梁 滔，孫永奪，楊錫軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院,北京 100083；2.拜城縣峰峰煤焦化有限公司,新疆 阿克蘇 842316)

0 引言

水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯、頂板和礦塵是煤礦井下的5大自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著井下工人的人身安全，并制約著煤礦的安全生產(chǎn)，其中又以瓦斯和煤塵爆炸災(zāi)害最為嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，建國以來發(fā)生的25起百人死亡的特大事故中，有22起是因瓦斯爆炸引起的。同時(shí)煤礦井下瓦斯氣體的主要成分是甲烷，具有清潔、高效的特點(diǎn)，是應(yīng)用前景廣闊的新能源，然而由于甲烷具有易泄露、易擴(kuò)散及易燃易爆的特性，確保其在生產(chǎn)、輸運(yùn)、儲(chǔ)存及使用過程中的安全是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的重要前提。因此，從安全生產(chǎn)和能源利用角度來看，有效地阻隔甲烷爆炸傳播過程，降低爆炸造成的損失，已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)和工業(yè)燃?xì)廨斶\(yùn)過程中需要迫切解決的課題。

1.高能點(diǎn)火器 ；2.泄壓口； 3.數(shù)據(jù)采集儀； 4.點(diǎn)火電極； 5.壓力傳感器； 6.同步控制器； 7.計(jì)算機(jī)； 8.真空泵； 9.混氣瓶； 10.多孔材料。圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch of experimental set-up

為了抑制可燃?xì)怏w爆炸，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)阻隔爆技術(shù)進(jìn)行了大量的研究[1-3]。錢海林等[4]研究了二氧化碳和氮?dú)鈱?duì)甲烷爆炸極限的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明組分中添加的二氧化碳和氮?dú)?，?duì)爆炸極限的影響是線性變化的；J.K.Richmond等[5-6]實(shí)驗(yàn)研究了煤礦巷道內(nèi)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程，分析了爆炸壓力與火焰?zhèn)鞑ニ俣龋Y(jié)果表明火焰?zhèn)鞑ニ俣燃氨ǔ瑝号c巷道的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)和瓦斯?jié)舛确植济芮邢嚓P(guān)；Teodorczyk等[7]利用高速分幅相機(jī)記錄了爆轟波經(jīng)過有泡沫多孔介質(zhì)管道的情況，結(jié)果表明，爆轟波經(jīng)過鋪設(shè)有多孔材料的管道時(shí)，其速度衰減了近一半；Borisov等[8]在實(shí)驗(yàn)中將多孔介質(zhì)襯在管道內(nèi)壁上，研究了多孔材料對(duì)爆轟波的吸收作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)爆轟波穿過多孔介質(zhì)后其強(qiáng)度顯著降低，他認(rèn)為多孔材料對(duì)橫波的吸收是導(dǎo)致爆轟波衰減的主要原因；Chen等[9]在實(shí)驗(yàn)管道壁面放置不同孔目數(shù)的泡沫金屬材料，研究其對(duì)甲烷-空氣爆炸特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在管道壁面鋪設(shè)泡沫金屬材料后能夠顯著地降低爆炸超壓，并且泡沫金屬的孔目數(shù)越大其對(duì)爆炸超壓抑制效果越好，最大減壓達(dá)到40%；夏昌敬等[10]用鋼絲網(wǎng)材料分析了聲學(xué)吸收材料厚度對(duì)非穩(wěn)定爆轟波傳播特性的影響，結(jié)果表明，在管道中安裝聲學(xué)吸收材料對(duì)氣體非穩(wěn)定爆轟波有明顯的衰減作用，而且隨著聲學(xué)吸收材料厚度的增加，氣體非穩(wěn)定爆轟波強(qiáng)度衰減幅度增大；喻健良等[11-12]研究了多層絲網(wǎng)對(duì)氣體爆炸的抑制作用，并且分析了火焰淬熄的臨界速度與絲網(wǎng)層數(shù)的線性關(guān)系，結(jié)果表明絲網(wǎng)的抑爆性能與其層數(shù)、目數(shù)、絲徑、開口比及體積空間率有關(guān)；聶百勝等[13]借助SEM技術(shù)，對(duì)泡沫陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，進(jìn)而探究了泡沫陶瓷對(duì)管內(nèi)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，認(rèn)為泡沫陶瓷在細(xì)觀上具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一方面在火焰通過泡沫陶瓷微細(xì)通道時(shí)發(fā)生器壁效應(yīng)使瓦斯爆炸火焰淬熄，另一方面抑制了爆炸應(yīng)力峰值和爆炸聲波；溫小萍等[14]實(shí)驗(yàn)研究了在障礙物存在情況下多孔材料對(duì)火焰的淬熄機(jī)制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示多孔材料孔隙越小，對(duì)火焰的淬熄作用越明顯；魏春榮等[15-16]研究比較了泡沫金屬、泡沫陶瓷以及金屬絲網(wǎng)不同多孔材料對(duì)爆炸氣體的抑爆特性，建立了基于熄爆參數(shù)的多孔材料阻隔爆效果綜合定量評(píng)估數(shù)學(xué)模型，用于阻隔爆效果評(píng)估。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，煤礦井下巷道以及輸氣管道十分長，為了預(yù)防爆炸，由于經(jīng)濟(jì)原因，難以在整個(gè)巷道面或管道內(nèi)壁均鋪設(shè)阻爆材料。同時(shí)在已有的多孔材料阻隔爆研究中，較少有多孔材料安放位置對(duì)氣體爆炸特性影響的研究。因此本文利用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究泡沫鎳多孔材料在管道內(nèi)不同安放位置對(duì)甲烷-空氣爆炸過程超壓的影響，以期能夠?yàn)榉栏舯芯亢驮O(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及工況

本文中采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由定容燃燒管道、壓力測試系統(tǒng)、混氣系統(tǒng)、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)組成。燃燒管道內(nèi)部腔體長500 mm，截面尺寸為110 mm×80 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)管道固定在高度為1 m的鋼架上。管道上下壁面采用厚度為15 mm的TP304不銹鋼，該型號(hào)鋼材具有良好的耐高溫性，管道前后兩側(cè)壁由厚度為15 mm的高透光石英玻璃板組成，石英玻璃是一種由二氧化硅單一組分構(gòu)成的特種工業(yè)玻璃，其硬度可以達(dá)到達(dá)莫氏七級(jí)，具有耐高溫、膨脹系數(shù)低、耐熱震性、化學(xué)穩(wěn)定等特點(diǎn)，耐壓20 MPa以上。管道前后兩端分別安裝有方形法蘭，一端法蘭中心安裝有點(diǎn)火電極，另一端設(shè)有進(jìn)氣口。在管道的上、下壁面共設(shè)計(jì)了多個(gè)測試點(diǎn)接孔，用以測量管道內(nèi)甲烷燃燒時(shí)不同位置的物理參量。為保證實(shí)驗(yàn)安全，管道上部靠近尾部位置設(shè)計(jì)了泄壓口，實(shí)驗(yàn)時(shí)泄壓口用爆破片密封，當(dāng)管道內(nèi)壓力達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)自動(dòng)泄壓，在本文實(shí)驗(yàn)中，由于爆炸超壓較小，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)爆炸管道始終保持密封狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中壓力傳感器采用PCB112A05型壓電式石英片傳感器，并將其安裝在管道上端鋼板的測試孔上，測試孔距離點(diǎn)火器的水平距離為360 mm。數(shù)據(jù)采集儀為HIOKI8847，該款數(shù)據(jù)采集儀共有8個(gè)通道，各通道最高波形采樣率20 MS/s。點(diǎn)火電極安裝在管道左端的法蘭上，高能點(diǎn)火器使用點(diǎn)火能為3 J。實(shí)驗(yàn)中的點(diǎn)火器和數(shù)據(jù)采集儀由同步控制器進(jìn)行同步控制。實(shí)驗(yàn)中采用的甲烷的體積分?jǐn)?shù)為9.5%，管道內(nèi)初始溫度和壓力分別為298 K和0.1 MPa?？扇?xì)獗桓吣茳c(diǎn)火器點(diǎn)燃之前，靜置60 s。

為了研究泡沫鎳多孔材料鋪設(shè)位置對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆燃過程的影響，本文設(shè)計(jì)了表1所示的3種工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，每組工況的實(shí)驗(yàn)將重復(fù)3次，實(shí)驗(yàn)時(shí)2片多孔材料分別固定在距離點(diǎn)火點(diǎn)相同位置的上下壁面，多孔材料在管道中的布置方式如圖2所示。

表1 不同實(shí)驗(yàn)工況

圖2 泡沫鎳在管道內(nèi)安放位置Fig.2 Position of nickel foam in the closed duct

1.2 材料的選取

在本實(shí)驗(yàn)中，多孔材料選擇價(jià)格低廉、質(zhì)量輕、可塑性強(qiáng)，并且耐高溫的泡沫鎳，泡沫鎳的孔目數(shù)為80 ppi(每英寸孔數(shù)目)，規(guī)格為1 500 mm×80 mm×3 mm，泡沫鎳的孔隙度為96%～98%，密度為0.28～0.3 g/cm3，泡沫鎳外觀及其局部放大20倍如圖3所示。泡沫鎳多孔材料與管道通過螺絲固定，如圖3中所示的2個(gè)小孔，與管道壁面預(yù)留的對(duì)應(yīng)螺絲孔用螺絲將泡沫鎳固定，選用較小的螺絲避免了對(duì)爆燃火焰的影響。

圖3 泡沫鎳及其局部放大20倍Fig.3 Nickel foam and its partial enlargement with 20 times

2 結(jié)果與分析

2.1 泡沫鎳對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸超壓的影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)采集儀的采集頻率為200 kHz，即每秒采集20萬個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量非常龐大。為了降低數(shù)據(jù)容量，便于后期數(shù)據(jù)處理，本文中對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：首先采用基于最小二乘多項(xiàng)式的Savitzky-Golay法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑處理，除去一些奇異點(diǎn)；隨后通過在Origin軟件中導(dǎo)入計(jì)算機(jī)程序?qū)ζ交幚砗蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行間隔取點(diǎn)，每200個(gè)數(shù)據(jù)取一個(gè)，這樣極大縮小了數(shù)據(jù)的容量；最后對(duì)間隔取點(diǎn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并生成曲線。圖4為利用上述方法進(jìn)行處理后的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線，可以發(fā)現(xiàn)，處理后的曲線無論是整體趨勢還是特殊節(jié)點(diǎn)值，都與原始曲線吻合較好，這也說明了本文中采用的數(shù)據(jù)處理方法的有效性。

圖4 封閉管道內(nèi)壓力曲線Fig.4 Experimental pressure dynamics in the closed duct

表2為不同實(shí)驗(yàn)工況下的壓力測量結(jié)果，分別是空管道和泡沫鎳不同安裝位置時(shí)的最大爆炸壓力和壓力降低百分?jǐn)?shù)。由結(jié)果可知，當(dāng)管道內(nèi)沒有安裝多孔材料時(shí)，爆燃過程的最大壓力遠(yuǎn)大于安裝多孔材料的實(shí)驗(yàn)管道，達(dá)到6.58bar。相比于空管道，在管道壁面安裝多孔材料之后，降壓效果非常顯著。當(dāng)將泡沫鎳安裝在管道前端、中部和后部時(shí)，相比于空管道壓力降低分別達(dá)到了34.7%，44.5%和40.1%。其中降壓效果最好的是將多孔材料安裝在管道中間部位，其次是管道后端和前端。

表2 不同實(shí)驗(yàn)工況壓力

圖5為3種工況下管道內(nèi)爆燃過程的動(dòng)態(tài)壓力曲線，可以看出，火焰?zhèn)鞑コ跗?，由于燃燒?qiáng)度較弱，火焰未受到壁面的限制影響，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，管道內(nèi)壓力幾乎恒定不變，在t=20 ms以后，壓力曲線上升開始加快，這主要是因?yàn)殡S著火焰的傳播，火焰與壁面接觸受到其擾動(dòng)作用，使得火焰湍流化增強(qiáng)燃燒強(qiáng)度提高，在這個(gè)階段管道內(nèi)整體湍流燃燒強(qiáng)度高，壓力曲線快速增大。在這個(gè)過程中3種工況下的壓力曲線幾乎完全重合，說明多孔材料安裝位置對(duì)爆炸超壓的傳播幾乎沒有影響；隨后壓力曲線開始出現(xiàn)差異，其中將多孔材料放置在管道前部時(shí)壓力曲線呈近似直線上升，而將多孔材料放置在管道中部和后部時(shí)，壓力曲線呈波浪形增加。多孔材料放置在管道中部時(shí)最先達(dá)到峰值，其次是放置后部的工況，到達(dá)峰值最遲的是將多孔材料放置管道前部的工況。

圖5 泡沫鎳位置對(duì)管道內(nèi)壓力的影響Fig.5 Effect of porous nickel mounted at different place on the pressure in the closed duct

2.2 不同工況下壓力上升速率

在氣體爆炸實(shí)驗(yàn)研究中，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率是反映爆炸猛烈程度的重要參數(shù)[17]，也是設(shè)施、設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和防爆泄壓面積計(jì)算、爆炸抑制、爆炸隔離和抗爆設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。其中，最大壓力上升速率)(dp/dt)max是壓力曲線上升段切線的最大斜率。壓力上升速率曲線可通過對(duì)壓力曲線進(jìn)行一階求導(dǎo)而得到，求導(dǎo)后的曲線如圖6所示。

圖6 壓力隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Experimental pressure growth rates for various configurations

在30 ms之前，3種工況下壓升速率曲線幾乎一致，之后開始出現(xiàn)差異，多孔材料放置在管道前部時(shí)所達(dá)到的最大壓升速率最小，放置于最后端時(shí)的最大壓升速率最大，隨后壓力上升速率曲線呈波浪狀下降。從爆炸形成演變過程分析，當(dāng)可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃后呈球形火焰向外膨脹發(fā)展，化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度隨著火焰的發(fā)展不斷增強(qiáng)，直到管道內(nèi)完全湍流化燃燒達(dá)到最大強(qiáng)度，此時(shí)的壓升速率最快。之后由于管道內(nèi)燃料的消耗，化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度開始下降，壓升速率也隨之下降，且壓升速率呈現(xiàn)出震蕩的趨勢，這與管道內(nèi)的湍流燃燒有關(guān)。管道內(nèi)爆燃火焰在點(diǎn)火后向四周發(fā)展，在球型火焰接觸到管道壁面后，受到其限制往軸向傳播，火焰開始火焰與多孔材料相互作用，抑制減弱其燃燒強(qiáng)度，吸收爆燃過程產(chǎn)生的壓力波，使得管道內(nèi)壓力上升速率減慢?；鹧嬖诠艿纼?nèi)的傳播過程，最先接觸到管道前段鋪設(shè)的多孔材料，其次是中部和末端的多孔材料。根據(jù)之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]，管道內(nèi)爆燃火焰壓升速率最大的時(shí)刻對(duì)應(yīng)于爆燃火焰在管道內(nèi)前半段傳播階段，因此可以得出，在爆燃火焰達(dá)到最大壓升速率階段，火焰與管道前端鋪設(shè)的泡沫鎳多孔材料作用程度最強(qiáng)，其次是管道中端的多孔材料，因?yàn)槟┒说亩嗫撞牧洗穗A段幾乎沒有與爆燃火焰相互接觸，未對(duì)火焰造成抑制作用，因此其最大壓升速率最大。

從多孔材料對(duì)爆炸火焰的抑制機(jī)理來看，多孔材料的結(jié)構(gòu)是由無數(shù)個(gè)從表到里的三維相互連通的孔隙通道組成。當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ蕉嗫撞牧蠒r(shí)，火焰被分叉成無數(shù)個(gè)小的射流火焰進(jìn)入多孔材料內(nèi)部，與內(nèi)部粗糙的多孔金屬結(jié)構(gòu)相互作用使得部分火焰發(fā)生淬熄。其中，金屬材料的冷卻作用使得局部火焰溫度下降，另一方面多孔金屬材料吸收部分參加燃燒反應(yīng)的自由基，使得燃燒反應(yīng)的強(qiáng)度下降。多孔材料的這種抑制作用被稱為冷壁效應(yīng)和器壁效應(yīng)[18]。當(dāng)壓力波傳播進(jìn)入多孔材料內(nèi)部后，壓力波使得微小空隙通道內(nèi)的空氣發(fā)生震動(dòng)，從而被轉(zhuǎn)化、消耗，能夠很好地抑制橫波的產(chǎn)生和發(fā)展，以達(dá)到吸波減壓的作用。

3 結(jié)論

1)在管道內(nèi)壁面布置泡沫鎳多孔材料后，能夠有效地吸波降壓，對(duì)爆燃?jí)毫λp率最大可達(dá)44.5%。

2)從泡沫鎳多孔材料鋪設(shè)位置對(duì)爆燃?jí)毫Ψ逯涤绊憗砜矗卸宋恢玫慕祲盒Ч詈?，其次是放置在管道的末端，效果最差的是放置在管道的前端；而?duì)壓升速率影響來看，前端位置對(duì)于降低最大壓升效果最好，其次是中端，末端。

3)在實(shí)際阻隔爆應(yīng)用中，參考泡沫鎳多孔材料鋪設(shè)位置對(duì)甲烷-空氣爆燃抑制的影響，可為井下巷道或其他存在氣體爆炸的場所提供一種新的思路，對(duì)實(shí)踐阻隔爆應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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