吴松，马红，毛勇建，胡宇鹏，周本权

木材及人造板对火烧环境下复合运输包装容器隔热性能影响的比较研究

吴松，马红，毛勇建，胡宇鹏，周本权

（中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621999）

比较易于获取的天然（毛白杨、水杉）和人工木材（中纤板、刨花板）用于复合运输包装容器设计时在火烧环境下的防热性能。设计由钢质外容器、木材夹层、钢质内容器组成的典型运输容器模拟试验件，开展了平均温度约为800 ℃、持续时间约为30 min的野外油池火烧试验，测试了试验件内外温度及木材炭化情况。4种木材的隔热效果由优到劣依次为毛白杨、中纤板、刨花板、水杉；4种木材在厚度小于120 mm时隔热效果差异较大，厚度达到120 mm及以上时差异减小，并均能在火烧环境下将内部容器的温度保持在100 ℃左右及以下。4种木材中，毛白杨隔热效果最优，中纤板次之，然后是刨花板，最后是水杉。本文研究结果为放射性物品复合运输容器隔热设计提供了参考。

放射性物品；运输包装容器；耐热试验；木材；隔热

放射性物品在运输过程中可能遭遇跌落、撞击、火烧等严酷的事故场景，为此国内外标准[1-2]都明确要求放射性物品运输容器必须通过正常运输和运输事故条件的自由下落、耐热等试验考核。其中，运输事故条件下力学试验主要包括自由下落试验Ⅰ（9 m跌落）、自由下落试验Ⅱ（1 m穿刺）、自由下落试验Ⅲ（9 m压碎），事故条件下耐热试验是指30 min、800 ℃火烧试验。这些试验考核项目对运输容器的缓冲和隔热性能提出了很高的要求。

木材是一种既能够缓冲又能够隔热的天然材料，在放射性物品运输容器制造中得到了广泛的应用。邢攸冬等[3]分析了乏燃料运输容器减震器填充木材、聚氨酯泡沫和蜂窝铝的性能优劣。钟卫洲等[4]详研究了云杉、毛白杨、中纤板和刨花板的抗冲击性能，以及获得这些性能参数的试验设计、数值计算方法和理论分析等。国外学者Musolff等[5]、Ammerman等[6]、Neumann等[7]对木材在运输容器中的抗冲击应用和进行了相关的试验，并对试验结果进行了分析及确认。Huang等[8]对火烧环境下包装箱中木材的传热性能、热解性能进行了理论分析和数值模拟。郭春秋等[9]从设计、加工、试验和数值模拟等方面介绍了木材在新燃料运输容器制造中的应用。Bang等[10]介绍了巴尔杉木在船用放射性材料运输包装箱中的应用，利用该木材作为主要防护材料的包装箱在经历跌落及火烧试验后，检测表明内容器未发生泄漏，防护效果良好。

木材的种类、构型和尺寸的确定是相关运输容器设计的重要内容[11-16]。然而，在公开发表的文献中，很少对木材选用进行对比分析，仅有Andersen等[11]对红木（Redwood）、巴尔杉木（Balsa Wood）、胶合板（Plywood）等材料的单位体积吸能和吸热指标进行了对比分析，最终选择了红木作为某运输容器的主要防护材料。但由于木材资源的地域性特征，这些研究对象和结果并不能适用于所有国家。其他绝大多数文献都基于既定的木材种类、构型和尺寸，通过试验或数值模拟的方法，对其缓冲、隔热效果进行验证。本文立足国内易获取的且基本热学性能参数与早期使用的云杉[8,14-15]类似的2种天然木材和2种人工木材，即毛白杨、水杉、中纤板、刨花板，设计加工了典型的钢–木–钢容器模拟试验件，通过野外油池火烧试验对其隔热效果进行了对比研究。与此对应，钟卫洲等[4]也对上述4种木材的缓冲性能进行了对比研究。因此，本文研究结果配合钟卫洲等[4]的研究结果，可为国内相关运输容器的木材选型及构型、尺寸设计提供重要参考。

1 试验材料与试验件

1.1 试验材料简介

试验材料包括2类共4种木材，其中天然木材为毛白杨（Populus Tomentosa Carrière）、水杉（Metasequoia Glyptostroboides）2种，产地为绵阳市平武县，胸径小于0.4 m；人工木材为中纤板、刨花板2种，产地绵阳市平武县。由于含水率对木材质量、传热性能、热解性能等均有较大影响，因此对所用的4种木材进行了含水率、密度和导热系数（瞬态平面热源技术，TPS）的测试，结果见表1。

表1 4种木材的含水率测试结果

Tab.1 Test results of moisture content in the four woods

1.2 试验件描述

试验件结构如图1所示，由钢质外容器、木材夹层和钢质内容器组成。外容器材质为耐火钢，壁厚为5 mm，下端盖与侧壁焊接，上端盖与侧壁螺接，尺寸为220 mm×400 mm、340 mm×400 mm、500 mm× 600 mm等3种规格。侧壁木材夹层均分3层布置，均为顺纹方向，两端均分4层布置，其中2种天然木材的顺纹方向沿试验件轴向，2种人工木材的顺面方向沿试验件轴向。内容器为外形尺寸100 mm× 150 mm、壁厚5 mm的空心圆柱形钢制容器。试验件技术状态见表2。

图1 试验件结构

表2 试验件技术状态

Tab.2 Technical conditions of test piece

2 试验系统与方法

2.1 火烧试验系统

火烧试验系统主要由10 m油池、供油管道、止回阀、电动调节阀及控制系统、油泵、储油罐、液位传感器及测试系统等组成，如图2所示。

油池由耐热钢板制作而成，分为内圈油池和外圈冷却水池。试验前，先在内圈油池内注入一定高度的水，再注入适量的燃料（煤油）。同时，还需在外圈冷却水池中注入适量的水，以避免试验过程中火焰高温导致钢油池变形。油池液位通过水井下的液位传感器感知，通过电缆将信号传输至上位机控制程序，实时判断煤油燃烧速率和剩余燃烧时间，从而控制油泵和电动调节阀向油池中补充适量煤油，以确保加载时间在30 min左右。

温度测点布局示意图见图1，各测点具体位置及测试传感器见表3。其中，T0—T4由K型热电偶测量，测点T5由温度试纸测量，通过试验后拆解试验件，根据其颜色直接读取其最高值。试验时K型热电偶、数据采集器、上位机及测试软件等组成温度测试系统，持续记录相应测点温度数据。

图2 火烧试验系统示意图

表3 温度测点位置

Tab.3 Positions of temperature measurement points

2.2 试验方法

试验件放置在由耐火钢制成的托架上，试验件分横放和竖放2种姿态，试验时确保火焰对试验件充分包覆，如图3所示。根据表3中测点安排，试验中采用电测法对每个试验件内外部测试了T0—T4这5个测点的温度时间历程曲线。考虑到横放试验件迎火面与背火面温度环境有一定差异，为确保横放试验件之间状态一致，并与竖放试验件温度测试结果具有可比性，横放试验件统一放置温度测试点在其侧面。试验后，对各试验件进行了分解，读取了T5测点温度试纸示值，测试了木材夹层（上端面第2层木材的上表面）的炭化厚度。

图3 试验件放置示意图与火焰包覆情况

3 试验结果与分析

3.1 温度测试结果

图4a给出了各试验件的加载温度，即附近空气中T0测点的温度。由图4a可见，火烧加载温度在400～1 200 ℃内波动，其中多数时间的温度为600～1 000℃。加载时间为30 min左右，30 min内的平均温度和最高温度见表4。由表4可见，12个试验件的T0测点平均温度具有一定分散性，但最高温度更趋于一致。

图4 部分温度测试曲线

图4b给出了试验件内外部的温度测试曲线。由图4b可见，从T0到T4测点，即由外到内，被测点的最高响应温度依次降低。

验件内部测点T1—T5的最高温度见表5和图5a—c。由表5、图5a—c可见，由热电偶测得的T4和由温度试纸测得的T5数值吻合较好；每个试验件从T1到T4都具有很明显的降低的趋势；对于“1”型试验件（侧壁木材夹层厚度为60 mm），毛白杨（M1）降低最快，其次是中纤板（Z1）和刨花板（B1），最后是水杉（S1）；对于“2”型和“3”型试验件，由于木材夹层较厚，到T3、T4测点位置，最高温度已经降低至一定水平，彼此间差别不大。

表4 各试验件T0测点的平均温度和最高温度

Tab.4 Mean and maximum temperature at T0 point of each test piece

图5d整理了不同种类、不同厚度木材夹层情况下内容器内表面（即T4测点）的最高温度。很明显，对“1”型试验件（即木材夹层厚度为60 mm），4种木材隔热效果差异非常显著：装填毛白杨（M1）的内容器最高温度最低，为102.1 ℃；中纤板（Z1）次之，为139.1 ℃；其次为刨花板（B1），温度为201.9 ℃；最后为水杉（S1），温度为279.6 ℃。木材夹层增厚至120 mm（即“2”型）、200 mm（即“3”型）以后，隔热效果均表现较好（100 ℃左右及以下）且差异较小（20 ℃以内），但彼此间的隔热性能优劣顺序依然不变。由上述结果还可看出，由于4种木材隔热效果差异比较明显，所以试验件外界环境温度（即T0测点）平均值的分散性未对隔热效果造成影响。

3.2 木材夹层炭化情况

图6给出了试验后各试验件上端面第2层木材的上表面炭化情况照片，表6给出了炭化厚度测试结果。由图6和表6可见，横放试验件由于温度环境不对称（迎火面燃烧不充分、温度低，背火面燃烧充分、温度高），木材炭化也不对称，竖放试验件温度环境基本对称，故木材炭化也基本对称。在相同条件下，4种木材中，毛白杨炭化最薄，中纤板次之，刨花板第三，水杉最厚。

图5 试验件内的最高温度分布

表5 在试件中测得的温度最高值

Tab.5 Measured maximum temperature in test piece ℃

炭化是木材热解吸热的重要阶段和重要表象。尽管炭化阶段是放热反应，但整个热解（包括之前的干燥阶段和预炭化阶段）是大量吸热的过程。在外界持续加热的情况下，外层木材逐渐热解，反应界面逐渐由外向内推进，最终形成了2个完全不同的区域：炭化区域和未炭化区域。因此，在火烧过程中，木材夹层中的炭化、未炭化分界面，正是此时高低温区域的分界面。最终的炭化厚度则反映了曾经经历过高温的厚度。炭化越浅，说明高温区域越靠外，隔热效果越好，反之亦然。由此可见，上述木材夹层炭化厚度测试结果与3.1节温度测试结果是吻合的。综合温度测试结果和炭化厚度测试结果，可以明确4种木材隔热效果从优到劣排序为毛白杨、中纤板、刨花板、水杉。

图6 试验后各试验件顶盖下第2层木材表面炭化情况照片

表6 各试验件顶盖下第2层木材表面炭化厚度

Tab.6 Carbonization depth of the wood on the 2nd layer under the coping of every test piece after test

4 结语

将毛白杨、水杉2种天然木材和中纤板、刨花板2种人工木材填充入不同规格的运输容器模拟试验件，并进行了温度约800 ℃、时长约30 min的野外油池火烧试验。通过对比试验件内部温度分布和炭化厚度进行综合分析，可得出明确结论：

1）4种木材中，毛白杨隔热效果最优，中纤板次之，然后是刨花板，最后是水杉。

2）厚度小于120 mm时，4种木材隔热效果差异较大；厚度达120 mm及以上，隔热性能差异较小，均能在火烧环境下将内部容器温度保持在100 ℃左右及以下。

综合本文数据和结论，结合文献[4]所述缓冲性能研究结果，可为放射性运输容器缓冲隔热设计中的木材选型、构型及尺寸设计等提供参考。

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Comparative Study on Effects of Wood and Wood-based Panel on Thermal Insulation of Composite Transport Packaging Containers under Fire Environment

WU Song, MA Hong, MAO Yong-jian, HU Yu-peng, ZHOU Ben-quan

(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China)

The work aims to compare the thermal insulation of natural (Populus tomentosa, Metasequoia glyptostroboides) and artificial (MDF and particleboard) woods that are easy to obtain and can be used in the design of composite transport packaging containers under fire environment. A typical transport container simulation test piece consisting of a steel outer container, a wood interlayer and a steel inner container was designed. The field oil pool fire test with an average temperature of about 800 ℃ and duration of about 30 min was carried out. The temperature inside and outside the test piece and the wood carbonization were tested. The thermal insulation effects of the four kinds of wood were: Populus tomentosa, MDF, particleboard, metasequoia glyptostroboides from superior to inferior. When the thickness of the four kinds of wood was less than 120 mm, the difference of thermal insulation effect was large, and when the thickness reached 120 mm or more, the difference was reduced, and all of them could keep the temperature of the inner container at about 100 ℃ or below under the fire environment. Among the four kinds of wood, Populus tomentosa has the best thermal insulation effect, followed by MDF, particleboard, and finally Metasequoia glyptostroboides. The results of this study provide a reference for the thermal insulation design of radioactive composite transport containers.

radioactive material; composite transport packaging containers; heat resistance test; wood; thermal insulation

TB485.3；V416.5；X45

A

1001-3563(2023)13-0292-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.035

2022−11−22

国家自然科学基金（51706213）

吴松（1986—），男，硕士。

毛勇建（1976—），男，博士。

责任编辑：曾钰婵