蔣新生， 謝 威， 魏樹旺， 徐建楠， 周 毅

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系，重慶 401311； 2.95809部隊(duì)，河北 滄州 061000)

現(xiàn)代石油化工行業(yè)的迅速發(fā)展，但是由于行業(yè)化工類產(chǎn)品的易燃易爆等性質(zhì)，導(dǎo)致其安全事故頻發(fā)，其中火災(zāi)爆炸事故的占比較大，同時(shí)往往產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p失和破壞后果，影響惡劣。因此，石油化工行業(yè)的安全建設(shè)和事故預(yù)防日益重要[1]。尤其是像輸油管道、排油溝、油庫呼吸管路[2]等此類狹長結(jié)構(gòu)的受限空間，一旦引發(fā)油氣爆炸，即使是弱點(diǎn)火能量，也將因?yàn)閷恿骰鹧娴募铀俸突鹧婷娴鸟薨櫠a(chǎn)生激波，使得層流火焰轉(zhuǎn)變成湍流火焰，最終形成爆轟，造成破壞，釀成大型油氣爆炸安全事故[3-4]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外專家針對甲烷[5]、氫氣[6-7]等單一可燃?xì)怏w與氧氣混合物以及瓦斯[8-9]等混合物在狹長受限空間條件下的爆炸及泄壓[10-12]的研究較多，而針對油氣一類的混合物的爆炸及泄壓研究并不廣泛。由于油氣混合物組分的復(fù)雜性及危險(xiǎn)性，一般采用模擬管道對狹長空間的油氣爆炸特性進(jìn)行研究[13-14]，而對產(chǎn)生爆轟的管道油氣爆炸強(qiáng)度規(guī)律研究則更少。

因此，為探究長距離狹長受限空間在有無泄壓條件下的油氣爆轟超壓及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，以實(shí)際油庫呼吸管路為背景，將23.3 m細(xì)長管路作為實(shí)驗(yàn)臺架，對細(xì)長管路的爆炸進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。并以文獻(xiàn)[13]中提及的油氣爆炸超壓最大體積分?jǐn)?shù)1.75%作為初始油氣體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)行密閉和泄壓管內(nèi)油氣爆炸兩組對比實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，為力求實(shí)驗(yàn)的可視化，采取在泄壓管道末端架設(shè)高速攝影儀的方式對油氣泄爆產(chǎn)生的火焰畫面進(jìn)行捕捉，以便分析在泄壓條件下產(chǎn)生的油氣爆轟火焰。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及關(guān)鍵現(xiàn)象的合理分析，研究密閉和泄壓條件下油氣爆轟波發(fā)展規(guī)律的區(qū)別，以期為石油安全工程及防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，依托于油庫呼吸管路系統(tǒng)，搭建了細(xì)長實(shí)驗(yàn)管道，由2根長管和5根短管組合而成，總長23.3 m，直徑150 mm，壁厚10 mm，這在。密閉工況下在管道末端用法蘭密封，有泄壓工況則采用薄膜替代法蘭作密封，一旦壓力上升到較大值，薄膜將被破壞形成泄壓條件。在做泄壓管道爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用FASTCAM-ultima512型高速攝影儀記錄噴出火焰情況，拍攝速度為1 000幀/秒。壓力傳感器量程為5 MPa。壓力傳感器、火焰速度傳感器、火焰強(qiáng)度傳感器以及點(diǎn)火器安裝位置已在圖中進(jìn)行了標(biāo)注，Pi表示i號壓力傳感器，Vi表示i號火焰速度傳感器，F(xiàn)i表示火焰強(qiáng)度傳感器。其中，P1-P6壓力傳感器分別距離點(diǎn)火端4.7 m，11.2 m，13.7 m，17.25 m，19.5 m，22.3 m，V1-V8火焰速度傳感器分別距離點(diǎn)火端1.5 m，3.2 m，6.2 m，9.2 m，12.2 m，14.2 m，16.75 m，20 m，F(xiàn)1和F2火焰強(qiáng)度傳感器分別距離點(diǎn)火端13.2 m和21.8 m。

圖1 實(shí)驗(yàn)管道示意圖Fig.1 Sketch map of experiment pipe

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用文獻(xiàn)[13]中的油氣爆炸超壓最大時(shí)的體積分?jǐn)?shù)1.75%作為初始油氣體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)行密閉管道和泄壓管道的油氣爆炸對比實(shí)驗(yàn)研究，點(diǎn)火能量為1.5 J，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。在實(shí)驗(yàn)之前，先對密閉管道的氣密性進(jìn)行檢驗(yàn)，通過真空泵的抽吸作用，使管道內(nèi)形成一定真空度，在一定時(shí)間內(nèi)壓力計(jì)測得壓力基本保持穩(wěn)定則說明管道的氣密性良好。然后，待管道的初始壓力恢復(fù)至1 bar后，利用配氣系統(tǒng)將油氣霧化蒸發(fā)后循環(huán)通入管道內(nèi)，直至油氣體積分?jǐn)?shù)測試儀的示數(shù)穩(wěn)定在1.75%，再進(jìn)行高能點(diǎn)火操作。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程利用高頻壓力傳感器采集管道內(nèi)的瞬態(tài)壓力值并記錄其超壓變化過程，以及火焰速度傳感器的數(shù)據(jù)求得各段的火焰?zhèn)鞑テ骄俣?，用火焰?qiáng)度傳感器來采集火焰的持續(xù)時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 超壓變化規(guī)律

經(jīng)三次實(shí)驗(yàn)測得管道各測點(diǎn)的最大爆炸超壓值的平均值，如表1所示。

表1 不同工況管道沿線最大超壓值

為更好分析管道的油氣爆燃轉(zhuǎn)爆轟超壓規(guī)律，對密閉和泄壓狀況下采集到的管道沿線的最大超壓值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合分析，得到了一個(gè)較好的擬合關(guān)系式。

密閉管道最大超壓沿程分布擬合函數(shù)為：

Pmax(x)=400+487.5x-108x2+7.5x3-0.15x4

泄壓管道最大超壓沿程分布擬合函數(shù)為：

分別對擬合出來的管道最大超壓沿程分布函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，得到密閉管道的一個(gè)極小值點(diǎn)出現(xiàn)在x=10.4 m處；而泄壓管道的一個(gè)極小值點(diǎn)出現(xiàn)在x=10.04 m處。依據(jù)擬合結(jié)果可以預(yù)測，不論密閉還是泄壓，在該長直管道中的爆炸距起爆點(diǎn)10～14 m為爆燃轉(zhuǎn)爆轟區(qū)間。將表1數(shù)據(jù)及擬合曲線繪制成圖，如圖2所示。

圖2 不同管道沿線最大超壓變化擬合曲線Fig.2 Fitting curves of maximum overpressure in different pipes

由圖2可以看出，管道不管是泄壓還是密閉，管道沿線的最大超壓值都達(dá)到3.4 MPa，但在起始階段的爆炸超壓值會有一個(gè)下降，其原因一方面是由于之前較高的前驅(qū)波壓力前鋒推動燃料向管道中后部運(yùn)動，增大了燃燒反應(yīng)的距離，使前半段油氣體積分?jǐn)?shù)有所降低，因此單位體積內(nèi)補(bǔ)充的能量相應(yīng)減少，從而出現(xiàn)最大超壓值隨傳播距離增大而下降的現(xiàn)象[15]；另一方面，起始階段距離較長，受管道鋼壁結(jié)構(gòu)限制及散熱抑制的影響，內(nèi)部產(chǎn)生的沖擊振蕩會部分抵消。

此外，從圖2中可以很明顯地看出，在長度達(dá)到11.2 m之前，最大爆炸超壓值基本在1 MPa以下，但是在此之后，最大爆炸超壓值發(fā)生突變，上升趨勢明顯，最大超過了3 MPa，此時(shí)已經(jīng)達(dá)到爆轟狀態(tài)。同時(shí)，還可以看出在11.2 m之前的起始階段，相同位置上有泄壓時(shí)的最大爆炸超壓要小于密閉管道，這是因?yàn)橛行箟汗艿乐斜óa(chǎn)生的壓力波將隨著管道開口端泄放到外部環(huán)境中，爆炸超壓變化曲線只是記錄了前驅(qū)沖擊波的經(jīng)過，而閉口管道由于存在反射波的往復(fù)振蕩疊加激勵效應(yīng)，因此最大超壓值將會大于開口管道相同位置上的最大超壓值。但是在11.2 m之后，泄壓管道超壓上升速率高于密閉管道，特別是在17.25 m的位置，開口管道最大超壓值達(dá)到3 414.02 kPa，而閉口管道相同位置的最大超壓值只有1 825.92 kPa，這是因?yàn)殚]口管道存在反射壓力波，對火焰?zhèn)鞑ピ斐勺铚饔?，延緩了爆轟波的形成，油氣燃燒提供給壓力波的能量小于開口管道，因此最大超壓上升趨勢明顯小于開口管道。但是，在靠近端部的19.5 m和22.3 m兩個(gè)位置，開口管道最大超壓值逐漸減小，而閉口管道逐漸增大，上升到3 638.96 kPa，這是因?yàn)檫@兩個(gè)位置靠近管道末端，開口管道對油氣爆炸產(chǎn)生的壓力波起到泄壓作用，因此最大超壓值有了明顯的下降趨勢，而閉口管道最大超壓值則持續(xù)增大。

當(dāng)密閉管道某一處被破壞產(chǎn)生泄壓時(shí)，管道內(nèi)的狀態(tài)將發(fā)生躍遷，處于圖2兩條擬合曲線的中間態(tài)?？梢钥闯?，破壞產(chǎn)生在兩曲線交叉點(diǎn)A之前時(shí)對管道爆炸的防護(hù)是有利的；破壞產(chǎn)生在交叉點(diǎn)A和B之間時(shí)，將導(dǎo)致管道爆炸的增強(qiáng)；破壞點(diǎn)在交叉點(diǎn)B之后時(shí)，就是所謂的末端泄放，雖然能夠達(dá)到最終降壓目的，但是其對體系的保護(hù)作用是后發(fā)性的，而且要求體系的整體承壓設(shè)計(jì)必須大于管道產(chǎn)生爆轟的最大超壓。

圖3 密閉和泄壓管道超壓變化曲線Fig.3 Changing curve of overpressure in closed and open pipes

為更好對比密閉和有泄壓兩種工況下管道超壓變化規(guī)律，選取管道末端17.25 m處P4壓力傳感器所測超壓變化曲線(圖3)進(jìn)行分析。

可以看出，在密閉工況下，超壓變化趨勢存在4個(gè)階段：點(diǎn)火延遲、前驅(qū)超壓、壓力波反射、振蕩衰減。油氣被點(diǎn)燃后，燃燒都比較緩慢，火焰以層流狀態(tài)進(jìn)行傳播，末端產(chǎn)生的超壓值很小，此為點(diǎn)火延遲階段；而當(dāng)前驅(qū)沖擊波到達(dá)壓力傳感器位置，爆炸超壓值迅速上升，過后爆炸超壓值迅速下降，此為前驅(qū)超壓階段；油氣爆炸產(chǎn)生的壓力波達(dá)到管道末端然后反射回來引起的爆炸超壓回升或者振蕩加強(qiáng)，此為壓力波反射階段；之后，可以很明顯地看出有兩組波峰，每一組就是正向和反向的壓力波，但是兩個(gè)方向的壓力波到達(dá)傳感器的時(shí)間間隔在延長，由2、3階段的7.7 ms延長到4階段的23.3 ms和28.5 ms，并且同一方向的壓力波到達(dá)傳感器的時(shí)間也在延長，同時(shí)超壓峰值也在降低，此時(shí)為振蕩衰減階段。

而在有泄壓的工況下，超壓變化趨勢分為：點(diǎn)火延遲、前驅(qū)超壓、負(fù)壓回流、平穩(wěn)恢復(fù)四個(gè)階段。由于沒有反射波的激勵作用，所以不僅管道初始階段的最大爆炸超壓值小于密閉管道，升壓反應(yīng)時(shí)間也會滯后于密閉管道，從而點(diǎn)火延遲階段的時(shí)間要長一些, 如表2。對于有泄壓的前驅(qū)超壓階段，前驅(qū)沖擊波到達(dá)壓力傳感器位置，爆炸超壓值迅速上升，達(dá)到了3 414.02 kPa，并且上升速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閉口管道，已經(jīng)處于爆轟階段，其持續(xù)時(shí)間比密閉管道要短。而且不同于密閉管道，由于管道末端開口，油氣爆炸產(chǎn)生的壓力波會通過末端進(jìn)入到外界開敞空間，噴出時(shí)會產(chǎn)生膨脹波，膨脹波回流經(jīng)過壓力傳感器時(shí)會產(chǎn)生一定強(qiáng)度的負(fù)壓。而且由于管道末端開口，所以不會產(chǎn)生壓力波往復(fù)振蕩衰減的現(xiàn)象，而是由負(fù)壓逐漸平穩(wěn)恢復(fù)到外界大氣壓。

表2 不同工況管道各階段的持續(xù)時(shí)間

2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律

圖4為三次實(shí)驗(yàn)不同管道火焰?zhèn)鞑ニ俣入S距離的變化關(guān)系擬合曲線圖。可以看出，由于管道中的波前未燃?xì)怏w已經(jīng)經(jīng)過壓縮，點(diǎn)燃后產(chǎn)生很大的能量，管道中的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嘣龃螅c此同時(shí)，管道長度的增加也使得火焰不斷加速，最終壓力波和火焰陣面重合，發(fā)展為爆轟。對比兩種工況，油氣爆炸超壓在管道前段基本趨于一致，但是隨著距離的增加，密閉管道后段的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@小于泄壓管道，這是因?yàn)槊荛]管道的后段由于密閉而形成的反射壓力波對火焰陣面推進(jìn)的阻礙作用越來越明顯，影響了火焰陣面與前驅(qū)沖擊波的重合，所以達(dá)到爆轟的時(shí)間要晚于泄壓管道，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮谙嗤恢玫拈_口管道。

圖4 不同管道火焰?zhèn)鞑ニ俣葦M合曲線及表達(dá)式Fig.4 Fitting curves and expressions of flamepropagation in different pipes

2.3 火焰強(qiáng)度變化規(guī)律

圖5為三個(gè)管道不同位置火焰強(qiáng)度傳感器采集的火焰強(qiáng)度變化曲線，為將圖上數(shù)據(jù)清晰呈現(xiàn)，將其重要參數(shù)匯總在表3，其中耗時(shí)指的是火焰從F1傳至F2所需的時(shí)間。

圖5 不同管道不同位置火焰強(qiáng)度變化曲線Fig.5 Changing curve of flame intensity in differentpositions of different pipes

傳感器火焰強(qiáng)度/mV火焰持續(xù)時(shí)間/s到達(dá)時(shí)刻/s耗時(shí)/s密閉管道F11 235.700.0380.166密閉管道F21 473.130.0090.1790.013泄壓管道F11 518.730.0280.176泄壓管道F21 477.580.0060.1830.007

由表3可以看出，隨著火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的增大，管道火焰強(qiáng)度從1 235.70 mV增大到1 473.13 mV，而泄壓管道的火焰強(qiáng)度從1 518.73 mV減小到1 477.58 mV，這與圖3爆炸超壓變化趨勢相一致，說明了火焰陣面與壓力波的相互作用。此外，由火焰強(qiáng)度的波動和持續(xù)情況，也表明了該位置火焰形態(tài)變化是否劇烈，由圖5可以看出，F(xiàn)1處的火焰變化比F2劇烈，密閉管道比泄壓管道劇烈。

火焰持續(xù)時(shí)間也能看出火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊南鄬Υ笮?，兩種管道中F2的火焰持續(xù)時(shí)間均小于F1，說明火焰?zhèn)鞑ニ俣仍谠龃?，而且有泄壓管道的火焰持續(xù)時(shí)間均小于密閉管道，說明泄壓管道火焰?zhèn)鞑ニ俣染笥谙嗤恢蒙系拈]口管道；此外，密閉管道中火焰從F1傳播到F2耗時(shí)0.013 s，而泄壓管道僅用時(shí)0.007 s，也說明了這個(gè)問題。

2.4 泄壓管道的可視化研究

由于管道爆轟產(chǎn)生的超壓較大，出于對安全的考慮，沒有設(shè)置透明管段，所以只能在泄壓管道末端利用高速攝影儀進(jìn)行火焰拍攝來實(shí)現(xiàn)細(xì)長管道油氣爆炸泄爆實(shí)驗(yàn)的可視化研究。本實(shí)驗(yàn)開口部分點(diǎn)火前用鋁箔紙封口進(jìn)行油氣循環(huán)，采用高速攝影儀對管道開口部分影像進(jìn)行采集，采集頻率為1 000幀/秒。

為將所拍攝圖片的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與壓力變化時(shí)間相對應(yīng)，截取泄壓工況下末端P6壓力傳感器壓力躍升(0.181 s)前(圖3)的一段曲線，如圖7所示。

在圖6中可以很明顯地看到爆炸超壓變化曲線存在2個(gè)壓力波峰，第1個(gè)波峰是由于管道中油氣不斷燃燒爆炸產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波而持續(xù)上升，而導(dǎo)致下降的原因是在壓力作用下鋁箔紙被破壞導(dǎo)致了壓力泄放，第2個(gè)波峰則是反射波，所以可以判斷破膜時(shí)間為第1個(gè)波峰時(shí)間，為0.106 s。

圖6 P6爆炸超壓部分變化曲線Fig.6 Part changing curve of overpressure of P6

圖7 部分高速攝影儀圖片F(xiàn)ig.7 Part of pictures photographed by high speed camera

圖7為高速攝影儀拍攝的開口管道油氣爆炸的部分圖片。鋁箔膜在0.106 s在初始微弱前驅(qū)沖擊波的作用下破裂；而后在0.184 s開始有火焰噴出；在0.189 s時(shí)火焰完全噴出，經(jīng)測量，火焰長度為3 m左右，火焰呈橢球型，寬度為1.5 m左右，大部分火焰區(qū)域?yàn)楦吡涟咨?，此時(shí)氧氣充足，油氣完全劇烈燃燒；在0.196 s時(shí)火焰基本噴射完畢，此時(shí)火焰為橙紅色，這是因?yàn)榫植垦鯕獠蛔?，油氣未能完全燃燒。在圖7中可以看出，之前先行破裂噴出的鋁箔膜被高速高壓的爆轟波追趕并被沖擊粉碎，從火焰噴出到熄滅的整個(gè)過程僅持續(xù)90 ms，可見呼吸管路油氣爆炸在形成爆轟之后的火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，爆炸超壓值較高，具有很強(qiáng)的破壞力。若在泄壓后方存在發(fā)生二次爆炸或者重新起燃的條件，則將引發(fā)新一輪的破壞，因此，需要對存在泄壓口、通風(fēng)口等管道出口處設(shè)置一定安全泄放距離，最低應(yīng)不得少于3 m。

3 結(jié) 論

本文以實(shí)際油庫呼吸管路為背景，利用23.3 m細(xì)長管道實(shí)驗(yàn)臺架在密閉和泄壓條件進(jìn)行了油氣爆炸模擬對比實(shí)驗(yàn)，并分析和擬合了兩種工況下的細(xì)長管道油氣爆炸超壓和火焰速度發(fā)展規(guī)律，對泄壓條件下的泄爆口火焰進(jìn)行了可視化研究。

研究結(jié)果表明：

(1)密閉和泄壓兩種工況下的細(xì)長直管道發(fā)生爆轟時(shí)，最大超壓值都在3 MPa以上，甚至有繼續(xù)增大的趨勢。密閉管道的沿程最大超壓先略有下降，后持續(xù)快速上升，其壓力變化趨勢分為點(diǎn)火延遲、前驅(qū)超壓、壓力波反射、振蕩衰減四個(gè)階段；泄壓管道的沿程最大超壓先略有下降，后快速上升再下降，最大超壓產(chǎn)生距末端的一定距離處，其超壓變化趨勢分為點(diǎn)火延遲、前驅(qū)超壓、負(fù)壓回流、平穩(wěn)恢復(fù)四個(gè)階段。在起始階段的爆炸超壓值，兩種工況都會有一個(gè)下降過程，且泄壓管道發(fā)生爆轟的時(shí)間早于密閉管道。

(2)不管是泄壓還是密閉管道，管道長度的增加使火焰不斷加速，最終導(dǎo)致爆燃轉(zhuǎn)爆轟。在該細(xì)長管道中，距起爆點(diǎn)10 m～14 m為爆燃轉(zhuǎn)爆轟區(qū)間，對設(shè)置合理的泄放位置具有參考意義。一旦管道的弱約束處被破壞產(chǎn)生泄壓，則將使火焰進(jìn)一步加速，爆燃賺爆轟的過程將提前。不同長度管道所處的超壓狀態(tài)依據(jù)破壞點(diǎn)所處的位置而定，本文僅考慮了單個(gè)泄壓點(diǎn)的狀況，多個(gè)破壞點(diǎn)及不同破壞程度等情況的具體規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

(3)火焰?zhèn)鞑ニ俣葟陌l(fā)生爆轟后開始急劇增大，而且泄壓管道的增大速率比密閉管道更大。泄壓條件下的油氣爆炸管口噴射火焰長約3 m，寬約1.5 m，呈橢球型，對實(shí)際工程中的泄壓安全距離具有參考價(jià)值，避免發(fā)生二次破壞。