江資成，賀佐瑞，孔慶軍，肖家勇，張光輝

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車輛用氣體發(fā)生器運輸危險性分級實驗研究

江資成，賀佐瑞，孔慶軍，肖家勇，張光輝

（國家級煙花爆竹檢測重點實驗室（湖南）, 湖南 瀏陽，410300）

基于聯(lián)合國危險貨物運輸規(guī)章對車輛用氣體發(fā)生器的相關要求，通過實施聯(lián)合國外部火燒試驗，研究了各種車輛用氣體發(fā)生器的危險性能表現(xiàn)及產(chǎn)生原因。研究表明：氣體發(fā)生器的運輸危險性主要是表現(xiàn)為迸射危險，而爆炸效應和熱效應的影響很小，通過改善包裝或改進產(chǎn)品的結構可以有效地降低氣體發(fā)生器的運輸危險等級。

氣體發(fā)生器；車輛；運輸危險性分級；外部火燒試驗；迸射危險

車輛用氣體發(fā)生裝置（以下稱氣體發(fā)生器）是車輛中安全氣囊或安全帶拉緊裝置的主要部件。近年來，隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氣體發(fā)生器的國際間運輸也越來越頻繁，其運輸安全性能受到各國的關注。按《聯(lián)合國危險貨物運輸建議書規(guī)章范本》[1]（簡稱“大桔皮書”）的要求，其可能的運輸分級為爆炸品（1.4項）或雜項危險品（9類）。氣體發(fā)生器含有煙火藥劑，一般按爆炸品運輸，UN編號0503，運輸危險分級為1.4G。如產(chǎn)品通過了《聯(lián)合國危險貨物運輸建議書試驗和標準手冊》[2]（簡稱“小桔皮書”）試驗系列6(c)試驗，可按“9類雜項危險物品”運輸提交運輸，UN編號3268。聯(lián)合國6(c)試驗也稱外部火燒試驗，為破壞性試驗，試驗樣品量大，試驗成本較高（單次試驗成本約10萬元人民幣），國內(nèi)外較少實施該項實驗，相關的實驗報道較為少見。近年來，筆者對該類產(chǎn)品進行了大量的聯(lián)合國6(c)試驗，積累了豐富的實驗數(shù)據(jù)，可以有效地評估其運輸危險性。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與測試程序

主要的實驗儀器：攝像機、激光測距儀、精密脈沖聲級計、紅外熱成像儀、風速計等儀器設備。

試驗程序：將不少于150L的樣品包件置于金屬架上，在距包件4m處放置厚度為2mm的鋁質(zhì)驗證屏。在產(chǎn)品外部燒火，火焰由木材、燃油或燃氣提供，火焰溫度不低于800℃，能完全包圍包件且各方向超過包件至少1m。觀察并記錄產(chǎn)品反應時產(chǎn)生的爆炸、燃燒迸射物、熱輻射通量及金屬迸射物的質(zhì)量距離等動能指標，從而確定產(chǎn)品的運輸危險級別。

1.2 危險效應評估和判定準則

危險效應評估：（1）爆炸效應：觀測產(chǎn)品的容器外殼是否被爆炸破壞，以評估試驗過程中產(chǎn)品的爆炸效應。（2）危險迸射物：“小桔皮書”提供了兩種方法確定是否產(chǎn)生危險性迸射物：一是迸射物是否對鋁質(zhì)驗證屏造成損壞；二是通過記錄試驗過程中產(chǎn)生的任何金屬性迸射物的質(zhì)量和迸射距離，來評估其迸射物的動能是否超過8J。（3）熱效應：“小桔皮書”提供通過記錄實驗的煙火藥總藥量和產(chǎn)品反應的總時長，評估試驗中樣品反應，距離包件5m或15m處的平均熱輻射通量的方法，從而評估樣品的危險熱效應。判定準則：如產(chǎn)品沒有爆炸、產(chǎn)品外殼或壓力容器沒有碎裂，也沒有產(chǎn)生可能明顯妨礙在緊鄰處救火或其他應急行動的危險迸射或熱效應，則產(chǎn)品和運輸?shù)燃墑潪?類，否則為1.4G。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

按聯(lián)合國“小桔皮書”要求，對常見的36種型號的氣體發(fā)生器進行了外部火燒試驗。實驗中，大部分產(chǎn)品在受火焰熾烤2～4min后開始逐個反應，發(fā)出較大的“呯呯”聲，并快速釋放出氣體，部分產(chǎn)品或產(chǎn)品部件被拋射到距包件外約0.5～20m，全部產(chǎn)品反應完成用時約90～520s。參與試驗的36個型號的產(chǎn)品中，未通過外部火燒試驗（結果被定級為1.4G）的產(chǎn)品型號有8個，占20.5%。試驗結果見表1~2 所示。

2.2 氣體發(fā)生器在外部火燒試驗中的危險表現(xiàn)分析

2.2.1 迸射效應

根據(jù)試驗可知，未通過外部火燒試驗（定級為1.4G）的產(chǎn)品中，主要的危險表現(xiàn)為產(chǎn)生危險迸射物。通過研究試驗現(xiàn)場視頻，發(fā)現(xiàn)在火焰包圍樣品后，先是產(chǎn)品的外包裝紙箱、內(nèi)包裝塑料袋、襯墊等可燃物開始燃燒，由于氣體發(fā)生器外殼為鋼材等材料，煙火藥劑安裝在產(chǎn)品中心部位，火焰將氣體發(fā)生器烘烤至藥劑的著火點需要較長時間（約1min），氣體發(fā)生器開始反應時，包裝等可燃材料已燃燒殆盡，試驗臺上只剩下氣體發(fā)生器雜亂地堆放在一起。此時，氣體發(fā)生器開始反應，內(nèi)容器瞬時壓力達10MPa[3]，瞬時放出大量氣體，這股氣流對產(chǎn)品本身或其鄰近的產(chǎn)品造成強大的沖擊力，使其向四周迸射。反應氣流作用與產(chǎn)品的外觀和結構有關，對于安全氣囊總成這一類產(chǎn)品，由于氣體發(fā)生器已和其他部件裝配在一起，單個產(chǎn)品反應時，其噴射氣流作用的方向集中，使其自身發(fā)生迸射，由于其總質(zhì)量較大，動能也較高。對于單個的氣體發(fā)生器，動能最大的迸射物的質(zhì)量與未反應產(chǎn)品相同，這說明迸射物是受其鄰近的氣體發(fā)生器反應時噴射的氣流作用而產(chǎn)生的，氣流作用力越集中，產(chǎn)生迸射物動能越大。

表1 氣體發(fā)生器外部火燒試驗的典型結果

Tab.1 Typical results of external fire test of gas generators

注：該組測試樣品與序號6組相同，經(jīng)過特殊包裝。

表2 36種類型的氣體發(fā)生器的外部火燒試驗結果匯總

不同大小棒狀和餅狀的氣體發(fā)生器在試驗中的最大迸射物的動能對比見圖1。由圖1可知，相同質(zhì)量下，餅狀產(chǎn)品的迸射物動能明顯高于棒狀產(chǎn)品。這是由于餅狀產(chǎn)品外形為圓柱體，反應時氣流向四周沖出，鄰近產(chǎn)品因類似球體，接受氣流沖擊的表面積大，迸射后動能也較大。而棒狀產(chǎn)品外形狹長，反應時氣流一般在一端沖出，小部分產(chǎn)品表面接受了氣流沖擊，作用在產(chǎn)品上的能量占比較少。對于棒狀產(chǎn)品，質(zhì)量越大承受沖擊的表面越少，迸射物動能反而下降。

圖1 兩種形狀的氣體發(fā)生器質(zhì)量——迸射物最大動能

2.2.2 爆炸效應

氣體發(fā)生器中的煙火藥一般由唑類、胍類和偶氮類等可燃劑與硝酸鹽、高氯酸鹽等氧化劑組成，其作用為瞬時產(chǎn)生大量氣體[4]，相對一般的爆炸物質(zhì)，其燃燒速度較慢。所有參與試驗的36種型號的氣體發(fā)生器總數(shù)為7 178發(fā)，只有1發(fā)產(chǎn)品發(fā)生1次容器外殼破裂的情況，發(fā)生率為0.014%。分析其原因主要是極個別產(chǎn)品工藝質(zhì)量不合格，在火燒試驗中，產(chǎn)品經(jīng)過一段時間的熾烤，鋼材的強度會有所下降。因此，氣體發(fā)生器在外部火燒實驗中發(fā)生爆炸導致產(chǎn)品外殼破裂的概率極小，爆炸效應帶來的危險影響較小。

2.2.3 熱效應

評估產(chǎn)品熱效應的指標是實驗過程中樣品對外界產(chǎn)生的熱通量。按“小桔皮書”規(guī)定，以燃燒一定質(zhì)量爆炸性物質(zhì)所用的時間來統(tǒng)計熱通量，“1.4G/9類”的熱通量時間判定標準為330s/100kg（100kg典型爆炸物燃燒用時330s，對應于5m處的平均熱通量為4kW/m2）。與一般的爆炸性物質(zhì)相比，氣體發(fā)生器的產(chǎn)氣藥的燃燒熱值較小，大大低于“小桔皮書”的假設值（12 500J/g），330s的燃燒時間應加以校正。校正時產(chǎn)氣藥的燃燒熱值以2 000J/g計算，上述實驗中“1.4G/9類”的燃燒時間判定限應為10.4～28.6s不等，而試驗結果為94～514s，大大低于判定限（燃燒用時越長，對外界產(chǎn)生的熱輻射通量越?。?，表明氣體發(fā)生器的熱效應危險極小。

2.3 降低危險級別的方法

降低氣體發(fā)生器的運輸危險等級的關鍵在于消除產(chǎn)品反應氣流的沖擊作用形成的迸射物。有效的方法是將氣體發(fā)生器盛裝在一層金屬材料的網(wǎng)袋狀內(nèi)包裝中，外部火燒試驗時，當單個產(chǎn)品受鄰近產(chǎn)品反應氣流沖擊并迸射時，受金屬網(wǎng)袋約束，不能向四周拋射，從而消除危險迸射物。另外，對于單個氣體發(fā)生器，特別是圓餅狀的產(chǎn)品，一種有效的措施是將包裝內(nèi)的產(chǎn)品串聯(lián)在一起，經(jīng)受外部火燒試驗時，受反應氣流沖擊的產(chǎn)品動能被連在一起的產(chǎn)品緩沖，反而不能產(chǎn)生危險迸射物，見圖2~3，測試數(shù)據(jù)見表1中序號6、9。試驗結果證明了此方法的有效性。

圖2 正常包裝的餅形氣體發(fā)生器火燒試驗情況

圖3 特殊包裝的餅形氣體發(fā)生器火燒試驗情況

3 結論

（1）氣體發(fā)生器的運輸危險性級別取決于產(chǎn)品在聯(lián)合國試驗系列6（c）即外部火燒試驗中的危險行為表現(xiàn)。（2）氣體發(fā)生器的運輸危險性主要表現(xiàn)為迸射危險，爆炸危險極小，熱效應可以忽略。（3）采用適當處理方法可以降低氣體發(fā)生器的運輸危險等級，如增加約束性的內(nèi)包裝材料等。

[1] Recommendations on the transport of dangerous goods model regulations volume I, 20th revised edition [S]. US: New York and Geneva, 2017.

[2] Recommendations on the transport of dangerous goods manual of test and criteria, 6th revised edition [S]. US:New York and Geneva, 2015.

[3] 屈豐,胡敏.汽車安全氣囊氣體發(fā)生器的性能測試分析[J].現(xiàn)代電子技術, 37(21): 159-162.

[4] 陳守文,成一.汽車安全氣囊用非疊氮化物氣體發(fā)生劑—PAK-2氣體發(fā)生劑的設計與研究[J].化學推進劑與高分子材料, 2002(3): 36-38.

Study on Classification Test of Vehicle Gas Generator Transport Hazard

JIANG Zi-cheng, HE Zuo-rui, KONG Qing-jun, XIAO Jia-yong, ZHANG Guang-hui

(National Key Laboratory of Firework and Firecrackers Inspection(Hunan), Liuyang, 410300)

Based on the requirements of the UN regulations for the transport of dangerous goods to the vehicle gas generators, and through carring out the UN external fire test, the dangerous performance and cause of various vehicle gas generators were studied. Research shows that the transport hazard of gas generator is mainly manifested as projections danger, the effect of explosion effect and thermal effect is very small, and the transport hazard classification of gas generator can be reduced effectively by improving the package or improving the structure of product.

Gas generator；Vehicle；Transport classification；External fire test；Projections hazard

1003-1480（2018）03-0054-03

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.014

2017-12-05

江資成（1971- ），男，高級工程師，從事煙花爆竹等危險化學品檢驗。

國家質(zhì)檢總局課題（2017Ik044）。