趙天輝， 高康華， 王明洋， 李斌， 孫松， 郭強(qiáng)

(1.解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210007； 2.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

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方形容器爆燃泄放過程中的壓力特性實(shí)驗(yàn)研究

趙天輝1， 高康華1， 王明洋1， 李斌2， 孫松1， 郭強(qiáng)1

(1.解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210007； 2.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

對(duì)乙烯- 空氣預(yù)混氣體在一端開口的方形容器內(nèi)泄爆過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了泄爆面積、泄爆壓力和氣體濃度對(duì)泄爆過程中壓力發(fā)展和分布特性的影響，結(jié)合容器內(nèi)壓力峰值的變化對(duì)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了討論。結(jié)果表明：小面積泄爆時(shí)容器內(nèi)壓力出現(xiàn)明顯的雙峰值現(xiàn)象，且氣體濃度主要影響第2個(gè)峰值的大??；大面積泄爆時(shí)氣體濃度對(duì)壓力峰值影響較?。恍贡娣e較小且容器內(nèi)預(yù)混氣體接近最佳濃度時(shí)方形容器內(nèi)壓力分布梯度明顯，遠(yuǎn)離最佳濃度或泄爆面積較大時(shí)容器內(nèi)壓力分布均勻；經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差隨工況變化很大。研究結(jié)論為方形容器和建筑物泄爆安全設(shè)計(jì)提供參考。

爆炸力學(xué)； 爆燃泄放； 泄爆面積； 壓力分布； 氣體濃度

0 引言

可燃?xì)怏w由于其清潔、高能、可再生等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)和生活中最為重要的能源之一。相應(yīng)的，燃?xì)獗ㄊ鹿室渤蔀槿嗣裆?cái)產(chǎn)安全的重要威脅。泄爆是一種通過預(yù)先設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，將密閉容器、建筑物內(nèi)等因燃燒爆炸導(dǎo)致的內(nèi)部高壓迅速釋放，降低事故破壞程度的有效措施[1-2]。文獻(xiàn)[3-4]基于大量實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析，先后提出了相應(yīng)的爆燃泄放設(shè)計(jì)規(guī)范，但由于氣體爆燃是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，爆燃超壓受到氣體種類、點(diǎn)火位置、氣體濃度、點(diǎn)火能量、空間形狀、尺寸、泄爆面積、泄爆壓力等諸多因素的影響[5-7]，相關(guān)規(guī)范的通用性和適用性都不能令人滿意[8]。

目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究主要集中在球體、柱體、立方體等典型形狀容器。胡俊等[9]對(duì)底部中心點(diǎn)火的柱形容器內(nèi)爆燃泄放的壓力發(fā)展與火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，利用等容燃燒壓力上升曲線與泄爆容器內(nèi)壓力下降速率曲線的比較分析泄爆過程中容器內(nèi)壓力變化的原因。Rasbash[10]通過體積介于0.009 m3和0.9 m3之間的長(zhǎng)方體和圓柱體容器內(nèi)的爆燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了壓力與泄爆面積、泄爆壓力等因素的關(guān)聯(lián)公式，在文獻(xiàn)[11]中又對(duì)此公式進(jìn)行了修正，考慮了可燃混合物的層流燃燒速度和慣性泄爆裝置的效應(yīng)；Molkov[12]利用修正系數(shù)表征流出的氣體與內(nèi)部燃燒氣體之間的相互作用，并將其結(jié)果與美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA68《爆燃泄壓防爆標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了比較。但由于這些經(jīng)驗(yàn)公式都是基于不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的，考慮的因素不盡相同，因此在應(yīng)用于不同形狀的容器時(shí)，其效果不能令人滿意，文獻(xiàn)[8]中詳盡的比較結(jié)果證明了這一點(diǎn)，部分公式的結(jié)果偏差甚至達(dá)到幾百倍。Bradley等[5]基于質(zhì)量守恒、理想氣體狀態(tài)方程等建立了一種比較簡(jiǎn)單、實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，該模型根據(jù)噴嘴的等熵公式計(jì)算泄放氣體通過泄放口的流速，但由于真實(shí)泄放過程還要考慮燃燒不穩(wěn)定性以及泄放擾動(dòng)等因素，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大。目前的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)成果及理論研究方法并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大體積方形容器爆燃泄放過程中的壓力變化特點(diǎn)，因此基本的實(shí)驗(yàn)研究是非常必要的。

本文針對(duì)方形容器內(nèi)乙烯- 空氣預(yù)混氣體爆燃泄放壓力發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。主要內(nèi)容包括：為方形容器內(nèi)爆燃泄放提供基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；研究泄爆面積、泄爆壓力、氣體濃度對(duì)爆燃泄放過程中荷載形式、壓力峰值的影響，分析容器內(nèi)不同位置處的壓力差異及可能的機(jī)理，以期為相似形狀的容器或建筑物泄爆研究提供合理的模型。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)步驟

泄爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由配氣系統(tǒng)、方形爆炸容器、點(diǎn)火控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

方形泄爆容器設(shè)計(jì)壓力1 MPa，尺寸為2 m×1.2 m×0.6 m，壁厚10 mm. 爆炸容器一端為敞開的用于安裝泄爆結(jié)構(gòu)的卡箍式法蘭盤，通過密封設(shè)計(jì)保證泄爆結(jié)構(gòu)安裝后密封性良好。泄爆口根據(jù)需要用塑料膜或易碎泄爆板封閉。通過改變泄爆板厚度改變泄爆壓力，表1中泄爆壓力均為化學(xué)計(jì)量比濃度下該泄爆板實(shí)際斷裂時(shí)刻容器內(nèi)壓力，通過板跨中粘貼應(yīng)變片觀測(cè)電路變化得到。泄爆口為長(zhǎng)方形，通過改變擋板的孔口面積來改變泄爆面積。另一端安裝有點(diǎn)火系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為乙烯- 空氣混合物，利用進(jìn)出氣系統(tǒng)和真空壓力表采用先抽空氣形成負(fù)壓，再進(jìn)乙烯調(diào)節(jié)壓力至0 MPa的方法控制氣體濃度；通過24 V直流電源供電達(dá)到電阻絲加熱，引燃容器內(nèi)部氣體混合物的方法進(jìn)行點(diǎn)火。1號(hào)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)采用壓電式壓力傳感器，置于容器上壁，分別距左側(cè)端口1.2 m、0.1 m，采樣頻率200 kHz；高速攝影拍攝速度為1 000幀/s.

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及條件見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同泄爆面積條件下的容器內(nèi)壓力變化

圖2為濃度8.0%的乙烯- 空氣混合氣點(diǎn)火之后容器內(nèi)爆燃泄放壓力曲線。A表示泄爆面積，為0.18 m2. 泄爆壓力7.5 kPa，采用塑料膜封堵，模擬容器或者建筑物窗玻璃快速打開的過程。泄爆口打開之前容器內(nèi)為定容燃燒，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在泄爆過程開始之前的壓力曲線幾乎完全相同，容器內(nèi)壓力較為均勻。隨著壓力的上升，容器泄爆口打開，壓力上升速率變緩，在第1個(gè)小峰值p1附近，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力出現(xiàn)差異，測(cè)點(diǎn)2壓力小于測(cè)點(diǎn)1，此時(shí)泄爆口已經(jīng)完全打開，壓力下降速率大于壓力上升速率，容器內(nèi)壓力開始下降，在60 ms左右形成一個(gè)小平臺(tái)，壓力上升與下降趨于平衡。隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，壓力再次開始上升，并在80 ms時(shí)達(dá)到峰值。在壓力第2次上升的過程中，測(cè)點(diǎn)2壓力逐漸大于測(cè)點(diǎn)1，并在第2個(gè)峰值p2處差異最大。圖3為高速攝影觀察到的泄爆過程。

圖2 容器內(nèi)壓力時(shí)程曲線(A=0.18 m2)Fig.2 Overpressure-time history in vessel (A=0.18 m2)

圖3 泄爆過程(A=0.18 m2)Fig.3 Deflagration venting process (A=0.18 m2)

乙烯- 空氣混合氣濃度在8.0%附近的3次實(shí)驗(yàn)均出現(xiàn)了相同現(xiàn)象：小面積泄爆時(shí)壓力峰值較大，靠近泄爆口處壓力在p2峰值時(shí)刻大于容器腔體內(nèi)部壓力。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，小面積泄爆的這種現(xiàn)象需要尤其注意，可以對(duì)口部附近進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

圖4為濃度8.0%的乙烯- 空氣混合氣點(diǎn)火之后容器內(nèi)爆燃泄放壓力曲線，泄爆壓力7.5 kPa，泄爆面積0.55 m2，采用泄爆板封堵，模擬建筑物一側(cè)泄爆墻打開的過程。泄爆板斷裂(40 ms左右)后壓力有短暫小幅下降然后開始上升，50 ms左右壓力達(dá)到峰值11 kPa. 泄爆口在60 ms左右完全打開，容器內(nèi)壓力開始快速下降，在壓力0點(diǎn)附近有微小震蕩，一度上升到5 kPa左右再次下降，應(yīng)是容器內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓之后空氣進(jìn)入再度混合燃燒產(chǎn)生的較小峰值。大面積泄爆板封堵泄爆口的壓力發(fā)展過程中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力較為一致，容器內(nèi)壓力變化始終比較均勻。泄爆面積在泄爆板逐漸打開的過程中漸漸增大。此過程中一方面氣體排出量不斷增大，降壓速率漸漸增大；另一方面隨著氣體再度混合，以及泄爆口打開造成的湍流增強(qiáng)火焰加速等原因，容器內(nèi)氣體反應(yīng)造成的升壓速率不斷變化，二者差值也不斷變化，因此該階段容器內(nèi)壓力呈震蕩狀態(tài)[13]。雖然泄爆板打開需要一定的時(shí)間，一定程度上增大了壓力峰值，但與泄爆面積0.18 m2時(shí)相比，壓力峰值仍然下降近一半。

圖4 容器內(nèi)壓力時(shí)程曲線(A=0.55 m2)Fig.4 Overpressure-time history in vessel (A=0.55 m2)

2.2 泄爆壓力對(duì)泄爆過程容器內(nèi)壓力變化的影響

采用6.5%乙烯- 空氣預(yù)混氣，泄爆壓力Pdyn分別為4.5 kPa、7.5 kPa、13.0 kPa，泄爆面積0.55 m2時(shí)容器內(nèi)壓力特征值如表2所示，表2中pred為爆燃泄放過程中容器內(nèi)產(chǎn)生的最大壓力[4]。泄爆口全部采用泄爆板封堵。泄爆過程開始之前為等容燃燒階段，隨著壓力的發(fā)展，泄爆口在不同壓力下打開。因?yàn)樾贡迨侵饾u打開的，容器內(nèi)壓力在泄爆板斷裂后均有不同程度的上升。泄爆壓力為4.5 kPa和7.5 kPa時(shí)，壓力上升幅度較小，應(yīng)是容器內(nèi)仍處于層流燃燒階段，氣體并未充分反應(yīng)，壓力上升速率較慢時(shí)即開始泄放。泄爆壓力為13.0 kPa時(shí)，反應(yīng)已經(jīng)比較充分，火焰面觸及容器壁產(chǎn)生氣流擾動(dòng)，燃燒加速，升壓速率相對(duì)較大，泄爆板打開需要一定時(shí)間，因此壓力上升幅度相對(duì)較大。容器內(nèi)峰值壓力隨泄爆壓力的增加而增加，在工程設(shè)計(jì)中，要尤其注意泄爆壓力的選取，既要兼顧工程構(gòu)件的安裝、施工、使用等強(qiáng)度要求，又要達(dá)到良好的泄爆效果。

表2 改變泄爆壓力時(shí)容器內(nèi)壓力特征值

2.3 氣體濃度對(duì)泄爆過程中的容器內(nèi)壓力影響

圖5 不同濃度下容器內(nèi)壓力時(shí)程曲線(A=0.18 m2)Fig.5 Overpressure-time histories in vessel under different concentrations(A=0.18 m2)

氣體濃度是影響爆燃?jí)毫Φ闹匾蛩?。圖5為泄爆壓力7.5 kPa，泄爆面積0.18 m2，改變濃度時(shí)容器內(nèi)2號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力曲線。從圖5中可知，濃度在8.0%時(shí)的爆炸明顯升壓時(shí)間更短，反應(yīng)更為劇烈。這與文獻(xiàn)[14]中給出的乙烯最佳濃度8.0%相吻合。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)小面積泄爆時(shí)，在各個(gè)濃度的荷載曲線均有比較明顯的峰值p2. 濃度變化時(shí)，p1變化很小，改變的主要是p2的大小。低濃度時(shí)p2很小，隨著濃度增大，在濃度6.0%時(shí)p2與p1大小幾乎相等。濃度為8.0%時(shí)，p2已經(jīng)遠(yuǎn)大于p1. 表3為小面積泄爆時(shí)各工況下壓力特征值。圖6為實(shí)驗(yàn)得到的乙烯濃度對(duì)容器內(nèi)p1和p2影響示意圖。

表3 容器內(nèi)壓力特征值(A=0.18 m2)

圖6 p1和p2與濃度曲線(A=0.18 m2，pdyn=7.5 kPa)Fig.6 p1 and p2 vs. concentration (A=0.18 m2,pdyn=7.5 kPa)

圖7為泄爆壓力7.5 kPa，泄爆面積0.55 m2，改變濃度時(shí)容器內(nèi)的壓力曲線。大面積泄爆時(shí)各濃度條件下壓力均為泄爆口打開后不久立即下降并逐漸趨近于0，容器內(nèi)最大壓力隨濃度趨近8.0%略有增加，但幅度較小。隨著濃度趨于8.0%，升壓時(shí)間逐漸縮短。

圖7 不同濃度下容器內(nèi)壓力時(shí)程曲線(A=0.55 m2)Fig.7 Overpressure-time histories in vessel under different concentrations (A=0.55 m2)

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，大面積泄爆時(shí)容器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓力在本實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)均較為一致；小面積泄爆在低濃度時(shí)各測(cè)點(diǎn)壓力比較一致，如圖8所示(乙烯濃度c=4.0%)。但是隨著濃度趨近8.0%，各測(cè)點(diǎn)壓力差異開始出現(xiàn)并逐漸變大，并在濃度8.0%時(shí)p2處達(dá)到差異最大值，如圖2所示。因此容器內(nèi)壓力分布不均勻的現(xiàn)象只在小面積泄爆且濃度趨近最佳濃度時(shí)較為明顯。它應(yīng)是靠近最佳濃度時(shí)，氣體燃燒反應(yīng)劇烈，火焰速度較快，小面積泄爆造成的湍流增強(qiáng)結(jié)合容器壁的限制作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流擾動(dòng)和不規(guī)則的火焰面變形，使得靠近泄爆口處可燃?xì)怏w得到充分有氧燃燒，容器內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力梯度；采用泄爆板大面積泄爆時(shí)，一方面泄爆口逐漸打開，湍流增強(qiáng)和火焰加速的效果并不明顯，另一方面泄爆口完全打開后氣體流量較大，容器內(nèi)可燃?xì)怏w沒有充分再次混合燃燒即泄放出去，因此容器內(nèi)壓力較為均勻。

圖8 容器內(nèi)壓力時(shí)程曲線(A=0.18 m2,c=4.0%)Fig.8 Overpressure-time histories in vessel (A=0.18 m2,c=4.0%)

2.4 討論

壓力峰值是工業(yè)泄爆設(shè)計(jì)與事故破壞效應(yīng)評(píng)估的重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[15]中通過建筑物開口泄爆實(shí)驗(yàn)得到了泄爆壓力與內(nèi)部壓力峰值的關(guān)系。本文通過實(shí)驗(yàn)得到了氣體濃度與壓力峰值的關(guān)系。但是，由于容器體積形狀等因素對(duì)壓力峰值同樣影響很大，在實(shí)際工程中快速簡(jiǎn)便地估算壓力峰值或者進(jìn)行泄爆面積的設(shè)計(jì)，需要選取符合條件的經(jīng)驗(yàn)公式。本文使用3個(gè)比較有代表性的公式進(jìn)行計(jì)算并比較。表4為壓力峰值計(jì)算結(jié)果。

表4 經(jīng)驗(yàn)公式及計(jì)算結(jié)果

表4中(1)式為NFPA68中關(guān)于泄爆面積設(shè)計(jì)的推薦公式，結(jié)果明顯偏于保守。(2)式和(3)式均為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的公式，相比(1)式與實(shí)驗(yàn)值更為接近。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)泄爆面積時(shí)可以采用NFPA68等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)加大安全系數(shù)；在進(jìn)行壓力峰值或者破壞效應(yīng)評(píng)估時(shí)應(yīng)該選取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的公式進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，公式計(jì)算結(jié)果的誤差隨工況變化很大，本實(shí)驗(yàn)中泄爆面積較大時(shí)誤差相對(duì)較小。對(duì)于方形容器，在實(shí)際工程中要想快速簡(jiǎn)便的估算壓力峰值或者進(jìn)行泄爆面積的設(shè)計(jì)，需要對(duì)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行一定的修正,或者提出更符合實(shí)際條件的壓力計(jì)算方法。

3 結(jié)論

通過方形容器氣體爆燃泄放實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1)小面積泄爆時(shí)，容器內(nèi)壓力均有兩個(gè)峰值，乙烯濃度主要影響第2個(gè)峰值p2的大?。淮竺娣e泄爆時(shí)濃度主要影響升壓時(shí)間，對(duì)容器內(nèi)壓力峰值影響較小。

2)乙烯接近最佳濃度且泄爆面積較小時(shí)，容器內(nèi)兩測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生較為明顯的壓力差異，出現(xiàn)p1的時(shí)刻泄爆口處壓力小于容器內(nèi)部壓力，出現(xiàn)p2的時(shí)刻泄爆口處壓力大于容器內(nèi)部壓力。

3)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差隨工況變化很大，目前依然缺乏較為準(zhǔn)確的壓力峰值計(jì)算方法，更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是非常必要的。

考慮氣體爆炸的實(shí)際條件，要正確描述爆燃泄放的復(fù)雜過程，需要借助高速光學(xué)記錄系統(tǒng)以及合理運(yùn)用數(shù)值模擬等手段深入研究容器內(nèi)流場(chǎng)變化、氣體燃燒、火焰面變形等與壓力特性變化之間的關(guān)聯(lián)，以期為工程爆燃泄放防護(hù)提供更多的理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支撐。

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Experimental Study of Pressure Characteristics during Deflagration Venting in a Square Vessel

ZHAO Tian-hui1, GAO Kang-hua1, WANG Ming-yang1, LI Bin2, SUN Song1, GUO Qiang1

(1.State Key Laboratory for Explosion & Impact and Disaster Prevention & Mitigation, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, Jiangsu, China; 2.School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094, Jiangsu, China)

Experiments were conducted to study the explosion venting process of the ethylene-air mixtures in a square vessel with an open at one end. The influences of venting area,venting pressure and gas concentration on the development and distribution characteristics of pressure in the explosion venting process are studied, and some empirical formulas are discussed with the change of peak pressure in the vessel. Results show that, for small venting area, the pressure shows obvious double peak phenomenon in the vessel, and the gas concentration mainly influences the second peak value; for large venting area, the gas concentration has little influence on the peak pressure; for small venting area and premixed gases closed to optimum concentration, the distribution of gas pressure in the vessel has remarkable gradient, and the distribution of pressure in the vessel is uniform; the error between the calculated value and experimental value varies greatly under different operating conditions.

explosion mechanics; explosion venting; venting area; pressure distribution; gas concentration

2016-07-26

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51308542)

趙天輝(1993—)，男，碩士研究生。E-mail:zth0210@163.com

王明洋(1966—),男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：wmyrf@163.com

O389

A

1000-1093(2017)04-0722-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.013