喻健良，閆興清，李 迪

（大連理工大學(xué)化工機械學(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，故被國內(nèi)外泄放設(shè)計標(biāo)準所推薦。但是由于泄爆管的存在，爆炸泄放過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］基于一系列實驗結(jié)果提出了泄爆管泄放設(shè)計關(guān)系式。文獻［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)泄爆管長度對超壓進行修正。R.M.Kasmani［4］認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的計算方法過于保守。

相比敞口泄爆，下列因素對泄爆管內(nèi)泄放過程中超壓有影響：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。B.Ponizy［5－6］對氣體爆炸時采用泄爆管泄放的火焰及壓力特性進行了實驗，發(fā)現(xiàn)火焰在進入泄爆管后會出現(xiàn)類似爆炸的燃燒，導(dǎo)致容器與泄爆管壓差為負，介質(zhì)由泄爆管向容器逆流，增強了容器內(nèi)擾動，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CFD方法對采用泄爆管的氣體爆炸進行了數(shù)值模擬，探討了二次爆炸引起的機械效應(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)氣體爆炸時泄爆管泄放實驗結(jié)果，建立了泄放設(shè)計半經(jīng)驗關(guān)系式。目前，泄爆管泄放過程中上述各因素的作用機理還未完全清楚，針對粉塵爆炸泄放過程各因素研究開展較少。

本文中擬進行泄爆管內(nèi)粉塵爆炸泄放過程壓力特性實驗，通過改變泄爆管長度、粉塵質(zhì)量濃度探討二次爆炸發(fā)生規(guī)律及對爆炸超壓的影響。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1，實驗容器為內(nèi)徑68mm，高305mm的鋼制圓筒，頂端通過法蘭連接內(nèi)徑25mm的鋼制泄爆管，管長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通過壓力曲線得到。采用高壓電極放電點火，電極距容器底部100mm。采用4個壓電式壓力傳感器測量系統(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 實驗裝置示意圖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

實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泄爆管長度LT＜1 500mm時，容器及泄爆管內(nèi)壓力特性類似。圖3所示為LT＝900mm，質(zhì)量濃度ρ＝300g／m3，pv＝0.262MPa時，容器內(nèi)測點pc及泄爆管內(nèi)測點P1、P2和P3的典型壓力時程曲線。

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

圖3中，t0＝6.92ms，容器壓力達到破膜壓力pv，膜破，容器壓力降低。壓力波傳至P1、P2和P3的時間分別為7.39、8.11和9.3ms。測點P1、P2、P3測得的峰值壓力在9.3ms時為0.156MPa，在10.02ms時為0.127MPa，在10.97ms時為0.109MPa。說明壓力波在泄爆管中的傳播逐漸衰弱。各測點壓力增到峰值后迅速降低至0。

然而，當(dāng)泄爆管長度LT≥1 500mm，質(zhì)量濃度ρ≥500g／m3時，泄放過程的壓力特性與圖3不同。圖4所示為LT＝1 500mm，ρ＝500g／m3，pv＝0.252MPa時各測點的壓力時程曲線。

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

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

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

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

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

圖5 泄爆管泄放過程中的二次爆炸現(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，因此泄爆膜打開時火焰未傳播至泄放口?；鹧孢M入泄爆管時，通道幾何形狀的變化對火焰面起到強烈的擾動作用致使火焰前端形成一突前的尖端，火焰面因強烈擾動而變形及褶皺，分為許多細小火焰流，熱量極易通過管壁釋放出去，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)各點壓力達到峰值壓力后持續(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，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)量濃度和泄爆管長度有關(guān)，后者主要與泄爆管徑和進入泄爆管的火焰速度有關(guān)。在泄爆管徑和進入泄爆管的火焰速度確定時，對不同泄爆管長度、不同粉塵質(zhì)量濃度的爆炸泄放進行了大量實驗，每組實驗均重復(fù)6次。

實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LT≥1 500mm，粉塵質(zhì)量濃度ρ≥500g／m3時，泄放過程出現(xiàn)二次爆炸的頻率在50%以上。因此，在本實驗條件下，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，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)致實驗中二次爆炸以概率方式出現(xiàn)。因此，進一步提高實驗穩(wěn)定性，研究泄爆管內(nèi)二次爆炸機理及規(guī)律，明確二次峰值與一次峰值的關(guān)系，以充分評估泄爆過程中的壓力特性，是亟待解決的問題。

3 結(jié) 論

泄爆管泄爆過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，使泄放過程出現(xiàn)阻礙及擾動，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。在本實驗條件下，當(dāng)泄爆管長度LT＝1 500mm、粉塵質(zhì)量濃度ρ＝500g／m3時，二次爆炸出現(xiàn)的概率超過50%。對二次爆炸現(xiàn)象機理及規(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度閾值或粉塵質(zhì)量濃度閾值等）必須進一步關(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.

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［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.

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［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.