高建豐，何笑冬，周韶彤

(1.浙江海洋大學(xué) 石化與能源工程學(xué)院 ，浙江 舟山 316022； 2.臨港石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 ，浙江 舟山 316022)

0 引言

油氣管道總里程數(shù)是評(píng)價(jià)各國油氣發(fā)展現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)之一，據(jù)估計(jì)中國目前已經(jīng)建成和計(jì)劃再建的管道里程數(shù)將達(dá)到16萬km[1-2]。隨著油氣需求的增加與管道大量參與運(yùn)輸工作，油氣管道發(fā)生的危害次數(shù)不斷增多。由于長距離油氣管道的封閉性，在管道內(nèi)極易產(chǎn)生易燃易爆的危害氣體，一旦受到外部危害因素影響，若在管道內(nèi)產(chǎn)生誘發(fā)點(diǎn)燃可燃?xì)怏w的火源，很有可能在密閉管道內(nèi)發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重的管道事故[3-5]。如“8·12”莫斯科輸油管道爆炸事件，由于管道長久失修造成人員傷亡[6]。油氣是國家的戰(zhàn)略物資，研究油氣管道爆炸特性與抑爆技術(shù)對(duì)預(yù)防油氣管道爆炸具有一定的參考價(jià)值。

杜楊、蔣新生等[7-12]以汽油為工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)測得了汽油的爆炸特性并通過數(shù)值模擬的方法得以證實(shí)；劉振翼、張璇等[13-14]研究了溫度對(duì)爆炸極限的影響，但是沒有測出具體的爆炸壓力數(shù)值；蒯念生等[15]研究了不同點(diǎn)火能量的爆炸實(shí)驗(yàn)，得出點(diǎn)火能量越大，爆炸所需時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短；吳松林、王世茂等[16-18]通過建立管道泄漏模型，得出了在開口狀態(tài)下油氣爆炸壓力的變化；曲志明等[19]研究了可燃?xì)怏w爆炸實(shí)驗(yàn)，得出了可燃?xì)怏w爆炸的壓力峰值，但對(duì)惰性氣體抑制爆炸研究還沒有深入。綜合近年來國內(nèi)外對(duì)管道油氣爆炸研究發(fā)現(xiàn)，大多研究以替代原料(甲烷等)研究油氣爆炸，對(duì)原油油氣管道爆炸研究較少。通過實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合理論分析的方法，模擬油氣管道爆炸實(shí)驗(yàn)測得爆炸壓力與火焰?zhèn)鞑ニ俣?，分析得出爆炸極限與壓力上升速率等參數(shù)，同時(shí)研究充入氮?dú)鈱?duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的影響。

1 氮?dú)庖种圃陀蜌獗▽?shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分為實(shí)驗(yàn)裝置與信息收集裝置。具體實(shí)驗(yàn)裝置與布置見圖1。

1.油汾鍋；2.攪拌泵；3.管道；4.點(diǎn)火桿；5.高能點(diǎn)火器；6.壓力傳感器；7.火焰?zhèn)鞲衅鳎?.數(shù)據(jù)采集器；9.計(jì)算機(jī)；10.氮?dú)馄浚?1.流量計(jì)。圖1 油氣管道爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Oil and gas pipeline explosion experimental system diagram

1.2 狹長管道爆炸裝置

實(shí)驗(yàn)在6.2 m的無縫鋼管實(shí)驗(yàn)管道進(jìn)行，管道留有傳感器預(yù)留孔，具體位置見表1所示。點(diǎn)火系統(tǒng)采用電容器充電放電式可調(diào)式高能點(diǎn)火器(KTGD-B型，能量級(jí)為0～22.5 J)；攪拌系統(tǒng)由加熱裝置和攪拌罐2部分組成，加熱裝置采用GSC-20C恒溫循環(huán)槽；泰斯特動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)(TST6400，采集頻率每通道采樣率20 Msps)，高精度數(shù)字式壓力傳感器(CY301，量程為0～5 MPa)，檢測儀器(POT400-IR-Ex)。圖2為狹長管道爆炸裝置。

圖2 狹長管道爆炸裝置Fig.2 Explosive device for narrow pipes

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓的外界環(huán)境下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程按照如下步驟進(jìn)行：

1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)試與配氣，校準(zhǔn)及檢查裝置密閉性，利用油氣濃度檢測儀檢測實(shí)驗(yàn)所需氣體濃度；

2)點(diǎn)火階段，進(jìn)行能量為20 J點(diǎn)火引爆(出現(xiàn)爆炸反應(yīng)則進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)，若管道壓力未達(dá)到升高7%以上時(shí)可再進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，5次都沒有壓力的明顯變化則判定為油氣濃度未達(dá)到爆炸要求)；

3)實(shí)驗(yàn)爆炸數(shù)值采集階段，通過smartsenor軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步成像與提取；

4)廢氣排盡后再進(jìn)行不同濃度油氣爆炸實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 油氣濃度對(duì)爆炸最大壓力的影響

依據(jù)點(diǎn)火階段管道油氣是否爆炸，采用漸近法用較小的濃度變化尋找油氣爆炸極限區(qū)間?？梢詼y得在油氣濃度為4.32%～14.25%時(shí)，管道內(nèi)油氣爆炸壓力數(shù)值變化較明顯。具體壓力數(shù)值見表2。

表1 監(jiān)測點(diǎn)位置Table 1 Monitoring points position m

2.2 氮?dú)庖种圃陀蜌獗▽?shí)驗(yàn)

2.2.1 氮?dú)鈱?duì)油氣爆炸極限的影響

原油管道爆炸應(yīng)該具備油氣與氧氣在滿足引發(fā)爆炸的條件(爆炸極限)下出現(xiàn)，目前研究抑制原油管道爆炸應(yīng)從爆炸時(shí)化學(xué)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與削弱爆炸過程中熱量集聚的2個(gè)方面考慮。在爆炸區(qū)間內(nèi)分別充入濃度為0%～ 30%的不同濃度的氮?dú)?，研究氮?dú)鉂舛鹊淖兓瘜?duì)管道油氣爆炸的抑制作用，具體見圖3所示。

實(shí)驗(yàn)中所分析的原油管道爆炸極限區(qū)間是評(píng)判氮?dú)鈱?duì)原油管道爆炸具備抑制作用的實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)。結(jié)合表1與圖3可知，當(dāng)充入氮?dú)鉂舛壬儆?%時(shí)，爆炸區(qū)間變化不明顯；在氮?dú)鉂舛仍?%～10%時(shí)爆炸區(qū)間縮減最明顯，且隨氮?dú)鉂舛鹊脑黾?，爆炸上限較爆炸下限變化更快；氮?dú)鉂舛却笥?7%以后，爆炸上限與下限幾乎重合，很難發(fā)生油氣爆炸。原油管道的氮?dú)夂克俭w積分?jǐn)?shù)越高時(shí)，發(fā)生爆炸的油氣濃度所需要的范圍越窄，當(dāng)?shù)獨(dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)大于27%時(shí)管道內(nèi)未出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論分析的結(jié)果。

表2 管道內(nèi)部最大壓力值Table 2 Maximum pressure inside the pipe kPa

圖3 N2對(duì)油氣爆炸極限的影響Fig.3 Curve of the effect of N2 on the explosion limit of oil and gas

2.2.2 氮?dú)鈱?duì)油氣爆炸壓力的抑制作用

對(duì)原油管道采取充入氮?dú)獾闹饕康脑谟谝种乒艿腊l(fā)生爆炸時(shí)破壞力，其原理一方面是減少助燃?xì)怏w(氧氣)，另一方面是減弱爆炸時(shí)的化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，研究爆炸時(shí)壓力數(shù)據(jù)是體現(xiàn)爆炸威力的直接實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)。選取6組不同油氣濃度向管道裝置內(nèi)通入5種不同體積分?jǐn)?shù)的氮?dú)?，?shí)驗(yàn)管道具體爆炸壓力見圖4與圖5。

隨著氮?dú)獬淙肓坎粩嘣黾?，油氣濃度越高的爆炸壓力下降幅度較油氣濃度低的更大，氮?dú)獾囊种票ǖ男Ч矫黠@。由圖5發(fā)現(xiàn)氮?dú)鉂舛鹊脑黾硬粌H降低了爆炸壓力上升的速率，同時(shí)延長了爆炸壓力達(dá)到峰值的時(shí)間，且爆炸壓力降幅更明顯，這是因?yàn)橛蜌鉂舛容^高時(shí)，發(fā)生爆炸所需氧氣量更多，當(dāng)管道充入足量氮?dú)饽軌蚺懦艿纼?nèi)的氧氣，濃度越高的油氣濃度發(fā)生爆炸的峰值下降的越明顯。實(shí)驗(yàn)中隨著管道內(nèi)充入氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)不斷上升，管道內(nèi)的氧氣不斷被充入的氮?dú)馑脫Q，減少了管道內(nèi)油氣分子與氧分子的直接接觸，使本應(yīng)該非常活躍的活化分子失去能量來源，減弱爆炸所產(chǎn)生的的壓力大小。

圖4 不同油氣體積分?jǐn)?shù)隨N2增加的上升段爆炸壓力變化曲線Fig.4 Explosion pressure curve of different oil and gas volume fractions with increasing N2

圖5 不同N2濃度下油氣的最大爆炸壓力變化與上升速率曲線Fig.5 Curve of maximum explosion pressure and rising rate of oil and gas under different N2 concentrations

2.2.3 氮?dú)鈱?duì)火焰?zhèn)鞑ニ俾实囊种谱饔?/p>

影響管道內(nèi)發(fā)生爆炸的另一個(gè)因素是管道爆炸時(shí)能量的積累，管道內(nèi)能量積累速率越快，產(chǎn)生的爆炸威力越大，因此研究原油管道發(fā)生爆炸時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俾誓荛g接評(píng)判氮?dú)獾囊直饔谩榱烁玫赜^察氮?dú)鈱?duì)油氣爆炸的抑制機(jī)理，實(shí)驗(yàn)選取了爆炸壓力最大峰值的濃度與前后2組油氣濃度展開了氮?dú)鈱?duì)管道內(nèi)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶?shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

將不同監(jiān)測點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據(jù)擬合為曲線，以便更直觀地觀察不同監(jiān)測點(diǎn)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?，由圖6可知，管道內(nèi)充入氮?dú)饽苡行У匾种票〞r(shí)火焰?zhèn)鞑サ乃俣?，氮?dú)鉂舛仍礁弑ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣人苡绊懺酱螅以趯?shí)驗(yàn)管段的1.45，3.15和4.85 m距離處爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣纫脖幌鄳?yīng)減弱。結(jié)合圖3與圖4,可知隨氮?dú)獬淙肓坎粩嘣黾樱O限范圍不斷縮短，與此對(duì)應(yīng)，圖6(d)在所測爆炸時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臄?shù)據(jù)越少，直至所測速度為常量(即管道內(nèi)幾乎無爆炸發(fā)生，傳播速度不變)，火焰的平均傳播速率有所減弱，例如在9.23%油氣濃度時(shí)不同氮?dú)鉂舛认碌幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣确謩e為46.54，40.53和14.12 m/s，爆炸傳播速度降幅較大。因此，在原油管道內(nèi)充入氮?dú)饽苡行p弱爆炸所產(chǎn)生的沖擊對(duì)管壁的的破壞。充入的氮?dú)獠粌H將爆炸時(shí)化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中所產(chǎn)生的活化基失去活性，還同時(shí)吸收了管道內(nèi)大量積累的能量，減弱了火焰的傳播速度。

圖6 油氣濃度為8.30%，9.23%和10.21%時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰?zhèn)鞑テ骄俣茸兓€Fig.6 Flame propagation speed at 8.30%, 9.23% and 10.21% and average speed of flame propagation

3 結(jié)論

1)常溫常壓下測得在油氣濃度為4.32%～14.25%時(shí)，管道內(nèi)油氣爆炸壓力數(shù)值變化較明顯，即此區(qū)間為實(shí)驗(yàn)管道油氣爆炸極限區(qū)間。在低油氣濃度的爆炸區(qū)間內(nèi)，相近油氣濃度的爆炸壓力等爆炸特性上升較快，高濃度的爆炸區(qū)間內(nèi)，變化較緩慢，在9.23%的油氣濃度時(shí)爆炸特性變化最明顯。

2)在氮?dú)鉂舛仍?%～30%時(shí)爆炸區(qū)間范圍不斷縮減，且隨氮?dú)鉂舛鹊脑黾?，爆炸上限較爆炸下限變化更快，當(dāng)充入的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)大于27%時(shí)爆炸上限與下限接近重合，化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的活化分子失去能量來源，達(dá)到了氮?dú)庖种乒艿烙蜌獗ǖ男Ч?/p>

3)隨著氮?dú)獬淙肓坎粩嘣黾?，油氣濃度高的爆炸壓力下降幅度較油氣濃度低的更大，氮?dú)獾囊种票ǖ男Ч矫黠@。管道內(nèi)充入氮?dú)饽苡行У匾种票〞r(shí)火焰?zhèn)鞑サ乃俣?，氮?dú)鉂舛仍礁弑ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣人苡绊懺酱螅艿纼?nèi)能量聚集越困難，且在實(shí)驗(yàn)的不同管段距離點(diǎn)火處爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣纫脖幌鄳?yīng)的減弱。