鄭露露 龍鳳英 溫子陽 李澤歡 段玉龍副教授

(1.重慶科技學院 安全工程學院，重慶 401331；2.油氣生產(chǎn)安全與風險控制重慶市重點實驗室，重慶 401331)

0 引言

目前，我國首例摻氫天然氣管道輸送示范項目“朝陽可再生能源摻氫示范項目第一階段工程”，是將H2以一定的比例摻入天然氣中，利用現(xiàn)有的天然氣管道或管網(wǎng)進行輸送，以此實現(xiàn)對H2的開發(fā)利用[1]。而添加H2會降低CH4的爆炸下限，增強其爆炸危害性[1]，一旦發(fā)生爆炸事故，將造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，因此，研究H2/CH4混合氣體抑爆技術具有重要意義。

為保證摻氫天然氣管道的安全運輸，許多學者對混氫氣體抑爆進行深入研究，例如LI等[2]采用惰性氣體抑制可燃氣體爆炸，抑制效果顯著；路長等[3-4]通過實驗得出N2的噴氣壓力越大，阻爆效果越明顯；張迎新等[5]通過實驗表明CO2的抑爆效果優(yōu)于N2；MARIA等[6]、ZAHEDI等[7]和余明高等[8]研究得出不同的惰性氣體(He、Ar、N2和CO2)均在一定程度上降低可燃氣體的爆炸壓力與壓力上升速率，并且CO2抑爆特性最好。多孔材料作為吸能材料，也可用于抑制可燃氣體爆炸，例如RADULESCU等[9]、聶百盛等[10]和魏春榮等[11]實驗發(fā)現(xiàn)多孔材料可阻斷爆炸火焰?zhèn)鞑?，起到淬熄火焰的作用；段玉龍等[12-13]研究多孔材料對可燃氣體爆炸特性參數(shù)的影響效果，結果表明，不同孔隙度的多孔材料對爆炸火焰和超壓具有促進或抑制2種不同的影響。除單一的抑制爆炸方式外，一些學者還研究復合協(xié)同抑制爆炸，例如余明高等[14]探究超細水霧與多孔介質在協(xié)同作用下對多孔介質淬熄效果以及多孔介質上游爆炸超壓的影響；裴蓓等[15]研究表明CO2和超細水霧共同作用時能避免因超細水霧帶來的促爆現(xiàn)象；郭成成等[16]實驗研究發(fā)現(xiàn)在同一條件下，N2-細水霧與CO2-細水霧均比單一細水霧的抑爆效果要好，且CO2-細水霧的抑爆效果優(yōu)于N2-細水霧。

上述研究表明，復合協(xié)同抑爆方式優(yōu)于單一的抑爆方式，目前對于多孔材料與惰性氣體協(xié)同抑制研究較少，且低孔隙度的多孔材料會帶來促爆現(xiàn)象，致使抑爆失效。因此，本文對低孔隙度多孔材料和低噴氣壓力CO2共同作用下的低氫比混合氣體抑爆失效現(xiàn)象的爆炸火焰行為和超壓等特性參數(shù)開展進一步深入研究，進而為天然氣摻氫氣體爆炸防治技術提供理論依據(jù)。

1 實驗方法

實驗系統(tǒng)主要由7部分組成，分別是爆炸實驗管道、點火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、惰性氣體噴氣系統(tǒng)以及多孔材料，各部分之間的連接關系，如圖1。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

爆炸實驗管道尺寸為100mm×100mm×1 000mm，由有機透明玻璃制成，泄壓口位于管道右端上部；點火系統(tǒng)由點火開關、高頻脈沖點火器和點火頭組成，放置在管道左端；配氣系統(tǒng)由CH4氣瓶、H2氣瓶、空氣壓縮機以及3個高靈敏度質量流量控制計構成；壓力采集系統(tǒng)由2個壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，自動觸發(fā)采集；圖像采集系統(tǒng)由PhantomV710L高速攝像機和電腦組成；惰性氣體噴氣系統(tǒng)由CO2氣瓶、電磁閥、減壓閥和CO2噴頭構成，電磁閥打開噴出CO2，噴頭設置在距點火端190mm處；多孔材料采用厚度為10mm[17]、孔隙度為20PPI的鐵鎳泡沫金屬[12,14]，安裝在距點火端350mm處。

實驗前按圖1組裝設備，調試相關設備，確保采集成功。設置高速攝像機采樣頻率為2 000fps，曝光時間490μs；壓力傳感器1、2分別安裝在距點火端330、880mm處，其電壓靈敏度分別為7 608、7 180mV/MPa；泄壓口通氣過程用PVC薄膜密封；本文采取當量比為1.0的H2/CH4空氣混合氣體，在三通管內預混合均勻，采用4倍排氣法將所需氣體匯合到管道內，通氣時間為8min。通氣完成后同時關閉排氣閥和進氣閥，啟動電磁開關控制噴頭進行噴氣，同時啟動點火系統(tǒng)點燃預混氣體，直至反應結束，采集壓力數(shù)據(jù)并儲存拍攝到的火焰圖像。實驗包括表1中9種出現(xiàn)抑爆失效現(xiàn)象的工況。為確保實驗結果正確性，每組實驗重復3次，以確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

表1 實驗工況Tab.1 Experimental conditions

2 實驗結果與分析

2.1 火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h3>

圖2是放置多孔材料孔隙度為20PPI時，無噴氣作用下，氫氣體積分數(shù)φ分別為10%、20%、30%的抑爆失效情況下的火焰?zhèn)鞑ミ^程。從圖2可知，僅放置孔隙度為20PPI的多孔材料，3組工況下均抑爆失效，未能抑制火焰?zhèn)鞑?。與CLANET[18]提出的爆炸火焰?zhèn)鞑サ?個階段(球形—指尖形—平面—郁金香)相比，火焰鋒面尖端到達多孔材料前只出現(xiàn)球形火焰與指尖形火焰2個階段；由于冷壁熄火效應，火焰穿過多孔材料且漂移到多孔材料后部一定距離的位置處點燃下游混合氣體；下游火焰發(fā)展規(guī)律不遵循預混氣體爆炸的傳統(tǒng)過程，火焰以一種混亂、無規(guī)則的結構向管道上下游傳播，上游由于多孔材料的約束作用，火焰向“郁金香”結構發(fā)育受阻，由于多孔材料孔隙度為20PPI時不能阻止火焰?zhèn)鞑ィ试讦?30%時上游能觀察到不完整的“郁金香”火焰；下游火焰繼續(xù)向泄壓口端以類似于平面的趨勢傳播，火焰鋒面褶皺，呈現(xiàn)湍流趨勢，在φ=30%時出現(xiàn)較為完整的“郁金香”火焰，而φ=10%、20%時未出現(xiàn)完整的“郁金香”火焰。圖2(a)-(c)中，管道上游火焰鋒面分別在t=36.5、34、30.5ms處接觸多孔材料，(a)中下游火焰在t=70ms左右完成整個管道的傳播，(b)和(c)中火焰分別在t=65和60 ms左右時通過整個管道，說明抑爆失效情況下，氫氣體積分數(shù)φ增大，火焰鋒面接觸多孔材料和右側管壁的耗時逐漸縮短，火焰鋒面速度升高。

圖2 0MPa時的火焰結構變化Fig.2 Changes of the flame structure at 0MPa

圖3是放置多孔材料孔隙度為20PPI時，CO2噴氣壓力為0.2和0.4MPa，φ分別為10%、20%、30%的抑爆失效情況下的火焰?zhèn)鞑ミ^程。分析可知，多孔材料孔隙度為20PPI且CO2低壓噴氣情況下，均出現(xiàn)抑爆失效現(xiàn)象。圖3中CO2噴氣時間均在t=20～30ms內，作用于指尖形火焰時期，且火焰前鋒略過噴頭。從圖3(a)可知，管道上游中，在t=28ms左右CO2噴出與火焰接觸后，擾亂火焰形態(tài)，上層火焰從層流形態(tài)發(fā)展成湍流形態(tài)，加劇燃燒；CO2穿過多孔材料，導致下游未燃氣體劇烈燃燒，生成明亮火焰，以一種混亂、無規(guī)則的結構向管道上下游傳播，上游由于多孔材料的約束作用，火焰向“郁金香”結構發(fā)育受阻，又因多孔材料不能完全阻止火焰?zhèn)鞑?，因此能觀察到部分明亮的火焰；下游火焰繼續(xù)向泄壓口端以類似于平面的趨勢傳播，火焰鋒面褶皺，呈現(xiàn)湍流趨勢，火焰結構逐漸發(fā)育成完整的“郁金香”火焰。對比圖2(a)與圖3(a)、(d)，當φ=10%，CO2噴出壓力為0、0.2、0.4MPa時，上游火焰到達多孔材料處的時間分別為36.5、35.5、34ms，傳播時間逐漸縮短，且在圖3(d)中CO2的噴出促進火焰結構由指尖形向“郁金香”火焰的發(fā)育，均說明低壓CO2噴出具有紊流加速作用[3]。同理，圖2(b)與圖3(b)、(e)，圖2(c)與圖3(c)、(f)中，φ=20%、30%時，火焰結構變化與φ=10%條件下類似，接觸到多孔材料的時間分別是34、32.5、32、31、30.5、29ms，耗時相對縮短。圖3中各組失效工況下火焰完成整個管道的傳播時間逐漸縮短，即在CO2噴氣壓力較低情況下，低氫比混合氣體抑爆失效，完成整個管道的傳播耗時縮短；CO2噴氣壓力增大，促進火焰結構發(fā)育。

(a)φ=10%且0.2MPa

圖4為放置多孔材料孔隙度為20PPI時，有無噴氣作用、φ分別為10%、20%、30%的抑爆失效情況下，火焰鋒面速度變化曲線，其中a表示CO2噴氣作用時刻，b表示火焰鋒面到達多孔材料的時刻。從圖4可知，火焰鋒面速度變化趨勢均為先上升至最大速度峰值，逐漸下降歸零。圖4(a)中，當φ=10%時，0、0.2和0.4MPa失效條件下，火焰鋒面速度峰值分別為28.57、30.82和31.76m/s，時間分別在t=42、41和36 ms左右。對比圖2和圖3可知，0MPa且t=42ms時，火焰鋒面已穿過多孔材料；同理對比可知，0.2MPa且t= 41ms和0.4MPa且t=36ms失效情況下，火焰均已穿過多孔材料，即火焰鋒面速度在火焰穿過多孔材料后達到最大峰值；0.2和0.4MPa失效情況下火焰鋒面速度峰值相較0MPa時分別上升7.87%和11.17%，即抑爆失效情況下，CO2噴氣作用下，噴氣壓力增大，火焰鋒面速度峰值逐漸升高。圖4(b)中φ=20%時，0、0.2和0.4MPa失效情況下，火焰鋒面速度峰值分別為30.92、35.55和35.07m/s，時間在t=41、38和37ms處，根據(jù)圖2和圖3，此時火焰均已穿過多孔材料，與圖4(a)中情形相似；對比0MPa時，0.2和0.4MPa失效情況下火焰鋒面速度峰值分別上升14.98%和13.31%；圖4(c)中φ=30%時，0、0.2和0.4MPa失效情況下，火焰鋒面速度峰值分別為35.88、35.23和42.89m/s，時間在t=36、35.5和30.5ms處，從圖2和圖3可知，此時火焰均已穿過多孔材料，與圖4(a)中情形相似，對比0MPa時，0.2MPa時火焰鋒面速度衰減1.81%，0.4MPa時火焰鋒面速度峰值上升19.56%。即僅當φ=30%且0.2MPa時，火焰鋒面速度峰值相較0MPa時有小幅度的衰減；其他情況下的火焰鋒面速度峰值相較0MPa時均上升。各失效工況下的火焰鋒面速度峰值和時間對比，見表2。

表2 各失效工況下火焰鋒面速度峰值與時刻表Tab.2 The velocity peak and timeline of the front flame under different failure conditions

圖4(a)中φ=10%且0MPa時，火焰鋒面接觸多孔材料的時間t=36.5ms，此時火焰鋒面速度為20.50m/s；0.2MPa時t=35.5ms接觸多孔材料，火焰鋒面速度為22.79m/s；0.4MPa時t=34ms接觸多孔材料，火焰鋒面速度為27.38m/s。同樣，圖4(b)和(c)中φ=20%和30%時，0、0.2和0.4MPa失效情況下火焰鋒面接觸到多孔材料的傳播時間分別為34、32.5、32和31、30.5、29ms，火焰鋒面速度分別為22.26、27.17、31.79和28.40、28.76、38.14m/s。抑爆失效情況下，CO2噴氣作用下，噴氣壓力增大，火焰鋒面到達多孔材料處耗時逐漸縮短，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬?，低壓CO2噴出一定程度上促進火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

(a)φ=10%

2.2 爆炸超壓

圖5是多孔材料孔隙度為20PPI時，不同φ以及不同噴氣壓力對抑爆失效情況下管道上游和下游爆炸超壓的影響。P1和P2分別代表管道上游和下游爆炸壓力變化曲線，上游爆炸壓力P1變化趨勢均呈先上升，后下降，再升高，然后降低；下游爆炸壓力P2變化趨勢均呈先上升后下降。由圖5(a)可知，φ=10%且0MPa失效情況下，上游爆炸壓力峰值P1-peak出現(xiàn)的原因是多孔材料對爆炸氣流存在阻力作用[18]，導致爆燃氣流因受到一定阻力而積聚，進而使得爆炸壓力上升達到壓力峰值19.65kPa，在t=25ms左右泄壓口處薄膜破裂，泄壓速率增大，導致壓力暫時回落；圖5(b)中管道下游爆炸壓力峰值P2-peak是由于火焰穿過多孔材料發(fā)生二次爆炸導致壓力上升達到峰值60.01kPa，隨后逐漸下降，并在沖擊波反射與空氣涌入相互作用下出現(xiàn)壓力振蕩。圖5(a)中φ=10%且0.2MPa失效情況下，P1-peak為20.52kPa，相較0MPa時上升4.42%，增幅較小，出現(xiàn)的原因是由于CO2不參與燃燒反應，且在多孔材料的阻力作用下，CO2在管道上游持續(xù)積聚，導致上游壓力逐漸升高至峰值，即CO2抑爆失效情況下會導致P1-peak升高；圖5(b)中P2-peak為55.48kPa，相較0MPa時衰減7.55%，即CO2抑爆失效情況下會導致P2-peak下降。當φ=10%且0.4MPa抑爆失效情況下，P1-peak為23.91kPa，相較0MPa時上升21.68%，增幅較大，此時峰值出現(xiàn)的原因與0和0.2MPa失效情況下有所不同，不僅是由于CO2的持續(xù)積聚導致的壓力峰值升高，更可能是CO2噴氣壓力過大，持續(xù)噴氣行為致使出現(xiàn)更高的壓力峰值；P2-peak為57.57kPa，相較0MPa時衰減4.07%，說明φ=10%時，CO2噴氣壓力為0.2和0.4MPa失效情況下，相較0MPa時對多孔材料右側未燃區(qū)壓力有衰減作用，且0.2MPa效果更優(yōu)。

同理，由圖5(b)-(f)可知，當φ=20%、30%，CO2噴氣壓力上升時，上游爆炸壓力峰值P1-peak由0MPa時的24.94和33.67kPa增至28.60、34.78和33.86、46.36kPa，分別增加14.77%、39.57%和0.60%、37.69%；下游爆炸壓力峰值P2-peak由0MPa時的70.16和74.23kPa，增至71.73、80.98和75.36、90.83kPa，分別增加2.24%、15.42%和1.52%、22.36%。各失效工況爆炸壓力峰值變化率，如圖6。從圖6可知，在CO2噴氣壓力0.2、0.4MPa失效條件下，均導致上游爆炸壓力峰值P1-peak在不同程度上升高；下游爆炸壓力峰值P2-peak僅在φ=10%且CO2=0.2、0.4MPa失效條件下有所衰減，其他條件均使壓力峰值升高。

(a)P1

(a)φ=10%，P1

3 結論

(1)多孔材料安裝在距點火端350mm處，孔隙度為20PPI，有無噴氣作用下，均出現(xiàn)抑爆失效現(xiàn)象。當CO2噴頭位置安裝在距點火端190mm處，噴氣壓力從0.2增加到0.4MPa，低氫比混合氣體燃燒加劇，火焰到達多孔材料和完成整個管道的傳播耗時均縮短，且一定程度上促進火焰結構的發(fā)育。

(2)火焰鋒面速度變化趨勢均為先上升至最大速度峰值，逐漸下降歸零。即僅當φ=30%且0.2MPa失效情況下，火焰鋒面速度峰值相較0MPa時衰減了1.81%；其他失效情況下的火焰鋒面速度峰值相較0MPa時均有不同幅度的上升，上升幅度最大為φ=30%且0.4MPa，增幅19.56%。

(3)抑爆失效情況下，管道上游爆炸壓力P1變化趨勢均呈先上升，后下降，再升高，然后降低；下游爆炸壓力P2變化趨勢均呈先上升后下降。在CO2噴氣壓力為0.2、0.4MPa失效情況下，均導致上游爆炸壓力峰值在不同程度上升高；下游爆炸壓力峰值僅在φ=10%且CO2噴氣壓力為0.2、0.4MPa失效條件下有所衰減，其他情況下均造成壓力峰值升高。

(4)本文選取的均為出現(xiàn)抑爆失效現(xiàn)象的工況，分析得出低孔隙度多孔材料協(xié)同CO2低噴氣壓力情況下會導致低氫比混合氣體出現(xiàn)抑爆失效現(xiàn)象，為摻氫天然氣管道抑爆阻爆技術提供理論依據(jù)。為避免抑爆失效現(xiàn)象的發(fā)生，可考慮高孔隙度多孔材料和高噴氣壓力CO2及其安裝位置等多因素進行抑爆研究。