王亞軍，蔣曙光，王 磊，邵 昊，吳征艷，王 凱

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022; 3.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001; 4.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

氣體爆炸是工業(yè)領(lǐng)域常見的事故類型之一，尤其是以甲烷爆炸為代表的烷烴類氣體爆炸最為嚴(yán)重。隨著我國煤礦瓦斯抽采率的逐漸提高，瓦斯調(diào)壓及儲(chǔ)存氣罐逐年增多。此外，我國的LNG、CNG使用率也逐年快速增長，儲(chǔ)存和輸運(yùn)天然氣的罐體和長輸管道也越來越大型化。一旦這些罐體和長輸管道在檢修過程中違章動(dòng)火極易造成爆炸。而在爆炸過程中，由于設(shè)備的腐蝕、閥門、安全附件失效等原因，這些部位較罐體本身強(qiáng)度有較大幅度下降，因此形成弱面結(jié)構(gòu)，在發(fā)生爆炸時(shí)在這些弱面結(jié)構(gòu)造成泄爆燃燒。在之前的眾多研究中，通常是在柱形[1-6]、球形[7-11]或連通結(jié)構(gòu)[12]研究可燃物質(zhì)爆炸的壓力、火焰及壓力升高速率，采用的通常是最佳工況下的爆炸濃度，得到了很多有益的結(jié)論。但對(duì)于不同體積分?jǐn)?shù)下，以及有擴(kuò)散管路狀態(tài)下含弱約束結(jié)構(gòu)的腔體內(nèi)甲烷爆炸特征及擴(kuò)散特征研究較少。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，研究了一定約束條件下，不同濃度瓦斯爆炸時(shí)腔體內(nèi)的壓力升高特征，分析其火焰、壓力沿一定擴(kuò)散管路的傳播特征，以期為甲烷爆炸防治提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

含弱約束受限空間甲烷爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由爆炸腔及擴(kuò)散管路、配氣系統(tǒng)、高能點(diǎn)火系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、處理終端等組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)所用的爆炸腔體為鋼制，規(guī)格為DN300×1 500，長徑比為5。腔體容量為109 L，設(shè)計(jì)耐爆壓力為4 MPa。爆炸腔為開口容器，開口端位于爆炸腔一側(cè)中央，直徑為120 mm。為了實(shí)現(xiàn)爆炸管內(nèi)因配氣抽真空的需要，用膜夾持器及塑料膜將爆炸管與擴(kuò)散管隔開且實(shí)現(xiàn)密封。塑料膜材質(zhì)為聚四氟乙烯，厚度為0.3 mm，設(shè)計(jì)破膜壓力為0.09 MPa。圖2為膜夾持器及薄膜，圖2(a)為安裝在膜夾持器中的聚四氟乙烯薄膜，圖2(b)為爆炸完成后的薄膜。實(shí)驗(yàn)中的擴(kuò)散管內(nèi)徑為120 mm，外徑為125 mm，設(shè)計(jì)耐爆壓力4 MPa。擴(kuò)散管是由一段長6.1 m的直管和一段長4.65 m的呈90°彎管組成，擴(kuò)散管路長徑比為80.4。單管長2.2 m，中間由法蘭、密封O型圈及螺栓連接。點(diǎn)火系統(tǒng)為東北大學(xué)設(shè)計(jì)的高能靜電點(diǎn)火控制柜，實(shí)際點(diǎn)火能量為404.8 J。閥門遲滯時(shí)間設(shè)置為1 s，靜電點(diǎn)火延時(shí)設(shè)置為60 ms，即按下點(diǎn)火按鈕之后由控制程序控制高壓繼電器進(jìn)行延遲點(diǎn)火的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中的壓力及火焰?zhèn)鞲衅鳛槌啥继┧固毓旧a(chǎn)，如圖3所示。壓力傳感器為壓阻式，量程為0～2 MPa，精度為0.25%，典型的壓力采樣曲線如圖3(b)所示;火焰?zhèn)鞲衅鳛楣饷羰?，量程?～500 mV，響應(yīng)時(shí)間小于100 μs，典型的火焰?zhèn)鞲衅鞑蓸忧€如圖3(d)所示。在爆炸腔體上設(shè)置1個(gè)壓力傳感器，距離點(diǎn)火極為50 cm。其余傳感器成對(duì)設(shè)置在擴(kuò)散管上，其中4對(duì)設(shè)置在直管上，2對(duì)設(shè)置在彎管上，共設(shè)置7個(gè)壓力傳感器和6個(gè)火焰?zhèn)鞲衅?。傳感器設(shè)置位置見表1。數(shù)據(jù)采集采用成都泰斯特公司的TST6300高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集軟件為DAP7.1，采集對(duì)象為壓力值和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?shù)據(jù)采樣頻率為100 kHz，采樣長度為200 K。

圖2 膜夾持器及薄膜Fig.2 Film holder and film

圖3 傳感器及典型采樣曲線Fig.3 Sensor and typical sampling curve

壓力測(cè)點(diǎn)編號(hào)距起爆點(diǎn)位置/cm火焰測(cè)點(diǎn)編號(hào)距起爆點(diǎn)位置/cm150——228012803355235544253425557545756765576579856985

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行。首先利用壓縮氣體清理爆炸腔體內(nèi)的廢氣及粉塵，仔細(xì)挑選表面光潔無損傷的塑料膜，安裝在夾持器上，并整體安裝在爆炸管與擴(kuò)散管之間。之后利用真空泵將爆炸腔抽真空至-50 kPa，如能迅速達(dá)到預(yù)定壓力并緩慢下降，則證明腔體密封完好。之后進(jìn)行配氣工作，待配氣完成等待約一段時(shí)間后，甲烷與空氣混合均勻后，插上高壓點(diǎn)火線，開啟采集系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含弱約束封閉空間爆炸特征

圖4 含弱約束結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)壓力升高曲線Fig.4 Curves of increase pressure in cavity with weak constraint

為研究不同濃度下含弱約束結(jié)構(gòu)的受限空間內(nèi)甲烷爆炸的特征。共進(jìn)行了甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為5.8%，6.5%，7.0%，7.4%，9.5%和11.0%六組實(shí)驗(yàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了3次平行實(shí)驗(yàn)，取其平均值作為最終結(jié)果。由于爆炸腔體含弱約束結(jié)構(gòu)，且與擴(kuò)散管是變徑連接，爆炸腔體內(nèi)的壓力值呈現(xiàn)出與文獻(xiàn)[11,13]不同的結(jié)果。圖4是3組典型的爆炸腔體壓力升高曲線，圖中曲線采樣長度均為0～1 s。圖4(a)為體積分?jǐn)?shù)5.8%的甲烷在腔體內(nèi)的爆炸壓力升高曲線，從圖中可以看出，在點(diǎn)火電極觸發(fā)后，經(jīng)過835 ms腔體內(nèi)壓力達(dá)到最大值，最大壓力為0.122 MPa(相對(duì)壓力，下同)。之后封閉薄膜破裂，破膜之后壓力曲線持續(xù)下降，在948 ms下降到-0.1 MPa。之后發(fā)生小幅壓力震蕩，逐漸恢復(fù)至常壓。圖4(b)為體積分?jǐn)?shù)7.4%的甲烷在腔體內(nèi)的爆炸壓力升高曲線，從圖中可以看出，在點(diǎn)火電極觸發(fā)后，經(jīng)過40.460 ms腔體內(nèi)壓力達(dá)到0.114 MPa，之后封閉薄膜破裂，腔體內(nèi)壓力迅速下降。在此過程中，由于封閉腔體內(nèi)甲烷在膨脹壓力作用下，一部分甲烷沖出腔體繼續(xù)燃燒，一部分甲烷留在爆炸腔體內(nèi)燃燒。且留在腔體內(nèi)的甲烷由于湍流增強(qiáng)，加劇了氣體的燃燒，所以腔體內(nèi)的壓力在下降后，經(jīng)31.490 ms后又增大，最大壓力為0.155 MPa。之后發(fā)生壓力震蕩，逐漸恢復(fù)至常壓。圖4(c)為體積分?jǐn)?shù)9.5%的甲烷在腔體內(nèi)的爆炸壓力升高曲線，在38.150 ms破膜后，沒有明顯的壓力下降趨勢(shì)，反而腔體內(nèi)壓力持續(xù)升高和震蕩，在88.420 ms達(dá)到了0.324 MPa，破膜后腔體內(nèi)的高壓持續(xù)時(shí)間約40 ms。體積分?jǐn)?shù)11.0%的甲烷爆炸壓力升高曲線與7.4%的基本相同，限于篇幅關(guān)系不再列出。

從系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，含弱約束結(jié)構(gòu)的封閉空間內(nèi)，甲烷爆炸壓力升高曲線與甲烷濃度有密切的關(guān)系。當(dāng)腔體內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)為5.8%以下時(shí)，腔體內(nèi)甲烷量較小，當(dāng)被大容量靜電點(diǎn)火極觸發(fā)后，腔體內(nèi)的甲烷能夠以較慢的速度燃燒，壓力逐漸緩慢升高，達(dá)到理論破膜壓力時(shí)并不易實(shí)現(xiàn)破膜。這是由于腔體內(nèi)壓力升高較慢，壓力上升速率不高，爆炸造成的破壞力不足引起的。同時(shí)，由于甲烷量不足，在腔體內(nèi)達(dá)到破膜壓力時(shí)基本燃燒殆盡，在破膜后甲烷不能或較少?zèng)_出腔體形成持續(xù)燃燒，所以導(dǎo)致其壓力在破膜后持續(xù)下降。在甲烷體積分?jǐn)?shù)高于6.5%時(shí)，腔體內(nèi)甲烷量增大，當(dāng)達(dá)到0.10～0.11 MPa時(shí)實(shí)現(xiàn)破膜，之后壓力迅速下降，但此時(shí)腔體仍殘留未爆炸的一部分甲烷。因此，此部分的甲烷在腔體內(nèi)繼續(xù)燃燒升壓，形成比破膜壓力更高的超壓值。特別是體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷，由于正處于其化學(xué)當(dāng)量范圍，甲烷容易引燃，壓力升高速率大，在破膜后沒有明顯的壓力下降現(xiàn)象，反而在腔體內(nèi)形成持續(xù)約40 ms的高壓震蕩，待其中甲烷反應(yīng)完畢后才快速下降。整理6組不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷在腔體內(nèi)超壓值后，得到了如圖5的最大壓力值曲線。從圖中可以看出，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的升高，腔體內(nèi)的爆炸超壓值持續(xù)上升，到甲烷體積分?jǐn)?shù)9.5%時(shí)達(dá)到了最大值。結(jié)合圖4可以得出，含弱約束結(jié)構(gòu)的受限腔體內(nèi)，爆炸后的甲烷一部分留在腔體內(nèi)繼續(xù)燃燒，另一部分會(huì)因膨脹作用沖出腔體，在擴(kuò)散管或空氣中繼續(xù)燃燒。

圖5中壓力與甲烷爆炸濃度的關(guān)系可大致表示為y=-0.012 8x2+0.232 6x-0.832(6%～15%，R2=0.954 7)，表2分別為不同濃度的甲烷氣體在爆炸腔體內(nèi)的實(shí)測(cè)值，計(jì)算值1及根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]所得計(jì)算值2。從表中可以看出，在破膜壓力為0.09 MPa，開口比為0.4的情況下，含弱約束結(jié)構(gòu)的受限空間最高爆炸壓力遠(yuǎn)小于全封閉腔體，全封閉腔體的最大爆炸壓力約為含弱約束結(jié)構(gòu)的3.2倍。

圖5 腔體內(nèi)最大壓力曲線Fig.5 Maximum pressure in the cavity

序號(hào)體積分?jǐn)?shù)/%實(shí)測(cè)壓力1/MPa計(jì)算壓力1/MPa計(jì)算壓力2/MPa16.50.1450.1390.41227.00.1630.1690.48337.40.1810.1880.53349.50.2270.2230.684511.00.1720.1780.681

2.2 管道中爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑ヌ卣?/h3>

2.2.1 不同體積分?jǐn)?shù)甲烷爆炸壓力峰值特征

在弱約束結(jié)構(gòu)被破壞后，部分甲烷會(huì)進(jìn)入到擴(kuò)散管中繼續(xù)燃燒。此時(shí)由于甲烷量的不同，擴(kuò)散管中爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑ヌ卣饔泻艽蟮膮^(qū)別。圖6是體積分?jǐn)?shù)5.8%和7.4%甲烷爆炸壓力的采樣曲線。在圖6可以清晰的看到，壓力波可以劃分為前驅(qū)波和爆炸波兩部分。但由于低濃度時(shí)擴(kuò)散管中無持續(xù)的甲烷源存在，管道內(nèi)爆炸壓力波峰值出現(xiàn)在前驅(qū)波處;而當(dāng)甲烷濃度較高時(shí)，壓力峰值則出現(xiàn)在后續(xù)的爆炸波處。這是由于較低濃度的甲烷在點(diǎn)火后大部分在腔體內(nèi)燃燒，很少或沒有甲烷進(jìn)入到擴(kuò)散管內(nèi)，當(dāng)管內(nèi)沒有甲烷進(jìn)行持續(xù)的能量供給后，前驅(qū)波就成為其超壓峰值。而濃度較高時(shí)則有較多量的未燃甲烷進(jìn)入到擴(kuò)散管中，在前驅(qū)波后有持續(xù)的甲烷火焰存在，壓力不斷上升，最后達(dá)到峰值。

2.2.2 爆炸壓力分布規(guī)律

圖7是擴(kuò)散管中爆炸最大壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆植紙D。從圖7(a)可以得出，不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷在爆炸后，其爆炸壓力在擴(kuò)散管中的分布呈現(xiàn)明顯的3種形態(tài)。當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)在7.0%以下時(shí)，從擴(kuò)散管端頭開始，其最大爆炸壓力基本上呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。雖然在5號(hào)和6號(hào)壓力傳感器之間有一個(gè)90°的彎管，并沒有像全充滿甲烷的管道一樣存在壓力階躍現(xiàn)象。原因是當(dāng)濃度較小時(shí)，進(jìn)入管道中的甲烷較少，當(dāng)傳播到90°彎管處時(shí)，傳播的火焰遇到固體壁面時(shí)形成的反射波導(dǎo)致火焰熄滅，壓力不再升高所致。值得注意的是，在這一組中，甲烷體積分?jǐn)?shù)為5.8%的分組在管道中的壓力比6.5%和7.0%的大。造成這一反?，F(xiàn)象的原因是，體積分?jǐn)?shù)為5.8%的甲烷在爆炸腔體內(nèi)幾乎全部反應(yīng)完成，燃燒速率慢，壓力升高到0.122 MPa時(shí)才實(shí)現(xiàn)了破膜。因此進(jìn)入到擴(kuò)散管時(shí)的壓力初始值較高，因此造成了體積分?jǐn)?shù)5.8%的甲烷在管路中壓力較高。而甲烷體積分?jǐn)?shù)為7.4%和11.0%時(shí)，管中爆炸壓力呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。這主要是由于進(jìn)入到擴(kuò)散管中甲烷較多，在壓力波后有持續(xù)的火焰存在，導(dǎo)致壓力波得以持續(xù)升高。在壓力測(cè)點(diǎn)6處壓力的升高是由于固體壁面的反射波造成的二次加速作用。測(cè)點(diǎn)7處由于距管道開口1.1 m，沖擊波突然釋放到空氣中，壓力迅速下降。而體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷則壓力升高較快，且壓力分布呈現(xiàn)鋸齒形狀態(tài)。進(jìn)入擴(kuò)散管的甲烷爆炸壓力在測(cè)點(diǎn)3處增大，之后在測(cè)點(diǎn)5處減小到最小值，后在測(cè)點(diǎn)6處達(dá)到最大。造成的原因一方面是由于9.5%的甲烷處于完全反應(yīng)狀態(tài)，在進(jìn)入擴(kuò)散管后繼續(xù)燃燒，但由于管壁的散熱和摩擦，能量下降而導(dǎo)致壓力下降，之后遇到90°的彎管時(shí)，固體壁面反射波造成5號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力值達(dá)到最低。在經(jīng)過彎管的突變后，火焰湍流加強(qiáng)，在6號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力又激劇的升高。

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)甲烷爆炸壓力采樣曲線Fig.6 Sampling curves of gas explosion pressure in different concentrations

圖7 擴(kuò)散管中爆炸最大壓力和火焰速度分布Fig.7 Distribution of maximum explosion pressure and flame velocity in diffusion tube

2.2.3 爆炸火焰速度分布規(guī)律

從圖7(b)中的火焰速度分布可以更清楚的看出進(jìn)入擴(kuò)散管中的甲烷燃燒狀態(tài)。在甲烷體積分?jǐn)?shù)低于7.0%時(shí)，管中的火焰無法傳遞到管外。5.8%的甲烷在火焰?zhèn)鞲衅鳒y(cè)點(diǎn)4處就已經(jīng)熄滅，甚至在平行實(shí)驗(yàn)中，管道中無法檢測(cè)到火焰信號(hào)，證明甲烷在爆炸腔體內(nèi)已大部完全反應(yīng)。而6.5%和7.0%的甲烷則在測(cè)點(diǎn)5處熄滅，證明了固體壁面反射波對(duì)甲烷火焰的抑制作用[15]。從圖中可以看出，5.8%～7.0%的甲烷爆炸火焰在測(cè)點(diǎn)2處達(dá)到最大后，持續(xù)的下降，說明此時(shí)由于進(jìn)入擴(kuò)散管中的甲烷量小，管道壁面的散熱和摩擦損耗占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致其火焰速度不斷下降。而7.4%～11.0%的甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣葎t呈現(xiàn)截然不同的狀況。在測(cè)點(diǎn)2達(dá)到極值后，火焰速度開始下降，但在經(jīng)過彎管對(duì)火焰湍流的加強(qiáng)作用后，火焰速度激劇的升高，甚至達(dá)到了581 m/s(9.5%)?；鹧婵梢砸恢贝胬m(xù)，直到?jīng)_出管外。

2.2.4 前驅(qū)壓力-火焰耦合分布規(guī)律

在以往的研究中，由于大多數(shù)的研究者關(guān)注的是爆炸壓力峰值和火焰的傳播速度，對(duì)壓力和火焰耦合的時(shí)間關(guān)系研究的較少，或者僅從理論上加以推導(dǎo)。尤其對(duì)于含弱約束結(jié)構(gòu)時(shí)甲烷爆炸壓力與火焰?zhèn)鞑サ臅r(shí)間關(guān)系研究較少。筆者以前驅(qū)壓力波的出現(xiàn)時(shí)間和火焰信號(hào)出現(xiàn)的初始時(shí)間(5 mV)為研究對(duì)象，研究了不同濃度甲烷爆炸其壓力波和火焰波的耦合關(guān)系，如圖8所示。從圖8可以看出，由于進(jìn)入擴(kuò)散管中甲烷量的差異，壓力信號(hào)和火焰信號(hào)的時(shí)間差有很大的差異。在甲烷體積分?jǐn)?shù)小于7.0%時(shí)，壓力波的出現(xiàn)和火焰波的出現(xiàn)時(shí)間相差較小，兩者最大的時(shí)間差為5.255 ms;而甲烷體積分?jǐn)?shù)大于7.4%時(shí)，壓力波的出現(xiàn)時(shí)間和火焰波的出現(xiàn)時(shí)間相差大約在28～40 ms之間，并且大體上時(shí)間差是隨距爆源點(diǎn)距離增大而逐漸變大。這與管道中充滿甲烷的爆炸壓力和火焰時(shí)間差關(guān)系是相反的。造成這一差異的主要原因是，在甲烷濃度較低時(shí)，管道中的火焰主要是由于爆炸破膜后，腔體內(nèi)火焰在傳播截面突然收縮過程中加速形成膨脹火焰，拉伸火焰與破膜激波同時(shí)進(jìn)入管道，因此二者的時(shí)間差較小;而當(dāng)甲烷濃度較高時(shí)，弱約束結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，有較多的甲烷進(jìn)入管道中，而大量甲烷的涌入阻斷了膨脹火焰進(jìn)入到管道中，管道中的甲烷由于二次爆炸形成新的湍流火焰。此時(shí)，管道中火焰速度為湍流火焰速度，其與前驅(qū)波的時(shí)間差自然相差較大。而時(shí)間差的逐漸增大，則主要是由于進(jìn)入擴(kuò)散管中的甲烷量隨距離增大逐漸減小，湍流火焰無法得到持續(xù)的能量補(bǔ)給，且在管道壁的摩擦和散熱作用下，火焰速度不斷減小所致。

圖8 爆炸前驅(qū)波與火焰時(shí)間差Fig.8 Time gap between the precursor blast and the flame

3 結(jié) 論

(1)含弱約束結(jié)構(gòu)的封閉腔體內(nèi)爆炸壓力升高趨勢(shì)隨甲烷含量不同有較大差異，甲烷體積分?jǐn)?shù)低于5.8%時(shí)，腔體內(nèi)壓力呈現(xiàn)單峰值;甲烷體積分?jǐn)?shù)高于7.4%時(shí)腔體內(nèi)壓力呈現(xiàn)多峰值，甲烷濃度在9.5%時(shí)達(dá)到最大。

(2)含弱約束結(jié)構(gòu)的封閉腔體內(nèi)最大爆炸壓力遠(yuǎn)低于20 L封閉腔體的最大爆炸壓力，在實(shí)驗(yàn)條件下，同濃度甲烷爆炸在封閉腔體內(nèi)的壓力峰值約為在含弱約束結(jié)構(gòu)受限腔體內(nèi)下的3.2倍。

(3)不同濃度的甲烷爆炸后，擴(kuò)散管中的壓力傳播特征隨甲烷濃度不同可分為3種，甲烷體積分?jǐn)?shù)小于7.0%時(shí)擴(kuò)散管中壓力隨傳播距離增大而減小;甲烷體積分?jǐn)?shù)為7.4%和11.0%時(shí)，壓力隨傳播距離增大而增大;而甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，壓力呈鋸齒形形態(tài)，接近全管道充滿甲烷的傳播特性。

(4)不同濃度的甲烷爆炸后，擴(kuò)散管中的火焰?zhèn)鞑ヌ卣麟S甲烷濃度不同可分為兩種，甲烷體積分?jǐn)?shù)小于7.0%時(shí)擴(kuò)散管中火焰以膨脹火焰為主，大于7.4%時(shí)擴(kuò)散管中火焰以湍流火焰為主。