周亮 蘇苗印

(杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司 杭州 310014)

0 引言

氧氣作為一種化學性質較為活潑的助燃氣體，本身不具有爆炸性，但高純度氧氣會和周圍物質劇烈燃燒，甚至發(fā)生燃爆。為了減少氧氣燃爆事故引發(fā)的危害，近年來，大多數國家根據本國大量試驗數據和工程經驗，編制了氧氣管道的安全技術規(guī)定，大大提高了氧氣管道的安全性[1]。

氧氣管道燃爆事故具有偶然性和難以量化的問題，這為氧氣管道安全防護設計帶來一定難度。本文將從氧氣燃燒機理及影響因素分析入手，探討氧氣濃度、固體顆粒和氧氣壓力對氧氣燃爆性能的影響，結合氧氣管道特性分析了點火源類型及特點，通過推導得出氧氣管道燃爆的爆炸當量計算方法，為氧氣管道安全防護設計提供一定依據。

1 氧氣管道燃燒變量

燃燒是復雜的物理化學過程，燃燒的產生必須同時具備三要素：①可燃物：如木材、酒精、油品等；②助燃物：如氧氣、氯氣等；③點火源：如明火、電火花、摩擦火花等[2]。燃燒速度的影響因素除了可燃物和助燃物的化學反應速度等化學條件外，還包括可燃物和助燃物的接觸混合速度等物理條件，最終取決于兩者中的較慢者。氧氣管道中氧氣濃度、氧氣壓力和固體顆粒物尺寸等為常見物理條件變量，而氧氣管道的主材、殘留油脂、雜質廢渣等為化學條件變量。

1.1 氧氣濃度影響

大多數物質的著火溫度隨氧濃度的增大而降低，例如，常壓條件下，煙煤在空氣中的著火溫度為400 ℃左右，而在純氧時的著火溫度會降至250 ℃；甲烷氣在空氣中著火溫度為540 ℃左右，而在純氧條件下的著火溫度比在空氣中的著火溫度低50～100 ℃[2]。由于富氧環(huán)境也能降低金屬的著火溫度，導致部分金屬的著火溫度低于熔化溫度，變?yōu)榭扇嘉镔|。比如鐵絲在空氣中不能發(fā)生連續(xù)的燃燒反應，而在純氧環(huán)境中能形成火星四射的劇烈燃燒，并放出大量的熱。

一般工業(yè)用標準氧純度多數為≥99.5%，輸送高純度氧氣的金屬管道在滿足燃燒條件下會通過鏈式反應連續(xù)燃燒。而且，外泄氧氣吹身或者液氧噴濺到身體，人的身體會因毛發(fā)、衣物充滿氧遇到火源而引發(fā)燃燒，導致嚴重燒傷事故。

1.2 固體顆粒物尺寸影響

金屬在純氧條件下非常容易燃燒，產生大量的光和熱。研究表明，小顆粒固體的比表面積有較多的反應活性點，且相互間的傳熱性能較好，所以，固體顆粒的粒徑越小，其著火溫度一般越低，表1為不同粒徑鐵粉的著火溫度實驗結果?？梢姡F粉的著火溫度很低，而且，鐵粉一旦燃燒，產生的燃燒熱量很大(1 kg鐵粉燃燒釋放7 260 kJ的熱量)。

表1 不同粒徑鐵粉的著火溫度數值

1.3 氧氣壓力影響

氧具有強氧化和助燃特性，當氧氣與可燃物并存，且點火源激發(fā)能充足時，會引起燃燒；當氧氣與可燃物均勻混合且濃度在爆炸極限范圍內，則會發(fā)生爆炸。另外，如果當氧氣壓力足夠大，燃燒反應速率足夠快，單位時間內釋放出大量熱量，則燃燒傳播速度非常快，燃燒極為劇烈，可能產生爆燃現象。經試驗證實，隨著氧壓力提高，著火溫度會降低，表2為純氧環(huán)境中不同壓力下鐵和低碳鋼的著火溫度。由此可見，超高壓氧環(huán)境會造成金屬物質變得極易燃燒。

表2 不同壓力下鐵和低碳鋼的著火溫度數值

1.4 可燃物雜質影響

可燃物在氧氣中燃燒著火溫度比空氣中低，氧氣管道中比較常見的可燃物為殘留氧化皮、焊渣、油脂、纖維或橡膠雜質、有機物等管道殘留雜質，這些物質在氧氣中的最低著火溫度如表3所示[3]。管道殘留雜質著火溫度比鋼材低得多，這些物質在高純氧的管道中被引燃后，會在管道中發(fā)生劇烈氧化還原反應，引起燃燒事故。所以，氧氣管道安裝過程脫脂和清理不徹底是導致氧氣管道燃燒最為重要的原因之一。

表3 不同物質在氧氣中燃燒的著火溫度

2 點火源影響因素

點火源作為燃燒的啟動能量，是燃燒發(fā)生的激發(fā)能源，氧氣管道中最為常見的點火源為固體顆粒摩擦碰撞、靜電火花、絕熱壓縮生熱和動靜部件間摩擦等。

2.1 固體顆粒摩擦碰撞

管道安裝后殘留焊渣、氧化皮或鐵屑等固體雜質隨氣流在氧氣管道中高速運動，不斷撞擊管道內壁，產生摩擦熱。摩擦熱來不及和氣流充分換熱，使得固體顆粒本身和管壁溫度升高。摩擦熱E來源于固體顆粒的動能P，而固體顆粒的動能P與流體的固體顆粒撞擊次數、固體運動速度、顆粒質量有關，如式(1)所示。式中動能P部分轉化成摩擦熱H，其轉化率μ取決于固體顆粒特性、管道粗糙度和固體顆粒形狀等。

(1)

式中，H為摩擦熱，W；N為單位時間內撞擊次數；μ為摩擦熱轉化率；m為固體顆粒質量, kg；v為固體運動速度, m/s。

另外，高速運動的固體顆粒與管道內壁摩擦會導致靜電轉移，而分散顆粒在完全干燥的環(huán)境中會使得靜電電位越來越高，兩者間的電位差可能高達4 000～6 000 V，產生靜電激弧火花?？梢?，在氣體流動驅動下，固體顆粒由于摩擦熱與靜電電位使得固體顆粒釋放能量超過最小點火能量，導致燃燒事故發(fā)生。

2.2 絕熱壓縮生熱

當高壓氧氣快速流入低壓區(qū)域，如快速打開管道設備的截斷閥門或開啟氧氣壓縮機，下游低壓區(qū)域的氧氣被急速壓縮，來不及均衡壓力，也來不及和周圍交換熱量，近似等熵絕熱壓縮過程，壓縮后的氧氣溫度理論計算如式(2)：

T2=T1(P2/P1)(K-1)/K

(2)

式中，T2為壓縮后氣體溫度，K；T1為壓縮前氣體溫度，K；P2為壓縮后氣體壓力，Pa；P1為壓縮前氣體壓力，Pa；K為等熵絕熱指數，一般取1.4。

如果將壓縮前的氧氣取常溫常壓狀態(tài)(T1=20 ℃，P1=0.1 MPa)，則壓縮后的氧氣計算溫度如表4。

表4 不同物質在氧氣中燃燒的著火溫度

表4顯示，壓縮后的高溫氧氣足以點燃周圍環(huán)境內著火溫度較低的可燃物，導致燃燒發(fā)生。

3 氧氣管道燃爆當量

從上述分析可以看出，由于氧氣管道殘留氧化皮、鐵銹或油脂等在高壓純氧環(huán)境中著火溫度較低，受固體顆粒摩擦碰撞、靜電火花或絕熱壓縮等點火源影響，當激發(fā)能達到一定程度時，燃燒迅速發(fā)生，管道本體被點燃。鋼管燃燒釋放大量熱量，溫度急劇上升，管內氣體急劇膨脹。之后，氧氣擊穿管壁后導致管道內外壓力坡度越大，燃燒變得更為劇烈，火勢進一步加大，發(fā)生燃爆事故。

3.1 氧氣管道燃燒能量計算

計算沖擊波的破壞力，首先計算燃爆釋放的能量，氧氣管道燃燒時的可燃物主要為管道本體，主要取氧氣管道為計算對象。氧氣管道燃燒釋放的能量理論值如式(3)：

E1=MQ1

(3)

式中，E1為氧氣管道燃燒能量，kJ；M為氧氣管道計算質量，kg；Q1為氧氣管材燃燒熱，kJ/kg。

式(3)所述氧氣管道計算質量M的范圍應包括連續(xù)燃燒管段，比如快速切斷閥、阻火器或豁免材料等具有阻燃能力設施之間的連接管段，或者上下游設備之間的連接管段(當無阻火措施時)。

3.2 氧氣管道燃爆能量TNT當量

高壓氣流沖出氧氣管道，燃燒迅速擴散，發(fā)生燃爆。氧氣管道燃爆TNT當量指表達式可以近似用式(4)表示[4]：

(4)

式中，q為氧氣管道燃爆能量TNT當量, kg；Q2為TNT爆炸能量，約為4 200 kJ/kg；β為氧氣管道的TNT當量系數。

氧氣管道的燃爆能量TNT當量系數β是一個難以量化的綜合系數，由管材不完全燃燒產生，不僅受氧氣管道材質、工作壓力、氧氣流速等物理及化學條件影響，還受氧氣管道周圍環(huán)境影響。根據工程經驗分析β可以取值0.08～0.1，在考慮防護時，如設置防護墻時，為提高防護安全可靠性，取高值。

3.3 氧氣管道燃爆超壓計算

如果需要計算氧氣管道燃爆帶來的破壞力，還應計算出沖擊波的超壓值，式(5)為爆炸超壓值的常用半經驗公式[5]：

(5)

式中，△P(R)為在半徑為R時實際爆炸沖擊波超壓值，MPa；△P0(R)為在半徑為R時1 000 kg TNT爆炸沖擊波超壓值，MPa；α為爆炸實驗模擬比。

為計算爆炸超壓值，先以無限空氣介質中1 000 kg TNT爆炸時沖擊波的峰值超壓值為參考，見圖1，結合公式(5)，計算出不同爆炸半徑R下氧氣管道燃爆的超壓值。然后根據超壓值計算結果判斷管道燃爆事故對人員或建筑物的傷害半徑，以此綜合判斷事故產生的影響。

圖1 1 000 kg TNT爆炸超壓值分布

(6)

如果管道在鋼板、混凝土、巖石一類剛性地面時，由于反射效果，可看成2倍裝藥量在無限空間爆炸，則計算公式也可以采用經驗公式(7)。

(7)

4 事故示例分析

以氧氣調壓站內的氧氣管道周圍設置防護墻為例，防護墻的總長度為20 m，壁厚為8 mm的DN300氧氣管道與閥門布置在防護墻內，則防護墻內氧氣管道燃爆TNT當量計算結果代入式(4)計算后的結果為：

計算結果可知，該設置條件下的氧氣管道爆燃產生的沖擊波>0.1 MPa，在傷害半徑范圍內，會造成大部分人員死亡。為防止氧氣閥門操作時發(fā)生意外事故，需確保人員在墻外操作閥門，通過防護墻體隔絕爆炸沖擊波對人員的傷害，也防止應力波向四周傳播。

5 結論

(1)氧氣有支持燃燒的性質，預防氧氣管道燃爆事故的發(fā)生關鍵在于控制點火源，可通過以下方式實現：安裝過程徹底清理管內殘留可燃物質，控制氧氣管道流速減少固體顆粒沖擊產生的摩擦熱和靜電電位，緩慢開啟閥門避免引發(fā)絕熱壓縮等。

(2)除從源頭上辨識潛在的危險外，應采取有效措施限制氧氣管道燃爆事故后危險的擴散和傳播，如設置防護墻防止爆炸沖擊波傷害操作人員和周圍設施等。文中分析了氧氣管道爆燃后的壓力分布規(guī)律，可以用于預測和評估氧氣管道燃爆事故沖擊波的影響，以利于設計人員將事故風險控制在可接受的范圍內。

(3)氧氣管道燃爆是非常復雜的變化過程，應從設計、安裝、使用、管理等各個環(huán)節(jié)進行分析，并從氣動學、熱力學等理論和實驗等多方面加強研究，為氧氣管道的工程設計提供更多依據。