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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密閉空間內可燃液體蒸氣爆炸強度研究*

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度

0　引言

可燃液體蒸氣的燃爆機理主要為熱爆炸理論和鏈式反應理論。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

熱爆炸的實質為系統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增加，釋熱量進一步增大，這個過程不斷重復，使反應進程加快，直至發(fā)生爆炸。但并非任何反應系統最后都會演變?yōu)楸?，只有當反應系統超出一定臨界狀態(tài)爆炸才有可能出現[2]。反應系統的熱平衡如式(1)所示。

qG=qL

(1)

式中，qG為單位時間內反應系統放出的熱量，qL為單位時間反應系統損失給周圍環(huán)境的熱量。

當qG>qL時，混合氣體熱量得到積聚，促進反應不斷地加速，循環(huán)反復，當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為反應系統溫度，K；T0為周圍環(huán)境溫度，K；R為氣體普適常數，J/(mol·K)；E為活化能，J/mol。

1.2鏈式反應理論

根據謝苗諾夫的鏈式反應理論，爆炸性混合物吸收了一定的能量，就會生成活性基團成為鏈鎖反應的活化中心[3-4]，這些活性基團也稱自由基。自由基會與其他分子發(fā)生作用，反應生成新的自由基，新生成的自由基又會迅速參與到反應中。這個過程循環(huán)往復地進行，產生的自由基數量逐漸增多，加劇了化學反應速率，當其超過一定限度時，就會演變?yōu)閯×业娜紵?，甚至產生爆炸。鏈式反應由鏈引發(fā)、鏈傳遞、鏈終止3個階段構成，可用基元反應通式表示，如表1所示。

表1　鏈式反應

注：M是分子，R是自由基，P是產物，α是自由基增長倍數，k1，k2，k3，k4，k5是基元反應的反應速率常數。

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初始發(fā)病中心時及時普防。

實驗裝置系統如圖1所示，主要分為5個部分：爆炸容器，配氣系統，控制系統，測量系統和清潔系統。爆炸容器容積為20 L，材質為不銹鋼，最大內徑30 cm，內部空間高36 cm，工作壓力0～2 MPa(絕壓)。配氣系統通過燃爆/抑爆試驗專用高純蒸氣發(fā)生裝置產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?？刂葡到y的作用是實現各個設備、器件、閥門的順序聯動，從而使實驗安全可靠進行。測量系統用于采集油氣環(huán)境中的爆炸強度相關參數。清潔系統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果準確性的影響。

圖1實驗系統結構

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；點火方式采用化學點火頭點火，點火能量約為200 J；進樣方式為油氣自動進樣；測量系統設置精度為0.1%FS，數據采集時間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球內成負壓狀態(tài)；其次往容器中通入油氣，控制油氣的體積分數，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，使高壓空氣經氣粉兩相閥由分散噴嘴高速噴入爆炸容器中；經設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，壓力數值越大，形成的破壞就越嚴重，是衡量爆炸的重要參數之一[7]。實驗最初從一個大于LEL的油氣濃度，采用化學點火引爆油氣，測定出此濃度下油氣的最大爆炸壓力pmax。體積分數以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。在當前實驗條件下，由多種油氣濃度的實驗對比發(fā)現，體積分數為2%時未發(fā)生爆炸；在2%～3.5%范圍內，爆炸壓力隨著油氣體積分數的增加而升高，上升幅度較大；達到3.5%時，爆炸壓力達峰值，為0.828 MPa；隨著油氣濃度的進一步增加，爆炸壓力隨之下降，下降幅度較小。該趨勢與文獻[8-9]中的描述相似。

3.2點燃延時對爆炸強度的影響

給定油氣濃度C，在相同實驗設定條件下，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、最大爆炸壓力到達時間t1、最大壓力上升速率(dp/dt)max、最大爆炸指數Kmax隨點燃延時tld的變化趨勢，研究油氣環(huán)境爆炸強度的影響因素特征。實驗設定油氣體積分數3.5%，采用化學點火方式，實驗結果見表2。

表2　點燃延時對油氣爆炸強度的影響

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，混合氣體湍流強度較大，強湍流度影響使爆炸特性參數值偏大。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，變幅最大達6.7%，達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散時出現不規(guī)則脈動現象，反應物間的混合加劇，爆炸反應過程的傳熱傳質增強，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63.1%。點燃延時210 s時，爆炸容器內油氣-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湍流狀態(tài)，在這種情況下燃燒火焰面出現扭曲，擴大了已燃區(qū)和未燃區(qū)間的接觸面，致使反應中熱傳遞與游離基的運輸更方便快捷，加劇了反應物的質量消耗速率。

最大爆炸指數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[11]，故最大爆炸指數-點燃延時圖(圖3(c))與圖3(b)呈現出相同的趨勢。

圖3點燃延時對油氣爆炸強度的影響

4　結論

(1)使用化學點火的方式，運用20 L球形爆炸參數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數為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，爆炸容器內部油氣-空氣混合氣體呈現湍流狀態(tài)，最大爆炸壓力pmax變幅不大，最大變幅為6.7%，達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呈現出先上升后下降的趨勢，變幅最大達63.1%。點燃延時210 s時，爆炸容器內油氣-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)境爆炸的強度減弱。

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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。

2015-08-21)