王子拓，蔣新生，蔡運(yùn)雄，余彬彬，王春輝

(陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401311)

0 引言

近年來，國內(nèi)外油庫安全事故頻發(fā)，經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，往往在洞庫坑道、管道、管路系統(tǒng)等受限空間中易發(fā)生可燃?xì)怏w爆炸事故[1-2]，在受限空間中初始的爆炸可能會經(jīng)歷DDT過程發(fā)展成為爆轟，造成人員財產(chǎn)的重大損失。

國內(nèi)外學(xué)者針對單一可燃?xì)怏w[3-6]受限空間爆炸進(jìn)行大量研究，取得一定成果，但是單一可燃?xì)怏w爆炸規(guī)律不能完全揭示汽油蒸氣等多組分可燃混合物的爆炸規(guī)律。針對可燃?xì)怏w爆炸抑制的實驗研究，超細(xì)粉體[7-8]、細(xì)水霧[9-10]和多孔網(wǎng)狀材料[11-12]成為常用的抑爆介質(zhì)，通過實驗對比均取得較好的抑爆效果。由于洞庫坑道、管路系統(tǒng)中汽油蒸氣爆炸抑制需要潔凈、無污染的抑爆介質(zhì)，否則會造成管路堵塞，甚至污染油品，因此抑爆氣體是更佳的選擇。羅振敏等[13]開展N2和CO2對LPG爆炸影響的實驗，結(jié)果顯示N2和CO2均會縮小LPG的爆炸極限，且CO2比N2效果更好。七氟丙烷作為1種氣體抑爆介質(zhì)已在消防領(lǐng)域取得不錯的應(yīng)用，但是在洞庫管路系統(tǒng)等實際工況下的應(yīng)用較少，鑒于洞庫安全防護(hù)的迫切需求，本文采用主動式抑爆裝置對直角管道汽油蒸氣爆炸進(jìn)行抑制，對比是否填充七氟丙烷條件下爆炸特性參數(shù)，為洞庫管路系統(tǒng)安全防護(hù)實際應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。

1 實驗系統(tǒng)和方案

1.1 實驗系統(tǒng)

依托于洞庫管路系統(tǒng)搭建直角形管道實驗臺架，由2段長4.8 m，2段長2.5 m和2段長2.45 m的鋼制管道以及4個三通和1個彎頭組成，內(nèi)徑150 mm，壁厚5 mm，耐壓6 MPa。由于直角管道內(nèi)形成的狹長受限空間會加速燃燒爆炸的發(fā)展，使得最初的爆燃發(fā)展成為爆轟，為了實驗的安全，在管道另一端用鋁箔紙進(jìn)行封口，當(dāng)壓力達(dá)到一定泄爆壓力時，沖破鋁箔紙起到泄壓作用。每段管道一側(cè)和末端均有螺紋孔，可以安裝壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?。每段管道兩端均裝有球閥，用于連接汽油蒸氣循環(huán)管路。測試儀器選用北京均方理化科技研究所生產(chǎn)的GXH-1050紅外線分析器，測量線性誤差不大于2% FS、重復(fù)性誤差不大于1%；壓力傳感器采用寶雞秦明傳感器有限公司生產(chǎn)的CYG1163型擴(kuò)散硅高頻動態(tài)壓力傳感器，量程為5 MPa；火焰?zhèn)鞲衅鞑捎贸啥继┧固毓狙兄粕a(chǎn)的CKG100光電型火焰?zhèn)鞲衅?，壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱忘c火系統(tǒng)的安裝位置均在圖1中進(jìn)行標(biāo)示，Ai(i=1,2,3,4)為i號火焰?zhèn)鞲衅?，Bi(i=1,2,3,4,5,6)為i號壓力傳感器，Ci(i=1,2)為i號汽油蒸氣濃度測試接口,其中，A1，B1，A2，B2，C1，B3分別距點火端0.5，1，4.2，4.7，6.7，8.75 m；B4，C2，A3，B5，A4，B6分別距泄壓端8.75，8.25，7.75，4.7，4.1，1 m。動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用東華測試技術(shù)股份有限公司DH8301型動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，配套操作軟件為DHDAS軟件，其瞬態(tài)采樣頻率從10 Hz到3 MHz多種檔位可供選擇，實驗中選擇20 kHz。在另一端口采用TVC-GC-P100BAC型高速攝影儀記錄爆炸過程中管道端口破裂時的火焰圖形，其采樣頻率從1 FPS到500 FPS多種檔位可供選擇，本實驗選用500 FPS。點火系統(tǒng)采用成都新辰光電研究所WGDH-5型高能無干擾點火器，其原理為輸入的交流電，通過升壓整流變換成直流脈動電流，對貯能電容充電，當(dāng)電容器充滿電時，放電電流傳輸至點火桿半導(dǎo)體電嘴，形成高能電弧火花，電火花提供汽油蒸氣爆炸初始能量，點火位置在左側(cè)法蘭端蓋中心，點火能量為1.5 J。

圖1 實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

七氟丙烷提前充入主動式抑爆裝置，從點火端起第1個，第2個三通口安裝抑爆裝置的火焰?zhèn)鞲衅?，?個三通口安裝主動式抑爆裝置，直角管道另一端用鋁箔紙封口，搭建的實驗系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 抑爆裝置

主動式抑爆裝置包括高壓儲氣瓶、電子觸發(fā)器、引線、噴嘴、連接法蘭、保護(hù)罩、壓力表、銘牌和火焰?zhèn)鞲衅?，抑爆器通過法蘭與直角管道連接。高壓儲氣瓶上安裝有壓力表，可以實時觀察瓶內(nèi)的壓力值。電子觸發(fā)器的最小觸發(fā)電壓為5 V，通過調(diào)節(jié)連接桿，使噴嘴對爆炸火焰進(jìn)行軸向噴射，可以最大限度地增大噴射面積，抑爆介質(zhì)填充七氟丙烷。整個抑爆過程在10 ms左右，可在火焰到達(dá)主動式抑爆裝置前噴射出抑爆介質(zhì)，主動式抑爆裝置示意如圖2所示。

圖2 主動式抑爆裝置示意Fig.2 Schematic diagram of active explosion suppression device

1.3 實驗方案

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，狹長受限空間汽油蒸氣爆炸實驗[14]中，使得爆炸特性參數(shù)達(dá)到最大的汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)在1.5%～1.7%之間，故實驗選取汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)為1.3%，1.5%和1.7%，為驗證分析七氟丙烷的抑爆效果，在3種汽油蒸氣濃度下分別開展空爆實驗和七氟丙烷抑爆實驗，為保證實驗的可靠性，每組實驗進(jìn)行5次。

具體實驗步驟如下：首先按照要求連接線路，并檢查可行性，然后向汽油蒸氣循環(huán)系統(tǒng)裝置內(nèi)添加適量的92號汽油，在真空泵的驅(qū)動下，使汽油蒸氣通過管路進(jìn)入直角管道并在管路中不斷循環(huán)，隨后用HC濃度測試儀檢測管道兩端和拐角處的汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)，若這3個點處汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)相差小于0.3%，則認(rèn)為管道內(nèi)汽油蒸氣循環(huán)均勻。最后關(guān)閉汽油蒸氣循環(huán)管路進(jìn)出口閥門，利用點火器在管道端口點火，通過動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對爆炸特性參數(shù)進(jìn)行采集?？毡瑢嶒灂r，將安裝主動式抑爆裝置及其火焰?zhèn)鞲衅鞯娜ǘ丝谟梅ㄌm密閉連接，其余步驟相同。先進(jìn)行空爆實驗，后進(jìn)行七氟丙烷抑爆實驗。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 汽油蒸氣爆炸變化規(guī)律

不同汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)下爆炸超壓值變化曲線如圖3所示，隨著汽油蒸氣初始體積分?jǐn)?shù)的增加，直角管道沿線B5測點最大爆炸超壓值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，由于在直角管道末端采用鋁箔紙封口，以達(dá)到末端泄壓的目的，故管道初始階段的最大爆炸超壓要小于密閉直角管道，升壓反應(yīng)時間滯后于密閉直角管道，點火延遲時間更長[15]。

圖3 不同汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)下爆炸超壓值變化曲線Fig.3 Variation curves of explosion overpressure under different gasoline vapor volume fractions

不同初始汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)爆炸超壓參數(shù)見表1，隨著初始汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增大，爆炸發(fā)展速度加快。這是因為初始汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)比較低時，汽油蒸氣與空氣混合氣體屬于貧燃料混合物，爆炸釋放的能量主要取決于汽油蒸氣空氣混合物中的汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù);隨著初始汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，汽油蒸氣和氧氣比例逐步升高，汽油蒸氣與空氣逐步反應(yīng)完全，當(dāng)汽油蒸氣與空氣達(dá)到化學(xué)當(dāng)量比時，汽油蒸氣和氧氣幾乎全部耗盡，釋放能量最大;通過對比直角管道沿線6個爆炸超壓測點，發(fā)現(xiàn)B2較B1測點爆炸超壓有明顯下降趨勢，這是因為點火后點火端處汽油蒸氣空氣混合物燃燒產(chǎn)生的燃燒波，促使直角管道中壓力和溫度迅速升高，燃燒波與壓力波迅速向后傳播，推動汽油蒸氣空氣混合物向管道后面移動，降低了管道前段部分汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)，增大了燃燒接觸的距離，所以單位體積里爆炸產(chǎn)生的能量減少，最大爆炸超壓出現(xiàn)下降趨勢。

表1 不同初始汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)爆炸壓力參數(shù)Table 1 Explosion pressure parameters under different initial gasoline vapor volume fractions

不同初始汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)爆炸火焰參數(shù)見表2，低初始汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)下，汽油蒸氣與空氣混合氣體屬于貧燃料混合物，燃燒速率低，產(chǎn)生的爆炸超壓和火焰強(qiáng)度小，火焰持續(xù)時間長。當(dāng)初始汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)升高后，汽油蒸氣與空氣混合物反應(yīng)速率加快，燃燒速率增大，加之狹長受限空間內(nèi)發(fā)生DDT過程，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣燃眲〖哟蟆＿@與圖3中的爆炸超壓趨勢相似，可以明顯看出火焰與壓力之間的相互作用。

表2 不同初始汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)爆炸火焰參數(shù)Table 2 Explosion flame parameters under different initial gasoline vapor volume fractions

2.2 七氟丙烷對爆炸超壓的影響

不同工況下爆炸超壓值變化曲線如圖4所示，不同汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)下B5號傳感器所測爆炸超壓值變化趨勢相同。不同工況下爆炸壓力參數(shù)見表3，1.3%汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)下，噴入抑爆介質(zhì)相比未抑爆時爆炸超壓下降91.06%。1.5%汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)下，噴入抑爆介質(zhì)相比未抑爆時爆炸超壓下降34.57%。1.7%汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)下，噴入抑爆介質(zhì)相比未抑爆時爆炸超壓下降50.92%。

圖4 不同工況下爆炸超壓值變化曲線Fig.4 Variation curves of explosion overpressure under different working conditions

爆炸超壓值的降低是由于爆炸火焰被抑爆介質(zhì)撲滅，化學(xué)反應(yīng)不能持續(xù)進(jìn)行。當(dāng)液態(tài)七氟丙烷噴入管道后迅速汽化吸熱，進(jìn)而降低燃燒反應(yīng)的活性，從而降低反應(yīng)進(jìn)行的速率；同時體積迅速膨脹，降低了管道內(nèi)汽油蒸氣和氧氣體積分?jǐn)?shù)，使得汽油蒸氣分子與氧氣分子作用的機(jī)會減少，根據(jù)分子碰撞理論，汽油蒸氣分子與活化分子碰撞的概率降低，使得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷，達(dá)到抑制爆炸燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

2.3 七氟丙烷對火焰的影響

1.7%初始汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)下A4測點火焰?zhèn)鞲衅饔涗浀挠袩o七氟丙烷抑爆情況下的火焰強(qiáng)度變化曲線如圖5所示。

表3 不同工況下爆炸壓力參數(shù)Table 3 Explosion pressure parameters under different working conditions

圖5 1.7%汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)火焰強(qiáng)度變化情況Fig.5 Variation of flame intensity of 1.7% gasoline vapor volume fraction

高速攝影儀拍攝的爆炸過程中管道端口破裂時的部分圖片如圖6所示。由圖6(a)～(b)可知，鋁箔紙在爆炸壓力波的作用下破裂，隨后火焰開始噴出，剛開始火焰噴出端口時呈亮白色，此時氧氣充足燃燒充分；隨后火焰繼續(xù)噴射，由亮白色變?yōu)殚偌t色，此時氧氣出現(xiàn)局部不足，汽油蒸氣未能完全燃燒。由圖6(b)可知，最先破裂的鋁箔紙被高速高壓的爆炸壓力波沖擊并粉碎，整個過程耗時90 ms，由此可見狹長受限空間中汽油蒸氣爆炸在爆燃轉(zhuǎn)化為爆轟后的爆炸壓力值極大、火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，具有極強(qiáng)的破壞力。

圖6 部分高速攝影儀圖片F(xiàn)ig.6 Some high-speed camera pictures

由圖6(c)～(d)可知，鋁箔紙在爆炸壓力波的作用下破裂，隨后未見火焰噴出。這是因為七氟丙烷的噴入大大延緩了火焰的傳播，減弱了爆炸超壓值，直至火焰被完全熄滅，由此可見，七氟丙烷有效抑制了爆炸燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

3 結(jié)論

1)未噴入七氟丙烷抑爆介質(zhì)時，隨著汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)由1.3%升高到1.5%，1.7%，爆炸強(qiáng)度隨之增大，表現(xiàn)為爆炸特性參數(shù)的增強(qiáng)：最大爆炸超壓由135.68 kPa增大為213.92 kPa，260.72 kPa，增幅達(dá)57.67%和92.16%，對應(yīng)的火焰強(qiáng)度由471.72 mV增大到1019.38 mV，增幅為53.72%，對應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?4.26 m/s增大到104.91 m/s，增幅為67.34%。

2)通過主動式抑爆裝置噴入七氟丙烷抑爆介質(zhì)時，爆炸超壓峰值對比未抑爆時明顯降低，分別下降91.06%，34.57%和50.92%。

3)通過主動式抑爆裝置噴入七氟丙烷抑爆介質(zhì)時，火焰強(qiáng)度對比未抑爆時明顯降低，降幅達(dá)到99.83%，并且火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀踅禐?，火焰持續(xù)時間隨之縮短幾乎為0。

4)實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析表明，七氟丙烷通過物理和化學(xué)抑制方法有效降低最大爆炸超壓和火焰發(fā)展，對汽油蒸氣爆炸抑制起到重要作用，為洞庫管路系統(tǒng)阻隔防爆研究提供理論依據(jù)和實際參考，具有重要指導(dǎo)意義。