閆興清，周一卉，王祎博，于佳慧，廖麗琪

(大連理工大學 化工機械與安全學院,遼寧 大連 116024)

可爆粉塵廣泛存在于化工、紡織、藥物、糧食、塑料、采礦、金屬等行業(yè),工業(yè)粉塵爆炸潛在風險大[1]。國內(nèi)十二五期間發(fā)生的數(shù)起重特大粉塵爆炸事故[2],不僅造成巨大傷亡和財產(chǎn)損失,更對社會穩(wěn)定造成惡劣影響。粉塵爆炸事故多發(fā)性和災(zāi)害性促使世界各國對粉塵爆炸現(xiàn)象開展廣泛研究[3-4]。國內(nèi)各高校安全工程專業(yè)也相繼將粉塵爆炸實驗列為專業(yè)實驗,以培養(yǎng)理解粉塵爆炸及其防治的安全技術(shù)及管理人才[5]。

調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)各高校及科研機構(gòu)常用的粉塵爆炸實驗裝置一般分兩類:測量粉塵爆炸強度的鋼制密閉承壓裝置,如標準20 L球[6]；研究粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ目梢曂该鞒谘b置,如1.2 L哈特曼管[7]。前者可測量粉塵爆炸超壓,但因容器不可視,故無法精準獲取火焰形貌；后者可記錄火焰形貌,但因容器不承壓,故無法獲得爆炸超壓。從科研的角度考慮,由于粉塵爆炸現(xiàn)象通常是壓力與火焰?zhèn)鞑サ鸟詈线^程,因此,同步獲取密閉空間內(nèi)粉塵爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑バ袨?必將是以后關(guān)注的方向；從教學的角度考慮,一套兼具爆炸壓力和火焰形貌測量的小規(guī)模粉塵爆炸實驗裝置,將有助于學生對粉塵爆炸現(xiàn)象以及粉塵爆炸災(zāi)害的理解。因此,對兼具可視、承壓功能的小規(guī)模粉塵爆炸實驗裝置有需求。

目前,基于專業(yè)內(nèi)容和實際需求自主搭建實驗平臺,是高校培養(yǎng)學生應(yīng)用實踐能力,提高科研水平的有效途徑[8-10]?；谏鲜霰尘?本文在參考現(xiàn)有1.2 L可視、非承壓哈特曼管裝置的基礎(chǔ)上,設(shè)計搭建了可視、承壓的1.2 L粉塵爆炸實驗裝置,詳細描述了裝置流程、結(jié)構(gòu)及特色,并介紹了裝置在大連理工大學的應(yīng)用情況。

1 實驗裝置設(shè)計

1.1 需解決的關(guān)鍵問題

擬設(shè)計實驗裝置的關(guān)鍵部件是可視及承壓的爆炸容器。從適用于教學的角度考慮,爆炸容器的規(guī)模不應(yīng)太大,否則實驗較危險且操作不便。參考現(xiàn)有的三種粉塵爆炸標準實驗裝置即1.2 L哈特曼管、20 L球以及1 m3柱形容器的使用情況,1.2 L哈特曼管無論從可操作性還是實用性上均較好,因此,擬設(shè)計爆炸容器的幾何尺寸參考1.2 L哈特曼管。

爆炸容器的可視化可以通過采用石英玻璃材料實現(xiàn)。然而,要想在標準1.2 L哈特曼管的基礎(chǔ)上實現(xiàn)石英玻璃爆炸容器的承壓需求,需要考慮如下兩個問題。

1)標準1.2 L哈特曼管因無承壓需求,故在柱形玻璃容器上開設(shè)了兩個點火電極孔。擬設(shè)計的石英玻璃爆炸容器雖然通過調(diào)整壁厚能夠承壓,但不允許在壁面開孔,故需要考慮點火電極的布置問題。

2)標準1.2 L哈特曼管為敞口實驗,不需要考慮容器的密封問題。擬設(shè)計石英玻璃爆炸容器因密閉以及承壓需要,必須考慮密封問題。

因此,石英玻璃爆炸容器的設(shè)計,是需要解決的關(guān)鍵問題。

1.2 爆炸容器設(shè)計

基于上述問題設(shè)計了如圖1所示的爆炸容器。材料選用柱形石英玻璃,內(nèi)徑70 mm、高300 mm、壁厚10 mm、容積約1.2 L。在此規(guī)格下石英玻璃可承壓1 MPa(廠家提供數(shù)據(jù)),高于粉塵的爆炸超壓。為了解決密封問題,在石英玻璃筒體上、下兩端設(shè)計了鋼制法蘭蓋。法蘭蓋內(nèi)有凹槽,內(nèi)置橡膠墊。上、下兩端的法蘭蓋通過支撐螺柱和螺栓相連。擰緊螺栓時,石英玻璃筒壁接觸橡膠墊,在螺栓載荷下壓緊墊片實現(xiàn)密封。為了解決石英玻璃壁面無法開孔安裝點火電極的問題,將點火電極焊接在底部法蘭中部蘑菇狀噴嘴的兩側(cè)。頂部法蘭焊接接管,接管上布置壓力傳感器、設(shè)計爆破壓力為1 MPa的爆破片并連接真空泵。通過上述設(shè)計,實現(xiàn)了爆炸容器的可視、承壓功能。

圖1 爆炸容器設(shè)計示意圖

1.3 整體流程及零部件設(shè)計

搭建的實驗裝置整體流程和實物分別如圖2和圖3所示,主要由爆炸容器、點火系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等零部件組成。點火系統(tǒng)由點火電極和脈沖點火器組成。點火器脈沖電壓為15 kV。噴粉系統(tǒng)由真空泵、壓縮空氣氣瓶、儲氣罐以及電磁閥組成。實驗前粉塵置于下法蘭上噴嘴兩側(cè)；組裝容器后向儲氣罐中充入一定壓力的預(yù)混氣體；然后打開電磁閥,儲氣罐內(nèi)氣體通過蘑菇狀噴嘴進入爆炸容器,并將鋪設(shè)在下法蘭的粉塵揚起,實現(xiàn)快速噴粉。實驗過程中需要采集爆炸容器內(nèi)壓力與火焰。火焰由Photron Fastcam SA-4高速攝影機采集；壓力由MD-HF高頻壓力變送器記錄,并經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機中。設(shè)計開發(fā)了試驗裝置的控制系統(tǒng),用于控制電磁閥啟閉、點火電極放電、壓力信號采集,以及調(diào)整噴粉壓力、點火延遲時間、點火電極放電時間、數(shù)據(jù)采集時間等參數(shù)。

圖2 實驗裝置流程圖

圖3 實驗裝置實物圖

2 裝置可靠性測試及應(yīng)用

2.1 承壓及可視性能測試

實驗裝置搭建完畢后,首先對裝置的承壓及可視特性的可靠性進行了驗證。對該裝置開展了水壓實驗,水壓實驗壓力達到1 MPa,爆炸容器無滲漏及顯著變形。其次,開展了密閉容器內(nèi)不同濃度石松子粉塵的爆炸實驗,超壓曲線如圖4所示,發(fā)現(xiàn)最大爆炸超壓接近0.5 MPa時爆炸容器未見任何損壞。

實驗記錄得到的石松子粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)如圖5所示,可見通過高速攝像能夠清晰捕捉火焰的傳播行為,裝置的可視性能滿足要求。

圖4 爆炸超壓示意圖(噴粉壓力0.2 MPa,點火延遲時間60 ms)

圖5 密閉容器內(nèi)石松子粉塵爆炸火焰行為(噴粉壓力0.2 MPa,點火延遲時間60 ms)

2.2 實驗裝置特點

搭建的實驗裝置具有如下4個特點。

1)采用較少的耗材及費用實現(xiàn)了兼具承壓、可視需求的爆炸容器設(shè)計。這種設(shè)計方法對具有類似需求的實驗平臺搭建具有參考意義。

2)實驗裝置自動化程度高,電磁閥啟閉、噴粉、點火、采集采用一鍵式操作,且參數(shù)可預(yù)設(shè)、可調(diào)整。

3)實驗裝置多重安全保障。硬件上在保證設(shè)計強度的基礎(chǔ)上安裝了爆破片,軟件上設(shè)置延時啟動功能,方便操作人員撤離現(xiàn)場,確保操作人員人身安全。

4)裝置易擴展,便于復(fù)雜工況研究。例如,在實際操作時,若不安裝上法蘭蓋,而安裝一個與爆炸容器相配的鋼環(huán),則可實現(xiàn)一端密閉、一端開口的受限空間內(nèi)粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨閷嶒?實驗形貌如圖6所示。

圖6 受限空間石松子粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑?噴粉壓力0.2 MPa,點火延遲時間60 ms)

2.3 裝置應(yīng)用情況

1)開設(shè)安全工程類專業(yè)本科生教學實驗。

基于本實驗裝置,為大連理工大學安全工程類專業(yè)本科生開設(shè)了“粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨椤睂嶒灐Ｓ捎诒緦嶒灳哂虚_放型、綜合型特征,同時,能夠?qū)⒑苡嘘P(guān)注度的粉塵爆炸現(xiàn)象用可視方法記錄,基于實驗結(jié)果理解其超壓災(zāi)害及火焰形貌,因此,相比其他諸如可燃液體閃點測定、可燃氣體爆炸極限測定、粉塵爆炸強度測定等實驗,本實驗更受到學生的普遍歡迎。

作為教學實驗,本實驗還有一個優(yōu)點,即測量得到的火焰?zhèn)鞑バ蚊?并沒有標準的描述方式。因此,在實驗報告撰寫過程中,學生需要查取相應(yīng)文獻資料,一定程度上鍛煉了學生的資料查閱、信息搜集等能力。

2)為大學生創(chuàng)新訓(xùn)練項目、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)提供實驗平臺。

基于本實驗裝置,在大學生創(chuàng)新訓(xùn)練項目以及畢業(yè)論文等教學實踐環(huán)節(jié)上,開設(shè)了若干題目供學生選擇。由于本裝置結(jié)構(gòu)小巧、操作方便,同時研究內(nèi)容新穎、明確,因此學生在使用本裝置開展這些教學實踐活動時,取得了較好效果。

3)用于開展密閉及受限空間內(nèi)粉塵爆炸機理相關(guān)項目研究。

爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ヒ恢笔潜▽W的經(jīng)典科學問題[11-12]。一方面,研究爆炸壓力強度及作用機制,對災(zāi)害評估具有重要意義；另一方面,研究火焰?zhèn)鞑C理,可為爆炸事故的發(fā)生、演化提供理論基礎(chǔ)。由于粉塵爆炸為異相體系,涵蓋粒子受熱、熱解氣化、混合、點燃、反應(yīng)等復(fù)雜現(xiàn)象,且受眾多參數(shù)影響,因此研究者對粉塵爆炸機理的理解還比較欠缺。本裝置在設(shè)計時,將多種影響粉塵爆炸的參數(shù)如噴粉壓力、點火延遲時間等均實現(xiàn)了方便地調(diào)整,能夠用于開展粉塵爆炸理論的初步探索。目前,本裝置已在兩個國家自然科學基金項目(51604057、51574056)研究上得到應(yīng)用。

4)為參加大學生過程裝備實踐與創(chuàng)新大賽、安全科學與工程大學生實踐與創(chuàng)新作品大賽提供了平臺。

某本科團隊以本實驗裝置的設(shè)計為題,參加了第七屆全國大學生過程裝備實踐與創(chuàng)新大賽,獲得三等獎。本平臺為本科生參加各種競賽提供了研究機會,為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了思路。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計搭建了一套耐壓、可視的小型多功能粉塵爆炸實驗裝置,實現(xiàn)了密閉容器內(nèi)粉塵爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑バ袨榈臏y量。裝置由爆炸容器、點火系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等零部件組成。實驗裝置自動化程度高、安全性能好、功能容易擴展。裝置已應(yīng)用于大連理工大學安全工程類專業(yè)本科教學實驗、大學生創(chuàng)新訓(xùn)練項目、畢業(yè)論文以及科研項目研究、創(chuàng)新實踐大賽等場合,使用效果良好。本文工作為類似實驗裝置的開發(fā)提供了參考。