吳曉偉,賈 佳,李 斌,楊仲坤

(1.中國人民解放軍92942部隊(duì), 北京 100161;2.南京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 南京 210094)

0 引言

液態(tài)燃料作為最常見的能源之一,已被廣泛應(yīng)用于軍工、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)方面,如石油化工行業(yè)、航空航天行業(yè)、發(fā)電行業(yè)等[1-2]。但其在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存和使用過程中極易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故,造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[3-4]。在軍用方面,比如艦船在作戰(zhàn)過程中,油艙受到爆炸破片打擊或外界炮火襲擊,容易引發(fā)二次爆炸,對武器裝備和人員安全造成巨大威脅。

相對艦用柴油、滑油,噴氣燃料的閃點(diǎn)較低,火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)相對較高,因此艦船噴氣燃料艙防火防爆問題成為艦船行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。目前,部分艦船噴氣燃料艙采用氮?dú)馓畛溥M(jìn)行惰化,但此方法存在一定的缺陷:一是需要配備單獨(dú)的氮?dú)獍l(fā)生和存儲系統(tǒng),占用了一定艦船資源;二是由于油艙難以完全密封,氮?dú)獯嬖谛孤?需要不時(shí)補(bǔ)充氮?dú)?三是當(dāng)油艙遭受打擊破損時(shí),氮?dú)庖绯?將失去防爆抑爆作用。

除了氮?dú)舛杌侄?針對油箱、油艙等油料存儲容器,目前研發(fā)了一些新型抑爆材料,已經(jīng)工程化應(yīng)用的包括網(wǎng)狀鋁合金材料、聚氨酯網(wǎng)狀材料(發(fā)泡抑爆材料)以及非金屬球形抑爆材料(注塑成型抑爆材料)等[5-6]。Yang等[7]研究了網(wǎng)狀鋁合金材料在不同裝填密度下對氣態(tài)燃料預(yù)混氣體的抑爆效果和超壓分布的影響,為抑爆材料性能優(yōu)化提供了參考。張婧等[8-9]探究了鋁合金抑爆油箱的抗彈性能,得出了填充材料具有更好的抗彈性能。賈佳等[10]對填充球形抑爆材料的油艙進(jìn)行實(shí)彈炮擊的形式,研究了其抑爆效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果為選擇抑爆材料提供了一定的理論基礎(chǔ)。袁必和等[11]討論了在管道中填充多孔材料的爆炸抑制效果,探究了各種填充情況對抑爆性能的影響。王子拓等[12]基于網(wǎng)狀高分子材料(聚氨酯材料),研究了裝填工藝對抑制油氣爆炸的影響,結(jié)果證明其對火焰發(fā)展、超壓等參數(shù)起到了有效抑制。與惰性氣體抑制[13]不同,抑爆材料的抑制原理[14-15]是將有限空間分割成數(shù)量較多小空間,從而增大空間內(nèi)表面積,加強(qiáng)對燃燒熱量的耗散,削弱火焰?zhèn)鞑ニ俣?減弱爆炸壓力,滿足燃爆的抑制要求[16-18]。前期研究成果表明,相比鋁合金網(wǎng)狀抑爆材料和惰性氮?dú)舛?非金屬球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料可有效抑制燃料艙內(nèi)可燃混合氣的爆炸。

為研究新型抑爆材料對艦船噴氣燃料艙的抑爆效果,研究將基于大尺度艦船噴氣燃料(RP-5)艙,填充2種新型抑爆材料(非金屬球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料),采用2種載荷(爆炸、破片)開展抑爆效能試驗(yàn),該研究結(jié)果可為油艙、油箱等儲油容器防爆提供理論依據(jù)和應(yīng)用參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方案

1.1 作用載荷及模擬油艙

本試驗(yàn)采用了爆炸、破片2種載荷,其中爆炸載荷(見圖1)采用150 g海薩爾-3炸藥,通過電雷管起爆;破片載荷(見圖2)采用12.7 mm子彈射擊裝置發(fā)射制式12.7 mm殺爆彈,模擬破片對油箱的殺傷。

1.高速攝像機(jī);2.紅外攝像機(jī);3.電起爆器;4.雷管;5.海薩爾.3炸藥;6.模擬油艙;7.隔艙;8.壓力傳感器;9.注油孔;10.排油孔;11.熱電偶

1.高速攝像機(jī);2.紅外攝像機(jī);3. 12.7 mm殺爆彈;4.壓力傳感器;5.隔艙;6.注油孔;7.熱電偶;8.模擬油艙;9.排油孔

模擬油艙(見圖3)采用1∶2的簡化艦船噴氣燃料艙鋼制模型,鋼板壁厚2 mm。模擬油艙包括儲油艙和隔離艙兩部分,其中儲油艙尺寸為2.5 m×1.5 m×1 m,隔離艙為儲油艙周界向外拓展0.375 m的空間,儲油艙四周及頂部均設(shè)置了隔離艙,頂部設(shè)有注油孔,底部設(shè)有排油孔。

圖3 模擬油艙

1.2 油料

試驗(yàn)均采用RP-5噴氣燃料,其理化性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)前,向儲油艙內(nèi)注入1/4的油量。

表1 噴氣燃料(RP-5)的主要理化性質(zhì)

1.3 抑爆材料

試驗(yàn)采用的抑爆材料為非金屬球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料。材料實(shí)物圖如圖4所示。按照GJB8455—2015《油艙油罐填充用阻隔防爆材料通用規(guī)范》要求,裝填留空率不大于10%。

圖4 抑爆材料

1.4 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)包括溫度測量設(shè)備、壓力測量設(shè)備、高速攝像設(shè)備以及紅外攝像設(shè)備等,2種載荷作用試驗(yàn)時(shí)的測量設(shè)備總體布置情況見圖1—圖3。其中溫度與壓力測量設(shè)備分別用于記錄油艙內(nèi)溫度和壓力隨時(shí)間變化數(shù)據(jù),傳感器設(shè)置情況見表2,溫度傳感器測點(diǎn)艙內(nèi)布置情況如圖5所示。壓力傳感器測點(diǎn)艙內(nèi)布置情況如圖6所示。高速攝像設(shè)備(Photrom UX100型)和紅外攝像設(shè)備(IRS 669型)分別用于記錄油艙外部的運(yùn)動(dòng)情況和溫度情況。

表2 溫度和壓力傳感器設(shè)置

圖5 溫度傳感器測點(diǎn)艙內(nèi)布置示意圖

圖6 壓力傳感器布置示意圖

1.5 試驗(yàn)方案

分別進(jìn)行爆炸、破片2種載荷作用下油艙的抑爆效能試驗(yàn),探討不同抑爆材料的抑爆效果,試驗(yàn)方案見表3。

表3 試驗(yàn)方案表

2 結(jié)果與討論

2.1 爆炸載荷試驗(yàn)

2.1.1空白對照試驗(yàn)

通過圖7空白對照試驗(yàn)的高速攝像拍攝的整個(gè)過程可以看出,爆炸載荷作用后,油艙內(nèi)RP-5被引燃并發(fā)生二次爆炸,燃料從油艙噴射出,發(fā)生較大噴射火焰,且油艙內(nèi)燃料形成池火燃燒。紅外熱成像圖(見圖8)表明,爆炸載荷作用后,RP-5從油艙中噴射出并出現(xiàn)明顯的噴射火焰和噴射火焰明顯擴(kuò)大熱輻射范圍,最高溫度達(dá)到1 434.6 ℃。油艙內(nèi)燃料在二次爆炸后形成池火燃燒,引爆5 min后池火仍未熄滅。同時(shí),通過油艙內(nèi)記錄的壓力狀態(tài)分析,爆炸載荷作用后,油艙內(nèi)觀察到明顯的壓力上升,最大壓力達(dá)到13.8 MPa(見圖9),發(fā)生燃料劇烈的二次爆炸。試驗(yàn)后油艙狀態(tài)如圖10所示。油艙頂面、正面與背面均發(fā)生嚴(yán)重鼓包變形。油艙內(nèi)燃料持續(xù)燃燒,艙體臨近解體,注油頂蓋螺桿斷裂,注油頂蓋板飛出,油艙出現(xiàn)大面積變形與突起,油艙出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p毀。

圖8 空白對照爆炸載荷試驗(yàn)溫度分布

圖9 空白對照爆炸載荷試驗(yàn)壓力變化圖

圖10 空白對照爆炸載荷試驗(yàn)后油艙形態(tài)

2.1.2球形抑爆材料抑爆試驗(yàn)

結(jié)合圖11與圖12,球形抑爆材料爆炸載荷試驗(yàn)顯示了整個(gè)高速攝像過程與紅外熱成像溫度的變化,可以看出爆炸載荷作用后,油艙內(nèi)溫度未出現(xiàn)明顯變化,未觀察到噴射火焰或噴射火焰明顯擴(kuò)大熱輻射范圍,說明RP-5未被引燃,油艙未發(fā)生爆炸。通過表4油艙內(nèi)的壓力狀態(tài)分析來看,爆炸載荷作用后,油艙內(nèi)觀察到壓力上升,隔艙壓力小于油艙側(cè)面壓力,最大壓力為408.5 kPa,應(yīng)為炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力。爆炸壓力相較于空白對照試驗(yàn)出現(xiàn)顯著下降,爆炸壓力衰減了97.0%。從油艙內(nèi)熱電偶記錄的溫度變化曲線(見圖13)分析來看,油艙和隔艙內(nèi)溫度均持續(xù)升高,最高溫度分別達(dá)到146.2 ℃和61.8 ℃,判定為油艙內(nèi)炸藥爆炸所產(chǎn)生的溫度變化,未達(dá)到油艙內(nèi)RP-5的燃燒溫度,進(jìn)一步說明油艙內(nèi)燃料未被引燃。試驗(yàn)后油艙整體形態(tài)(見圖14)也與空白對照試驗(yàn)出現(xiàn)顯著區(qū)別,其整體保持完好,只有頂面出現(xiàn)輕微鼓起,并未解體。

表4 爆炸載荷抑爆試驗(yàn)各測試點(diǎn)峰值壓力

圖11 球形抑爆材料爆炸載荷試驗(yàn)高速攝像

圖12 球形抑爆材料爆炸載荷試驗(yàn)紅外最高溫度曲線

圖13 球形抑爆材料爆炸載荷試驗(yàn)熱電偶溫度變化圖

圖14 球形抑爆材料爆炸載荷試驗(yàn)后油艙形態(tài)

2.1.3發(fā)泡抑爆材料抑爆試驗(yàn)

在爆炸載荷作用下,發(fā)泡抑爆材料的抑爆試驗(yàn)現(xiàn)象與球形抑爆材料相似,油艙內(nèi)RP-5也未被引燃,油艙未發(fā)生爆炸。紅外溫度未出現(xiàn)明顯變化,且未觀察到噴射火焰或噴射火焰明顯擴(kuò)大熱輻射范圍(見圖15—18)。油艙內(nèi)壓力觀察到最大400.2 kPa的壓力上升(見表4),同樣為炸藥爆炸所產(chǎn)生的壓力。爆炸壓力相較于空白對照試驗(yàn)衰減了97.1%。油艙和隔艙內(nèi)溫度均持續(xù)升高,最高溫度分別達(dá)到154.3 ℃和60.0 ℃,判定為油艙內(nèi)炸藥爆炸所產(chǎn)生的溫度變化,未達(dá)到油艙內(nèi)RP-5的著火點(diǎn)(自燃溫度),進(jìn)一步證實(shí)油艙內(nèi)燃料未被引燃。試驗(yàn)后油艙整體形態(tài)保持完好,并未發(fā)生解體。

圖15 發(fā)泡抑爆材料爆炸載荷試驗(yàn)高速攝像

圖16 發(fā)泡抑爆材料爆炸載荷試驗(yàn)紅外最高溫度曲線圖

圖17 發(fā)泡抑爆材料爆炸載荷試驗(yàn)熱電偶溫度變化圖

圖18 發(fā)泡抑爆材料爆炸載荷試驗(yàn)后油艙形態(tài)

以上結(jié)果表明,在爆炸載荷作用下,未填充抑爆材料的油艙內(nèi)RP-5被引燃,發(fā)生劇烈的二次爆炸,油艙出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p毀。填充球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料的油艙在爆炸載荷作用下,均未發(fā)生二次爆炸,樣品油艙整體均保持完好,油艙內(nèi)壓力分別下降了97.0%和97.1%。相較于未填充抑爆材料的條件,抑爆試驗(yàn)在艙內(nèi)壓力、溫度與油艙形態(tài)等方面均與其觀察到顯著區(qū)別,因此判定上述2種抑爆材料在爆炸載荷作用下均能對油艙起到良好的阻隔防爆效果。

2.2 破片載荷試驗(yàn)

2.2.1球形抑爆材料抑爆試驗(yàn)

圖19為球形抑爆材料破片載荷試驗(yàn)高速攝像圖片。從高速攝像拍攝的整個(gè)過程可以看出,破片擊中樣品油艙時(shí),只觀察到12.7 mm穿燃破片中炸藥爆炸產(chǎn)生的瞬時(shí)爆炸產(chǎn)物的火焰;30 ms時(shí)從彈孔噴出的爆炸產(chǎn)物出現(xiàn)灰白色煙氣;60 ms時(shí)破片中炸藥爆炸產(chǎn)生產(chǎn)物的火焰消散;爆炸產(chǎn)物的灰白色煙氣在1 s時(shí)消失;未觀測到油料燃燒形成的火焰。說明油艙內(nèi)RP-5未被引燃,油艙未發(fā)生二次爆炸。

圖19 球形抑爆材料破片載荷試驗(yàn)高速攝像

圖20為紅外圖像,溫度最高為199.2 ℃,為破片擊中油艙瞬間,破片爆炸從噴孔噴出的產(chǎn)物溫度,隨后溫度出現(xiàn)下降,進(jìn)一步證明油艙內(nèi)RP-5未被引燃。表5表明油艙內(nèi)壓力測試點(diǎn)的峰值壓力,破片撞擊后未觀察到明顯的壓力上升,且隔艙壓力小于油艙側(cè)面壓力,最大壓力均小于20 kPa。試驗(yàn)后樣品油艙形態(tài)如圖21所示。圖中顯示油艙僅正面出現(xiàn)破片穿孔,其余各面均未發(fā)生變形,其整體保持完好。

表5 破片載荷抑爆試驗(yàn)各測試點(diǎn)峰值壓力

圖20 球形抑爆材料破片載荷試驗(yàn)溫度分布

圖21 球形抑爆材料破片載荷試驗(yàn)后油艙形態(tài)

2.2.2發(fā)泡抑爆材料抑爆試驗(yàn)

圖22—圖24分別為發(fā)泡抑爆材料破片載荷試驗(yàn)高速攝像、紅外溫度、壓力變化和試驗(yàn)后油艙形態(tài)。與球形抑爆材料試驗(yàn)所觀察到的現(xiàn)象保持一致,油艙內(nèi)RP-5未出現(xiàn)被引燃的現(xiàn)象,試驗(yàn)后樣品油艙整體也保持完好。

圖22 發(fā)泡抑爆材料破片載荷試驗(yàn)高速攝像

圖23 發(fā)泡抑爆材料破片載荷試驗(yàn)溫度分布

圖24 發(fā)泡抑爆材料破片載荷試驗(yàn)后油艙形態(tài)

以上結(jié)果表明,在填充球形和發(fā)泡抑爆材料的情況下,裝有RP-5的樣品油艙在12.7 mm破片載荷作用下,油艙內(nèi)燃料均未被引燃,均未發(fā)生二次爆炸,樣品油艙整體性均保持完好。球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料在破片載荷作用下均能對油艙起到良好的阻隔防爆效果。

3 結(jié)論

針對新型抑爆材料的抑爆效能,基于大尺度油艙抑爆試驗(yàn)平臺,通過開展爆炸、破片2種載荷作用下的抑爆效能試驗(yàn)得到以下結(jié)論:

1) 在爆炸載荷作用下,球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料均能對油艙起到良好的阻隔防爆效果。相比于未填充抑爆材料的爆炸載荷試驗(yàn),分別填充2種抑爆材料的油艙內(nèi)燃料均未被引燃,未發(fā)生二次爆炸;填充球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料的油艙的爆炸壓力降低率分別達(dá)到97.0%和97.1%。

2) 在12.7 mm破片載荷作用下,球形抑爆材料和發(fā)泡抑爆材料均能對油艙起到良好的阻隔防爆效果。分別填充2種抑爆材料的油艙內(nèi)燃料未被引燃,未發(fā)生二次爆炸;樣品油艙整體均保持完好。