车辆用气体发生器运输危险性分级实验研究

江资成，贺佐瑞，孔庆军，肖家勇，张光辉



车辆用气体发生器运输危险性分级实验研究

江资成，贺佐瑞，孔庆军，肖家勇，张光辉

（国家级烟花爆竹检测重点实验室（湖南）, 湖南 浏阳，410300）

基于联合国危险货物运输规章对车辆用气体发生器的相关要求，通过实施联合国外部火烧试验，研究了各种车辆用气体发生器的危险性能表现及产生原因。研究表明：气体发生器的运输危险性主要是表现为迸射危险，而爆炸效应和热效应的影响很小，通过改善包装或改进产品的结构可以有效地降低气体发生器的运输危险等级。

气体发生器；车辆；运输危险性分级；外部火烧试验；迸射危险

车辆用气体发生装置（以下称气体发生器）是车辆中安全气囊或安全带拉紧装置的主要部件。近年来，随着我国汽车产业的发展，气体发生器的国际间运输也越来越频繁，其运输安全性能受到各国的关注。按《联合国危险货物运输建议书规章范本》[1]（简称“大桔皮书”）的要求，其可能的运输分级为爆炸品（1.4项）或杂项危险品（9类）。气体发生器含有烟火药剂，一般按爆炸品运输，UN编号0503，运输危险分级为1.4G。如产品通过了《联合国危险货物运输建议书试验和标准手册》[2]（简称“小桔皮书”）试验系列6(c)试验，可按“9类杂项危险物品”运输提交运输，UN编号3268。联合国6(c)试验也称外部火烧试验，为破坏性试验，试验样品量大，试验成本较高（单次试验成本约10万元人民币），国内外较少实施该项实验，相关的实验报道较为少见。近年来，笔者对该类产品进行了大量的联合国6(c)试验，积累了丰富的实验数据，可以有效地评估其运输危险性。

1 实验部分

1.1 实验仪器与测试程序

主要的实验仪器：摄像机、激光测距仪、精密脉冲声级计、红外热成像仪、风速计等仪器设备。

试验程序：将不少于150L的样品包件置于金属架上，在距包件4m处放置厚度为2mm的铝质验证屏。在产品外部烧火，火焰由木材、燃油或燃气提供，火焰温度不低于800℃，能完全包围包件且各方向超过包件至少1m。观察并记录产品反应时产生的爆炸、燃烧迸射物、热辐射通量及金属迸射物的质量距离等动能指标，从而确定产品的运输危险级别。

1.2 危险效应评估和判定准则

危险效应评估：（1）爆炸效应：观测产品的容器外壳是否被爆炸破坏，以评估试验过程中产品的爆炸效应。（2）危险迸射物：“小桔皮书”提供了两种方法确定是否产生危险性迸射物：一是迸射物是否对铝质验证屏造成损坏；二是通过记录试验过程中产生的任何金属性迸射物的质量和迸射距离，来评估其迸射物的动能是否超过8J。（3）热效应：“小桔皮书”提供通过记录实验的烟火药总药量和产品反应的总时长，评估试验中样品反应，距离包件5m或15m处的平均热辐射通量的方法，从而评估样品的危险热效应。判定准则：如产品没有爆炸、产品外壳或压力容器没有碎裂，也没有产生可能明显妨碍在紧邻处救火或其他应急行动的危险迸射或热效应，则产品和运输等级划为9类，否则为1.4G。

2 结果与分析

2.1 试验结果

按联合国“小桔皮书”要求，对常见的36种型号的气体发生器进行了外部火烧试验。实验中，大部分产品在受火焰炽烤2～4min后开始逐个反应，发出较大的“呯呯”声，并快速释放出气体，部分产品或产品部件被抛射到距包件外约0.5～20m，全部产品反应完成用时约90～520s。参与试验的36个型号的产品中，未通过外部火烧试验（结果被定级为1.4G）的产品型号有8个，占20.5%。试验结果见表1~2 所示。

2.2 气体发生器在外部火烧试验中的危险表现分析

2.2.1 迸射效应

根据试验可知，未通过外部火烧试验（定级为1.4G）的产品中，主要的危险表现为产生危险迸射物。通过研究试验现场视频，发现在火焰包围样品后，先是产品的外包装纸箱、内包装塑料袋、衬垫等可燃物开始燃烧，由于气体发生器外壳为钢材等材料，烟火药剂安装在产品中心部位，火焰将气体发生器烘烤至药剂的着火点需要较长时间（约1min），气体发生器开始反应时，包装等可燃材料已燃烧殆尽，试验台上只剩下气体发生器杂乱地堆放在一起。此时，气体发生器开始反应，内容器瞬时压力达10MPa[3]，瞬时放出大量气体，这股气流对产品本身或其邻近的产品造成强大的冲击力，使其向四周迸射。反应气流作用与产品的外观和结构有关，对于安全气囊总成这一类产品，由于气体发生器已和其他部件装配在一起，单个产品反应时，其喷射气流作用的方向集中，使其自身发生迸射，由于其总质量较大，动能也较高。对于单个的气体发生器，动能最大的迸射物的质量与未反应产品相同，这说明迸射物是受其邻近的气体发生器反应时喷射的气流作用而产生的，气流作用力越集中，产生迸射物动能越大。

表1 气体发生器外部火烧试验的典型结果

Tab.1 Typical results of external fire test of gas generators

注：该组测试样品与序号6组相同，经过特殊包装。

表2 36种类型的气体发生器的外部火烧试验结果汇总

不同大小棒状和饼状的气体发生器在试验中的最大迸射物的动能对比见图1。由图1可知，相同质量下，饼状产品的迸射物动能明显高于棒状产品。这是由于饼状产品外形为圆柱体，反应时气流向四周冲出，邻近产品因类似球体，接受气流冲击的表面积大，迸射后动能也较大。而棒状产品外形狭长，反应时气流一般在一端冲出，小部分产品表面接受了气流冲击，作用在产品上的能量占比较少。对于棒状产品，质量越大承受冲击的表面越少，迸射物动能反而下降。

图1 两种形状的气体发生器质量——迸射物最大动能

2.2.2 爆炸效应

气体发生器中的烟火药一般由唑类、胍类和偶氮类等可燃剂与硝酸盐、高氯酸盐等氧化剂组成，其作用为瞬时产生大量气体[4]，相对一般的爆炸物质，其燃烧速度较慢。所有参与试验的36种型号的气体发生器总数为7 178发，只有1发产品发生1次容器外壳破裂的情况，发生率为0.014%。分析其原因主要是极个别产品工艺质量不合格，在火烧试验中，产品经过一段时间的炽烤，钢材的强度会有所下降。因此，气体发生器在外部火烧实验中发生爆炸导致产品外壳破裂的概率极小，爆炸效应带来的危险影响较小。

2.2.3 热效应

评估产品热效应的指标是实验过程中样品对外界产生的热通量。按“小桔皮书”规定，以燃烧一定质量爆炸性物质所用的时间来统计热通量，“1.4G/9类”的热通量时间判定标准为330s/100kg（100kg典型爆炸物燃烧用时330s，对应于5m处的平均热通量为4kW/m2）。与一般的爆炸性物质相比，气体发生器的产气药的燃烧热值较小，大大低于“小桔皮书”的假设值（12 500J/g），330s的燃烧时间应加以校正。校正时产气药的燃烧热值以2 000J/g计算，上述实验中“1.4G/9类”的燃烧时间判定限应为10.4～28.6s不等，而试验结果为94～514s，大大低于判定限（燃烧用时越长，对外界产生的热辐射通量越小），表明气体发生器的热效应危险极小。

2.3 降低危险级别的方法

降低气体发生器的运输危险等级的关键在于消除产品反应气流的冲击作用形成的迸射物。有效的方法是将气体发生器盛装在一层金属材料的网袋状内包装中，外部火烧试验时，当单个产品受邻近产品反应气流冲击并迸射时，受金属网袋约束，不能向四周抛射，从而消除危险迸射物。另外，对于单个气体发生器，特别是圆饼状的产品，一种有效的措施是将包装内的产品串联在一起，经受外部火烧试验时，受反应气流冲击的产品动能被连在一起的产品缓冲，反而不能产生危险迸射物，见图2~3，测试数据见表1中序号6、9。试验结果证明了此方法的有效性。

图2 正常包装的饼形气体发生器火烧试验情况

图3 特殊包装的饼形气体发生器火烧试验情况

3 结论

（1）气体发生器的运输危险性级别取决于产品在联合国试验系列6（c）即外部火烧试验中的危险行为表现。（2）气体发生器的运输危险性主要表现为迸射危险，爆炸危险极小，热效应可以忽略。（3）采用适当处理方法可以降低气体发生器的运输危险等级，如增加约束性的内包装材料等。

[1] Recommendations on the transport of dangerous goods model regulations volume I, 20th revised edition [S]. US: New York and Geneva, 2017.

[2] Recommendations on the transport of dangerous goods manual of test and criteria, 6th revised edition [S]. US:New York and Geneva, 2015.

[3] 屈丰,胡敏.汽车安全气囊气体发生器的性能测试分析[J].现代电子技术, 37(21): 159-162.

[4] 陈守文,成一.汽车安全气囊用非叠氮化物气体发生剂—PAK-2气体发生剂的设计与研究[J].化学推进剂与高分子材料, 2002(3): 36-38.

Study on Classification Test of Vehicle Gas Generator Transport Hazard

JIANG Zi-cheng, HE Zuo-rui, KONG Qing-jun, XIAO Jia-yong, ZHANG Guang-hui

(National Key Laboratory of Firework and Firecrackers Inspection(Hunan), Liuyang, 410300)

Based on the requirements of the UN regulations for the transport of dangerous goods to the vehicle gas generators, and through carring out the UN external fire test, the dangerous performance and cause of various vehicle gas generators were studied. Research shows that the transport hazard of gas generator is mainly manifested as projections danger, the effect of explosion effect and thermal effect is very small, and the transport hazard classification of gas generator can be reduced effectively by improving the package or improving the structure of product.

Gas generator；Vehicle；Transport classification；External fire test；Projections hazard

1003-1480（2018）03-0054-03

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.014

2017-12-05

江资成（1971- ），男，高级工程师，从事烟花爆竹等危险化学品检验。

国家质检总局课题（2017Ik044）。