張網(wǎng) 王玥

(應(yīng)急管理部天津消防研究所 天津 300381)

0 引言

熱表面是一種常見(jiàn)的點(diǎn)火源形式，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、渦輪增壓器外殼、熱流體管道表面等。1980—1990年墨西哥灣石油開(kāi)采工業(yè)發(fā)生的火災(zāi)事故中，有35%的火災(zāi)是由于泄漏的可燃液體或氣體遇到機(jī)械設(shè)備的熱表面所導(dǎo)致[1]。在美國(guó)的多起汽車(chē)著火事故中，有相當(dāng)比例的事故是由于熱表面點(diǎn)火源引起[2]。2010年美國(guó)礦山安全衛(wèi)生管理局的一份技術(shù)報(bào)告顯示，在一起嚴(yán)重的汽車(chē)事故中，是由于柴油遇到熾熱的渦輪增壓器表面而引發(fā)了著火事故。2016年湖南郴州宜鳳高速“6·26”特別重大道路交通事故中，是事故車(chē)輛右前輪輪轂與地面摩擦產(chǎn)生高溫，引燃了車(chē)輛油箱內(nèi)泄漏流淌到地面上的柴油[3]。因此，研究熱表面點(diǎn)火源對(duì)可燃液體的引燃特征對(duì)于火災(zāi)事故的預(yù)防具有重要意義。

1 可燃液體火災(zāi)危險(xiǎn)性參數(shù)

1.1 閃點(diǎn)和燃點(diǎn)

可燃液體通常指的是常溫下以液體狀態(tài)存在，遇火容易引起燃燒的液體，包括可燃液體或可燃液體的混合物。可燃液體種類繁多，通常有碳?xì)漕惪扇家后w、醇類可燃液體等。評(píng)價(jià)可燃液體的火災(zāi)危險(xiǎn)性主要采用“閃點(diǎn)”這一參數(shù)。對(duì)于易揮發(fā)的可燃液體(如汽油、酒精等)，其揮發(fā)出的可燃液體蒸氣與空氣混合后，遇到點(diǎn)火源也會(huì)發(fā)生爆炸。因此，對(duì)于易揮發(fā)液體，爆炸極限也是評(píng)價(jià)其火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)?？扇家后w主要危險(xiǎn)性參數(shù)及測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

1.2 自燃溫度

除閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、爆炸極限3個(gè)參數(shù)外，自燃溫度(Auto-Ignition Temperature)也是評(píng)價(jià)可燃液體火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于可燃液體自燃溫度的測(cè)定方法和標(biāo)準(zhǔn)主要有3個(gè)，見(jiàn)表2。

《可燃液體和氣體引燃溫度試驗(yàn)方法》(GB/T 5332—2007)規(guī)定了可燃?xì)怏w、液體引燃溫度的測(cè)定方法，該標(biāo)準(zhǔn)中的反應(yīng)燒瓶為200 mL的錐形燒瓶?！兑后w化學(xué)品自燃溫度的試驗(yàn)方法》(GB/T 21860—2008)規(guī)定了液體化學(xué)品自燃溫度的測(cè)定方法，該標(biāo)準(zhǔn)等同采用的是美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 659-78(2005)，其中的試驗(yàn)燒瓶為短頸圓底硼硅酸鹽玻璃燒瓶，其容積為500 mL?！妒彤a(chǎn)品自燃溫度測(cè)定法》(GB/T 21791—2008)規(guī)定了石油產(chǎn)品自燃溫度的測(cè)定方法，該方法中所使用的燒瓶為200 mL的細(xì)頸錐形燒瓶。上述3種實(shí)驗(yàn)方法中均采用加熱爐將燒瓶加熱至一定溫度之后放入待測(cè)樣品，通過(guò)觀察是否發(fā)生燃燒現(xiàn)象，最終找到能發(fā)生燃燒的最低溫度。上述3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，反應(yīng)燒瓶形狀、容積略有差別，但對(duì)同一種樣品，其自燃溫度的測(cè)定結(jié)果差異不大。

表2 可燃液體自燃溫度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)

1.3 熱表面最低引燃溫度

實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)燒瓶?jī)?nèi)空氣的溫度是比較均勻的，這與我們通常所見(jiàn)的熱表面有很大不同。由于熱表面多處于開(kāi)放的自然環(huán)境中，熱表面附近的空氣溫度隨著距離熱表面距離的增加會(huì)逐漸降低?？扇家后w接觸熱表面發(fā)生著火的溫度通常高于標(biāo)準(zhǔn)方法中測(cè)定的自燃溫度。因此，有研究學(xué)者提出了熱表面最低引燃溫度(Minimum Heated Surface Ignition Temperature, MHSIT)用于評(píng)價(jià)可燃液體遇到熱表面點(diǎn)火源的危險(xiǎn)[4]。

1.4 典型植物油的火災(zāi)危險(xiǎn)性參數(shù)

植物油的主要成分是脂肪酸，與柴油、酒精等可燃液體相比，植物油的粘性較大。因此，采用開(kāi)杯閃點(diǎn)測(cè)定裝置，依據(jù)《石油產(chǎn)品閃點(diǎn)和燃點(diǎn)的測(cè)定 克利夫蘭開(kāi)口杯法》(GB/T 3536—2008)中規(guī)定的方法測(cè)定了幾種典型植物油的閃點(diǎn)。采用《可燃液體和氣體引燃溫度試驗(yàn)方法》中的方法測(cè)定了幾種典型植物油的自燃溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 可燃液體自燃溫度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn) ℃

2 熱表面對(duì)植物油的引燃實(shí)驗(yàn)研究

在《可燃液體和氣體引燃溫度試驗(yàn)方法》中，反應(yīng)燒瓶中的熱空氣溫度上下基本均勻一致，但日常生活中的熱表面附近的空氣溫度與實(shí)驗(yàn)爐中空氣的溫度有很大的不同。距離熱表面越遠(yuǎn)，空氣溫度越低。熱空氣爐與熱表面的對(duì)比見(jiàn)圖1。

2.1 熱表面實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究典型熱表面對(duì)可燃物的引燃特征，試制了熱表面實(shí)驗(yàn)裝置，見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)裝置采用電熱絲加熱方式，熱表面采用圓形金屬片，直徑為20 cm，厚度為10 cm。在熱表面上布置了5只熱電偶，其中1只位于圓形熱表面的圓心處，另外4只均勻布置在以圓心為圓點(diǎn)、直徑為10 cm的圓周上。

(a)標(biāo)準(zhǔn)中自燃溫度的測(cè)定

(b)日常生活中的熱表面圖1 標(biāo)準(zhǔn)熱空氣爐與熱表面的對(duì)比示意

由于熱表面通常處于開(kāi)放的自然環(huán)境中，當(dāng)可燃液體接觸熱表面時(shí)能否發(fā)生引燃，除與熱表面的溫度高低有關(guān)外，還與熱表面附近空氣流速、可燃液體自燃溫度、可燃液體物性參數(shù)有關(guān)。因此，當(dāng)可燃液體接觸某一高溫的熱表面時(shí)，能否引燃存在一定的概率。對(duì)于熱表面引燃可燃液體的概率問(wèn)題，已有相關(guān)研究人員開(kāi)展了一定研究[4]。

該研究方法的步驟如下：①將熱表面加熱并控制在一定溫度h，將可燃液體樣品滴落至熱表面，觀察是否發(fā)生引燃；②以一定的溫度步長(zhǎng)d，逐步升高熱表面的溫度，滴入可燃液體，觀察是否引燃；③記錄下每個(gè)溫度點(diǎn)發(fā)生引燃和未引燃的次數(shù)。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算引燃概率。

圖2 熱表面實(shí)驗(yàn)裝置

式中，Tm為50%引燃概率時(shí)的熱表面溫度，N(0)為所有實(shí)驗(yàn)中發(fā)生引燃的次數(shù)。

2.2 熱表面對(duì)典型植物油的引燃實(shí)驗(yàn)

隨著化石燃料的逐漸減少和環(huán)保要求的不斷提高，科研人員探索在發(fā)動(dòng)機(jī)中采用植物油作為燃料[5]，在變壓器行業(yè)也逐步使用高燃點(diǎn)植物油替代傳統(tǒng)的礦物油作為變壓器的絕緣液[6]。植物油的推廣應(yīng)用帶來(lái)了一定的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)熱表面對(duì)典型植物油的引燃特征研究對(duì)于防火具有重要意義。

2.2.1 大豆油引燃實(shí)驗(yàn)

首先將熱表面的溫度控制在410 ℃，滴入大豆油1.5 mL，觀察是否發(fā)生引燃。然后以5 ℃為步長(zhǎng)，逐步提高熱表面的溫度，重復(fù)滴入大豆油，進(jìn)行引燃實(shí)驗(yàn)。

對(duì)大豆油共進(jìn)行了73次實(shí)驗(yàn)，其中33次發(fā)生了引燃，40次未發(fā)生引燃。每個(gè)溫度點(diǎn)具體是否發(fā)生引燃情況見(jiàn)表4。根據(jù)熱表面溫度計(jì)算式，得出大豆油50%引燃概率的熱表面溫度為440 ℃。

表4 熱表面對(duì)大豆油的引燃實(shí)驗(yàn)匯總

2.2.2桐油引燃實(shí)驗(yàn)

桐油作為典型的植物油，是一種干性油，具有干燥快、比重輕、光澤度好、附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，大量用于建筑、機(jī)械、防銹涂料等，其主要成分是脂肪酸甘油三酯混合物。熱表面對(duì)桐油的引燃實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表5?？梢钥闯觯?9次實(shí)驗(yàn)中，有13次發(fā)生了引燃，46次未發(fā)生引燃。根據(jù)熱表面溫度計(jì)算式，得出桐油50%引燃概率的熱表面溫度為455 ℃。

表5 熱表面對(duì)桐油的引燃實(shí)驗(yàn)匯總

2.2.3 葵花籽油引燃實(shí)驗(yàn)

本節(jié)實(shí)驗(yàn)采用的是物理壓榨葵花籽油，100 g該葵花籽油的主要成分為飽和脂肪酸約12.42 g，單不飽和脂肪酸約25.23 g，其余為多不飽和脂肪酸?？ㄗ延偷囊紝?shí)驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表6。對(duì)葵花籽油共進(jìn)行了41次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中熱表面的溫度范圍從420～465 ℃，其中23次實(shí)驗(yàn)發(fā)生了引燃，18次實(shí)驗(yàn)未發(fā)生引燃。根據(jù)熱表面溫度計(jì)算式，得出葵花籽油50%引燃概率熱表面溫度為448 ℃。

表6 熱表面對(duì)葵花籽油的引燃實(shí)驗(yàn)匯總

2.2.4 稻米油引燃實(shí)驗(yàn)

對(duì)稻米油共進(jìn)行了54次實(shí)驗(yàn)，其中14次發(fā)生了引燃，40次未發(fā)生引燃，實(shí)驗(yàn)情況匯總見(jiàn)表7。根據(jù)熱表面溫度計(jì)算式，得出稻米油50%引燃概率的熱表面溫度為444 ℃。

2.2.5 花生油引燃實(shí)驗(yàn)

對(duì)花生油共進(jìn)行了32次實(shí)驗(yàn)，其中20次發(fā)生了引燃，12次未發(fā)生引燃，具體實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表8。根據(jù)熱表面溫度計(jì)算式，得出花生油50%引燃概率的熱表面溫度為450 ℃。

表7 熱表面對(duì)稻米油的引燃實(shí)驗(yàn)匯總

表8 熱表面對(duì)花生油的引燃實(shí)驗(yàn)匯總

厚度為10 mm的球墨鑄鐵熱表面接觸花生油時(shí)的熱表面溫度變化情況如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中，將熱表面加熱至460 ℃，恒溫約3 min后滴入花生油1.5 mL?？煽吹降稳牖ㄉ秃?，熱表面的溫度迅速下降至250 ℃，之后花生油逐漸升溫、蒸發(fā)。從滴入時(shí)刻計(jì)時(shí)起，約延遲5 s后發(fā)生了引燃。圖4為花生油發(fā)生引燃的實(shí)驗(yàn)。

圖3 滴入花生油后熱表面溫度變化情況

圖4 花生油接觸熱表面發(fā)生引燃

2.3 自燃溫度與熱表面最低引燃溫度的比較

根據(jù)1.4節(jié)與2.2節(jié)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，幾種典型植物油的自燃溫度與50%引燃概率的熱表面溫度比較見(jiàn)表9。

表9 自燃溫度與熱表面引燃溫度的比較 ℃

3 植物油熱表面引燃影響因素

3.1 植物油成分

植物油中最基本的組成成分為脂肪酸，主要分為飽和脂肪酸(SFA)、單不飽和脂肪酸(MUFA)、多不飽和脂肪酸(PUFA)[7]。楊明等[8]采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用雙內(nèi)標(biāo)定量的檢測(cè)方法給出了幾種典型植物油中不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的比例。典型植物油的成分見(jiàn)表10，植物油成分的不同，對(duì)其引燃溫度有一定的影響。

表10 典型植物油中不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

3.2 植物油黏度

與柴油、酒精等可燃液體相比，植物油的粘度較大，典型植物油的運(yùn)動(dòng)粘度約27～40 mm2/s。當(dāng)接觸熱表面時(shí)，由于植物油粘性大，能更好的附著在熱表面上，因而更容易受熱、升溫，進(jìn)而發(fā)生引燃。

3.3 可燃液體量

滴入熱表面的可燃液體質(zhì)量也是影響能否發(fā)生引燃的因素之一。滴入可燃液體質(zhì)量較少時(shí)，較大比例的可燃液體揮發(fā)后，會(huì)導(dǎo)致沒(méi)有足夠的液體蒸氣升高至較高溫度，因而不能發(fā)生引燃。當(dāng)?shù)稳胍后w較多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱表面溫度降低幅度較大，從而可能不易發(fā)生引燃。

4 結(jié)論

以工業(yè)場(chǎng)所中可能出現(xiàn)的熱表面點(diǎn)火源，建立了模擬實(shí)驗(yàn)裝置，研究了典型植物油接觸熱表面的引燃特征，主要結(jié)論如下：

(1)幾種典型植物油接觸高溫?zé)岜砻妫?0%概率發(fā)生引燃的溫度約440～455 ℃；

(2)典型植物油的主要成分為C16～C18的脂肪酸，其閃點(diǎn)(開(kāi)杯)、燃點(diǎn)均較高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，熱表面最低引燃溫度比標(biāo)準(zhǔn)方法中測(cè)量的自燃溫度高出約50 ℃。