李玉星 劉鵬 耿曉茹 劉翠偉 張亦翔 王建國(guó)

1山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司青島分公司

3大慶油田第四采油廠基建中心

近年來(lái)，隨著天然氣管道的運(yùn)行時(shí)間和壽命的增加，一些管道已經(jīng)銹蝕、變薄，加之地質(zhì)災(zāi)害、腐蝕穿孔、第三方破壞等原因使管道發(fā)生泄漏而導(dǎo)致噴射火事故時(shí)有發(fā)生，由此造成的人員傷亡與社會(huì)財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)，嚴(yán)重危害著人民生命財(cái)產(chǎn)安全與社會(huì)安定。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就噴射火的火焰形態(tài)[1-4]、抬升高度[5]、溫度分布及熱輻射場(chǎng)預(yù)測(cè)模型[6-9]等方面做了大量研究，已經(jīng)總結(jié)出較為成熟的火焰預(yù)測(cè)模型，但在通過(guò)障礙物降低噴射火危害方面研究較少。SCHEFER 等[10]通過(guò)研究不同夾角的墻壁結(jié)構(gòu)對(duì)降低噴射火造成的危害效果，發(fā)現(xiàn)噴射火焰的強(qiáng)度很大程度上依賴于火焰的幾何形狀和輻射強(qiáng)度；董炳燕等[11]通過(guò)FDS 模擬研究了障礙物寬度對(duì)噴射火傳播特性的影響，確定了最佳的障礙物阻擋寬度；楊宏偉等[12]通過(guò)數(shù)值模擬研究了在不同高度障礙物下火焰的發(fā)展和傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)障礙物在密閉空間對(duì)火焰?zhèn)鞑サ耐牧骷铀僮饔?；丁以斌等[13]主要針對(duì)深井隧道內(nèi)的障礙物布置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同障礙物結(jié)構(gòu)、數(shù)量和位置對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽Ｄ壳罢系K物對(duì)噴射火的影響研究多集中于重?zé)N以及輕烴的預(yù)混氣體噴射火方面，對(duì)于管道泄漏導(dǎo)致的甲烷噴射火這類輕烴與障礙物的作用規(guī)律缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。因此，基于實(shí)驗(yàn)確定合適的障礙物高度、寬度以及障礙物布置距離，對(duì)于完善相關(guān)理論、降低天然氣事故危害范圍具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法及驗(yàn)證

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究障礙物對(duì)甲烷水平噴射火燃燒特性的影響，設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置由噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)四部分組成。噴射系統(tǒng)主要組成為長(zhǎng)400 mm、噴口直徑8 mm 的圓筒狀噴射腔體。點(diǎn)火系統(tǒng)由電源、控制器和點(diǎn)火器組成，點(diǎn)火器的工作電壓為直流6 V，點(diǎn)火電極能量為6 J，位于噴口水平軸線位置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由K 型熱電偶、高速攝像儀和數(shù)據(jù)記錄儀組成。其中，K 型熱電偶測(cè)溫范圍為-40～1 300 ℃，沿噴口軸向位置以150 mm 的增量依次布置4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)2和3分別布置在障礙物前后位置；火焰的幾何形貌變化圖像由高速攝像儀以3 000幀/s 的速度進(jìn)行拍攝。供氣部分由甲烷（體積分?jǐn)?shù)為99.99%）氣瓶提供，流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)通過(guò)閥門(mén)控制。由于轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量的氣體流量以空氣進(jìn)行標(biāo)定，則甲烷的實(shí)際流量由公式（1）給出

式中：q0、q1分別為空氣和甲烷的流量，m3/h；ρ0、ρ1分別為空氣和甲熔在工程標(biāo)準(zhǔn)狀況（20 ℃、101.325 kPa）下的密度，1.205 kg/m3和0.66 kg/m3；p0為空氣在工程標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對(duì)壓力，Pa；p1為甲烷在工作狀態(tài)下的絕對(duì)壓力，Pa；T0為空氣在工程標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對(duì)溫度，K；T1為甲烷在工作狀態(tài)下的絕對(duì)溫度，K。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental devices

試驗(yàn)所用障礙物為鋼制立方體，置于噴射口正前方。在已知泄漏孔徑、噴射流量以及障礙物位置不變的情況下，計(jì)算得到最大的火焰直徑為35 mm，長(zhǎng)度約為0.8 m（不超過(guò)1 m）。據(jù)此，為研究障礙物不同高度對(duì)水平噴射火燃燒特性的影響，設(shè)計(jì)障礙物尺寸分別為120 mm×120 mm×120 mm，120 mm×120 mm×180 mm，120 mm×120 mm×240 mm；為研究障礙物不同寬度對(duì)水平噴射火燃燒特性的影響，設(shè)計(jì)障礙物尺寸分別為120 mm×60 mm×120 mm，120 mm×120 mm×120 mm，120 mm×180 mm×120 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)確連接設(shè)備，檢查燃燒裝置的完備性和密封性，將障礙物置于噴射口水平軸線位置，組裝高速攝像機(jī)并與計(jì)算機(jī)連接。

（2）先噴氣，對(duì)整個(gè)裝置流程進(jìn)行置換。進(jìn)氣時(shí)打開(kāi)閥門(mén)至轉(zhuǎn)子流量計(jì)浮子跳動(dòng)，開(kāi)啟點(diǎn)火器電源進(jìn)行點(diǎn)火，在水平方向形成穩(wěn)定的燃燒火焰，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

（3）每個(gè)工況的持續(xù)時(shí)間約為1 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，待空氣流通5 min 左右恢復(fù)到初始狀態(tài)，再進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.3 誤差分析

實(shí)驗(yàn)主要誤差來(lái)源：溫度測(cè)量采用的K型熱電偶精度為0.75%；精密壓力表精度為0.02%；數(shù)據(jù)記錄儀的精度為0.2%。每組工況進(jìn)行至少3次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。表1為無(wú)障礙條件下進(jìn)行的3次實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)比，穩(wěn)定燃燒階段的平均溫度最大相對(duì)誤差為7.8%，在可接受誤差范圍之內(nèi)。

表1 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)比Tabl.1 Comparison of repetitive experimental errors

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 障礙物高度影響分析

圖2 在Q=2.9 m3/h、d=200 mm時(shí)不同障礙物高度下火焰速度分布Fig.2 Flame velocity distribution at different obstacle heights when Q=2.9 m3/h and d=200 mm

火焰燃燒速度分布圖如圖2所示，在無(wú)障礙時(shí)，火焰中心區(qū)域速度分布均勻，最大可達(dá)到14.4 m/s。由于陣面的不穩(wěn)定性，火焰和未燃?xì)怏w之間存在較大的速度差，導(dǎo)致外焰?zhèn)鞑ニ俣容^弱，影響火焰的燃燒狀態(tài)和形狀。當(dāng)障礙物的阻擋作用改變了流動(dòng)氣體的移動(dòng)方向時(shí)，在障礙物表面邊界層黏性力的作用下，可燃?xì)怏w的動(dòng)量減少，隨著障礙物高度的增加，自由流動(dòng)的截面積減小大大限制了火焰的傳播速度。在圖3中，當(dāng)障礙物較低時(shí)，火焰前鋒的傳播速度為1.16 m/s，阻擋作用較弱。增加障礙物高度，可加速在火焰內(nèi)部形成局部擾流，能夠明顯減弱火焰沿軸線方向的傳播速度，使火焰前鋒的平均傳播速度下降到1.01 m/s，說(shuō)明氣體速度在較高障礙物表面下降明顯，形成了較大的反向火焰速度，進(jìn)而減緩了火焰鋒面在速度方向的燃燒程度。

2.2 障礙物寬度影響分析

圖3 在Q=2.9 m3/h、d=200 mm時(shí)不同障礙物高度下火焰前鋒速度變化Fig.3 Changes of flame front velocity at different obstacle heights when Q=2.9 m3/h and d=200 mm

圖4 在Q=2.9 m3/h、d=300 mm時(shí)不同障礙物寬度下火焰的變化Fig.4 Changes of flame at different barrier widths when Q=2.9 m3/h and d=300 mm

圖5 在Q=1.6 m3/h、d=300 mm時(shí)障礙物對(duì)火焰幾何形狀的影響Fig.5 Effects of obstacles on flame geometry when Q=1.6 m3/h and d=300 mm

圖4為Q=2.9 m3/h、d=300 mm 時(shí)不同障礙物寬度下火焰的變化。圖5為不同障礙物寬度下火焰抬升高度和面積隨時(shí)間的變化，在無(wú)障礙物的情形下，火焰的燃燒高度較高，且波動(dòng)規(guī)律呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，并且具有不規(guī)則性；當(dāng)障礙物的寬度為60 mm時(shí)，火焰的燃燒高度增加，在549 mm 上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍在450～630 mm 之間，隨著障礙物寬度的增加，火焰的燃燒高度先減小后增大；當(dāng)障礙物寬度為120 mm 時(shí)，火焰燃燒高度在465 mm上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍在410～520 mm 之間，這是因?yàn)檎系K物使火焰發(fā)生了伸展和褶皺，障礙物的前方誘導(dǎo)火焰向兩邊延伸，火焰的燃燒高度因此降低；在障礙物的寬度為180 mm 時(shí)，障礙物前端擋住了大部分火焰，使火焰向上延伸量相比寬度為120 mm時(shí)有所增加，火焰的燃燒高度在465 mm 上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍在480～630 mm 之間。對(duì)于火焰的燃燒面積來(lái)說(shuō)，在無(wú)障礙物情形下，火焰的燃燒面積在7.76×104mm2上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍在4×104～1.15×105mm2之間，并且變化較大；在有障礙物的情形下，火焰面積變化相對(duì)穩(wěn)定，基本的變化范圍在1.5×104～6.5×104mm2之間。

整體來(lái)說(shuō)，障礙物有效阻擋了火焰的傳播，進(jìn)而使火焰燃燒面積變小。障礙物阻擋了甲烷的水平射流，增大了火焰的橫向?qū)挾?，使火焰尺寸在兩?cè)方向被拉伸，并且隨著障礙物寬度的增加，火焰的橫向尺寸越來(lái)越大，同時(shí)在障礙物的前方截?cái)嗔怂椒较虻纳淞魉俣龋够鹧娌荒苤苯拥竭_(dá)障礙物后方。燃燒過(guò)程中，火焰首次撞擊障礙物形成的火焰尺寸最大，之后火焰尺寸變小并趨于穩(wěn)定。障礙物的存在使甲烷噴射火發(fā)生強(qiáng)烈褶皺和伸展，燃燒表面積增大，使甲烷與空氣化學(xué)反應(yīng)速率和熱釋放速度增加，火焰尺寸增加。

如圖6所示，溫度測(cè)點(diǎn)為障礙物前后兩溫度測(cè)點(diǎn)，截取燃燒穩(wěn)定階段（25 s 左右）的障礙物前后溫度隨時(shí)間變化的曲線圖可以看出：沒(méi)有障礙物時(shí)，在同一測(cè)點(diǎn)溫差變化為負(fù)值，并隨著流量的增加，溫差增大；在相同流量情況下，相同距離處，增加障礙物后，火焰燃燒達(dá)到穩(wěn)定階段，障礙物的阻擋作用隨著障礙物寬度的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；在相同距離情況下，隨著流量的增加，障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч仍鰪?qiáng)后減弱。這種現(xiàn)象的主要原因是甲烷噴射火在一定條件下受空氣浮力影響較大，火焰抬升高度比重?zé)N類氣體大，因此隨著軸線距離增加火焰溫度迅速下降。在障礙物寬度為60 mm，較大流量情況下，部分火焰能夠越過(guò)障礙，使障礙前后兩側(cè)產(chǎn)生的溫度梯度較?。划?dāng)障礙物寬度為120 mm 時(shí)，障礙物能夠較好地阻擋火焰擴(kuò)張，在障礙物邊緣處的火焰向外延伸，增大了火焰的燃燒面積，火焰的燃燒速率增加，因此在流量最大時(shí)障礙物前后兩側(cè)產(chǎn)生的溫度梯度最大；當(dāng)障礙物寬度為180 mm 時(shí)，障礙物能夠完全阻擋火焰，即使火焰向外延伸，也在障礙物的阻擋范圍內(nèi)，但是由于空氣浮力影響的抬升高度較高，此時(shí)障礙物對(duì)火焰的阻擋效果已經(jīng)明顯減弱。綜上所述，為減小噴射火焰下游的危害，保證較好的抑制效果，需增加障礙物寬度。

2.3 障礙物距離噴射源間距影響分析

圖7為障礙物與泄漏孔不同間距時(shí)火焰的變化圖像，圖8為障礙物距泄漏孔不同距離對(duì)火焰幾何形狀的影響分析曲線。在障礙物距泄漏孔的距離為200 mm 的情形下，火焰燃燒高度在488 mm 上下波動(dòng)；當(dāng)噴射距離為300 mm 時(shí)，火焰燃燒高度在587 mm 上下波動(dòng)；當(dāng)噴射距離為400 mm 時(shí)，火焰燃燒高度在572 mm 上下波動(dòng)。由此可見(jiàn)，當(dāng)障礙物在泄漏孔正前方300 mm 左右時(shí)，火焰的燃燒抬升高度最高，其他情形下，火焰的抬升高度變小，即隨著障礙物的位置逐漸遠(yuǎn)離泄漏孔，火焰的燃燒高度先增大后減小。

圖6 不同的障礙物寬度障礙物前后測(cè)點(diǎn)溫差分布規(guī)律Fig.6 Distribution of temperature difference in front and at the back of obstacles with different barrier widths

對(duì)于火焰燃燒面積來(lái)說(shuō)，在障礙物距泄漏孔的距離為200 mm 的情形下，火焰面積較小，且波動(dòng)范圍比較穩(wěn)定，火焰面積在2.84×104mm2上下波動(dòng)；當(dāng)障礙物距泄漏孔的距離為300 mm 時(shí)，火焰燃燒面積變大，在3.328×104mm2上下波動(dòng)；當(dāng)障礙物距泄漏孔的距離為400 mm 時(shí)，火焰的燃燒面積在4.13×104mm2上下波動(dòng)，原因是障礙物距泄漏孔的距離越遠(yuǎn)，火焰在橫向被拉伸得越長(zhǎng)，導(dǎo)致火焰的燃燒面積增加。整體來(lái)說(shuō)，在該實(shí)驗(yàn)工況（障礙物與泄漏孔的距離為200 mm）下，障礙物有效阻擋了火焰的燃燒面積，并且噴射火燃燒引起周圍空氣的湍動(dòng)程度較大，而空氣的湍流運(yùn)動(dòng)又將會(huì)帶動(dòng)燃燒火焰形態(tài)進(jìn)行無(wú)規(guī)則的快速變化，因此火焰面積呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則變化。

對(duì)于不同泄漏流量的噴射火焰溫度分布，PALACIOS 等[14]首先對(duì)垂直甲烷氣體噴射火進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。研究結(jié)果將火焰在軸向的溫度分布劃分為三個(gè)區(qū)域：①p≤40%，溫度升高，軸向位置達(dá)到1 800 K 高溫；②40%＜p＜70%，溫度的平均值接近1 800 K，最高溫度達(dá)到1 900 K；③p≥70%，溫度開(kāi)始下降，火焰頂部的最高溫度仍大于火焰初始階段?；鹧鏈囟确植甲鳛橹行木€上軸向位置的函數(shù)如公式（2）所示

式中：T為中心線處的溫度，K；p為軸向位置，%。

從方程中可以看出，隨著流量的增加，噴射火焰的長(zhǎng)度增加，但最大中心線溫度在軸向位置60%＜p＜70%火焰長(zhǎng)度范圍內(nèi)是幾乎相同的，因此可以預(yù)測(cè)在不同流量下達(dá)到最高溫度的傳播位置。通過(guò)該式可以看出氧氣和燃料的混合程度隨著離開(kāi)出口軸向距離而增加，故在火焰出口處溫度隨距離的增加而連續(xù)增大。在中心部分，氧氣和燃料達(dá)到穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡，燃燒趨于穩(wěn)定，溫度達(dá)到最大值。在燃燒末段，燃料的質(zhì)量開(kāi)始下降，因此混合燃料程度下降，導(dǎo)致溫度降低。圖9為文獻(xiàn)[15]中擬合曲線與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。

圖7 障礙物與泄漏孔不同間距時(shí)火焰的變化Fig.7 Changes of flame with different distances between obstacles and leak holes

圖8 障礙物距泄漏孔不同距離對(duì)火焰幾何形狀的影響Fig.8 Influence of distance between obstacle distance and leak hole on flame geometry

圖9 軸向溫度分布和擬合曲線Fig.9 Axial temperature distribution and fitting curve

圖9a 中看出，在三種噴射速度下，甲烷噴射火溫度沿軸線呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，而火焰中心的最高溫度基本位于火焰長(zhǎng)度的40%～70%位置處。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，軸線位置的溫度分布與火焰長(zhǎng)度呈正態(tài)分布規(guī)律，擬合的溫度分布曲線如圖9b 所示。當(dāng)Q=1.6 m3/h 時(shí)，火焰溫度的最大值為880 ℃，距噴射源位置大約38%處；當(dāng)Q=2.1 m3/h時(shí)，火焰的平均最高溫度達(dá)到810 ℃，距噴射源位置大約為42%處；當(dāng)Q=2.9 m3/h 時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的火焰平均最高溫度為750 ℃，距噴射源位置大約為46%處。因此在不同流量下，火焰形成的最高溫度范圍大約在火焰長(zhǎng)度的40%～50%處。由于實(shí)驗(yàn)中傳感器布置數(shù)量有限，所以在較大流量下測(cè)量的溫度分布產(chǎn)生一定的偏差，造成在擬合曲線時(shí)最高溫度位置偏低。由圖可知，對(duì)于甲烷氣形成的噴射火，火焰的運(yùn)動(dòng)受浮力影響較大，火焰抬升高度較大，所以在軸線末段溫度下降幅度較大。因此對(duì)于障礙物的位置應(yīng)該設(shè)置在達(dá)到穩(wěn)定燃燒之前，即距離噴射源軸線位置的40%～50%處。

3 結(jié)論

（1）障礙物的存在能夠有效影響火焰的傳播，在其他條件一定時(shí)，隨著障礙物的高度增加，火焰軸向前鋒速度將隨之降低；隨著障礙物的寬度增加，火焰高度先減小后增大，火焰面積變化不大；隨著障礙物與噴射源間距增大，火焰高度先增大后減小，火焰面積不斷增大。

（2）實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，火焰中心的最高溫度基本位于火焰長(zhǎng)度的40%～70%位置處，障礙物設(shè)置在達(dá)到穩(wěn)定燃燒之前抑制火焰效果最佳，即距離噴射源軸線位置的火焰長(zhǎng)度40%～50%處。