火灾环境下密封容器内木材热解试验研究

第26卷增刊航天器环境工程2009年12月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING139火灾环境下密封容器内木材热解试验研究周本权，李明海，陈均，马红，胡绍全(中国工程物埋研究院总体工程研究所，绵阳621900)摘要:文章利用火烧炉模拟火灾环境，研究密封容器内木材在火灾环境下的热解炭化及内部温度分布.结果表明，密封容器内木材的热解炭化发生在表层，内部大部分区域仍为原木，炭化层的厚度受温度影响分布不均，并沿表面缺陷、紋理方向收缩而产生大量縫隙，为热解产生的高温高压气体向内扩散创造了条件，对木材内部热解炭化及温度分布有明显的影响。关键词:火灾;密封容器;木材热解中图分类号: V416.5; X45，文献标识码: A1前言材，研究在外部火灾条件下密封容器内木材的温度分火灾具有持续时间长、破坏性大、危害面广等布以及热解、炭化规律,为密封容器的设计及其内部特点，是人们生产生活中危害性最大的灾害之一，木材热解数值模型的建立提供依据。特别是在含有炸药、放射性物质等危险品的贮存和2密封容器运输过程中。火灾的发生会使危险品发生爆炸、放密封容器为圆柱状结构，共2件: 1"尺寸为射性物质泄漏等事故,造成重大的经济损失和环境φ340 mmx400 mm, 2* 为φ500 mmx600 mm,侧污染。对此，国内外进行了大量研究12),广泛采用壁为5 mm的钢壳。容器内部采用含水率为12%左右钢制密封容器制作危险品贮运的抗事故包装箱，并的空心圆盘状杉木(cunninghamia lanceolata)填充，利用木材导热系数低、在高温下吸热热解的特点，其外径分别为330 mm和490 mm,内径均为90 mm;将其填充在密封容器内作为缓冲隔热层,能有效降中心部位采用密封钢管起支撑和定位作用，其上下低外界以导热方式传入包装箱内部的热量,提高危两端均垫有木块。密封容器内共填充了4层圆盘状险品在火灾环境下的安全性。因此，研究密封容器杉木(从密封容器底部往上编号为1~IV),各层内木材热解炭化规律，对抗事故包装箱的设计及其之间上下表面在火灾条件下的安全评估都有十分重要的意义。目前，国内外对于木材热解的研究主要是针对紧密贴合，并将粉末状样品的热重分析,求取木材热解、炭化的化圆盘与侧壁之学动力学反应参数[4),或针对小尺寸木材样品在开间的空隙用木放空间内外加辐射热源下的起火及燃烧进行试验及屑填实。除在密数值模拟研究5,对于密封容器内大尺寸木材的热封容器底部中解炭化鲜有提及。但密封容器内木材热解、炭化与心布置一个热图1测点布置图开放空间内木材着火燃烧相比有着鲜明的特点:一电偶外，在第II是木材不直接与火焰接触，发生热解炭化及收缩后，层木材圆盘内呈90布置两组热电偶(见图1)●为其在密封容器内的状态发生改变;二是木材热解炭防止试验过程中木材热解产生的水蒸气对温度测量化过程中，产生大量的气体(包括Co和水蒸气等),带来影响，将热电偶的正负极导线分别从测点两侧在高温、密封环境下会产生较高的压力，使容器内的预留孔引出，并用耐高温胶将测点与线槽等处填部环境发生变化，这两方面的变化均会对木材的热实。端盖上的预留孔亦为泄压孔，未进行特殊处理，解炭化过程产生影响。因此本文通过火烧炉模拟火仅在端盖与木材之间垫上两层耐火纤维毯，以减小灾环境，选用生长快、材性好、国内常见的杉木为试外部火焰场通过预留孔对密封容器内部的影响。周本权等:火灾环境下密封容器内木材热解试验研究141测点⑤温度明显低于侧面正对喷嘴的测点②。这表越多，压力越来越大，最终高压气体从预留孔向外明在外部高温条件下,木材外表面迅速发生热解炭喷射，产生瞬间的降压，使A区域后半段各测点的化,但各部位的温度分布不均是造成热解炭化程度温度稍有下降; (2) 在B区域中，虽然内部热解气不同的主要原因。体按- -定速率经预留孔向外喷射，但热解产生的气相对于外部测点，内部测点的温度变化相对较体量大于向外喷射的量，而密封容器内压力仍在持慢，其变化趋势也较复杂。为了便于阐述，将内部续升高，导致了各测点温度的快速上升: (3) 在C测点温度变化曲线分为如图6所示的A、B和C3个区区域中，由于试验停止了火焰喷射，外部温度突然域。可以看出: (1) 试验开始后的10min内，尽管外下降，使容器内部木材热解速率放缓，甚至停止,部木材已经开始发生热解反应，但内部木材热量传产生的气体量减少，破坏了容器内部与外界的压力递的方式仍然以导热为主，因此内部测点温度基本平衡，导致内部测点温度迅速下降，直至容器内部保持在初始温度: (2)进入A区域后，内部测点的温与外界压力重新达到平衡，各测点温度趋于稳定，度迅速从常温升到80C，并恒定在此温度下，直至最后依靠导热使内部温度缓慢上升。A区域结束前各测点的温度稍有下降: (3) 在随后的5结果B区域中，内部测点温度快速升高，其最高值达到(1)火灾条件下，密封容器内木材热解主要发约450C; (4)试验结束后的C区域中，各内部测点温生在表层向内一定厚度的区域内，内部大部分区域度先降至与A区域相同温度，然后再缓慢上升，最高仍为原木，且密封容器的体积越小，热解炭化程度升至100C左右，最后才在环境温度下逐渐冷却。越大。炭化层的厚度受密封容器在火场内的具体位置影响分布不均匀，一般迎火面大于背火面; (2)密封容器内木材热解炭化及收缩是以单块木材为0基础,在收缩时易沿着木材纹理方向以及在表面缺陷处产生缝隙，最终对整个木材的热解炭化产生影响; (3)木材热解过程中产生的气体会在高温及密封条件下形成极大的压力，不可避免地增加密封容器被破坏的风险，这对容器的安全性提出了较高的图6内部测点温度变化曲线要求。同时，炭化表面产生的缝隙使高温高压气体图6中内部测点的温度变化与单纯导热时内部温更加容易向内部扩散，对内部木材的热解过程以及度缓慢上升的变化规律存在着明显的差异，综合分析木材层间的表面温度分布产生影响，致使容器中心可以看出，木材热解产生的含有大量水蒸气的气体在位置的温度比预期的(以导热为主的传热方式)要高。参考文献高温高压以及密封环境下扩散到木材内部并参与热量传递，成为除导热外的重要传热方式,是导致内部1] Intermational Atomic Energy Agency. Safety StandardsScnies No.TS-R-I (ST-I), Regulations for the safe transport of测点温度变化的主要原因。由于在试验的不同阶段热radioactive material[S]. revised edition, 1996解气体量不同，导致密封容器内温度、压力各不相同，;[2] Ofice of the Federal Register. Packaging and transportationof radioactive matrial[M]. Washington: Code of Federal最终使内部测点温度形成A、B、C3个区域。Regulations, 1994(1)在A区域中，内部测点温度迅速上升时，3] 阎昊鹏，陆熙娴，秦特夫.热重法研究木材热解反应外部测点的温度约为400°C，表明此时木材外层已动力学[J.木材工业，1997,11(2): 14-18经发生热解，所产生的热解气体充斥在密封容器内4] 宋长忠方梦祥,余春江等杉木热解及燃烧特性热天部。随着温度的升高、气体压力的增大、以及已炭平模拟实验研究[J]燃烧科学学报2005, 33(1): 68-72化表面收缩产生缝隙的增加，使高温高压的气体向[5] 杨立中，邓志华,陈晓军.可燃材料火灾性能参数的实验研究[J].火灾科学, 2000, 9(4): 32-37各层木材内部扩散，从而使各层木材上下表面温度6] 宋长忠火灾可燃物热解动力学及着火特性研究[D]迅速增加。随着木材热解的加剧，产生的气体越来杭州大学博士学位论文, 2006