植物油在熱表面上的可燃性

• 文章作者：Lorena Deleanu^1,2，康斯坦丁·喬治斯庫¹，利維烏·卡塔林·索萊亞¹，狄奧尼斯·古格利亞¹，克里斯蒂娜·波帕^3.
1「下多瑙河」大學，加拉茨，羅馬尼亞； ²羅馬尼亞技術科學院（ASTR），羅馬尼亞布加勒斯特；3 羅馬尼亞標準化協會（ASRO）。

1. 介紹

在研究領域以及行政管理領域，關於工作場所中危險物質存在及其使用風險的當前問題正在展開辯論。一個有趣的主題是，某些材料（也包括屬於此類的流體）在某些使用條件下可能會增加火災風險，而火災可能發生在意外情況下。因此，需要製定專門的法規來評估此類產品是否符合技術規範，這項要求可被視為採礦業可持續發展的組成部分[1], [2]，也適用於其他領域：運輸、工藝流程（包括食品工業和旅遊業）。

從危險物質相關風險的角度來看，油類研究最多的特性之一是其與高溫表面接觸時的易燃性，這可能導致自燃。從這個角度來看，液壓油是研究最多的油類，但人們也對用作食品或工業液體的植物油感興趣。一些油類也存在於採礦業中，自燃引起的事故可能對基礎設施和公用設施以及人員的安全和健康造成嚴重後果。

歐盟在保護工人安全和健康方面製定了嚴格而廣泛的法規。例如，104年3月1992日第92號理事會指令（104/16/EEC），該指令規定了改善地面和地下採掘業工人安全和健康保護的最低要求（框架指令1/89/EEC第391(2007)條定義的第十二個單獨指令），並經歐洲議會和理事會30年第20月/2007/3/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX/XNUMX月。

然而，植物油在高溫表面著火的風險同樣存在於食品產業，甚至每個人的廚房。植物油不僅用於食品加工，也作為更環保、低毒性的潤滑劑用於設備中。

該指令後來透過 1049 年 09 月 08 日第 2006 號決定轉化為羅馬尼亞立法，該決定是關於確保地面和地下採礦業工人安全和健康的最低要求 [4]。

火災及其影響在所有經濟活動中都屬於危險因素，因為由於製程流程和/或設計方案，它們會產生足以引發和維持火災的高溫。例如，鋼鐵和玻璃產業以及化學工業都涉及高溫工藝，這些高溫不僅源自於製程要求，還源自於摩擦，尤其是在潤滑不足或因各種原因導致潤滑劑失效的情況下。如今，對工作場所火災後果的分析更加複雜，必須突顯其短期和長期影響：生產中斷成本、人員健康和安全相關成本、對環境和組織永續性的影響等等。

對於流體而言，「耐火性」這個術語的理解或解讀相對較少。專家認為，有必要對術語進行標準化，並審查用於評估特定流體耐火性的公認測試方法 [5]-[7]。目前尚無單一的流體特性或測試方法能夠定性量化其對火或著火的抵抗力。通常，評估流體耐火性的測試是“模擬事件”，以便這些測試能夠重複複製流體在典型應用中可能存在火災隱患的最壞情況。流體要么通過這些測試，要么未通過，通過測試的流體將被納入建議 [8]。

潛在的點火源不僅包括熾熱或熔融的金屬部件、火花或火焰，還包括高溫表面，例如引擎排氣歧管、加壓蒸汽管線和高溫設備外殼。耐火液體（許多為合成液體）雖然更安全，但成本高於石油基液體，並且/或需要對設備或操作參數進行調整。

「耐火」並不意味著「防火」或阻燃，幾乎任何液體在特定情況下都可能燃燒。

如圖 1 所示，確定流體耐火性能的測試方法多種多樣，導致了對「耐火性」的不同定義的解釋。

圖 1. 火災試驗中的變數（僅適用於流體），根據 [9] 和 [10]

Zinc MD [9] 提出，耐火流體應具備下列特性：

• 流體必須耐燃；
• 當點火源存在時，流體必須具有撲滅火焰並防止火焰蔓延的能力；
• 當火焰/點火源移除後，液體將自行熄滅。

2. 評估熱表面流體可燃性的測試程序

由於需要評估未納入標準的兩個因素（流體和熱表面）相互作用的風險，因此對流體在熱表面（有或無點火）上的行為進行了研究。

Wright、Mowery 和 LePera [11] 提出了一種解決危急情況下液壓油問題的方法，在這種情況下，生存取決於這些液體的防火性能，尤其是對於軍事設備而言。除了噴霧點火試驗外，還介紹了熱表面點火試驗，該試驗包含在 NPFC-FED-STD-791 潤滑劑、液體燃料和相關產品聯邦測試方法中，在本文發表之前的版本中，今天的 2021 年版，FED-STD-791E 潤滑劑、液體燃料和相關產品的測試方法 [12]。該試驗確定與熱金屬表面接觸的流體的可燃性。該文件在方法、程序和結果量化方面與 ISO 20823:2003 最接近，後者也於 2004 年被採納為歐洲和羅馬尼亞標準 [13]。將流體滴到用電氣設備加熱的耐火鋼管上，然後插入管中。 [12] 中詳述的測試溫度為 1300 °F (704 °C)，該溫度與 SR EN ISO 20823 中規定的溫度（700 °C）非常接近。測試的滴速和流體樣品體積與 ISO 標準相同：滴速為 40 至 60 秒，滴體積為 10 毫升。將滴落到管子上後產生的噴射進行檢查。流體在管子上以及從管子落入收集盤時都可能著火燃燒。結果報告如下 [13]：

1. a) 「I(T)」表示流體在管子上點燃或燃燒，但在下面的盤中收集時不會繼續燃燒，
2. b) “I(D)”表示流體在管子上點燃並燃燒，並在收集到下面的托盤中時繼續燃燒，
3. c) “N”表示流體在任何時候都不會點燃或燃燒。

評估流體防火特性的標準是在嚴重事故發生後引入的，這些事故證明流體積極參與了火災的引發和/或維持。 Phillips 等人 [14] 和 Shermann JV [15] 推動了流體防火或點火測試標準的製定和應用，強調對於火災/點火風險較高的應用，需要使用耐火流體，尤其是合成流體，某些成分即使在 700 °C（美國標準（704 °C）和國際標準都包含該溫度）下也不會著火。

在金屬表面進行流體點火試驗（模擬真實零件上的事故）可確定流體的可燃性，試驗中保持金屬表面溫度恆定。在事故中，溫度可能會隨著火勢發展而升高。該方法還可以透過逐漸升高滴入流體的管子的溫度來確定所研究流體的點火溫度。此方法尤其用於確定難以點燃的防火流體的抗燃性。該程序也在 SR EN ISO 12922:2020《潤滑劑、工業用油及相關產品（L 類）》H 系列（液壓系統）[16] 中進行了規定。 HFAE、HFAS、HFB、HFC、HFDR 和 HFDU 類液壓油的規格。

3. 測試設施和測試程序

測試是使用加拉茨「Dunărea de Jos」大學的原始自動化裝置進行的，以保護操作員並降低場所外點火的風險（圖 2）。

圖 2. 用於測試熱表面上流體可燃性的裝置。 1 - 滴管冷卻系統，2 - 帶冷卻夾套的滴管，3 - 滴管的 2D 機械手，4 - 裝有待測流體的容器，5 - 不銹鋼外殼，6 - 斜管上焊接外殼保護的熱電偶，7 - 防火管，由內部電阻加熱，8 - 收集從壓縮管中落下的流體的托盤，9 - 玻璃管的護管主開關，10 - 確保裝置調節和運作的計算機，11 - 斜管溫度顯示器 [12]

此程式符合 SR EN ISO 20823:2004 標準 [13]，並可實現裝置自動操作、資料記錄和測試錄影。測試包括以下操作。

1. 清潔管子外表面（應接近室溫），先用鋼絲海綿擦拭，再用浸有清潔溶劑的脫脂棉擦拭，最後用乾棉布擦拭。兩次測試之間清潔管子時，最好不要將其從支架上取下，但要將加熱元件絕緣或移除。
2. 將滴頭安裝在管軸上方，距管表面 300 毫米，位於傾斜管的中間。
3. 將待測液倒入滴管，溫度為 20°C 至 25°C。標準規定，可在滴管上重複測試 3 次，每次滴液均等距滴在滴管中部，從滴管最低處開始，然後向上滴。
4. 使用安裝在流管上的閥門測試流體滴落時間並調整滴速。
5. 連接加熱元件並將溫度平衡到操作員所需的值（最高 700 ºC ± 5 °C），如焊接在傾斜管上的受金屬外殼保護的熱電偶所示。
6. 檢查防爆窗的關閉情況。
7. 以恆定的滴速將液體滴到管中，使得 10 ml 測試液體在 40 s 至 60 s 內滴完。
8. 觀察並拍攝管子表面以及流體落入下面托盤時流體的行為。

依照程序在相同溫度下再重複測試 2 次，對於管道上的新位置，每個位置都比管道上的前一個接觸區域高出至少 50 毫米。

4. 植物油在熱表面上的可燃性結果

下圖顯示了在不同金屬表面溫度下對菜籽油[10]進行測試的瞬間。圖3顯示，菜籽油在505°C下不能被視為不可燃，因為在進行的3次測試中，至少有一次菜籽油著火了。在較低的溫度495°C下，所有510次測試均未導致菜籽油著火。在高於4°C的溫度下，菜籽油的著火更為劇烈，火焰也更大（圖XNUMX）。

第一滴後吸煙，第二滴 2	3秒內燃燒
第二個 55	第二個 55
a)	b)
圖 3. 使用菜籽油進行的測試，傾斜管溫度為 505 ºC：a) 菜籽油未點燃，b) 菜籽油點燃

a) 第一滴油	b) 第9秒
c) 第16秒	d) 第二 55
圖 4. 測試 2，採用芥花油，斜管溫度為 510 ºC

如果需要測定點火溫度，則應採用半程法測定，該方法限定了流體不燃燒時的管溫以及流體著火時的管溫。例如，圖5顯示了測試結果，按執行順序排列，直到連續三次測試流體均未燃燒。對於植物油的測試結果，也應說明其脂肪酸組成。表1顯示了受試油的脂肪酸組成。

圖5. 菜籽油檢測結果
（藍色 - 油未燃燒，紅色 - 油燃燒）

表 1. 測試植物油中脂肪酸的組成（%wt）（由 Expur Bucharest 進行分析）

結論

實驗數據表明，所測試的植物油在熱表面上具有良好的阻燃性能，因為它們的最低不燃溫度為 490°C（橄欖油），但高於典型的礦物液壓油（圖 6）。觀察到，植物油在熱表面上的最低著火溫度在 490°C 至 515°C 之間，這表明重要的不是成分的濃度，而是它們在相應油中的存在，即使在低濃度下也是如此，這一結論也在 [Georgescu, 2018] [19] 中強調。冬化菜籽油的防火性能要好得多：它在加熱到 570°C 的表面上也不會燃燒，但價格較高。短鏈成分會先著火，但會產生足夠的能量進一步點燃分子量較大的成分。

圖 6. 測試植物油的熱表面著火溫度

有效利用流體耐火試驗結果的條件在於了解可進行的試驗，並選擇合適且有用的試驗來提高操作安全性。即使在設備設計階段，也必須了解並確定可供選擇的流體清單以及必須「通過」的試驗清單，以便找到降低火災風險的解決方案。分析與同一領域（及其他領域）實際應用相關的類似事故至關重要，以便改善設備、製程流程、環境保護並提高操作人員的素質。

這些結果再次證明，在評估使用技術流體時的火災風險時，實驗結果是必要的，並且添加基礎油並不能保證先驗更好的可燃性特性，即使添加劑表明有所改善。

另一個相關的觀察結果是，測試之間的溫度範圍不得小於測量溫度的公差；對於此安裝和 20-700 ºC 的範圍，確定為 ± 3 ºC，因此確定的流體在熱表面上不燃燒的最高溫度與流體在熱表面上點燃的最低溫度之間的差值不能小於 6 ºC。

參考書目

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