周 寧, 劉 超, 劉珈銓, 劉晅亞, 趙會(huì)軍, 袁雄軍, 黃維秋

(1. 常州大學(xué) 江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 常州 213016, 2. 公安部天津消防研究所, 天津 300381)

氣體和粉塵燃爆機(jī)理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

周 寧1, 劉 超1, 劉珈銓1, 劉晅亞2, 趙會(huì)軍1, 袁雄軍1, 黃維秋1

(1. 常州大學(xué) 江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 常州 213016, 2. 公安部天津消防研究所, 天津 300381)

設(shè)計(jì)了一種多結(jié)構(gòu)、多段式氣體、粉塵燃爆機(jī)理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)直管、彎管和分叉管自由組合,可以模擬各種工業(yè)實(shí)際工況下氣云、粉塵燃爆實(shí)驗(yàn),探究燃爆事故機(jī)理,提出事故防治技術(shù)措施。詳細(xì)闡述了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能需求、平臺(tái)構(gòu)成、爆炸管段設(shè)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn),可以了解易燃易爆氣體、粉塵燃燒爆炸的基本現(xiàn)象、爆炸效應(yīng)及爆炸機(jī)理,掌握燃燒、爆炸測試中高頻數(shù)據(jù)采集、處理的方法,加深了學(xué)生對可燃?xì)怏w、粉塵燃燒爆炸規(guī)律與防治的認(rèn)識(shí),提高了學(xué)生的安全意識(shí)。

測試系統(tǒng)； 教學(xué)實(shí)驗(yàn)； 爆炸測試； 爆炸管道

氣體、粉塵爆炸是當(dāng)前爆炸事故的主要形式,如瓦斯爆炸事故、天然氣管道爆炸事故、工業(yè)粉塵爆炸事故等,事故往往造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定[1]。氣體、粉塵燃爆機(jī)理研究及防治技術(shù)研究方面還存在大量未解決的科技問題,需要開發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝備開展相關(guān)研究工作。因此,本文設(shè)計(jì)了多段式、可自由組合的氣體、粉塵燃爆機(jī)理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)整體采用不銹鋼無縫鋼管加工而成,具有良好的安全性、氣密性，實(shí)驗(yàn)管段可自由組合模擬實(shí)際工況，測試手段多樣,可對燃爆過程中爆炸速度、爆炸壓力、溫度、火焰結(jié)構(gòu)、爆炸沖擊波對管道管壁的加載效應(yīng)進(jìn)行測試。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)需求分析

可燃?xì)怏w、粉塵都是易燃易爆的物質(zhì),與空氣混合后達(dá)到一定的濃度后就可能發(fā)生燃燒、爆炸事故。實(shí)際氣體、粉塵燃爆事故具有如下特點(diǎn)[2-4]:

(1) 氣體、粉塵爆炸會(huì)產(chǎn)生高溫高壓、通常瞬時(shí)溫度大于1 000 ℃、峰值壓力在數(shù)兆帕。因此要求設(shè)計(jì)的氣體、粉塵爆炸反應(yīng)裝置具有耐瞬時(shí)高溫和耐高壓的特性,并且具有較大的安全余量[5-7]。

(2) 實(shí)際氣體、粉塵爆炸事故場景復(fù)雜,爆炸發(fā)生在各種結(jié)構(gòu)內(nèi)或廠房等內(nèi)、爆炸現(xiàn)場內(nèi)存在各種不同形狀、尺寸的構(gòu)建筑物。因此需要燃爆測試平臺(tái)能夠模擬多種爆炸工況,考慮結(jié)構(gòu)、障礙物、約束情況等對燃爆過程的影響。

(3) 氣體、粉塵爆炸事故過程非?？?通常在幾秒鐘之內(nèi)就完成,要研究燃爆過程的規(guī)律,必須以極高的頻率、在極短的時(shí)間內(nèi)將燃爆過程的爆炸壓力、溫度、火焰及沖擊波傳播速度、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特征等相關(guān)參數(shù)采集記錄下來[8-9]。因此所用傳感器和數(shù)據(jù)采集儀的頻響要快、抗干擾能力要強(qiáng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析,氣體、粉塵燃爆測試平臺(tái)總體構(gòu)成見圖1,主要由控制系統(tǒng)、爆炸管段、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。

圖1 氣體、粉塵燃爆實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

1.2.1 爆炸管道設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析,實(shí)驗(yàn)管道采用分段設(shè)計(jì),可自由組合直管、彎管和分叉管,同時(shí)可在管道內(nèi)設(shè)置不同形狀和阻塞率的障礙物,管道內(nèi)爆炸產(chǎn)生的壓力一般小于3 MPa,為安全計(jì)管道設(shè)計(jì)壓力選取6 MPa；在管道上安裝有防彈玻璃視窗,可通過高速攝影拍攝火焰?zhèn)鞑デ闆r,學(xué)生可以安全地觀察氣體、粉塵的燃爆現(xiàn)象；分段管道之間通過法蘭連接。實(shí)驗(yàn)管道壁厚δ按薄壁管道設(shè)計(jì)[10],有

(1)

式中,pc為管道設(shè)計(jì)壓力,Di為管道外徑,φ為焊縫系數(shù),[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

取pc= MPa,φ=1,設(shè)計(jì)溫度為100 ℃,[σ]t=137 MPa,Di=139 mm,則δ=3.2 mm。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,還要考慮介質(zhì)的腐蝕以及軋制鋼板過程中出現(xiàn)負(fù)偏差而引入壁厚附加量C、C1、C2(由表1取C1=1.5,C2=2)和設(shè)計(jì)厚度δd和名義厚度δn。

表1 鋼板厚度負(fù)偏差表[11]

計(jì)算得δn=6.7 mm,向上圓整為7 mm。筒壁的應(yīng)力校核[12]:

(2)

式中：pc為安全管道設(shè)計(jì)壓力；Di為管道外徑；δe為有效厚度；δe=δn-C;σt為許用應(yīng)力。

1.2.2 測試系統(tǒng)配置

根據(jù)需求分析,所選用傳感器和數(shù)據(jù)采集儀的頻響要快,且有較強(qiáng)的抗干擾能力,結(jié)合平臺(tái)搭建的實(shí)際情況,測試系統(tǒng)配置如下:

(1) 壓力傳感器。氣體、粉塵燃爆過程中管道內(nèi)壓力波以極快速度傳播,需要快速響應(yīng)的高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器測試管道內(nèi)各個(gè)位置處的爆炸壓力,因此選用CYY8高頻響動(dòng)態(tài)壓電陶瓷壓力傳感器,該傳感器動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)最高可達(dá)到2 000 kHz。

(2) 火焰?zhèn)鞑ニ俣裙怆姕y試。管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣炔捎没鹧鎮(zhèn)鞲衅鳒y試,光電傳感器核心部件為光電三極管,響應(yīng)光譜的范圍為340～980 nm,響應(yīng)時(shí)間小于100 μs,具有較好的靈敏度和放大電信號(hào)的特性,可準(zhǔn)確采集到火焰陣面到達(dá)的時(shí)間。

(3) 溫度傳感器。氣體、粉塵燃爆產(chǎn)生瞬時(shí)高溫可達(dá)到1 000 ℃,因此采用鎢-錸熱電偶絲作為溫度傳感器,其測量溫度可達(dá)2 300 ℃,使用時(shí)將正負(fù)極搭接即可,每絲只使用一次。

(4) 應(yīng)變測試傳感器。爆炸對于管壁沖擊效應(yīng),其特點(diǎn)就是產(chǎn)生高頻應(yīng)力沖擊,因此需采用高頻響動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集管道應(yīng)變信號(hào),本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用SDY2107A型超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀,橋路自動(dòng)平衡,平衡時(shí)間為2 s,平衡范圍大于±5 000,頻響范圍為0～2 500 kHz,能滿足測量快速瞬態(tài)應(yīng)變過程；實(shí)驗(yàn)測試的是瞬間動(dòng)態(tài)響應(yīng),需要靈敏度較高的應(yīng)變傳感器,所以選擇靈敏度約為普通電阻式應(yīng)變計(jì)55倍的半導(dǎo)體應(yīng)變片來監(jiān)測管壁的環(huán)向應(yīng)變。

(5) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于爆炸測試對于采樣率及存儲(chǔ)深度有很高的要求,因此選用TST3406C動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡,通道最高采樣率為40 Msps,存儲(chǔ)深度是4兆樣點(diǎn)/CH,量程為±100 mV～±20 V且多檔可調(diào),考慮采用數(shù)據(jù)量多,通道需求多,設(shè)計(jì)采用通道為20個(gè),并且具有可擴(kuò)展性,能同時(shí)將測試結(jié)果顯示在屏幕上,具有將曲線壓縮、拉伸、放大、縮小的功能,實(shí)現(xiàn)在線查看。

(6) 高速攝影。為拍攝管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ゼ敖Y(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置了HiSPpec高速攝像機(jī),攝像速度最快112 000幀/s,最大像素為 1 280像素×1 024像素。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡介

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由配氣系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)管道、測試系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)所組成。

2.1 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)由99.9%(甲烷體積分?jǐn)?shù))的可燃?xì)馄俊⒖諌簷C(jī)、混合儲(chǔ)氣罐、量程為1 MPa的2X-15型雙級旋片式真空泵組成。選定可燃預(yù)混氣混合濃度,按體積分壓比計(jì)算可燃?xì)馀c空氣的量?？赏ㄟ^下面的計(jì)算公式獲得:

(3)

式中Xg為混合氣中可燃?xì)馑嫉膲毫Ρ龋籝為混合氣中空氣所占的壓力比；N為可燃預(yù)混氣體的化學(xué)計(jì)量濃度。

2.2 實(shí)驗(yàn)管道

管道采用分段設(shè)計(jì),管道兩端由可拆卸盲板所密封,方便開展封閉管道實(shí)驗(yàn)和半開口管道實(shí)驗(yàn)。在管道上開有進(jìn)氣孔、排氣孔、火焰?zhèn)鞲衅骺?、壓力傳感器孔和真空表孔?還設(shè)置有預(yù)留孔備用。管段之間通過法蘭連接,為了有較好的氣密性,法蘭之間、傳感器與管道之間、盲板與管道之間,用不同型號(hào)的聚四氟墊片密封,管道開孔處的連接用生料帶密封。實(shí)驗(yàn)管道實(shí)物圖見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)管道實(shí)物圖

2.3 測試系統(tǒng)

整個(gè)測試系統(tǒng)由壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅?、超?dòng)態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及高速攝相機(jī)組成,各個(gè)傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)工作,測出氣體、粉塵發(fā)生燃爆時(shí)管道內(nèi)各個(gè)測點(diǎn)所測得的壓力、光電、溫度以及應(yīng)變的參數(shù),從而研究燃爆的機(jī)理。測試系統(tǒng)的實(shí)物圖見圖3。

2.4 點(diǎn)火系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火方式選擇高壓點(diǎn)火,由點(diǎn)火電極、點(diǎn)火控制器、繼電器、壓力變送器和互感器組成。高壓點(diǎn)火是通過交流電對電容充電,然后放電瞬間產(chǎn)生較高的能量從而點(diǎn)燃預(yù)混氣體,實(shí)驗(yàn)重復(fù)性和安全性比較好。為考察點(diǎn)火能量對氣體爆炸的影響,點(diǎn)火系統(tǒng)中的電容為可調(diào)電容。圖4是自制高壓點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)儀,能量可選范圍1～19 J。另有EPT-6點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)儀,能量可選范圍為0.05～1 J。

圖4 自制高壓點(diǎn)火能量實(shí)驗(yàn)儀

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

氣體、粉塵燃爆測試裝置實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜,需要4位學(xué)生協(xié)同操作:一位負(fù)責(zé)控制真空泵和空壓機(jī),一位觀察真空表和壓力表的示數(shù),一位負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)管道的抽真空以及實(shí)驗(yàn)后管道內(nèi)廢氣的排出,一位負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制,以及觀察各個(gè)傳感器是否正常連接和點(diǎn)火能量的選擇,同時(shí)負(fù)責(zé)線上分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

可燃?xì)怏w以甲烷為例,利用圖1所示的測試裝置,進(jìn)行測試,基本的教學(xué)過程如下:

(1) 實(shí)驗(yàn)前對學(xué)生開展安全教育、講解實(shí)驗(yàn)過程、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等的工作原理,操作過程,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析與數(shù)據(jù)分析的基本理論、過程等；

(2) 指導(dǎo)學(xué)生分組開展實(shí)驗(yàn),對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程的操作、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置操作進(jìn)行指導(dǎo)；

(3) 初步檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果及采集的數(shù)據(jù)是否正確。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.2.1 火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)

圖5為甲烷-空氣混合物在管道內(nèi)點(diǎn)火爆炸采集到的火焰信號(hào)(1—10為傳感器編號(hào)),光電電壓V數(shù)值大小表征火光的強(qiáng)度?？梢钥闯黾淄?空氣預(yù)混氣體爆炸的光電電壓最大在0.4 V左右。爆燃產(chǎn)生前驅(qū)壓力波,對火焰?zhèn)鞑ビ屑铀僮饔?同時(shí)也促進(jìn)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生,所以火光強(qiáng)度剛開始呈上升趨勢,隨后燃料燃燒殆盡和管壁的散熱效應(yīng)促使管內(nèi)溫度迅速降低,造成光電信號(hào)變小,直至火焰熄滅。

圖5 甲烷-空氣混合物爆炸光電信號(hào)

3.2.2 壓力傳感器數(shù)據(jù)

圖6為管道內(nèi)甲烷-空氣混合氣體爆炸壓力信號(hào)p(圖中S1—S6為壓力通道)。設(shè)定壓力突然增大點(diǎn)為起跳點(diǎn),在0.04 s處壓力也有所增大,但此點(diǎn)不作為起跳點(diǎn),因?yàn)榇颂帀毫ι仙请娀鸹ㄋ查g放電引起的。圖7中，各測點(diǎn)壓電信號(hào)起跳時(shí)間是依次進(jìn)行的,符合壓力波的傳播規(guī)律,同時(shí)可看出甲烷-空氣預(yù)混氣在管道中的最大爆炸峰值壓力為1 MPa。

圖6 甲烷-空氣混合物爆炸壓力信號(hào)

3.2.3 應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)

圖7為甲烷-空氣混合氣體壓力p信號(hào)(上)與應(yīng)變?chǔ)判盘?hào)(下)，可知應(yīng)變信號(hào)和壓力波信號(hào)呈現(xiàn)較好的一致性,上下波動(dòng)的信號(hào)也反映了封閉管道兩端來回不斷疊加的反射沖擊波對管壁有加載作用,甲烷爆炸最大微應(yīng)變達(dá)到了3.89。

圖7 管道內(nèi)壓力信號(hào)與管壁應(yīng)變信號(hào)

4 結(jié)語

氣體、粉塵燃爆機(jī)理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一種基礎(chǔ)性的綜

合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可根據(jù)需要擴(kuò)展部分功能。通過不同工況的氣體、粉塵燃爆實(shí)驗(yàn),可以使學(xué)生了解氣體、粉塵燃燒爆炸的基本過程,了解管道結(jié)構(gòu)、不同點(diǎn)火能、障礙物阻塞率等對氣體、粉塵爆炸效應(yīng)及爆炸機(jī)理的影響,了解超壓形成及爆炸波對管壁沖擊響應(yīng),掌握實(shí)驗(yàn)裝備的操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集及處理。實(shí)驗(yàn)操作鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和分工協(xié)作的精神,實(shí)驗(yàn)可加深學(xué)生對可燃?xì)怏w、粉塵燃燒爆炸規(guī)律與防治的認(rèn)識(shí),提高學(xué)生的安全意識(shí)。

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Design of testing experimental platform for gas and dust combustion and explosion mechanism

Zhou Ning1, Liu Chao1, Liu Jiaquan1, Liu Xuanya2, Zhao Huijun1,Yuan Xiongjun1,Huang Weiqiu1

(1. Jiangsu Province Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Technology, Changzhou University, Changzhou 213016, China; 2. Tianjin Fire Research Institute, Ministry of Public Security, Tianjin 300381, China)

A testing experimental platform with multi-structure and multi-section gas and dust combustion and explosion mechanism is designed. The experimental platform can realize the free combination of straight pipes, bent pipes and branch pipes, simulate the gas cloud and dust combustion and explosion experiments under various industrial conditions, explore the mechanism of the combustion and explosion accidents, and put forward the technical measures for the prevention and control of the accidents. The functional requirements for the experimental platform, the structure of the platform, the design calculation of explosion pipe section, bata processing and the analysis of the experimental results are described in detail. Through the experiments, the students can better understand the basic phenomena of the combustion and explosion of inflammable and explosive gas and dust, explosion effect and explosion mechanism, master the methods of high frequency data acquisition and processing in combustion and explosion tests, deepen their knowledge about the rules and prevention of inflammable gas and dust combustion and explosion, and enhance their safety awareness.

testing system; teaching experiment; explosion test; explosion pipe

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.021

2016-06-30 修改日期：2016-07-25

建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(KFKT2014MS02)；常州市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(CE20155025)；公安部科技強(qiáng)警基礎(chǔ)工作專項(xiàng) (2014GABJC047)；公安部消防局科研計(jì)劃項(xiàng)目(2015XFR 22)；建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(KFKT2015ZD03)

周寧(1977—)，男，四川仁壽，博士，副教授，主要從事爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)、油氣爆炸安全、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程等方面的研究

E-mail：zhouning@cczu.edu.cn

劉超(1991—)，男，江蘇泰州，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛蜌鈨?chǔ)運(yùn)工程.

E-mail：1372654414@qq.com

X924.2；G484

: A

: 1002-4956(2016)12-0080-05