建立自己的標(biāo)準(zhǔn)大氣模式，并且目前選用較多的是美國(guó)在1976年制定的大氣模式，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局已將USSA－1976的30km 以下部分選作國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1920－80［10］，據(jù)此可以換算出不同壓力對(duì)應(yīng)的海拔高度。如表2和表3所示，給出了在不同環(huán)境壓力和海拔條件下，航空煤油和柴油的閃點(diǎn)（開／閉口）測(cè)量結(jié)果。

3 分析及討論

3．1 航空煤油閃點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理

圖3和圖4給出了航空煤油開、閉口閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力的變化關(guān)系。利用數(shù)據(jù)處理方法，可得非線性擬合結(jié)果比線性擬合更好。擬合結(jié)果如表4 所示，其中，Tf表示航空煤油閃點(diǎn)（開／閉口），℃；P表示環(huán)境壓力，kPa。

表2 航空煤油開閉口閃點(diǎn)測(cè)量值Table 2 The measured values of Jet A’s open and closed flash points

表3 柴油開閉口閃點(diǎn)測(cè)量值Table 3 The measured values of diesel’s open and closed flash points

從表4中可以看出非線性擬合關(guān)系式優(yōu)于線性擬合關(guān)系式，可見利用非線性的關(guān)系表示燃油閃點(diǎn)與環(huán)境壓力（海拔）關(guān)系更具有適用性。即隨著壓力的下降，閃點(diǎn)降低并且趨勢(shì)越來(lái)越快。根據(jù)我國(guó)火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)［11］，閉口閃點(diǎn)值低于45℃時(shí)，火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)由乙B 上升至乙A，即當(dāng)環(huán)境壓力低于65kPa（海拔高度約為3743m）時(shí)，航空煤油火災(zāi)危險(xiǎn)性也會(huì)隨之升高，因此在這樣的條件下，航空飛機(jī)從地面飛行至一定高度的過(guò)程中，燃油箱的火災(zāi)危險(xiǎn)性保護(hù)應(yīng)按照最高等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 航空煤油開口閃點(diǎn)與壓力的關(guān)系（線性擬合）Fig．3 The open－closed flash points of Jet A with pressure

圖4 航空煤油閉口閃點(diǎn)與壓力的關(guān)系（對(duì)數(shù)擬合）Fig．4 The open－closed flash points of Jet A with pressure

表4 閃點(diǎn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 4 The processed result of the flash point data

3．2 柴油閃點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理

圖5和圖6給出了柴油開、閉口閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力有變化關(guān)系。利用數(shù)據(jù)處理方法，可得非線性擬合結(jié)果比線性擬合更好。擬合結(jié)果如表5所示，其中，Tf表示柴油閃點(diǎn)（開／閉口），℃；P表示環(huán)境壓力，kPa。

圖5 柴油開閉口閃點(diǎn)與壓力的關(guān)系（線性擬合）Fig．5 The open－closed flash points of diesel with pressure

從表5中可以看出非線性擬合關(guān)系式優(yōu)于線性擬合關(guān)系式，可見利用非線性的關(guān)系表示柴油閃點(diǎn)與環(huán)境壓力（海拔）關(guān)系更具有適用性。即隨著壓力的下降，閃點(diǎn)降低并且趨勢(shì)越來(lái)越快。根據(jù)我國(guó)火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)［11］，閉口閃點(diǎn)值低于60℃時(shí)，火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)由丙A 上升至乙B，即當(dāng)環(huán)境壓力低于49kPa（海拔高度約為6126m）時(shí)，柴油火災(zāi)危險(xiǎn)性也會(huì)隨之升高，因此在這樣的條件下，柴油的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及使用中都應(yīng)該給予更高的重視。

表5 閃點(diǎn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 5 The processed result of the flash point data

結(jié)合表4和表5，在高原低壓環(huán)境下，利用非線性的關(guān)系擬合燃油開、閉口閃點(diǎn)與環(huán)境壓力之間的關(guān)系更加具有適用性。即燃油閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力下降存在非線性的下降關(guān)系。燃料空氣比［5］是指燃料與空氣的混合物中，燃料的質(zhì)量與其所需要的空氣的質(zhì)量的比值，簡(jiǎn)稱燃空比，記為f。下面在假設(shè)燃空比為定值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行簡(jiǎn)單的理論分析。

即

圖6 柴油開閉口閃點(diǎn)與壓力的關(guān)系（對(duì)數(shù)擬合）Fig．6 The open－closed flash points of diesel with pressure

其中f為燃空比，C為常數(shù)，燃空比可以由燃料蒸氣的摩爾質(zhì)量Mf和摩爾數(shù)Nf與空氣的摩爾質(zhì)量Mair和摩爾數(shù)Nair計(jì)算得到。又知摩爾比等于氣體體積分壓比：

式中，P為環(huán)境壓力，Pf為燃料蒸氣分壓。結(jié)合克勞修斯－克拉貝龍方程，整理公式（1）和（2）得到：

其中P1是在已知液體溫度為T1時(shí)的蒸氣分壓。又知，液體蒸發(fā)潛熱由溫度決定，因此在溫度變化范圍不大的情況下，液體蒸發(fā)潛熱hfg為常數(shù)。公式（3）可簡(jiǎn)化為：

由公式（4）可知，燃油閃點(diǎn)與環(huán)境壓力之間存在非線性的對(duì)數(shù)關(guān)系，但是上述公式的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。另外不同燃油開、閉口杯閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力下降的趨勢(shì)具有差異性，結(jié)合Shepherd［2］等人飽和蒸發(fā)理論，可知燃油飽和蒸氣壓的不同是導(dǎo)致其閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力下降趨勢(shì)差異性的一個(gè)重要原因。

4 結(jié)論

本文利用模擬低壓環(huán)境，在壓力范圍33kPa～101kPa內(nèi)對(duì)航空煤油和柴油進(jìn)行開、閉口杯法的閃點(diǎn)測(cè)量，研究了閃點(diǎn)與環(huán)境壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要結(jié)論如下：

（1）在高原低壓環(huán)境下，燃油開、閉口杯閃點(diǎn)與環(huán)境壓力之間利用非線性的擬合比線性擬合更加具有適用性

（2）不同燃油開、閉口杯閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力下降的趨勢(shì)具有差異性，相關(guān)的主要原因是其飽和蒸氣壓的不同，但尚需進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)的研究予以證實(shí)；

（3）隨著壓力的降低，航空煤油和柴油閃點(diǎn)下降的幅度越來(lái)越大，其火災(zāi)危險(xiǎn)性變得更高，對(duì)于現(xiàn)行的火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)需要重新進(jìn)行評(píng)估，以適應(yīng)高原低壓環(huán)境下的要求

以上結(jié)論表明，在高原低壓環(huán)境下，可燃液體的閃點(diǎn)低于常壓環(huán)境，由于火災(zāi)危險(xiǎn)性的增高，可燃液體的生產(chǎn)、運(yùn)輸和存儲(chǔ)也需要有新的安全應(yīng)急技術(shù)。另外，在飛機(jī)飛行的海拔高度下燃油閃點(diǎn)降低的幅度更大，因此建議飛機(jī)的油箱安全設(shè)計(jì)需要重視低壓環(huán)境導(dǎo)致的燃油低閃點(diǎn)問(wèn)題。

［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］劉振翼．不同海拔條件下柴油閃點(diǎn)變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究［A］．2008（沈陽(yáng)）國(guó)際安全科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)［C］，沈陽(yáng)，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］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB／T3536－2008．石油產(chǎn)品閃點(diǎn)和燃點(diǎn)的測(cè)定（克利夫蘭開口杯法）［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社．

［9］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB／T261－2008A．閃點(diǎn)的測(cè)定（賓斯基－馬丁閉口杯法）［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社．

［10］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB1920－80．標(biāo)準(zhǔn)大氣［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1981．

［11］彭湘濰，姜春明．國(guó)內(nèi)外關(guān)于“輕柴油”安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的概況與比較［J］．安全、健康和環(huán)境，2003，3（7）：10－13．