王理翔，敖燕環(huán)，馬吉

（華北科技學(xué)院，河北 三河 065201）

甲烷（CH4）是一種無色、無味、可燃和爆炸性氣體，廣泛分布于自然界，是瓦斯、天然氣和礦井巷道中氣體的主要組成部分。我國近年來發(fā)生了大量的瓦斯管道泄漏和爆炸事故，造成的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。

為了保證生命和財(cái)產(chǎn)的安全，必須選擇適當(dāng)?shù)囊直瑒┖瓦m當(dāng)?shù)臐舛葋硪种票āＲ直侄慰梢詼p弱和避免因瓦斯爆炸所產(chǎn)生的災(zāi)害，對于抑制爆炸的機(jī)理目前存在的有控制溫度、惰性化阻止反應(yīng)；常用的抑爆方式有高壓水幕巖粉棚水袋、抑爆水層抑爆技術(shù)、干粉滅火劑、二相流抑爆技術(shù)。通過研究干粉式抑爆劑對瓦斯爆炸傳播的衰減規(guī)律的影響、改進(jìn)的自動(dòng)抑爆裝置，對管道的低濃度瓦斯爆炸災(zāi)害的范圍內(nèi)控制提供了理論依據(jù)，對有效控制瓦斯爆炸、改善安全生產(chǎn)狀況具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 瓦斯爆炸傳播和抑爆的基本理論

1.1 礦井瓦斯爆炸主要屬于預(yù)混氣的爆炸。

因此，對預(yù)混氣體的研究和爆炸產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波的傳播理論具有重要意義。本章先對瓦斯爆炸的傳播理論進(jìn)行簡單介紹，了解爆炸產(chǎn)生的火焰以及沖擊波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過爆炸傳播理論提供的依據(jù)，建立瓦斯爆炸的理論模型。再通過研究抑爆技術(shù)理論，獲得抑爆技術(shù)對瓦斯爆炸過程的影響，進(jìn)而確定實(shí)驗(yàn)的原理和數(shù)據(jù)采集時(shí)的參數(shù)。

1.2 瓦斯空氣預(yù)混氣爆燃

進(jìn)行點(diǎn)火引爆后，燃燒波的傳播將從一個(gè)源開始，在反應(yīng)中將儲(chǔ)存在反應(yīng)物內(nèi)的能量通過化學(xué)反應(yīng)組成新的燃燒產(chǎn)物釋放，最終成為反應(yīng)生成物的動(dòng)能和內(nèi)能。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)中的能量變化，燃燒放熱進(jìn)而導(dǎo)致了顯著的氣體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和熱力學(xué)狀態(tài)的變化。燃燒波的梯度場引發(fā)了物理和化學(xué)過程，使得燃燒波繼續(xù)發(fā)生傳播。

1.3 爆炸抑制理論研究

管道自動(dòng)抑爆設(shè)備由傳感器、控制器和抑制器組成，抑制器是爆炸裝置的核心部件。早期的瓦斯爆炸管爆炸信號(hào)檢測傳感器，將爆炸信號(hào)傳輸?shù)娇刂茊卧?，控制單元識(shí)別確認(rèn)后，運(yùn)動(dòng)命令觸發(fā)爆炸抑制，在抑制爆炸裝置內(nèi)部壓力的作用下，快速均勻噴霧抑爆粉，形成的管道爆炸抑制粉云，使用化學(xué)抑制爆炸來抑制粉末爆炸，防止瓦斯爆炸的傳播沿管道繼續(xù)。

1.4 粉體抑爆劑的抑爆機(jī)理

廣義的抑爆劑主要有抑制劑和惰化劑兩種，兩者在使用時(shí)間方面存在直接區(qū)別。一般在爆炸發(fā)生前使用惰化劑，而在爆炸開始時(shí)使用了抑制劑，但惰化劑和抑制劑使用相同的材料制造。粉抑爆材料的抑爆作用機(jī)理基本可以分為以下3類：物理機(jī)理、化學(xué)機(jī)理、物理和化學(xué)機(jī)理，其中物理機(jī)理分為吸熱分解、吸熱過程中失去結(jié)晶水的作用、分隔熱傳導(dǎo)和氧濃度稀釋的4種情況或混合?；瘜W(xué)機(jī)理以吸收自由基為主要手段，發(fā)揮抑爆劑的作用，消耗了燃燒反應(yīng)的OH和H自由基，導(dǎo)致自由基的數(shù)量驟降，中斷燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最后將火焰撲滅，停止爆炸，如氯化鈉、氯化鉀等；爆炸抑制材料的物理機(jī)制作用，在高溫導(dǎo)致分解時(shí)釋放出結(jié)晶水，屬于吸熱反應(yīng)，同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的惰性氣體又稀釋了當(dāng)前區(qū)域的氧濃度，從而發(fā)揮窒息和冷卻的作用，如CaCO3、SiO2、巖粉等。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

各分系統(tǒng)簡介如下。

（1）爆炸激波管管體：包含過渡段、泄爆艙以及支架導(dǎo)軌系統(tǒng)。

（2）點(diǎn)火系統(tǒng)采用的5000V電壓由電容產(chǎn)生，甚至更高通過尖端擊穿空氣形成的高壓而產(chǎn)生的高壓電火花，從而形成放電，但由于確保避免人體會(huì)因?yàn)楦邏汉痛箅娏鳟a(chǎn)生危險(xiǎn)，所以利用220V低壓擊穿部分空氣形成的部分電弧在實(shí)驗(yàn)時(shí)以誘導(dǎo)高壓放電，稱為三電極放電方式，分為負(fù)極、常壓級(jí)和高壓級(jí)。電容器采用滑動(dòng)變阻器進(jìn)行充電，實(shí)時(shí)的充電電壓可以通過點(diǎn)火器顯示器讀出，這樣就可以控制高壓的具體電壓。之后通過控制220V火塞進(jìn)行誘導(dǎo)高壓放電，用產(chǎn)生的電弧或火花來點(diǎn)燃激波管內(nèi)的預(yù)混氣體。測量系統(tǒng)由壓力信號(hào)測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成，分別為火焰信號(hào)測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、爆炸流場光學(xué)顯示系統(tǒng)。

（3）輔助系統(tǒng)：充配氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)。管道總長度為35m，方截面管道截面尺寸為200×200mm，點(diǎn)火端位于管道前端，激波管位于管道中間，管道末端連接著長為6m、直徑為1.9m的泄爆倉。實(shí)驗(yàn)管道和系統(tǒng)主體圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)管道和系統(tǒng)主體圖

2.2 測點(diǎn)布置

在分別距離點(diǎn)火端為20m、22.5m、25m、27.5m、30m處，安置5個(gè)火焰?zhèn)鞲衅?。?shí)驗(yàn)采用塑料膜片BOPP膜片泄爆。測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)布置示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

在當(dāng)前工況下，管道內(nèi)溫度約為292k，壓力約為0.1MPa，甲烷/空氣預(yù)混合氣體濃度為9.5%，點(diǎn)火電壓6000kV，實(shí)際點(diǎn)火能量為3.03J。抑爆劑采用自動(dòng)噴粉裝置，干粉抑爆墻的厚度為4cm，噴射臨界面密度40.8kg/m2的ABC干粉抑爆劑，粉劑粒徑95%保持在20μm以下。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 火焰速度傳播的變化

火焰信號(hào)由示波器采集，并繪制成與時(shí)間相關(guān)聯(lián)的函數(shù)圖像，可以發(fā)現(xiàn)火焰寬度隨著時(shí)間的推移而變小，可以推出火焰的厚度也在隨時(shí)間變得稀薄，火焰速度隨時(shí)間增加，進(jìn)而可以推出化學(xué)反應(yīng)區(qū)由于受到影響，也在變得稀薄。距離為△L之間的位置和收集數(shù)據(jù)時(shí)存在的△t時(shí)差，可以計(jì)算火焰面在2個(gè)傳感器之間的傳播速度v，即v=△L/△t，未采用抑爆措施時(shí)計(jì)算得到4個(gè)火焰速度分別為60m/s，67m/s，78m/s，100m/s；使用ABC干粉抑爆劑時(shí)計(jì)算得出4個(gè)火焰速度分別為：41m/s，44m/s，54m/s，61m/s。未采取抑爆措施的數(shù)據(jù)與采用粉體抑爆劑抑爆后的火焰速度見表1。

表1 火焰速度對比表

通過對比兩種工況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?jì)算得到加裝干粉抑爆帶情況下，火焰速度下降約37.4%。并通過火焰厚度可以得知在通過測點(diǎn)4后，火焰即將熄滅。在原管道中，發(fā)生瓦斯爆炸后火焰處于加速狀態(tài)將通過4個(gè)測點(diǎn)。采用干粉抑爆后，由于在爆炸波陣面后方的一定區(qū)段范圍內(nèi)，抑爆劑與瓦斯爆炸相互作用，兩相間發(fā)生動(dòng)量交換和能量傳遞以及相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)等，導(dǎo)致壓力波損失部分能量；而火焰速度在抑爆劑作用下逐漸減小，火焰面逐漸脫離壓力波陣面，二者的空間距離也隨之增大，火焰速度在失去了壓力波的壓縮效應(yīng)后進(jìn)一步降低，最后爆炸傳播在兩者的相互反饋中迅速衰減。一旦火焰和壓力波的幫合作用機(jī)制減小或者被破壞，火焰就不能有效的為壓力波的發(fā)展提供能量，而失去能量供給的壓力波通過湍流結(jié)構(gòu)和流場溫度，對火焰加速的作用也就變得微弱了。

3.2 爆炸壓力隨時(shí)間的變化

根據(jù)無抑爆管道從點(diǎn)火開始后，接近固壁端的壓力隨時(shí)間的變化可以看出，點(diǎn)火在140ms以后第1道壓縮波就到達(dá)了管道末端的壓力傳感器，隨后在火焰沒到來之前，又有一些壓縮波和經(jīng)過固壁反射的壓縮波經(jīng)過該測點(diǎn)，波系很復(fù)雜，在1.3s左右時(shí)壓力峰值達(dá)到了350kPa。如圖 3。

圖3 無抑爆管道壓力隨時(shí)間變化的曲線

圖4 抑爆管道壓力隨時(shí)間變化的曲線

圖4給出了采用干粉抑爆管道從點(diǎn)火開始后，接近固壁端的壓力隨時(shí)間的變化，可以看出，點(diǎn)火在140ms左右第1道壓縮波就到達(dá)了管道末端的壓力傳感器，初始?jí)毫Σ]有明顯變化，隨后在火焰到來之前，又有一系列的壓縮波和經(jīng)過固壁反射的壓縮波經(jīng)過該測點(diǎn)，波系很復(fù)雜，在1.4s左右時(shí)壓力峰值達(dá)到了160kPa，與沒有采用抑爆的管道相比，峰值大幅降低，且壓力的變化幅度趨于穩(wěn)定。

由于固壁反射的沖擊波與火焰陣面作用，增強(qiáng)了火焰陣面的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的火焰又產(chǎn)生了沖擊波，火焰和沖擊波相互耦合，形成正反饋，盡管火焰速度沒有大的提升，但是沖擊波的壓力逐漸升高，隨著火焰區(qū)往前傳播。

4 結(jié)語

（1）瓦斯爆炸的傳播初期，壓力波與火焰面二者存在相互重疊的部分。隨著傳播的進(jìn)行，兩個(gè)區(qū)域會(huì)逐漸脫離，爆炸波位于火焰面前方，其傳播速度明顯高于火焰，管道中二者的時(shí)間間隔與空間距離都逐漸増大。

（2）實(shí)驗(yàn)管道未加裝抑爆帶時(shí)發(fā)生瓦斯爆炸，沖擊波與火焰面的間距在傳播過程中呈現(xiàn)先減小、再增大，然后又減小的變化趨勢。加裝抑爆帶時(shí)，導(dǎo)致壓力波的能量部分損失，同時(shí)使火焰減速，逐漸増大與壓為波的間距，也使火焰失去了部分的點(diǎn)火能量，兩者相互反饋，火焰和壓力波的作用機(jī)制被減小或者破壞，爆炸的傳播迅速被抑制。

（3）ABC干粉抑爆劑的物理化學(xué)雙重抑制作用對中尺度管道內(nèi)低濃度瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч浅Ｃ黠@，在對火焰速度的影響上，抑爆粉劑對火焰的抑制存在一個(gè)區(qū)間和時(shí)間的過程，爆炸火焰在通過抑爆層后，需傳播一定的距離才能被完全撲滅。使用ABC抑爆劑時(shí)，較未使用時(shí)火焰速度的最大降幅可達(dá)40%，可以快速熄滅火焰；壓力較未使用時(shí)，峰值大幅降低，且變化的幅度趨于穩(wěn)定。