暴露在丙烷和氢气喷射火焰作用下的混凝土板的热效应

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Thermal effects in concrete slabs exposed to impinging propane and hydrogen jet flames

　　

摘要

流程工业工厂对社会至关重要，因为它们是工业加工过程中化学品、能源等的重要生产地。因此，防止工业工厂出现损失极为重要，因为生产设施的损毁会中断产品的持续供应。除此之外，工厂所有者还将面临物流、竞争和经济方面的挑战。

许多工业加工设施在某些工艺过程中会使用或处理氢气（如氨气等）。氢气极易燃烧，其可燃范围很广（4% -74.4%）。这一特性给这些设施以及周围的建筑结构（墙壁/楼板）带来了风险。如果流程工业工厂发生严重的氢气火灾，可能会导致结构承载能力下降，甚至整个建筑倒塌。因此，化学安全和工厂工艺安全必须成为社会高度重视的问题。

需要进一步深入研究的课题之一，是工业工厂、隧道等场所中使用的高强度混凝土结构的热行为。高强度混凝土的剥落行为目前还无法完全预测，而且关于氢气喷射火焰对混凝土影响的相关知识也十分有限。本文报告了在丙烷气体火焰以及更强烈的高压氢气喷射火焰作用下，三种不同抗压强度的混凝土板出现剥落行为的实验结果。这些混凝土板是在压缩载荷作用下来进行测试的，同时还探讨了聚丙烯纤维在减少混凝土板剥落方面的作用。

本研究是对混凝土板在丙烷气体火焰和高压氢气喷射火焰作用下的热响应及剥落行为所进行的实验研究。

章节节选

引言

要实现成功的未来氢能经济，就必须与现有的公路和铁路运输基础设施相兼容。显然，氢动力车辆和卡车在穿过隧道时，不应给这些基础设施带来任何额外的危险。这就是“氢动力车辆及在隧道和类似密闭空间中运输的安全性预规范研究”（HyTunnel CS项目，项目编号826193）的研究主题。需要研究的课题之一就是热相关问题

实验部分

共进行了六次丙烷喷射火焰测试和六次氢气喷射火焰实验。丙烷测试规模相对较小，燃烧的丙烷气体释放速率为17 - 18克/分钟，对应的功率为12 - 13千瓦，喷射火焰作用的区域仅为混凝土板的一个小面积（直径150毫米）。而氢气喷射火焰测试的强度则更大一些。储存容器中的初始氢气压力约为700巴，气体通过直径3毫米的喷嘴释放，峰值气体流速为53克/秒

结果与讨论

实验结果见表7 [11]、[20]。从表7可以看出，所有的丙烷喷射火焰测试都没有出现混凝土板剥落的迹象。接下来，这3块混凝土试样又在700巴的压力环境下接受了氢气喷射火焰的作用测试，该测试模拟了燃料电池汽车对建筑结构的冲击情况。从表7可知，有2次氢气喷射火焰测试出现了混凝土板剥落的迹象（混凝土C-F和D-F），但产生的碎片量相对较少，每次测试的碎片重量都低于75克。通过

讨论

此处将对实验装置、热暴露条件以及混凝土板剥落的结果进行讨论。无论是进行丙烷喷射火焰测试还是氢气喷射火焰测试，都会使用钢制框架来精确定位混凝土板，同时确保其处于一定的压缩状态。不过，作为初步筛选方法，也针对最初的7种混凝土配方进行了一些圆柱体测试，目的是找出容易发生剥落的混凝土配方。只有3种混凝土配方在1.000的测试条件下通过了圆柱体测试

结论

喷射火焰会在极短的时间内使表面温度升高到约1,300摄氏度。当达到稳定状态后，随着喷射火焰作用的结束，温度会开始下降。由于混凝土材料的导热性较低，混凝土板内部的温度上升速度会有所滞后。在混凝土板内的温度曲线中，当混凝土中的水分蒸发时，温度会保持在100摄氏度左右形成一个平台期。这一现象被发现具有

作者贡献说明

W. Liu：软件使用、数据整理。A.V. Gaathaug：验证工作、资源提供、数据整理、概念构建。L.S. S?rensen：原文撰写、资源提供、方法设计、实验研究、概念构建。F. Markert：资源提供、资金筹集、概念构建。A.W. Lach：软件使用、资源提供、正式分析、数据整理

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何已知的、可能影响本文所述工作的财务利益关系或个人关系。

致谢

本项目获得了“燃料电池与氢能2”联合企业（现为“清洁氢能伙伴关系”）的资助，资助协议编号为826193。该联合企业得到了欧盟的“地平线2020”研究与创新计划、以及“氢能欧洲”项目和“氢能欧洲研究”项目的支持。同时，也衷心感谢Pelcon Materials & Testing ApS提供的实物支持，此外还要感谢DTU联合联盟研究基金提供的部分资金支持。

L.S. S?rensen|F. Markert|W. Liu|A.V. Gaathaug|A.W. Lach

丹麦技术大学，土木与机械工程系，丹麦Kongens Lyngby