桑吉为何会爆炸？

举世瞩目的桑吉大火，终于在熊熊燃烧8天之后，在一声爆炸引发的剧烈燃烧中，随着巨轮的下沉而不见了。这是可以预期的结果，在此之前，会有几个扑灭火灾的窗口，然而没有利用好（用来搜救了），爆炸沉没是必然的结果。这里我来说一说桑吉为何会爆燃的火灾动力学原理。

在液体油池火灾中经常会发生一种短时的现象，在点火之后，初始燃烧率逐步增加，直到全部表面都被点燃，燃烧率趋于稳定为止。如果测量液体的表面温度，我们发现表面存在一个沸腾区（boiling zone），该区决定了向下层散热的温度梯度。最初，燃料吸收的热量不仅用于挥发液体，而且部分损失在向深部的散热（预热燃料）过程中。当表面建立了沸腾区之后，沸腾区向下面的传热是恒定的（因为温差恒定），所以热损失项达到稳定，并且几乎不受火焰的影响（沸腾区相当于绝热层）。这时的沸腾区，有时也称作热波（heat wave）。这时的燃烧率，称作深池火焰燃烧率（deep-pool burning rate），是热波稳定建立之后的结果。在热波建立的过程中，存在一个较低的燃烧率，两者之差，就是用于建立沸腾区的能量损失。在传热学当中，边界移动的传热问题被称作斯特凡(Stefan)问题。

图1. 油池火灾向深处散热的斯特凡问题。

由于不同的边界条件和换热过程，不同的燃料在非控制条件下产生不同的放热曲线。下图所示是三种燃料的放热曲线。PMMA（有机玻璃）是一种可以受热液化的固体，其燃烧过程没有液态的沸腾层（或热波）建立过程，其放热曲线（或质量燃烧曲线）是一个平台，除首尾阶段以外，几乎没有什么变化，所以PMMA的材料通常用于测试锥形量热器的效率，因其质量燃烧率比较恒定，可以用来校订其他参数。对于多孔材料，如木材，其燃烧过程不存在液化问题，所以其放热曲线（质量燃烧率曲线）首先是一个尖峰，然后一直衰减，因为多孔材料燃烧之后形成的残渣仍然停留在表面，充当阻燃材料，隔离了火焰与燃料，所以放热率持续减少。对于液体油池火焰，液体的蒸发率（质量燃烧率）不是一个稳定的平台，而是首先在低水平下维持一段时间，然后上升到一个平台，在燃料接近尾声时，热释率突然增加，带来一个脉冲放热，然后才是迅速烧尽的过程。那么，为什么会发生先减少，后增加的非正常脉动？

图2. 不同燃料在油池（平面）燃烧方式下的通用放热曲线。

当火焰在液面完全建立之初，液体向深度的换热损失是相当大的，这一超常的散热损失是为了建立一个沸腾层，在该层内的液体达到沸点，准备蒸发，而在该层的下方，新鲜的燃料仍然维持原来的状态，因为两者的温度差是恒定的，所以散热损失是常数。该沸腾层有两个速度，下部的速度是V1，代表热波的传递速度，上部的速度是V2，代表液面的消耗速度。当v1 > v2时，这是热波形成的过程，所以对燃烧率而言的散热损失大，燃烧率保持在低位进行。当v1 = v2时，标志着热波稳定状态，这时候产生的燃烧率叫做深池燃烧率（Deep-poolburning rate），不受边界条件的影响（因其主要的边界是沸腾层，这是不变的）。当v1 < v2时，通常预示着热波触底开始发生，这时没有新鲜的液体来吸收热量，而边界导热和辐射会提供更多的热量，所以会产生尖峰式放热，如同生物学上的“回光返照”现象，这是油池火灾行将结束的标志之一。

图3. 不同的换热条件导致不同的质量燃烧率。

上述理论是为了解释油池燃烧的扬沸现象。扬沸现象的产生是三种效应同时发生作用的结果。第一，热波效应。沸腾层（热波）到达底部，导致原本预热燃料的那部分热量无法消散，破坏了原来比较稳定的传热过程，相当于发生了传热过程的正向反馈；第二，壁面散热效应。油罐的壁面被长时间加热，使原来的热损失项改变为热增益项，扭转了热损失的传热方向，也相当于发生了传热过程的正向反馈；第三，水汽沸腾效应。罐体底部蓄积的水分（可以是消防水，更常见的是雨水和自然过程析出的乳化水）发生沸腾，产生大量的水蒸气，对燃烧过程产生扰动。世界上最著名的扬沸现象发生在1982年12月19日的委内瑞拉，英国的事故（米尔德福港油罐事故，1983年8月30日）和中国的事故（青岛黄岛油库燃爆事故，1989年8月12日），都是发生在夏天。

然而，和上述的油罐火灾相比，桑吉火灾又有其内在的特殊性，出口狭窄，通风不畅，这是所有海上火灾有利控制的一面；凝析油闪点低，害怕氧气渗透，容易爆炸，这是此次燃料特殊不利控制的一面。任何火灾就像人一样，需要呼吸，一方面排除燃烧产物，另一方面需要新鲜的氧气供应，海上船舶空间的密封性好，所以火灾的呼吸不畅。这个一呼一吸之间，就是控制的窗口。过于莽撞的进攻和过于保守的旁观，都是不可取的态度。那么，桑吉为何会爆燃？因为油面下降太多，以至于空气和燃气的混合物充斥着船上储油区的上部，这时候就是气体爆炸了。陆地油罐区的顶部很容易破坏，不存在较封闭的结构，所以不会发生爆燃（类似的叫做扬沸现象）。所以，空油箱不可怕，满油箱不可怕，就怕油箱半空半满，有氧气渗入最可怕。桑吉燃烧了8天，其燃料仓油面下降，有足够的氧气发生爆炸，于是爆燃发生了。

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