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)
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。
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
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。
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。
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
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。
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.