喻健良，閆興清，李 迪

（大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院，遼寧 大連116024）

爆炸泄放技術(shù)廣泛應(yīng)用在氣體及粉塵爆炸防護(hù)領(lǐng)域。相比敞口泄放，采用泄爆管能將可燃介質(zhì)、燃燒產(chǎn)物及沖擊波排放至安全區(qū)域，故被國(guó)內(nèi)外泄放設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所推薦。但是由于泄爆管的存在，爆炸泄放過(guò)程的壓力特性比敞口泄放復(fù)雜很多。研究表明，使用泄爆管時(shí)容器內(nèi)最大爆炸超壓要高于敞口泄放［1－3］。W.Bartknecht［2］基于一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了泄爆管泄放設(shè)計(jì)關(guān)系式。文獻(xiàn)［3］采用該關(guān)系式，在獲得敞口泄放最大爆炸超壓的基礎(chǔ)上，依據(jù)泄爆管長(zhǎng)度對(duì)超壓進(jìn)行修正。R.M.Kasmani［4］認(rèn)為泄爆管的存在增大了泄放物壓力損失，導(dǎo)致爆炸超壓變高，并指出W.Bartknecht的計(jì)算方法過(guò)于保守。

相比敞口泄爆，下列因素對(duì)泄爆管內(nèi)泄放過(guò)程中超壓有影響：二次爆炸現(xiàn)象、介質(zhì)摩擦損失、泄放介質(zhì)慣性和Helmholtz振動(dòng)。B.Ponizy［5－6］對(duì)氣體爆炸時(shí)采用泄爆管泄放的火焰及壓力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火焰在進(jìn)入泄爆管后會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似爆炸的燃燒，導(dǎo)致容器與泄爆管壓差為負(fù)，介質(zhì)由泄爆管向容器逆流，增強(qiáng)了容器內(nèi)擾動(dòng)，使殘余可燃介質(zhì)反應(yīng)，從而使容器內(nèi)最大爆炸超壓增大。G.Ferrara等［7］通過(guò)CFD方法對(duì)采用泄爆管的氣體爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了二次爆炸引起的機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)、介質(zhì)慣性及摩擦損失等因素，認(rèn)為二次爆炸是影響容器內(nèi)超壓的關(guān)鍵。A.D.Benedetto等［8］、R.Lautkaski［9］依據(jù)氣體爆炸時(shí)泄爆管泄放實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了泄放設(shè)計(jì)半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。目前，泄爆管泄放過(guò)程中上述各因素的作用機(jī)理還未完全清楚，針對(duì)粉塵爆炸泄放過(guò)程各因素研究開(kāi)展較少。

本文中擬進(jìn)行泄爆管內(nèi)粉塵爆炸泄放過(guò)程壓力特性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變泄爆管長(zhǎng)度、粉塵質(zhì)量濃度探討二次爆炸發(fā)生規(guī)律及對(duì)爆炸超壓的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，實(shí)驗(yàn)容器為內(nèi)徑68mm，高305mm的鋼制圓筒，頂端通過(guò)法蘭連接內(nèi)徑25mm的鋼制泄爆管，管長(zhǎng)LT可變，末端敞口。采用2層聚酯薄膜作為泄爆膜，置于容器及泄爆管間，其破膜壓力pv通過(guò)壓力曲線得到。采用高壓電極放電點(diǎn)火，電極距容器底部100mm。采用4個(gè)壓電式壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)壓力：傳感器Pc布置在容器內(nèi)，距泄爆膜66mm；傳感器P1、P2布置在泄爆管內(nèi)，分別距泄爆膜120和450mm；傳感器P3布置在泄爆管末端。底端通過(guò)法蘭蓋封閉，法蘭蓋加工成碗狀，中間焊接蘑菇狀噴嘴，如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental device

圖2 底端碗狀法蘭蓋及蘑菇狀噴嘴Fig.2 Bottom blank flange and nozzle

2 結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泄爆管長(zhǎng)度LT＜1 500mm時(shí)，容器及泄爆管內(nèi)壓力特性類(lèi)似。圖3所示為L(zhǎng)T＝900mm，質(zhì)量濃度ρ＝300g／m3，pv＝0.262MPa時(shí)，容器內(nèi)測(cè)點(diǎn)pc及泄爆管內(nèi)測(cè)點(diǎn)P1、P2和P3的典型壓力時(shí)程曲線。

圖3 容器及泄爆管內(nèi)壓力隨時(shí)間變化Fig.3 Pressure time profile in vessel and relief pipe

圖3中，t0＝6.92ms，容器壓力達(dá)到破膜壓力pv，膜破，容器壓力降低。壓力波傳至P1、P2和P3的時(shí)間分別為7.39、8.11和9.3ms。測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3測(cè)得的峰值壓力在9.3ms時(shí)為0.156MPa，在10.02ms時(shí)為0.127MPa，在10.97ms時(shí)為0.109MPa。說(shuō)明壓力波在泄爆管中的傳播逐漸衰弱。各測(cè)點(diǎn)壓力增到峰值后迅速降低至0。

然而，當(dāng)泄爆管長(zhǎng)度LT≥1 500mm，質(zhì)量濃度ρ≥500g／m3時(shí)，泄放過(guò)程的壓力特性與圖3不同。圖4所示為L(zhǎng)T＝1 500mm，ρ＝500g／m3，pv＝0.252MPa時(shí)各測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線。

圖4 容器及泄爆管內(nèi)壓力隨時(shí)間變化Fig.4 Pressure time profile in vessel and relief pipe

圖4中，t0＝8.35ms，容器壓力達(dá)到破膜壓力pv，膜破，容器壓力降低。t1＝8.82ms，壓力波傳至測(cè)點(diǎn)P1，P1處壓力陡增至峰值p1（k）。在t2＝9.54ms時(shí)，壓力波傳至測(cè)點(diǎn)P2，P2處壓力陡增至峰值p2（k）。p2（k）低于p1（k），說(shuō)明壓力波在衰減。測(cè)點(diǎn)P1和P2處的壓力在達(dá)到各自峰值后下降，但在t＝11.45ms時(shí)幾乎同時(shí)再次上升，出現(xiàn)二次峰值，其值高于一次峰值。同時(shí)，容器內(nèi)也出現(xiàn)二次峰值ps＝0.267 MPa，高于破膜壓力pv。在t3＝11.45ms時(shí)，壓力波傳至測(cè)點(diǎn)P3。P3處也出現(xiàn)二次峰值現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)流程如下：依據(jù)所需質(zhì)量濃度稱(chēng)量鋁粉，將其均勻鋪在碗狀法蘭蓋內(nèi)，組裝容器、泄爆膜及泄爆管。打開(kāi)控制系統(tǒng)控制電磁閥開(kāi)啟，使儲(chǔ)氣室內(nèi)0.4MPa空氣流經(jīng)噴嘴后揚(yáng)起鋁粉。延遲50ms后，點(diǎn)火電極放電，同時(shí)壓力傳感器采集數(shù)據(jù)。當(dāng)容器內(nèi)壓力達(dá)到破膜壓力時(shí)，泄爆膜破裂，壓力及火焰經(jīng)泄爆管泄放至大氣。

開(kāi)展2μm鋁粉在表觀質(zhì)量濃度ρ＝300、500、800、1000和1200g／m3，泄爆管長(zhǎng)度LT＝600、900、1 200、1 500和1 800mm下的爆炸泄放實(shí)驗(yàn)，分析容器及泄爆管內(nèi)壓力變化特性。每組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行多次。象。

分析認(rèn)為，容器及泄爆管內(nèi)二次壓力峰值的出現(xiàn)，與泄爆管泄放過(guò)程中的二次爆炸有關(guān)。圖5所示為泄爆管泄放過(guò)程中二次爆炸現(xiàn)象示意圖。

圖5 泄爆管泄放過(guò)程中的二次爆炸現(xiàn)象Fig.5 Secondary explosion in dust explosion vented through relief pipe

圖5（a）為泄爆膜破裂前火焰的傳播情況。因火焰較壓力波有所滯后，因此泄爆膜打開(kāi)時(shí)火焰未傳播至泄放口?；鹧孢M(jìn)入泄爆管時(shí)，通道幾何形狀的變化對(duì)火焰面起到強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用致使火焰前端形成一突前的尖端，火焰面因強(qiáng)烈擾動(dòng)而變形及褶皺，分為許多細(xì)小火焰流，熱量極易通過(guò)管壁釋放出去，使火焰在入口處被淬熄。

若火焰最終熄滅，如圖5（b），則容器及泄爆管內(nèi)各點(diǎn)壓力達(dá)到峰值壓力后持續(xù)降低至常壓，壓力特性如圖3所示。但是，若火焰最終未被熄滅，則在管內(nèi)傳播一定距離后引燃未燃粉塵，如圖5（c），反應(yīng)釋放的熱量及介質(zhì)膨脹導(dǎo)致泄爆管內(nèi)處于下降過(guò)程的壓力波再次上升，管內(nèi)形成如圖4所示的二次壓力峰值，即為二次爆炸。管內(nèi)二次爆炸產(chǎn)生的壓力波將向兩側(cè)傳播。向外側(cè)傳播的壓力波將使介質(zhì)更快泄放至大氣。但向內(nèi)傳播的壓力波與泄放方向相反，導(dǎo)致泄放被阻礙及擾動(dòng)，使容器內(nèi)殘余未燃粉塵反應(yīng)，在容器內(nèi)產(chǎn)生二次壓力峰值。

根據(jù)上文描述，能否發(fā)生二次爆炸主要受到以下因素影響：未燃粉塵在泄爆管內(nèi)的質(zhì)量濃度；火焰進(jìn)入泄爆管后能否引燃粉塵。前者主要與粉塵質(zhì)量濃度和泄爆管長(zhǎng)度有關(guān)，后者主要與泄爆管徑和進(jìn)入泄爆管的火焰速度有關(guān)。在泄爆管徑和進(jìn)入泄爆管的火焰速度確定時(shí)，對(duì)不同泄爆管長(zhǎng)度、不同粉塵質(zhì)量濃度的爆炸泄放進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)6次。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LT≥1 500mm，粉塵質(zhì)量濃度ρ≥500g／m3時(shí)，泄放過(guò)程出現(xiàn)二次爆炸的頻率在50%以上。因此，在本實(shí)驗(yàn)條件下，LT＝1 500mm、ρ＝500g／m3為二次爆炸發(fā)生的閾值。二次爆炸發(fā)生時(shí)，容器內(nèi)二次壓力峰值ps與破膜壓力pv（一次峰值）的關(guān)系較為復(fù)雜，目前規(guī)律性尚未得出。

分析認(rèn)為，影響粉塵爆炸泄放的因素較多，如放置粉塵的均勻程度、揚(yáng)塵的均勻程度、反應(yīng)的均勻性、泄爆膜破膜形狀等等，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中二次爆炸以概率方式出現(xiàn)。因此，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性，研究泄爆管內(nèi)二次爆炸機(jī)理及規(guī)律，明確二次峰值與一次峰值的關(guān)系，以充分評(píng)估泄爆過(guò)程中的壓力特性，是亟待解決的問(wèn)題。

3 結(jié) 論

泄爆管泄爆過(guò)程中存在二次爆炸現(xiàn)象。二次爆炸發(fā)生后，產(chǎn)生的壓力波將向泄爆管出口及容器內(nèi)傳播，使泄放過(guò)程出現(xiàn)阻礙及擾動(dòng)，導(dǎo)致容器內(nèi)殘余的未燃粉塵燃燒，出現(xiàn)二次壓力峰值。在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)泄爆管長(zhǎng)度LT＝1 500mm、粉塵質(zhì)量濃度ρ＝500g／m3時(shí)，二次爆炸出現(xiàn)的概率超過(guò)50%。對(duì)二次爆炸現(xiàn)象機(jī)理及規(guī)律性（如影響二次爆炸發(fā)生的其他因素，是否存在發(fā)生二次爆炸的泄爆管長(zhǎng)度閾值或粉塵質(zhì)量濃度閾值等）必須進(jìn)一步關(guān)注。

［1］Siwek R.Explosion venting technology［J］.Journal of Loss Prevention in Process Industries，1996，9（1）：81－90.

［2］Bartknecht W.Explosion protection－Fundamentals and applications［M］.Berlin：Springer－Verlag，1993：89－105.

［3］Swift I.NFPA 68guide for venting of deflagrations：What’s new and how it affects you［J］.Journal of Loss Pre－vention in the Process Industries，1989，2（1）：5－15.

［4］Kasmani R M，Andrews G E，Phylaktou H N，et al.Vented gas explosion in a cylindrical vessel with a vent duct［C］∥Proceedings of the third European Combustion Meeting.Conference Center Bureau of MAICH.Greece，2007：1－6.

［5］Ponizy B，Leyer J C.Flame dynamics in a vented vessel connected to a duct：1.mechanism of vessel－duct interaction［J］.Combustion and Flame，1999，116（1）：259－271.

［6］Ponizy B，Leyer J C.Flame dynamics in a vented vessel connected to a duct：2.mechanism of vessel－duct interaction［J］.Combustion and Flame，1999，116（2）：272－283.

［7］Ferrara G，Benedetto A D，Salzano E，et al.CFD analysis of gas explosions vented through relief pipes［J］.Journal of Hazardous Materials，2006，137（2）：654－665.

［8］Benedetto A D，Russo P，Salzano E.The design of duct venting of gas explosions［J］.Process Safety Process，2008，27（2）：164－172.

［9］Lautkaski R.Duct venting of gas explosions：Revision of two proposed engineering correlations［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012，25（2）：400－413.