《Process Safety and Environmental Protection》：Design fire for the safety approval of thermally insulated storage and transport tanks - experimental and analytical investigations
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随着使用或运输液化氢（LH2）和液化天然气（LNG）等低温燃料的车辆数量激增，道路运输领域面临新的安全风险，例如可能导致BLEVE（沸腾液体膨胀蒸气爆炸）的事故。为此，研究人员开展了针对低温储罐在火灾条件下行为的研究，旨在通过定义“设计火灾”来表征具有代表性的火灾场景，并将其应用于储罐的安全认证流程。研究通过池火、轮胎火和卡车驾驶室火灾与量热计的相互作用实验，分析并表征了火灾特性，提出了一种基于最高温度1000°C和火焰发射率0.5的综合火灾特征模型。该模型适用于模拟广泛的真实火灾条件，为制定储罐认证的代表性设计火灾标准、理解事故场景及其潜在后果提供了重要依据。
随着全球能源行业向低碳化转型，液化氢（LH2）和液化天然气（LNG）等低温能源载体因其高体积能量密度和可利用的制冷潜力，被视为极具前景的能源形式。然而，这些“冷”燃料的安全储运面临严峻挑战。想象一下，一辆满载液化氢的重型卡车在公路上行驶，如果发生碰撞或燃料泄漏，极易引发火灾。此时，保护燃料的低温储罐（通常采用真空结合多层绝热材料构成的超级绝热系统）将直接暴露在熊熊烈火之中。火灾产生的高温热负荷可能导致储罐绝热层失效，内压急剧升高，最终可能引发一种极其危险的爆炸——沸腾液体膨胀蒸气爆炸（Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, BLEVE）。BLEVE结合了物理和化学爆炸，破坏力巨大，可造成大范围的人员伤亡和基础设施损毁。为了评估和预防此类风险，工程师和标准制定者需要一种可靠的、可重复的“标尺”来测试储罐的耐火性能，这种“标尺”就是所谓的“设计火灾”（Design Fire）。然而，目前许多针对低温储罐的现行标准（如GTR13、ECE R110）通常假设较低的火灾温度（如590°C），并且没有明确规定对热传递至关重要的火焰发射率（Flame Emissivity）。这种不确定性导致测试条件不统一，难以真实反映道路交通事故中可能遇到的复杂火灾场景（如池火、轮胎火、车辆部件火），从而可能高估或低估储罐的实际安全性能。为了填补这一知识空白，并为低温储运罐的安全审批提供明确、统一且安全的测试条件，德国联邦材料研究与测试研究所的研究团队开展了一项系统的实验与解析研究，相关成果发表在《Process Safety and Environmental Protection》上。
为表征真实事故火灾的热暴露情况，研究人员在BAM技术安全测试场进行了一系列大规模火灾测试。关键技术方法包括：1) 使用一个充满900升水、内壁涂有高发射率（0.85）涂层的中间散装容器（IBC）作为水冷量热计，通过测量水温变化来反推入射热通量；2) 设计了池火（20升、50升、200升乙醇）、轮胎火（2个标准卡车轮胎）和卡车驾驶室火灾共6种测试场景，模拟道路运输中的典型可燃物；3) 在量热计壁面附近和内部布置热电偶，同步测量火焰温度和内部水温随时间的变化；4) 对实验获得的累积热量数据进行多项式拟合以平滑噪声，进而计算热通量和壁面温度；5) 基于辐射和对流换热的基本物理公式，结合实验测得的熱通量，反算不同火焰发射率假设下的代表性火灾温度曲线，并与现有标准（如ISO标准火灾曲线、碳氢化合物火灾曲线、ZTV-Ing曲线等）进行对比分析。
2. 火灾表征
研究人员首先从理论上分析了火灾与储罐之间的热相互作用。火灾是释放热量的放热氧化反应，热量通过辐射、对流和传导传递到周围环境。当储罐暴露于火中时，它成为全球热传递网络的一部分。研究指出，描述火灾与储罐热相互作用的常见方法有四种：基于热释放速率的方法、规定火灾温度法、全火灾特征描述法和热通量法。其中，“全火灾特征描述法”考虑了火焰与储罐壁面之间的对流和辐射热通量分量，能够更真实地描述具有复杂、非均匀壁结构（如低温储罐的双层壁）的温度依赖性材料降解和热流。总热通量的计算公式包含了火焰温度、火焰发射率、壁面发射率、壁面温度和火焰对流换热系数等关键参数。研究表明，火焰发射率的取值对计算传入储罐的热通量有决定性影响。
3. 方法
3.1. 实验方法
研究采用水冷量热计来评估火灾随时间传入储罐的热流。量热计是一个不锈钢IBC容器，尺寸为0.9米宽、0.95米深、1.1米高，内装900升水。其外壁涂有耐高温黑色涂料，发射率为0.85。容器内设有水泵混合水温，并布置了5个热电偶测量水温，外壁附近另有5个热电偶测量火焰温度。测试装置周围设有挡风墙以减小风的影响。
3.2. 测试
共进行了6项大规模火灾测试，包括不同规模的池火、池火与轮胎组合火、以及池火与驾驶室组合火。测试燃料为乙醇，池火体积代表了从最小可信泄漏厚度到重型卡车油箱全部泄漏量等效的不同场景。轮胎和驾驶室则根据其燃烧热值进行配置。根据火源与量热计的几何位置，估算了每次测试中量热计受火焰影响的表面积。
3.3. 数据后处理方案
通过测量平均水温随时间的变化，根据水的体积、密度、比热容和温升计算累积热量。进而，通过对累积热量求导并除以受火面积，得到传入量热计的热通量随时间的变化。由于原始数据有噪声，对累积热量和热通量数据进行了多项式拟合以用于后续分析。利用拟合后的热通量数据，结合估算的壁面温度，并通过求解热通量方程，可以反算出在不同火焰发射率假设下的代表性火焰温度。
3.4. 基准火灾场景
研究选取了多个国际标准和法规中提出的火灾测试条件作为基准，用于评估从实验数据生成的设计曲线。这些基准场景包括GTR13等标准中规定的恒定590°C火灾温度（配合不同发射率），以及EN标准中的碳氢化合物火灾曲线、外部火灾曲线，ISO标准火灾曲线，和ZTV-Ing曲线。研究将提出的设计火灾场景与这些基准场景在火灾温度、热通量和累积热量等方面进行了对比。
4. 测试结果
所有测试均在低风速条件下进行。实验数据显示，仅包含池火的测试P200T0C0持续时间最长（约60分钟）。在池火基础上加入轮胎的测试（如P200T2C0）在更短时间（约30分钟）内达到了与纯池火测试相似的总累积热量，但估算的热通量峰值高出80%。即使是最小的池火（20升）也能在大约15分钟后点燃轮胎，并产生可观的热通量。而包含驾驶室的测试，由于驾驶室非可燃背板起到了隔热作用，量热计未直接受火焰冲击，热通量较低。在全部测试中，仅有1%至5.1%（平均3.7%）的燃烧热被量热计吸收。通过对四个最具代表性的测试（P200T0C0, P200T2C0, P50T2C0, P20T2C0）的热通量曲线进行时间对齐和平均分析，得到了“平均”曲线和“平均+标准差”曲线。后者峰值热通量约为85 kW/m2，与ISO 21843等标准相符，被选作后续制定安全评估方法的代表性热通量-时间曲线。通过对计算火焰温度与实测火焰平均温度的比对，研究发现火焰发射率在0.4至0.6之间（平均0.5）时拟合最佳。
5. 道路车辆安全评估的设计火灾
5.1. 设计火灾的制定
基于选定的代表性热通量-时间曲线（“平均+标准差”曲线），并假设壁面发射率为0.85、火焰对壁面的对流换热系数为25 W/(m2·K)，可以反算出不同火焰发射率假设下的火灾温度曲线。计算表明，火焰发射率对所需的火灾温度有极大影响。对于研究中确定的平均火焰发射率0.5，对应的最大火焰温度约为1000°C。因此，研究提出了一个用于低温储运罐安全评估的代表性设计火灾，其特征是：最高温度1000°C，火焰发射率0.5。将此设计火灾与基准场景进行比较发现，它产生的热通量和累积热量显著高于现行低温储罐标准（GTR13, 590°C）在大多数发射率假设下的情况，与建筑标准中的碳氢化合物火灾曲线（HC）和ZTV-Ing曲线在热负荷上更为接近，但持续时间更长。这说明当前一些低温储罐标准可能低估了真实事故火灾的热负荷。
结论与讨论
本研究通过系统的实验，表征了道路运输中可能涉及池火、轮胎火等真实事故火灾的热暴露条件。研究表明，橡胶轮胎由于其低燃点和辐射敏感性强，在火灾传播中扮演关键角色，能显著提高热通量并缩短火灾高负荷期。基于实验结果，研究提出了一个适用于低温储罐安全审批的代表性设计火灾场景，其特征参数为：最高温度1000°C，火焰发射率0.5。与当前许多低温储罐标准中常用的590°C恒定温度且未指定发射率的测试条件相比，这一设计火灾能更真实、更保守地模拟广泛的实际火灾条件，对传入储罐的热通量估算也更为准确。这一成果为定义安全相关的测试条件、改进超级绝热系统的设计、支持统一审批程序的制定提供了物理基础。最终，它将有助于提高移动和运输应用中低温能源载体的安全性、可靠性和公众接受度。研究也强调了在安全评估中采用“全火灾特征描述法”的重要性，该方法能同时考虑火灾温度演化和火焰发射率，从而更真实地模拟具有热超绝热材料的储罐的热响应。未来，基于此设计火灾的测试条件可被纳入相关标准和法规，为低温燃料储运安全建立起一道更坚实、更科学的防线。
