水霧對黏塑性炸藥PBXN-5 燃燒的抑制作用研究?

衛欣欣 胡雙啟 董國強 胡立雙 崔 超 馮永安 要雅靖

①中北大學環境與安全工程學院(山西太原，030051)

②兵器工業衛生研究所(陜西西安，710065)

引言

火炸藥是重要的軍用物資和工業物資，但其危險性高，在生產、運輸、儲存、試驗、使用過程中極易發生燃燒爆炸事故[1]。 為了保證火炸藥生產的正常運行，保障勞動者的生命和財產安全，學者們研究了多種防止事故發生及擴大的方法和手段。 其中，水霧滅火技術以無環境污染、滅火迅速、耗水量低、對防護對象破壞性小等特點展示出廣闊的應用前景[2]，被認為是在火炸藥燃燒初期可采取的有效抑制事故擴大的手段。

20世紀40年代，水霧滅火技術首先應用于輪船滅火；90年代，一些發達國家相繼研究和開發了水霧滅火系統[3]。水霧主要有氣相降溫抑制燃燒的作用、對火焰的隔氧窒息作用、對熱輻射的衰減作用以及對火焰的沖擊切割作用等[4]。 Jones 等[5]通過試驗研究，初步引入使用合適的水霧來抑制某種形式的燃燒，可以顯著提高水抑制池火災和火焰噴射等效果的思路。 Liu 等[6]總結了噴霧特性與火災場景等水霧滅火性能的決定性因素，為以后研究水霧特性對不同種類火災的影響奠定了基礎。 對可燃粉塵爆炸的研究表明，水霧對于粉塵云爆炸有一定的抑制作用。 Xu 等[7]在試驗中研究了水霧對于甲烷/煤塵爆炸時的影響，得出水霧會使其爆炸壓力、爆溫和壓力上升速率降低的結論。 在此基礎上，Gan等[8]在試驗中加入NaCl 和NaHCO3作為添加劑，結果表明，在物理和化學的共同作用下提高了純水霧對于PMMA 的抑制效果。 然而，水霧抑制火炸藥粉塵燃燒的研究鮮有報道。 Willauer 等[9]通過試驗研究，得出了水霧可以降低TNT 和Destex 在爆炸時的沖量、初始沖擊波和準靜態超壓的結論，從而引入蒸發潛熱吸收是在有限空間內抑制爆炸的主要機制的思路。 不可否認，水霧對于抑制火炸藥燃燒的研究還遠遠不夠。

PBXN-5 是由HMX 和Viton(偏氟乙烯與全氟乙烯的共聚物)以質量比95∶5( ±0.5%)制成的黏塑性炸藥[10]，具有較好的沖擊感度和較大的輸出能量[11]，為美國三軍統一規定的許用傳爆藥[12]。PBXN-5 在生產、儲存、運輸和使用過程中難免會遇到摩擦、撞擊、靜電火花等外界能量的作用，而且其主要組成成分HMX 的撞擊感度極高，在生產過程中易發生燃燒和爆炸等意外事故。

由于火炸藥在日常儲存、運輸過程中常處于散藥粉堆積狀態，所以選取了堆積狀態的PBXN-5 來研究水霧對于火炸藥燃燒的抑制效果。 通過小尺度的模擬試驗，研究了不同壓力的水霧對于堆積狀態PBXN-5 的燃燒抑制效果，觀察了其火焰成長趨勢，分析火焰傳播規律，并比較了不同壓力下的霧場特性對于PBXN-5 火焰的滅火時間、火焰高度下降速率和火焰溫度的變化情況的影響，初步探究了水霧撲滅PBXN-5 火焰的可行性。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

所有試驗在直徑為7 m 的半球形爆炸洞內進行。 試驗時，環境溫度為24 ℃，濕度為47%，壓強為1 個大氣壓。 圖1 是開放式的水霧滅火試驗裝置結構圖，主要包括3 個部分:燃燒平臺、水霧生成裝置、試驗記錄裝置以及相關的輔助設備。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

燃燒平臺是一個開放式的火焰燃燒臺，主要由標尺架、裝藥沙兜和點火系統3 部分組成。 標尺架的尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 050 mm，主要起到標定火焰燃燒高度和固定噴嘴的作用。 裝藥沙兜的直徑為120 mm，用于固定PBXN-5 粉末，防止其由于分布不均造成火焰溫度不均。 點火系統主要由電點火頭、點火器、時間控制器和兩個電源構成。 電點火頭用來引燃堆積狀態的PBXN-5；時間控制器用來控制噴水延遲時間和噴水持續時間；兩個電源分別為電磁閥和點火器供電，在進行自由燃燒試驗時，需切斷電磁閥的電源，確保水不會干擾試驗。

采用離心式噴頭霧化方式來產生水霧。采用高壓氮氣作為供氣氣源，高壓氮氣通過管路進入儲水罐中，觀察壓力表示數，使罐體中的壓力達到所需數值，經過電磁閥后，水霧從霧化噴嘴噴出。 由于一次試驗所需的水量小，較長時間內壓力可保持穩定，所以水霧霧場較穩定。 離心式半寸噴嘴的進口直徑為14.0 mm，出口直徑為5.5 mm，有兩個相互成60°角的直葉片，且出口帶有一定錐角，如圖2。

圖2 離心式半寸噴嘴Fig.2 Centrifugal half-inch nozzle

表1 離心式半寸噴嘴試驗參數Tab.1 Test parameters of centrifugal half-inch nozzle

試驗記錄裝置主要由高速攝影儀和TST6300 溫度數據采集裝置組成。 高速攝影儀用來監測并記錄火焰的動態傳播情況，采集頻率設為1 000 幀/s；TST6300 溫度數據采集裝置用于采集不同高度的火焰溫度，將3 根K 型裸裝熱電偶(A、B、C)和3 根K型鎧裝熱電偶(D、E、F)分別安裝在距離燃燒平臺25、50 cm 和70 cm 的垂直距離上(圖1)。 并且鎧裝熱電偶和裸裝熱電偶與試驗藥粉中心的水平距離分別為0 cm 和3 cm。

1.2 試驗設計

試驗主要分為3 個部分:1)PBXN-5 自由燃燒，即無水霧；2)增加壓力為0.5 MPa 的水霧；3)增加壓力為2.0 MPa 的水霧。

稱取質量為50 g 的PBXN-5 粉末(D98＝425 μm)，置于不銹鋼托盤上的沙兜里，均勻鋪開，無需按壓，藥粉堆積高度為0.3 cm。 調試高速攝影儀和溫度采集裝置系統后，將電點火頭插入藥粉中央，等待點火。 藥粉持續自由燃燒10 s 后開始噴水霧，直至火焰熄滅。 通過進行自由燃燒和增加不同壓力下的水霧，對比火焰的傳播情況和火焰溫度的變化情況，初步探究水霧撲滅PBXN-5 火焰的可行性。

2 結果與討論

2.1 PBXN-5 自由燃燒試驗

2.1.1 自由燃燒時火焰傳播過程

圖3 是PBXN-5 自由燃燒時火焰的主要傳播過程。 將點火頭啟動時刻設為起始點，即0 s。 從圖3中可以看出，圍繞著點火頭的藥粉先被引燃，形成一團火焰，這一階段主要是PBXN-5 被分解成一些小分子物質；然后，火焰開始向外部蔓延，高度迅速上升，上升到一定程度后，由于加熱后空氣的持續流動，火焰開始出現持續的跳躍；10 s 后，火焰開始穩定的燃燒；隨著PBXN-5 的進一步燃燒，燃料逐漸耗盡，火焰高度開始緩慢下降，直至火焰熄滅。 燃燒時間為31 869.973 ms。

圖3 無水霧條件下PBXN-5 燃燒火焰的傳播過程Fig.3 Propagation process of combustion flame of PBXN-5 when there is no water mist

2.1.2 自由燃燒時的溫度變化情況

如圖4 所示，3 根裸裝熱電偶所測得的溫度隨時間變化均出現了兩個峰值，且第二個峰值高于第一個峰值。 產生這種現象的原因主要有兩個方面。首先，裸裝熱電偶對于溫度變化敏感。 其次，由高速攝影拍到的視頻可以看出:火焰上升初期， 從A、B兩根裸裝熱電偶先捕捉到1 個峰值；火焰繼續上升，達到最大高度，火焰的中心和下方的溫度會低于外焰的溫度，測得的溫度會有所下降；等到火焰高度下降的時候，火焰的外焰會再次經過熱電偶，從而使其測得的溫度再次上升，即火焰在燃燒過程中湍流現象較為明顯，未能完全包裹熱電偶。

圖4 無水霧條件下PBXN-5 燃燒的溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curve of combustion of PBXN-5 when there is no water mist

3 根鎧裝熱電偶測量的溫度隨時間的變化則呈現出先升后降的趨勢，只出現了1 個峰值。 這是因為鎧裝熱電偶和火焰中心點的水平距離為0 cm，而且火焰有一定的寬度，熱電偶測的是火焰中心的溫度，外部的擾動對熱電偶的影響較小，再加上鎧裝熱電偶對溫度不敏感，所以只存在1 個峰值，而且溫度下降的速度比裸裝熱電偶慢。

兩種類型的熱電偶所測得的溫度達到最大值的時間不同。裸裝熱電偶在17 s時所測得的溫度均達到了峰值；而鎧裝熱電偶所測得的溫度在20 s時才達到峰值:這主要是由于鎧裝熱電偶對溫度的靈敏度低于裸裝熱電偶，且熱電動勢的產生和熱電流的傳遞需要一定的時間。

結合火焰傳播過程和溫度變化曲線，PBXN-5從10 s 后開始進入穩定燃燒時期，故選擇10 s 開始噴灑水霧。

2.2 水霧與PBXN-5 火焰作用

選取了兩個噴水壓力，不同的壓力表現出不同的霧場特性，霧場特性參數包括霧化角、霧通量、霧滴粒徑及霧動量。 霧化角決定了霧滴的空間分布范圍，也決定了霧動量和初始速度，即水霧穿越火焰到達燃料表面的能力[13]。 霧通量是固體火災熄滅效率的主要影響因素，隨著水霧霧通量的增加，平均滅火時間會逐漸下降[14]。 升高工作壓力，細水霧顆粒沿軸線方向的霧動量也會增大，有利于細水霧顆粒穿透火焰到達燃料表面，降低燃料表面溫度[15]。 隨著工作壓力的升高，霧滴粒徑呈現一個下降的趨勢，有利于提升降溫速率，但是對于固體燃料來說，粒徑小的霧滴很難穿透碳化層潤濕燃料表面，滅火效率會降低[16]。 通過測量溫度和記錄火焰傳播過程，研究不同霧場特性對于PBXN-5 火焰的影響。 表2 給出了兩個噴水壓力下所測得的時間參數，將點火頭啟動時刻設為0 時刻。 其中，t1為從噴嘴出水到火焰熄滅所需時間；t2為從水霧接觸火焰到火焰熄滅所需時間。

試驗藥劑的自由燃燒時間為31 869.973 ms，與表2 數據對比可知，水霧對于PBXN-5 火焰有較好的抑制作用。0.5 MPa水霧下，試驗藥劑的燃燒時間為10 392.317 ms，僅為自由燃燒時間的32.6%；2.0 MPa下，試驗藥劑的燃燒時間為10 155.309 ms，僅為自由燃燒時間的31.8%。 提高工作壓力會增加沿軸線方向的霧動量，從而使霧滴速率增加。 當壓力為2. 0 MPa 時，從噴嘴出水到火焰熄滅僅需115.004 ms，從水霧與火焰接觸到火焰熄滅僅需91.003 ms；壓力為0.5 MPa 時，時間分別為377.011 ms 和324.009 ms，大于壓力為2.0 MPa 時滅火所需時間。 由此可以看出，霧動量增加可使水霧對于PBXN-5火焰的抑制作用更好，滅火效率更高。

表2 不同噴水壓力下的時間參數Tab.2 Time parameters under different spray pressures

2.2.1 水霧作用下火焰傳播過程

圖5 給出了同一噴水時刻、不同噴水壓力對PBXN-5 燃燒過程中火焰傳播的影響。 假設噴嘴出水時刻為0 ms，每組照片的間隔時間為20 ms。 由圖5 可以看出，原始火焰陣面是連續且光滑的，當水霧接觸到火焰陣面時，火焰表面以凹陷、凹坑或折痕的形式出現清晰可見的擾動，擾動的強弱隨著霧滴粒徑和霧動量變大而變強。 擾動越大，火焰的表面積越大，火焰與水霧的接觸面積越大，在持續噴水的情況下，火焰更易熄滅。 離心式半寸噴嘴在0. 5 MPa 和2.0 MPa 的壓力下，所產生的霧滴粒徑分別為138.36 μm 和92.15 μm，所以，0.5 MPa 時霧滴對于火焰的擾動更強烈；但2.0 MPa 時滅火時間短，證明霧動量對于PBXN-5 火焰的影響強于霧滴粒徑的影響；同時，壓力為2.0 MPa 時的霧化角明顯小于壓力為0.5 MPa 的霧化角；隨著滅火時間的增加，火焰內部的霧通量會更大，致使火焰熄滅。

圖5 不同噴水壓力下水霧與火焰的作用情況Fig.5 Interaction of water mist and flame under different spray pressures

將水霧與火焰接觸的時刻設為0 ms，圖6 給出了不同噴水壓力下火焰高度的變化情況。 由于噴水壓力的不同，導致水霧噴射速度不同，進而產生一定的時間差，從噴嘴出水到水霧與火焰接觸，0.5 MPa的水霧比2.0 MPa 的水霧時間延長29 ms，所以0.5 MPa 的水霧與火焰接觸時火焰高度較2.0 MPa 的高。 隨著噴水的進行，火焰高度呈持續下降趨勢，但這種下降趨勢并不均勻。 在0 ～5 ms 內，在兩種壓力的水霧作用下火焰高度下降得并不明顯。 噴水壓力為0.5 MPa 時，在5 ～35 ms 內火焰高度下降最明顯，速率為0.95 cm/ms，隨后則變化不大；噴水壓力為2.0 MPa時，在15 ～25 ms內火焰高度下降最明顯，速率為2.17 cm/ms。通過以上數據對比可以看出，壓力為2.0 MPa 的水霧無論是在速率上還是在滅火效率上均優于壓力為0.5 MPa 的水霧。

圖6 不同噴水壓力下火焰的高度變化Fig.6 Flame height variation under different spray pressures

2.2.2 溫度變化

圖7 為在噴水壓力為0.5 MPa 和2.0 MPa 的情況下裸裝熱電偶測得的PBXN-5 在燃燒時的溫度變化。 如圖7 所示，所有曲線都呈現出先升后降的趨勢。 熱電偶A 所測的溫度在11 ～14 s 段內呈下降趨勢，噴水壓力為0.5 MPa 和2.0 MPa 時，溫度分別下降1 063.94 ℃和1 146.66 ℃，最大下降速率分別為406.39、487. 60 ℃/s；熱電偶B 所測的溫度在11 ～13 s 段內呈下降趨勢，噴水壓力為0.5 MPa 和2.0 MPa 時，溫度分別下降為594.76 ℃和639.02℃，最大下降速率分別為353.91 ℃/s 和358.79 ℃/s；熱電偶C 所測的溫度僅在11 ～12 s 段內呈下降趨勢，噴水壓力為0.5 MPa 和2.0 MPa 時，溫度分別下降為349.99 ℃和386.38 ℃。 由以上數據可以看出，噴水壓力為0.5 MPa 時火焰的最大下降速率為2.0 MPa 時的83.34 %，而且不同壓力下熱電偶B和C 在12 ～13 s 內所測的溫度差均小于同一過程中熱電偶A 所測得的溫度差，且差值由大到小依次為A、B、C。 產生這種現象的原因是，隨著A、B、C 3根熱電偶距燃燒平臺的垂直距離的增大，燃燒的火焰逐漸變小；因此，水霧對火焰溫度的影響越來越小，導致不同壓力下測得的溫度差越來越小。

圖7 不同噴水壓力下裸裝熱電偶測得的溫度變化Fig.7 Temperature variation measured by bare thermocouples under different spray pressures

圖8 給出了噴水壓力為0.5 MPa 和2.0 MPa 的情況下，鎧裝熱電偶測得的PBXN-5 在燃燒時的溫度變化。 圖8 中的曲線均呈現先升后降的趨勢，熱電偶D 和E 所測溫度均在12 s 時達到峰值。 但是，與裸裝熱電偶所測溫度相比，鎧裝熱電偶所測的同一位置不同噴水壓力的火焰溫度存在一定的差值。造成這種現象的原因有兩個方面:其一，考慮到火焰燃燒方面的因素，這兩組數據是在兩個不同的試驗中得出的，在兩次試驗中，火焰燃燒情況會由于粉末堆積的密度、電點火頭的深度、空氣濕度等因素產生些許誤差；其二，在不同的工況下，熱電偶的性能會有一定的變化，所測出的數據也存在一定的誤差。熱電偶F 所測的兩組數據并未出現這一現象，原因是它的高度最高，與火焰接觸較少，而且其敏感度較低，所測得的溫度本身也較低，因此溫差較小。 由圖8 可知，12 s 之后溫度曲線開始下降，并且噴水壓力為2.0 MPa 較0.5 MPa 的溫度曲線的斜率大，也就是說，噴水壓力為2.0 MPa 時，火焰溫度下降較快且幅度較大。

圖8 不同噴水壓力下鎧裝熱電偶測得的溫度變化Fig.8 Temperature variation measured by armoured thermocouples under different spray pressures

3 結論

采用高速攝影儀和溫度采集裝置，通過PBXN-5自由燃燒，以及在0.5 MPa 和2.0 MPa 水霧壓力下PBXN-5 的燃燒測試，研究了自由堆積狀態下PBXN-5 粉末燃燒與滅火時的火焰傳播過程及火焰溫度變化，得出如下結論:

1)堆積狀態的PBXN-5 在自由燃燒時，火焰先豎直向上傳播，到達一定高度后開始反復跳動并發出強烈的黃光，10 s 后火焰開始穩定且高度逐漸降低。

2)在水霧噴水壓力為0.5 MPa 和2.0 MPa 時，堆積狀態的PBXN-5 燃燒持續時間分別是自由燃燒時的32.6%和31.8%，表明水霧對于PBXN-5 燃燒有很好的抑制作用。

3)在水霧噴水壓力為0.5 MPa 和2.0 MPa 時，滅火時間分別為377.011 ms 和115.004 ms，而且2.0 MPa 時火焰高度的最大下降速率也增加了，說明從堆積狀態PBXN-5 火焰抑制效果來說，霧動量的影響較霧滴粒徑強。

純水霧對于PBXN-5 火焰有一定的抑制作用，而且作用情況與噴水壓力有關。 但仍需要繼續研究純水霧對于不同火炸藥火災的滅火機理及在純水霧中加入不同的添加劑對于火炸藥火災滅火性能的影響，以便深入研究火炸藥火災的高效滅火方式，以減少事故損失和人員傷亡。