熱源條件下油氣二次熱著火實驗＊

歐益宏，杜 揚，蔣新生，王 冬

（解放軍后勤工程學院火災與爆炸安全防護重慶市重點實驗室，重慶401311）

大量事故統計表明，由熱爆燃引起的二次及后續多次爆炸比初期爆炸事故危害要大得多。因此，為防止和減輕燃燒爆炸災害，研究受限空間內油氣多次受熱產生的燃燒爆炸的條件及其影響因素具有重要意義。A.J.Harrisond等［1］、B.Polizy等［2］、C.A.Catlin等［3］、F.Thom 等［4］對各種情況下泄爆引起的二次爆炸進行了研究。近幾年來，范維澄等［5］、謝之康等［6－7］、姜孝海等［8］、范寶春等［9］、沈偉等［10］、杜揚等［11－12］對可燃氣體和粉塵多次爆炸的誘發過程、影響因素、數學模型進行了實驗和數值模擬。這些工作驗證和推動了熱爆炸理論的研究的發展。但由于放熱反應物質的多次著火機理和影響因素不盡相同，當前文獻對簡單組分可燃氣體的研究較深入，但對復雜組分的可燃氣體，尤其是針對汽油、柴油等在空氣中揮發形成的多組分混合氣的多次熱自燃的研究成果極少。本文中擬將通過實驗分析，獲取汽油蒸汽－空氣混合物二次熱著火的基礎數據與起燃規律，為制定二次熱著火的規范奠定基礎。

1 油氣二次熱著火過程

油氣二次熱著火實驗采用文獻［11－12］的實驗系統。實驗方法為：保持不同初始條件下的一次熱著火完成后的真實災后環境，再次加熱熱源，同時連續監控熱源溫度、環境溫度、組分濃度、壓力的變化，熱源達到一定溫度后，油氣接觸熱源，采用高速攝影儀連續拍攝油氣著火情況。實驗發現，油氣二次熱著火的著火模式可分為燃燒、熱爆燃和熱爆炸。與油氣一次熱著火相比，油氣二次熱著火強度更強烈，著火概率更大，著火持續時間更短。圖1～3為典型工況條件下的油氣二次熱著火方式實驗照片。

1.1 燃 燒

圖1 典型的二次熱燃燒過程圖Fig.1Secondary combustion course

油氣一次熱著火后，受限空間內環境溫度為335K，油氣濃度為1.95%，濕度為24%，油氣接觸溫度為778K的熱源，受限空間內發生的典型熱著火過程，如圖1所示。著火特征表現為燃燒。油氣接觸熱源后25.2s熱源表面出現火焰見圖1（a）；至27.1s火焰逐漸擴大見圖1（b）；至35.1s火焰擴展，油氣在熱壁下方燃燒見圖1（c）；25.2s火焰逐漸熄滅見圖1（d）。著火延遲期為25.2s，從起燃到熄滅持續了20s。與油氣一次熱著火的燃燒情況相比［11］，二次燃燒的著火延遲期和燃燒持續時間明顯縮短。

1.2 爆 燃

油氣一次熱著火后，受限空間內環境溫度為352K，油氣濃度為1.03%，濕度為18%RH，在熱源溫度773K時油氣接觸熱源，受限空間內發生的典型熱著火過程，如圖2所示。著火特征表現為熱爆燃。油氣接觸熱源后5.4s，熱源表面出現紅色火焰見圖2（a）；5.8s內火焰突然以火球狀在熱源上方膨脹并迅速向受限空間內傳遞見圖2（b）；6.1s火焰減弱，熱源周圍呈現綠白色的火焰見圖2（c）；7.0s時火焰逐漸熄滅見圖2（d）。著火延遲期僅為5.4s，從起燃到熄滅僅持續了1.6s。與油氣一次熱著火的爆燃情況相比，二次熱爆燃不但著火延遲期和爆燃持續時間明顯縮短，且未出現爆燃后再引發二次、三次著火現象。

圖2 典型的二次熱爆燃過程圖Fig.2Secondary deflagration course

1.3 爆 炸

油氣一次熱著火后，受限空間內環境溫度為403K，油氣濃度為2.67%，濕度為13%RH，在熱源溫度773K時油氣接觸熱源，受限空間內發生的典型熱著火過程，如圖3所示。著火特征表現為爆炸。油氣接觸熱源后17.2s熱源上突然爆炸見圖3（a）；17.6s火焰迅速向受限空間內傳遞見圖3（b）；18.2s火焰減弱，熱源上方呈現藍色的火焰見圖3（c）；18.6s時火焰逐漸熄滅見圖3（a）。著火延遲期為17.2 s，從起燃到熄滅僅持續了1.4s。與油氣一次熱著火的爆炸情況相比，二次熱爆炸且著火延遲期范圍更寬，發生爆炸的概率大大增加。

圖3 典型的二次熱爆炸過程圖Fig.3Secondary explosion course

2 油氣二次熱著火臨界著火溫度

測定油氣二次熱著火臨界溫度的步驟為：（1）在不同初始條件的一次熱著火完成后，測量特征參數。（2）加熱熱源達到一定溫度后，油氣接觸熱源，通過監控系統觀測油氣著火情況。（3）改變油氣接觸熱源的溫度，直到著火不再發生。然后歸類不同初始條件的二次熱著火情況，總結影響臨界著火溫度的關鍵因素。（4）改變關鍵影響因素，重復以上過程，相同實驗條件重復5次，直到得到著火的最低臨界溫度。實驗發現，油氣二次熱著火的臨界溫度與一次熱著火［11］有明顯差異：油氣一次熱著火的臨界溫度為常量，而油氣二次熱著火的臨界溫度為變量，并受一次熱著火后形成的高溫環境溫度的影響。圖4為油氣二次熱著火臨界溫度曲線圖。圖4的趨勢線顯示，油氣一次著火后，當環境溫度冷卻至286～373K范圍內時，油氣二次熱著火的臨界溫度并不隨著環境溫度的升高而改變，保持在778～783K。當一次著火后的環境溫度超過373K時，油氣二次熱著火的臨界溫度隨著環境溫度的升高而線形下降；在環境溫度升高到474K時，臨界溫度降低到738K。

圖4 油氣二次熱著火臨界溫度曲線Fig.4Critical temperature of secondary thermal ignition

當環境溫度高于373K后，油氣二次熱著火臨界溫度的擬合曲線呈線性：y＝－2.9T＋765.06。

為了研究油氣二次熱著火臨界著火溫度在環境溫度373K下出現拐點的原因，對受限空間的濕度進行分析，發現在高溫環境下，一次熱著火生成的H2O和混合氣中的水霧受熱蒸發形成氣態，氣態的H2O與空間內大量的中間生成物和反應殘留物繼續反應，導致臨界著火溫度隨環境溫度的升高而下降。而在低溫環境（低于373K，也即水的沸點），受限空間內的混合氣中含有的水始終以水霧形式存在，水霧不但不能參與氣體反應，還有可能因其惰性原子阻礙反應，因此油氣的臨界著火溫度幾乎不變。

基于大量實驗數據的歸納研究，上述情況存在于現有實驗條件下的所有溫度測試的結果之中。因此可以推斷，在油氣一次熱著火形成的高溫環境286～463K范圍內，373K是油氣熱著火臨界溫度的拐點；當環境溫度高于373K時，油氣遭遇溫度范圍為730～783K的熱源時，發生二次熱著火的臨界溫度隨環境溫度的升高而線性下降。

3 油氣二次熱著火臨界濃度

測定油氣二次熱著火臨界濃度的步驟為：（1）油氣一次熱著火后，測量組分濃度。（2）熱源達到813K后，油氣接觸熱源，連續測量組分濃度，觀測油氣二次著火情況。（3）重復以上過程，分析歸類不同初始組分濃度的二次熱著火情況，得到二次熱著火所需的最低反應物濃度。表1為典型的油氣二次熱著火前后組分濃度對比。由表1可見，油蒸汽濃度最低至0.45%的情況下，氧氣濃度最低至10.4%，仍然可以引發二次熱著火。該濃度范圍已經低于文獻［10］中的油蒸汽一次著火臨界濃度1%。

對中間產物進行分析，油氣一次熱著火通常屬于不完全燃燒，化學反應不充分，受限空間內存在大量的中間產物以及活性自由基，CO最高濃度達到了6.06%，油氣二次著火后，其濃度降低到0.01%，CO2濃度升高到6.32%，這反映了中間產物在遭遇高溫熱源時，持續發生反應，放出熱量，導致二次熱著火。同時由于油氣一次熱著火后，如受限空間內環境溫度升高，濕度降低，壓力增大等原因，使各組分更加活躍，更容易參與化學反應，引起著火。

基于上述分析可以認為，油氣一次熱著火后組分更加復雜，一次熱著火的氧氣和油蒸汽濃度極限的判據已經不適用于油氣能否二次熱著火的判斷。因此基于組份臨界濃度提出油氣二次熱著火判據：一次著火后油蒸汽濃度高于0.45%，氧氣濃度高于10.4%。

表1 油氣二次熱著火前后組分濃度對比Table 1Species concentration before and after secondary thermal ignition

4 油氣二次熱著火強度實驗

實驗發現，同樣的熱源溫度條件下，油氣二次熱著火強度比一次熱著火［11－12］明顯增大，且油氣二次熱著火發生爆炸的概率遠大于一次熱著火。環境溫度低于401K時，即使熱源的溫度高達823K，也未發生爆炸現象，而油氣二次熱著火在熱源溫度為783K時就發生爆炸，發生爆炸的概率隨環境溫度的增加而增加。表2統計了以最劇烈著火方式進行的著火強度實驗結果，其中Ta為環境溫度，Ts為熱源溫度。表2顯示，一次著火后的高溫環境影響了油氣二次著火的強度。環境溫度越低，二次著火強度越小，油氣發生燃燒的可能性越大；環境溫度越高，二次著火強度越大，油氣發生燃燒的可能性越小，油氣發生爆炸的可能性越大。

表2 不同環境溫度下油氣二次熱著火強度統計Table 1The intensity statistics of secondary thermal ignition under different ambient temperature

5 油氣二次熱著火概率實驗

圖5為油氣二次熱著火概率曲線圖。圖中可以看出，油氣二次熱著火的概率隨環境溫度的升高而增加。環境溫度在286～323K區間時，二次著火概率僅有4.4%。環境溫度為453～463K時，二次著火概率達到了40%。

圖5 油氣二次熱著火概率曲線Fig.5Probability curve of secondary thermal ignition

油氣二次熱著火概率擬合曲線可表示為指數形式Φ＝，與化學反應速度式Arrhenius公式［12］類似，Arrhenius公式反映了化學反應速度隨溫度的升高而加快，二次熱著火概率的指數形式反映出著火概率隨環境溫度的升高而增加，再結合Arrhenius公式說明環境溫度的升高使化學反應速度加快，從而更容易引發二次著火。

基于大量的實驗數據的歸納，上述情況存在于所有結果之中。可以推斷，在油氣一次熱著火后形成的高溫環境286～463K范圍內，油氣二次熱著火概率和環境溫度的關系可以用Φ＝表示。

6 結 論

本文中對地下受限空間油氣二次熱著火現象及其特征參數進行實驗研究，獲得了油氣二次熱著火的方式，著火的臨界溫度、臨界濃度、著火概率和強度。根據實驗結果，得出如下結論：

（1）地下受限空間油氣二次熱著火可分為燃燒、爆燃和爆炸等3種方式。與油氣一次熱著火相比，油氣二次熱著火的強度更劇烈，著火概率更大，但著火延遲期和著火持續時間更短。

（2）環境溫度低于373K時，油氣二次熱著火的臨界著火溫度為778～783K，環境溫度高于373K時，油氣二次熱著火的臨界著火溫度隨隨環境溫度的升高而線性下降。

（3）油氣二次熱著火的概率和環境溫度的關系可以用指數形式表示。相同的環境溫度情況下，油氣二次熱著火比一次熱著火的概率更大。

（4）油氣一次熱著火的氧氣和油蒸汽濃度極限的判據已經不適用于油氣能否二次熱著火的判斷。基于組分濃度的二次熱著火的判據為：油蒸汽濃度高于0.45%，氧氣濃度高于10.4%。

綜合以上結論，提出油氣一次熱著火后遭遇高溫熱源發生二次熱著火的綜合判據為：油蒸汽濃度高于0.45%，氧氣濃度高于10.4%，熱源溫度達到730～783K。同時環境溫度在286～373K范圍內時，油氣熱著火臨界溫度為778～783K；著火概率與環境溫度的關系滿足指數關系式Φ＝

［1］Harrison A J，Eyre A J.External explosions as a result of explosion venting［J］.Combustion Science and Technology，1987，52（1／3）：91－106.

［2］Ponizy B，Leyer J C.Flame dynamics in a vented vessel connected to a duct：1.Mechanism of vessel－duct interaction［J］.Combustion and Flame，1999，116（1／2）：259－271.

［3］Catlin C A.Scale effects on the external combustion caused by venting of a confined explosion［J］.Combustion and Flame，1991，83（3／4）：399－411.

［4］Tom F，Robert Z.External pressures generated by vented gas and dust explosions［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2000，13（3／5）：411－417.

［5］范維澄，程曉舫.火災科學的新理論及潔凈、智能防滅火技術［C］∥香山科學會議第83次學術討論會，1997.

［6］謝之康，范維澄.熱學中非連續性現象的突變機理與分類：折疊突變［J］.科學通報，2000，45（6）：567－571.

［7］謝之康，陳軍，范維澄，等.燃燒、爆炸過程復雜性行為的非線性動力學——突變燃燒學、突變爆炸學（Ⅱ）（上）［J］.火災科學，2000（1）：145－178.

XIE Zhi－kang，CHEN Jun，FAN Wei－cheng，et al.Nonlinear dynamics of complex behaviors of combustion ＆explosion phenomena－catastrophe combustion and explosion dynamics（Ⅱ）（Part A）［J］.Fire Safety Science，2000，9（1）：145－178.

［8］姜孝海，范寶春，葉經方.甲烷－空氣的二次爆炸流場實驗研究［J］.實驗流體力學，2005，19（2）：15－20.

JIANG Xiao－hai，FAN Bao－chun，YE Jing－fang.Investigation of flow field of methane－air the secondary explosion［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2005，19（2）：15－20.

［9］范寶春，姜孝海.高壓泄爆導致的二次爆炸［J］.爆炸與沖擊，2005（1）：12－17.

FAN Bao－chun，JIANG Xiao－hai.Secondary explosion induced by vented explosion［J］.Explosion and Shock Waves，2005（1）：12－17.

［10］沈偉.油料洞庫火災、爆炸機理及控制對策研究［D］.重慶：解放軍后勤工程學院，2004.

［11］杜揚，歐益宏，吳英，等.熱壁條件下的油汽熱著火現象研究［J］.爆炸與沖擊，2009，29（3）：268－271.

DU Yang，OU Yi－hong，WU Ying，et al.Thermal ignition phenomena of gasoline－air mixture induced by hot wall［J］.Explosion and Shock Waves，2009，29（3）：268－271.

［12］Ou Y H，Du Y，Jiang X H，et al.Study on the thermal ignition of gasoline－air mixture in underground oil depots based on experiment and numerical simulation［J］.Journal of Thermal Science.2010，19（2）：173－181.?