第26卷增刊航天器環(huán)境工程2009年12月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING139火災(zāi)環(huán)境下密封容器內(nèi)木材熱解試驗(yàn)研究周本權(quán)，李明海，陳均，馬紅，胡紹全(中國(guó)工程物埋研究院總體工程研究所，綿陽(yáng)621900)摘要:文章利用火燒爐模擬火災(zāi)環(huán)境，研究密封容器內(nèi)木材在火災(zāi)環(huán)境下的熱解炭化及內(nèi)部溫度分布.結(jié)果表明，密封容器內(nèi)木材的熱解炭化發(fā)生在表層，內(nèi)部大部分區(qū)域仍為原木，炭化層的厚度受溫度影響分布不均，并沿表面缺陷、紋理方向收縮而產(chǎn)生大量縫隙，為熱解產(chǎn)生的高溫高壓氣體向內(nèi)擴(kuò)散創(chuàng)造了條件，對(duì)木材內(nèi)部熱解炭化及溫度分布有明顯的影響。關(guān)鍵詞:火災(zāi);密封容器;木材熱解中圖分類(lèi)號(hào): V416.5; X45，文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A1前言材，研究在外部火災(zāi)條件下密封容器內(nèi)木材的溫度分火災(zāi)具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、破壞性大、危害面廣等布以及熱解、炭化規(guī)律,為密封容器的設(shè)計(jì)及其內(nèi)部特點(diǎn)，是人們生產(chǎn)生活中危害性最大的災(zāi)害之一，木材熱解數(shù)值模型的建立提供依據(jù)。特別是在含有炸藥、放射性物質(zhì)等危險(xiǎn)品的貯存和2密封容器運(yùn)輸過(guò)程中。火災(zāi)的發(fā)生會(huì)使危險(xiǎn)品發(fā)生爆炸、放密封容器為圓柱狀結(jié)構(gòu)，共2件: 1"尺寸為射性物質(zhì)泄漏等事故,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境φ340 mmx400 mm, 2* 為φ500 mmx600 mm,側(cè)污染。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究12),廣泛采用壁為5 mm的鋼殼。容器內(nèi)部采用含水率為12%左右鋼制密封容器制作危險(xiǎn)品貯運(yùn)的抗事故包裝箱，并的空心圓盤(pán)狀杉木(cunninghamia lanceolata)填充，利用木材導(dǎo)熱系數(shù)低、在高溫下吸熱熱解的特點(diǎn)，其外徑分別為330 mm和490 mm,內(nèi)徑均為90 mm;將其填充在密封容器內(nèi)作為緩沖隔熱層,能有效降中心部位采用密封鋼管起支撐和定位作用，其上下低外界以導(dǎo)熱方式傳入包裝箱內(nèi)部的熱量,提高危兩端均墊有木塊。密封容器內(nèi)共填充了4層圓盤(pán)狀險(xiǎn)品在火災(zāi)環(huán)境下的安全性。因此，研究密封容器杉木(從密封容器底部往上編號(hào)為1~IV),各層內(nèi)木材熱解炭化規(guī)律，對(duì)抗事故包裝箱的設(shè)計(jì)及其之間上下表面在火災(zāi)條件下的安全評(píng)估都有十分重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于木材熱解的研究主要是針對(duì)緊密貼合，并將粉末狀樣品的熱重分析,求取木材熱解、炭化的化圓盤(pán)與側(cè)壁之學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)參數(shù)[4),或針對(duì)小尺寸木材樣品在開(kāi)間的空隙用木放空間內(nèi)外加輻射熱源下的起火及燃燒進(jìn)行試驗(yàn)及屑填實(shí)。除在密數(shù)值模擬研究5,對(duì)于密封容器內(nèi)大尺寸木材的熱封容器底部中解炭化鮮有提及。但密封容器內(nèi)木材熱解、炭化與心布置一個(gè)熱圖1測(cè)點(diǎn)布置圖開(kāi)放空間內(nèi)木材著火燃燒相比有著鮮明的特點(diǎn):一電偶外，在第II是木材不直接與火焰接觸，發(fā)生熱解炭化及收縮后，層木材圓盤(pán)內(nèi)呈90布置兩組熱電偶(見(jiàn)圖1)●為其在密封容器內(nèi)的狀態(tài)發(fā)生改變;二是木材熱解炭防止試驗(yàn)過(guò)程中木材熱解產(chǎn)生的水蒸氣對(duì)溫度測(cè)量化過(guò)程中，產(chǎn)生大量的氣體(包括Co和水蒸氣等),帶來(lái)影響，將熱電偶的正負(fù)極導(dǎo)線分別從測(cè)點(diǎn)兩側(cè)在高溫、密封環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生較高的壓力，使容器內(nèi)的預(yù)留孔引出，并用耐高溫膠將測(cè)點(diǎn)與線槽等處填部環(huán)境發(fā)生變化，這兩方面的變化均會(huì)對(duì)木材的熱實(shí)。端蓋上的預(yù)留孔亦為泄壓孔，未進(jìn)行特殊處理，解炭化過(guò)程產(chǎn)生影響。因此本文通過(guò)火燒爐模擬火僅在端蓋與木材之間墊上兩層耐火纖維毯，以減小災(zāi)環(huán)境，選用生長(zhǎng)快、材性好、國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的杉木為試外部火焰場(chǎng)通過(guò)預(yù)留孔對(duì)密封容器內(nèi)部的影響。周本權(quán)等:火災(zāi)環(huán)境下密封容器內(nèi)木材熱解試驗(yàn)研究141測(cè)點(diǎn)⑤溫度明顯低于側(cè)面正對(duì)噴嘴的測(cè)點(diǎn)②。這表越多，壓力越來(lái)越大，最終高壓氣體從預(yù)留孔向外明在外部高溫條件下,木材外表面迅速發(fā)生熱解炭噴射，產(chǎn)生瞬間的降壓，使A區(qū)域后半段各測(cè)點(diǎn)的化,但各部位的溫度分布不均是造成熱解炭化程度溫度稍有下降; (2) 在B區(qū)域中，雖然內(nèi)部熱解氣不同的主要原因。體按- -定速率經(jīng)預(yù)留孔向外噴射，但熱解產(chǎn)生的氣相對(duì)于外部測(cè)點(diǎn)，內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度變化相對(duì)較體量大于向外噴射的量，而密封容器內(nèi)壓力仍在持慢，其變化趨勢(shì)也較復(fù)雜。為了便于闡述，將內(nèi)部續(xù)升高，導(dǎo)致了各測(cè)點(diǎn)溫度的快速上升: (3) 在C測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線分為如圖6所示的A、B和C3個(gè)區(qū)區(qū)域中，由于試驗(yàn)停止了火焰噴射，外部溫度突然域?？梢钥闯? (1) 試驗(yàn)開(kāi)始后的10min內(nèi)，盡管外下降，使容器內(nèi)部木材熱解速率放緩，甚至停止,部木材已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生熱解反應(yīng)，但內(nèi)部木材熱量傳產(chǎn)生的氣體量減少，破壞了容器內(nèi)部與外界的壓力遞的方式仍然以導(dǎo)熱為主，因此內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度基本平衡，導(dǎo)致內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度迅速下降，直至容器內(nèi)部保持在初始溫度: (2)進(jìn)入A區(qū)域后，內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫與外界壓力重新達(dá)到平衡，各測(cè)點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定，度迅速?gòu)某厣?0C，并恒定在此溫度下，直至最后依靠導(dǎo)熱使內(nèi)部溫度緩慢上升。A區(qū)域結(jié)束前各測(cè)點(diǎn)的溫度稍有下降: (3) 在隨后的5結(jié)果B區(qū)域中，內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度快速升高，其最高值達(dá)到(1)火災(zāi)條件下，密封容器內(nèi)木材熱解主要發(fā)約450C; (4)試驗(yàn)結(jié)束后的C區(qū)域中，各內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫生在表層向內(nèi)一定厚度的區(qū)域內(nèi)，內(nèi)部大部分區(qū)域度先降至與A區(qū)域相同溫度，然后再緩慢上升，最高仍為原木，且密封容器的體積越小，熱解炭化程度升至100C左右，最后才在環(huán)境溫度下逐漸冷卻。越大。炭化層的厚度受密封容器在火場(chǎng)內(nèi)的具體位置影響分布不均勻，一般迎火面大于背火面; (2)密封容器內(nèi)木材熱解炭化及收縮是以單塊木材為0基礎(chǔ),在收縮時(shí)易沿著木材紋理方向以及在表面缺陷處產(chǎn)生縫隙，最終對(duì)整個(gè)木材的熱解炭化產(chǎn)生影響; (3)木材熱解過(guò)程中產(chǎn)生的氣體會(huì)在高溫及密封條件下形成極大的壓力，不可避免地增加密封容器被破壞的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)容器的安全性提出了較高的圖6內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線要求。同時(shí)，炭化表面產(chǎn)生的縫隙使高溫高壓氣體圖6中內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度變化與單純導(dǎo)熱時(shí)內(nèi)部溫更加容易向內(nèi)部擴(kuò)散，對(duì)內(nèi)部木材的熱解過(guò)程以及度緩慢上升的變化規(guī)律存在著明顯的差異，綜合分析木材層間的表面溫度分布產(chǎn)生影響，致使容器中心可以看出，木材熱解產(chǎn)生的含有大量水蒸氣的氣體在位置的溫度比預(yù)期的(以導(dǎo)熱為主的傳熱方式)要高。參考文獻(xiàn)高溫高壓以及密封環(huán)境下擴(kuò)散到木材內(nèi)部并參與熱量傳遞，成為除導(dǎo)熱外的重要傳熱方式,是導(dǎo)致內(nèi)部1] Intermational Atomic Energy Agency. Safety StandardsScnies No.TS-R-I (ST-I), Regulations for the safe transport of測(cè)點(diǎn)溫度變化的主要原因。由于在試驗(yàn)的不同階段熱radioactive material[S]. revised edition, 1996解氣體量不同，導(dǎo)致密封容器內(nèi)溫度、壓力各不相同，;[2] Ofice of the Federal Register. Packaging and transportationof radioactive matrial[M]. Washington: Code of Federal最終使內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度形成A、B、C3個(gè)區(qū)域。Regulations, 1994(1)在A區(qū)域中，內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度迅速上升時(shí)，3] 閻昊鵬，陸熙嫻，秦特夫.熱重法研究木材熱解反應(yīng)外部測(cè)點(diǎn)的溫度約為400°C，表明此時(shí)木材外層已動(dòng)力學(xué)[J.木材工業(yè)，1997,11(2): 14-18經(jīng)發(fā)生熱解，所產(chǎn)生的熱解氣體充斥在密封容器內(nèi)4] 宋長(zhǎng)忠方夢(mèng)祥,余春江等杉木熱解及燃燒特性熱天部。隨著溫度的升高、氣體壓力的增大、以及已炭平模擬實(shí)驗(yàn)研究[J]燃燒科學(xué)學(xué)報(bào)2005, 33(1): 68-72化表面收縮產(chǎn)生縫隙的增加，使高溫高壓的氣體向[5] 楊立中，鄧志華,陳曉軍.可燃材料火災(zāi)性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].火災(zāi)科學(xué), 2000, 9(4): 32-37各層木材內(nèi)部擴(kuò)散，從而使各層木材上下表面溫度6] 宋長(zhǎng)忠火災(zāi)可燃物熱解動(dòng)力學(xué)及著火特性研究[D]迅速增加。隨著木材熱解的加劇，產(chǎn)生的氣體越來(lái)杭州大學(xué)博士學(xué)位論文, 2006