張發(fā)　任常興　呂天浩　劉樹陽

(1.浙江省公安消防總隊　杭州 310014；　2.公安部天津消防研究所　天津 300381；3.舟山市公安消防支隊　浙江舟山 316200)

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密閉空間內(nèi)可燃液體蒸氣爆炸強(qiáng)度研究*

張發(fā)1任常興2呂天浩3劉樹陽3

(1.浙江省公安消防總隊杭州 310014；2.公安部天津消防研究所天津 300381；3.舟山市公安消防支隊浙江舟山 316200)

采用20 L球燃爆實驗裝置，研究分析了油氣濃度、點燃延遲時間的變化對油氣環(huán)境的爆炸影響因素及變化規(guī)律。研究表明，隨著油氣濃度的增加，油氣最大爆炸壓力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，點燃延時影響油氣-空氣混合物爆炸強(qiáng)度，超過一定時間后爆炸猛烈程度降低。

密閉空間可燃液體蒸氣油氣爆炸強(qiáng)度

0　引言

可燃液體蒸氣的燃爆機(jī)理主要為熱爆炸理論和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論。其燃爆過程通常不存在單一的熱爆炸或單一的鏈反應(yīng)爆炸，往往二者并存且相互作用[1]。

1.1熱爆炸理論

熱爆炸的實質(zhì)為系統(tǒng)的放熱速率大于散熱速率的情況下熱平衡被打破，熱量不斷得到積聚，溫度不斷上升，使得放熱速率呈指數(shù)增加，釋熱量進(jìn)一步增大，這個過程不斷重復(fù)，使反應(yīng)進(jìn)程加快，直至發(fā)生爆炸。但并非任何反應(yīng)系統(tǒng)最后都會演變?yōu)楸ǎ挥挟?dāng)反應(yīng)系統(tǒng)超出一定臨界狀態(tài)爆炸才有可能出現(xiàn)[2]。反應(yīng)系統(tǒng)的熱平衡如式(1)所示。

qG=qL

(1)

式中，qG為單位時間內(nèi)反應(yīng)系統(tǒng)放出的熱量，qL為單位時間反應(yīng)系統(tǒng)損失給周圍環(huán)境的熱量。

當(dāng)qG>qL時，混合氣體熱量得到積聚，促進(jìn)反應(yīng)不斷地加速，循環(huán)反復(fù)，當(dāng)混合氣體儲存的能量大于界限值時，符合爆炸條件即會引發(fā)氣體爆炸。即

(2)式中，T為反應(yīng)系統(tǒng)溫度，K；T0為周圍環(huán)境溫度，K；R為氣體普適常數(shù)，J/(mol·K)；E為活化能，J/mol。

1.2鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論

根據(jù)謝苗諾夫的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論，爆炸性混合物吸收了一定的能量，就會生成活性基團(tuán)成為鏈鎖反應(yīng)的活化中心[3-4]，這些活性基團(tuán)也稱自由基。自由基會與其他分子發(fā)生作用，反應(yīng)生成新的自由基，新生成的自由基又會迅速參與到反應(yīng)中。這個過程循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行，產(chǎn)生的自由基數(shù)量逐漸增多，加劇了化學(xué)反應(yīng)速率，當(dāng)其超過一定限度時，就會演變?yōu)閯×业娜紵?，甚至產(chǎn)生爆炸。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由鏈引發(fā)、鏈傳遞、鏈終止3個階段構(gòu)成，可用基元反應(yīng)通式表示，如表1所示。

表1　鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

注：M是分子，R是自由基，P是產(chǎn)物，α是自由基增長倍數(shù)，k1，k2，k3，k4，k5是基元反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)。

2　實驗測定

2.1實驗裝置

鉤藤猝倒病可用3億CFU/克哈茨木霉菌20～50倍，或10億個/克枯草芽孢桿菌800～1 000倍，或8%井岡霉素A水劑100～125倍，或10%苯醚甲環(huán)唑1 000～2 000倍，或43%戊唑醇懸浮劑WG 2 500～4 000倍，或1%申嗪霉素懸浮劑800～1 000倍噴霧防治，在苗床或育苗盤出現(xiàn)初始發(fā)病中心時及時普防。

實驗裝置系統(tǒng)如圖1所示，主要分為5個部分：爆炸容器，配氣系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，測量系統(tǒng)和清潔系統(tǒng)。爆炸容器容積為20 L，材質(zhì)為不銹鋼，最大內(nèi)徑30 cm，內(nèi)部空間高36 cm，工作壓力0～2 MPa(絕壓)。配氣系統(tǒng)通過燃爆/抑爆試驗專用高純蒸氣發(fā)生裝置產(chǎn)生恒溫條件下的油氣飽和蒸汽壓，采取分壓法配制油氣在爆炸容器中的濃度。控制系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)各個設(shè)備、器件、閥門的順序聯(lián)動，從而使實驗安全可靠進(jìn)行。測量系統(tǒng)用于采集油氣環(huán)境中的爆炸強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)。清潔系統(tǒng)用于清理實驗測試后爆炸容器、連接管路中的殘余氣體和抑爆劑，以排除殘留物對下次實驗測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

圖1實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2實驗樣品

實驗所用可燃液體蒸氣為實驗室油氣，類似93#汽油，主要成分為C4～C12環(huán)烷烴和脂肪烴。相關(guān)資料[5]表明：汽油為第3.1類低閃點易燃易揮發(fā)性液體，閃點為-50 ℃，沸點為40～200 ℃，爆炸極限為1.3%～6.0%(V/V)。汽油蒸氣與空氣接觸會形成爆炸性混合物，遇到明火或高熱，即滿足燃燒3要素后極易發(fā)生燃燒爆炸。

2.3實驗條件

實驗為密閉式定容爆炸測試，環(huán)境溫度22～26 ℃，相對濕度54%～58%RH，起爆前爆炸容器初始壓力為0.1 MPa；點火方式采用化學(xué)點火頭點火，點火能量約為200 J；進(jìn)樣方式為油氣自動進(jìn)樣；測量系統(tǒng)設(shè)置精度為0.1%FS，數(shù)據(jù)采集時間1 000 ms，采樣間隔時間為0.2 ms。

使用真空泵將爆炸容器中的空氣抽出，使20 L球內(nèi)成負(fù)壓狀態(tài)；其次往容器中通入油氣，控制油氣的體積分?jǐn)?shù)，觀測爆炸容器中的壓力變化；然后打開儲粉室連通爆炸容器的閥門，使高壓空氣經(jīng)氣粉兩相閥由分散噴嘴高速噴入爆炸容器中；經(jīng)設(shè)定的點燃延遲時間后啟動點火；完成實驗。油氣點火操作后的燃燒或爆炸可以通過測定出的過壓值Pex相對于初始壓力值Pi而判定，兩者之差≥0.05 MPa，即Pex≥Pi+0.05 MPa則判定為發(fā)生爆炸[6]。

3　實驗分析

3.1油氣濃度對爆炸強(qiáng)度的影響

爆炸壓力的大小決定了爆炸破壞的猛烈程度，壓力數(shù)值越大，形成的破壞就越嚴(yán)重，是衡量爆炸的重要參數(shù)之一[7]。實驗最初從一個大于LEL的油氣濃度，采用化學(xué)點火引爆油氣，測定出此濃度下油氣的最大爆炸壓力pmax。體積分?jǐn)?shù)以0.5%為步長變化，直至能明顯地確定出最大爆炸壓力pmax的最大值，從而確定最大爆炸壓力pmax時的油氣濃度C。

實驗采用燃爆/抑爆試驗專用高純蒸氣發(fā)生裝置恒定40 ℃飽和蒸汽壓下的油氣。在當(dāng)前實驗條件下，由多種油氣濃度的實驗對比發(fā)現(xiàn)，體積分?jǐn)?shù)為2%時未發(fā)生爆炸；在2%～3.5%范圍內(nèi)，爆炸壓力隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增加而升高，上升幅度較大；達(dá)到3.5%時，爆炸壓力達(dá)峰值，為0.828 MPa；隨著油氣濃度的進(jìn)一步增加，爆炸壓力隨之下降，下降幅度較小。該趨勢與文獻(xiàn)[8-9]中的描述相似。

3.2點燃延時對爆炸強(qiáng)度的影響

給定油氣濃度C，在相同實驗設(shè)定條件下，改變點燃延遲時間分析油氣爆炸壓力隨時間的演變規(guī)律，分析最大爆炸壓力pmax、最大爆炸壓力到達(dá)時間t1、最大壓力上升速率(dp/dt)max、最大爆炸指數(shù)Kmax隨點燃延時tld的變化趨勢，研究油氣環(huán)境爆炸強(qiáng)度的影響因素特征。實驗設(shè)定油氣體積分?jǐn)?shù)3.5%，采用化學(xué)點火方式，實驗結(jié)果見表2。

表2　點燃延時對油氣爆炸強(qiáng)度的影響

圖2點燃長延時變化下油氣爆炸壓力-時間曲線

由圖2可知，點燃延時對油氣爆炸壓力有一定影響。初始時，混合氣體湍流強(qiáng)度較大，強(qiáng)湍流度影響使爆炸特性參數(shù)值偏大。點燃延時210 s前爆炸壓力-時間曲線變化不大；點燃延遲時間為210 s時爆炸產(chǎn)生的峰值壓力下降明顯，爆炸弛豫時間延后。

由圖3(a)可見，隨著點燃延遲時間的增長，pmax一直在微量變化著，壓力變化在0.05 MPa以內(nèi)，變幅最大達(dá)6.7%，達(dá)到壓力峰值的時間延后了65.4 ms。推測其主要原因為湍流狀態(tài)下油氣-空氣混合氣體分子擴(kuò)散時出現(xiàn)不規(guī)則脈動現(xiàn)象，反應(yīng)物間的混合加劇，爆炸反應(yīng)過程的傳熱傳質(zhì)增強(qiáng)，釋放出較多的能量，致使燃燒速率大大增加，從而大大縮短了燃燒時間，熱損失減小，導(dǎo)致爆炸超壓較高[10]。

由圖3(b)可見，隨著點燃延遲時間的增長，(dp/dt)max先上升后下降，變幅最大達(dá)63.1%。點燃延時210 s時，爆炸容器內(nèi)油氣-空氣混合氣的湍流狀態(tài)減弱，油氣最大壓力上升速率(dp/dt)max顯著降低。通過對dp/dt的分析，說明油氣-空氣混合越不均勻，湍流度越大，油氣爆炸反應(yīng)速率越大，加劇其爆炸激烈程度。推測其主要原因是由于點燃延遲時間短，油氣-空氣混合氣體在爆炸容器中仍呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，在這種情況下燃燒火焰面出現(xiàn)扭曲，擴(kuò)大了已燃區(qū)和未燃區(qū)間的接觸面，致使反應(yīng)中熱傳遞與游離基的運輸更方便快捷，加劇了反應(yīng)物的質(zhì)量消耗速率。

最大爆炸指數(shù)是由爆炸容器的容積V和爆炸時的最大壓力上升速率(dp/dt)max按照公式Kmax=(dp/dt)max×V1/3而確定的常數(shù)[11]，故最大爆炸指數(shù)-點燃延時圖(圖3(c))與圖3(b)呈現(xiàn)出相同的趨勢。

圖3點燃延時對油氣爆炸強(qiáng)度的影響

4　結(jié)論

(1)使用化學(xué)點火的方式，運用20 L球形爆炸參數(shù)測試裝置分析了油氣濃度變化對爆炸壓力的影響。在40 ℃飽和蒸汽壓下，測定出油氣的最大爆炸壓力體積分?jǐn)?shù)為3.5%，最大爆炸壓力pmax為0.828 MPa(表壓)。

(2)點燃延時對密閉空間油氣爆炸強(qiáng)度有一定的影響，隨著儲粉室中高壓氣流噴射帶來的高速擾動，爆炸容器內(nèi)部油氣-空氣混合氣體呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，最大爆炸壓力pmax變幅不大，最大變幅為6.7%，達(dá)到壓力峰值的時間延后了65.4 ms。

(3)隨著點燃延遲時間的增長，最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，變幅最大達(dá)63.1%。點燃延時210 s時，爆炸容器內(nèi)油氣-空氣混合氣的湍流狀態(tài)減弱，油氣最大壓力上升速率(dp/dt)max顯著降低，表明油氣環(huán)境爆炸的強(qiáng)度減弱。

[1]王晶晶. 干粉抑制可燃液體蒸氣爆炸條件優(yōu)化與效果評定[D].太原:中北大學(xué),2014.

[2]曹瑋.磷酸銨鹽干粉抑制瓦斯爆炸的實驗研究[D].西安:西安科技大學(xué),2011.

[3]戴曉靜.磷酸二氫鹽抑爆劑的制備與抑制作用研究[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

[4]程方明.超細(xì)粉體抑制甲烷—空氣預(yù)混氣爆炸實驗研究[D].西安:西安科技大學(xué),2008.

[5]胡廣霞,段曉瑞.防火防爆技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,2012：52.

[6]EN 14034-1-2004, Determination of the maximum explosion pressure pmax of dust clouds[S].

[7]SILVESTROV V V. Effects of medium surrounding explosive charge housing on behavior of explosive chamber housing[J]. The Physics of Combustion and Explosion,1994,30(2):89-95.

[8]任常興,李晉,張欣，等.超細(xì)冷氣溶膠抑制油氣預(yù)混爆炸實驗研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012,8(10):28-31.

[9]陳思維,杜楊,王博.油罐中油氣爆炸規(guī)律研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2007,7(3):102-104.

[10]畢明樹,楊國剛.氣體和粉塵爆炸防治工程學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012：71.

[11]GB/T 803—200,空氣中可燃?xì)怏w爆炸指數(shù)測定方法[S].

Research on the Explosion Intension of Flammable Liquid Vapor in Confined Spaces

ZHANG Fa1REN Changxing2LYU Tianhao3LIU Shuyang3

(1.FireBureauofZhejiangProvinceHangzhou310014)

Using 20 L spherical explosive devices, with the change of ignition delay, the effect factors and change laws of explosion under certain concentration of oil and gas concentration have been studied. The test results indicate that with the increase of oil and gas concentration, the maximum explosion pressure of oil and gas tends from rising to decline. Ignition delay affects the explosion intension and it will be less violent over a certain time after explosion.

confined spacesflammable liquid vaporoil and gasexplosion intension

公安部消防局應(yīng)用創(chuàng)新課題(2013XFCX14)。

張發(fā)，男，1988年生，碩士，研究方向：消防材料學(xué)。

2015-08-21)