火災環(huán)境下密封容器內木材熱解試驗研究

第26卷增刊航天器環(huán)境工程2009年12月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING139火災環(huán)境下密封容器內木材熱解試驗研究周本權，李明海，陳均，馬紅，胡紹全(中國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環(huán)境，研究密封容器內木材在火災環(huán)境下的熱解炭化及內部溫度分布.結果表明，密封容器內木材的熱解炭化發(fā)生在表層，內部大部分區域仍為原木，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擴散創(chuàng )造了條件，對木材內部熱解炭化及溫度分布有明顯的影響。關(guān)鍵詞:火災;密封容器;木材熱解中圖分類(lèi)號: V416.5; X45，文獻標識碼: A1前言材，研究在外部火災條件下密封容器內木材的溫度分火災具有持續時(shí)間長(cháng)、破壞性大、危害面廣等布以及熱解、炭化規律,為密封容器的設計及其內部特點(diǎn)，是人們生產(chǎn)生活中危害性最大的災害之一，木材熱解數值模型的建立提供依據。特別是在含有炸藥、放射性物質(zhì)等危險品的貯存和2密封容器運輸過(guò)程中?；馂牡陌l(fā)生會(huì )使危險品發(fā)生爆炸、放密封容器為圓柱狀結構，共2件: 1"尺寸為射性物質(zhì)泄漏等事故,造成重大的經(jīng)濟損失和環(huán)境φ340 mmx400 mm, 2* 為φ500 mmx600 mm,側污染。對此，國內外進(jìn)行了大量研究12),廣泛采用壁為5 mm的鋼殼。容器內部采用含水率為12%左右鋼制密封容器制作危險品貯運的抗事故包裝箱，并的空心圓盤(pán)狀杉木(cunninghamia lanceolata)填充，利用木材導熱系數低、在高溫下吸熱熱解的特點(diǎn)，其外徑分別為330 mm和490 mm,內徑均為90 mm;將其填充在密封容器內作為緩沖隔熱層,能有效降中心部位采用密封鋼管起支撐和定位作用，其上下低外界以導熱方式傳入包裝箱內部的熱量,提高危兩端均墊有木塊。密封容器內共填充了4層圓盤(pán)狀險品在火災環(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為1~IV),各層內木材熱解炭化規律，對抗事故包裝箱的設計及其之間上下表面在火災條件下的安全評估都有十分重要的意義。目前，國內外對于木材熱解的研究主要是針對緊密貼合，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)與側壁之學(xué)動(dòng)力學(xué)反應參數[4),或針對小尺寸木材樣品在開(kāi)間的空隙用木放空間內外加輻射熱源下的起火及燃燒進(jìn)行試驗及屑填實(shí)。除在密數值模擬研究5,對于密封容器內大尺寸木材的熱封容器底部中解炭化鮮有提及。但密封容器內木材熱解、炭化與心布置一個(gè)熱圖1測點(diǎn)布置圖開(kāi)放空間內木材著(zhù)火燃燒相比有著(zhù)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)內呈90布置兩組熱電偶(見(jiàn)圖1)●為其在密封容器內的狀態(tài)發(fā)生改變;二是木材熱解炭防止試驗過(guò)程中木材熱解產(chǎn)生的水蒸氣對溫度測量化過(guò)程中，產(chǎn)生大量的氣體(包括Co和水蒸氣等),帶來(lái)影響，將熱電偶的正負極導線(xiàn)分別從測點(diǎn)兩側在高溫、密封環(huán)境下會(huì )產(chǎn)生較高的壓力，使容器內的預留孔引出，并用耐高溫膠將測點(diǎn)與線(xiàn)槽等處填部環(huán)境發(fā)生變化，這兩方面的變化均會(huì )對木材的熱實(shí)。端蓋上的預留孔亦為泄壓孔，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，以減小災環(huán)境，選用生長(cháng)快、材性好、國內常見(jiàn)的杉木為試外部火焰場(chǎng)通過(guò)預留孔對密封容器內部的影響。周本權等:火災環(huán)境下密封容器內木材熱解試驗研究141測點(diǎn)⑤溫度明顯低于側面正對噴嘴的測點(diǎn)②。這表越多，壓力越來(lái)越大，最終高壓氣體從預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區域后半段各測點(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區域中，雖然內部熱解氣不同的主要原因。體按- -定速率經(jīng)預留孔向外噴射，但熱解產(chǎn)生的氣相對于外部測點(diǎn)，內部測點(diǎn)的溫度變化相對較體量大于向外噴射的量，而密封容器內壓力仍在持慢，其變化趨勢也較復雜。為了便于闡述，將內部續升高，導致了各測點(diǎn)溫度的快速上升: (3) 在C測點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)分為如圖6所示的A、B和C3個(gè)區區域中，由于試驗停止了火焰噴射，外部溫度突然域?？梢钥闯? (1) 試驗開(kāi)始后的10min內，盡管外下降，使容器內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，但內部木材熱量傳產(chǎn)生的氣體量減少，破壞了容器內部與外界的壓力遞的方式仍然以導熱為主，因此內部測點(diǎn)溫度基本平衡，導致內部測點(diǎn)溫度迅速下降，直至容器內部保持在初始溫度: (2)進(jìn)入A區域后，內部測點(diǎn)的溫與外界壓力重新達到平衡，各測點(diǎn)溫度趨于穩定，度迅速從常溫升到80C，并恒定在此溫度下，直至最后依靠導熱使內部溫度緩慢上升。A區域結束前各測點(diǎn)的溫度稍有下降: (3) 在隨后的5結果B區域中，內部測點(diǎn)溫度快速升高，其最高值達到(1)火災條件下，密封容器內木材熱解主要發(fā)約450C; (4)試驗結束后的C區域中，各內部測點(diǎn)溫生在表層向內一定厚度的區域內，內部大部分區域度先降至與A區域相同溫度，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)密封容器內木材熱解炭化及收縮是以單塊木材為0基礎,在收縮時(shí)易沿著(zhù)木材紋理方向以及在表面缺陷處產(chǎn)生縫隙，最終對整個(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，這對容器的安全性提出了較高的圖6內部測點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)要求。同時(shí)，炭化表面產(chǎn)生的縫隙使高溫高壓氣體圖6中內部測點(diǎn)的溫度變化與單純導熱時(shí)內部溫更加容易向內部擴散，對內部木材的熱解過(guò)程以及度緩慢上升的變化規律存在著(zhù)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期的(以導熱為主的傳熱方式)要高。參考文獻高溫高壓以及密封環(huán)境下擴散到木材內部并參與熱量傳遞，成為除導熱外的重要傳熱方式,是導致內部1] Intermational Atomic Energy Agency. Safety StandardsScnies No.TS-R-I (ST-I), Regulations for the safe transport of測點(diǎn)溫度變化的主要原因。由于在試驗的不同階段熱radioactive material[S]. revised edition, 1996解氣體量不同，導致密封容器內溫度、壓力各不相同，;[2] Ofice of the Federal Register. Packaging and transportationof radioactive matrial[M]. Washington: Code of Federal最終使內部測點(diǎn)溫度形成A、B、C3個(gè)區域。Regulations, 1994(1)在A(yíng)區域中，內部測點(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外部測點(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4] 宋長(cháng)忠方夢(mèng)祥,余春江等杉木熱解及燃燒特性熱天部。隨著(zhù)溫度的升高、氣體壓力的增大、以及已炭平模擬實(shí)驗研究[J]燃燒科學(xué)學(xué)報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.可燃材料火災性能參數的實(shí)驗研究[J].火災科學(xué), 2000, 9(4): 32-37各層木材內部擴散，從而使各層木材上下表面溫度6] 宋長(cháng)忠火災可燃物熱解動(dòng)力學(xué)及著(zhù)火特性研究[D]迅速增加。隨著(zhù)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