雷世林 溫子陽(yáng) 李澤歡 鄭露露 段玉龍副教授

(1.重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331；2.油氣生產(chǎn)安全與風(fēng)險(xiǎn)控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331)

0 引言

以甲烷為主的可燃?xì)怏w是中國(guó)乃至全世界的重要戰(zhàn)略能源之一，甲烷燃爆將會(huì)造成環(huán)境破壞、巨額財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡[1]，為此國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開展對(duì)甲烷爆炸特性和抑爆技術(shù)的探索[2]。余明高等[3]和SAZAL Kundu等[4]對(duì)甲烷/空氣混合氣體火焰發(fā)展特性、爆燃和爆轟階段以及從爆燃向爆轟的過渡進(jìn)行詳細(xì)概述；聶百勝等[5]基于SEM技術(shù)對(duì)泡沫陶瓷下瓦斯爆炸特性進(jìn)行測(cè)試，得出最大超壓衰減比例可達(dá)到50%；陳鵬等[6]的研究表明不同材質(zhì)的多孔材料對(duì)爆炸壓力均有一定的抑制作用；CHENG Fangming等[7]研究金屬絲網(wǎng)對(duì)火焰的淬熄機(jī)理，并得出絲網(wǎng)層數(shù)越多或網(wǎng)格尺寸越大,火焰通過絲網(wǎng)后褶皺越明顯；LU Yawei等[8]研究發(fā)現(xiàn)隨著絲網(wǎng)數(shù)量和層數(shù)的增加,泄放火焰長(zhǎng)度逐漸減小,容器內(nèi)爆炸壓力逐漸增大；段玉龍等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)管內(nèi)滑移擋板能夠有效淬滅火焰且抑爆效果優(yōu)于固定裝置；SHAO Hao等[11]研究發(fā)現(xiàn)不同初始?jí)毫ο屡菽饘賹?duì)火焰和峰值壓力的作用呈現(xiàn)出抑制和促進(jìn)雙重作用；HE Yunlong等[12]通過實(shí)驗(yàn)得出阻燃絲瓜海綿能完全阻止爆炸火焰蔓延,其爆炸超壓衰減率可達(dá)84%；溫小萍、余明高等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)超細(xì)水霧和多孔材料的組合方式對(duì)瓦斯爆炸具有耦合抑制作用，超細(xì)水霧能夠吸收反應(yīng)區(qū)大量熱能,降低反應(yīng)速率與火焰?zhèn)鞑ニ俣?，放置在管道中的多孔材料使得傳播火焰淬熄，且添加的超?xì)水霧可降低多孔材料上游的超壓，兩者的協(xié)同抑制優(yōu)于單一作用效果；袁必和等[15]實(shí)驗(yàn)得出管內(nèi)填充多孔聚丙烯復(fù)合材料后最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率都明顯降低；DUAN Yulong等[16]基于自行設(shè)計(jì)的滑移實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究不同彈性系數(shù)下不同孔徑的多孔介質(zhì)在初始位置40cm(距點(diǎn)火位置)處的甲烷/空氣預(yù)混氣體爆炸特性，結(jié)果表明，滑動(dòng)多孔介質(zhì)的耦合作用對(duì)爆炸火焰和超壓具有明顯抑制,可有效降低火焰的傳播速度和持續(xù)時(shí)間。

綜上所述，多孔介質(zhì)在抑爆領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，且主要用于研究火焰一次加速階段，對(duì)多孔介質(zhì)抑制爆炸火焰二次加速階段的研究不夠深入。因此本研究將探索多孔介質(zhì)置于70cm處的動(dòng)態(tài)滑移實(shí)驗(yàn)，通過延長(zhǎng)甲烷爆炸火焰、沖擊波壓力與多孔介質(zhì)的接觸時(shí)間，以及滑移過程中對(duì)火焰的反向抑制時(shí)間，以此來阻隔、抑制火焰二次加速傳播，衰減爆炸帶來的沖擊波和壓力，研究結(jié)果將對(duì)抑爆技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展提供有效參考。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及流程

實(shí)驗(yàn)裝置由爆炸激波管、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、多孔介質(zhì)和滑移軌道等組成，如圖1。爆炸激波管長(zhǎng)度為100cm，橫截面為正方形，面積為100m2，最大耐壓強(qiáng)度為2MPa；配氣系統(tǒng)由質(zhì)量流量計(jì)(量程為0～5L/min)、空氣壓縮機(jī)、高純度甲烷氣瓶、閥門及輸氣管組成；壓力采集系統(tǒng)由高頻壓力傳感器(-0.1～0.1MPa)、沖擊測(cè)試儀、測(cè)試主機(jī)(型號(hào)NUXI-1004)等組成；點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火器、電源和高壓脈沖轉(zhuǎn)換裝置組成；火焰數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由攝像機(jī)控制軟件(Phantom Camera Control，PCC)、高速攝像機(jī)(Phantom V710L)組成，采樣頻率 2 000fps，曝光時(shí)間480μs，分辨率1 280×800像素；滑移軌道由機(jī)械彈簧(彈性線徑分別為0.6和0.8mm)和圓柱形光滑鋼棍組成；多孔介質(zhì)孔隙度為60PPI和100PPI；管道尾部置有圓形泄爆口，采用PVC膜密封，同時(shí)為方便探查滑移多孔介質(zhì)的運(yùn)行軌跡，在多孔介質(zhì)上安裝耐高溫LED燈。

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

無(wú)裝置條件下9.5%甲烷/空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?.4cm處達(dá)到第一次峰值，在70cm處第二次小幅度增加，隨后出現(xiàn)第二次峰值[10]。因此本實(shí)驗(yàn)裝置中滑移多孔介質(zhì)的初始位置(距點(diǎn)火位置距離)為70cm，如圖2。

圖2 滑移多孔介質(zhì)初始位置(距點(diǎn)火位置)Fig.2 The initial position of the sliding porous medium from the ignition position

管內(nèi)初始?jí)毫εc大氣壓相等為0.1Mpa，按照表1所設(shè)計(jì)的工況開展實(shí)驗(yàn)。為保證甲烷/空氣充分均質(zhì)預(yù)混，運(yùn)用4倍體積法向激波管內(nèi)通入氣體8min，并在此過程中運(yùn)用氣體檢測(cè)儀檢測(cè)系統(tǒng)密封性以防止氣體泄漏。觸發(fā)點(diǎn)火系統(tǒng)時(shí)，火焰數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和壓力采集系統(tǒng)同時(shí)被觸發(fā)，從而采集到火焰和壓力數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次以確保各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 滑移裝置下火焰特性分析

高速攝像機(jī)拍攝的不同工況下的滑移多孔介質(zhì)下甲烷/空氣爆炸火焰?zhèn)鞑D，步長(zhǎng)20ms，如圖3。從圖3可以看出，在整個(gè)火焰?zhèn)鞑ミ^程中，多孔介質(zhì)滑移工況下的火焰前鋒高度比無(wú)裝置工況時(shí)的短，且火焰在無(wú)裝置工況和滑移工況下均經(jīng)歷4個(gè)發(fā)育階段，即球形—指形—平面形—郁金香形。

圖3 不同工況下火焰結(jié)構(gòu)發(fā)展變化Fig.3 Development and change of the flame structure under different working conditions

不同工況下火焰完全淬熄的時(shí)間分別為200、240、360、360、280ms，這是因?yàn)闊o(wú)裝置工況下火焰自左向右傳播過程中不受任何阻隔，傳播至附有PVC膜的泄爆口附近時(shí)伴隨著壓力和沖擊波快速釋放，導(dǎo)致管內(nèi)火焰淬滅時(shí)間較短；而滑移多孔介質(zhì)工況中由于多孔介質(zhì)密集孔隙作用，能將甲烷爆炸產(chǎn)生的火焰完全限制在多孔介質(zhì)上游區(qū)域，阻隔火焰朝下游區(qū)域的繼續(xù)傳播，造成甲烷爆炸火焰在多孔介質(zhì)處均發(fā)生貼壁擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象，因此較無(wú)裝置工況下火焰發(fā)生淬滅的時(shí)間有所延長(zhǎng)?；贫嗫捉橘|(zhì)能夠延緩“郁金香形”火焰的出現(xiàn)時(shí)間，60ms時(shí)無(wú)裝置工況下火焰前鋒由“平面形”變?yōu)椤坝艚鹣阈巍?，而滑移多孔介質(zhì)工況下出現(xiàn)“郁金香形”火焰的時(shí)間均為80ms。其中工況一和工況二下“郁金香形”火焰?zhèn)鞑ブ炼嗫捉橘|(zhì)表面的時(shí)間為80ms，工況三和工況四下“郁金香形”火焰?zhèn)鞑ブ炼嗫捉橘|(zhì)表面的時(shí)間為100ms，表明當(dāng)彈簧線徑一定時(shí)，火焰?zhèn)鞑ブ炼嗫捉橘|(zhì)表面的時(shí)間隨著孔隙度的增加將逐漸增加。

根據(jù)火焰數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的火焰圖像，通過火焰發(fā)育尖端最大軸向距離隨時(shí)間的變化，即采用公式(1)計(jì)算平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葀[17]：

v=L/(t2-t1)

(1)

式中：

L—火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，m；

t2—火焰?zhèn)鞑コ跏紩r(shí)間,ms；

t1—火焰?zhèn)鞑ソ刂箷r(shí)間,ms。

計(jì)算滑移裝置距點(diǎn)火位置70cm工況下與無(wú)裝置工況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，如圖4。由圖4可知，多孔介質(zhì)在滑移條件下對(duì)火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч^好，滑移裝置條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣染陀跓o(wú)裝置條件。基于公式(1)計(jì)算各工況下的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?，無(wú)裝置工況下為16.61m/s，工況一到工況四下最大火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為14.41、14.94、14.55、15.46m/s。對(duì)比無(wú)裝置工況下最大火焰?zhèn)鞑ニ俣人p比例分別為13.24%、10.05%、12.40%、6.92%。

圖4 不同工況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.4 Flame propagation speed under different working conditions

實(shí)驗(yàn)表明滑移多孔介質(zhì)能夠抑制火焰的傳播，滑移裝置下火焰速度峰值及較無(wú)裝置工況時(shí)的火焰速度峰值衰減比例，見表2。由表2可得，較無(wú)裝置工況下火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯惦S著多孔介質(zhì)的孔隙度和彈簧線徑的增加均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，不同的是滑移裝置中彈簧線徑對(duì)火焰速度衰減效果的影響程度是大于多孔介質(zhì)孔隙度的。

表2 有滑移裝置火焰速度峰值及較無(wú)裝置工況速度峰值衰減比例對(duì)比表Tab.2 The comparison table between the flame speed peak value with sliding device and the attenuation ratio of the speed peak value under working condition without sliding device

2.2 滑移多孔介質(zhì)下爆炸超壓分析

不同工況下爆炸壓力與時(shí)間的關(guān)系，如圖5。從圖5(a)、(b)可以看出滑移條件下管內(nèi)上游、下游的爆炸壓力均低于無(wú)裝置工況，這是因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)的細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)可以不斷地吸收橫波和縱波，且彈簧對(duì)多孔介質(zhì)產(chǎn)生的反向推動(dòng)作用將延長(zhǎng)沖擊波和壓力與多孔介質(zhì)的接觸時(shí)間，此過程中沖擊波也伴隨著能量被吸收和消散，所以導(dǎo)致爆炸壓力峰值一定幅度衰減。管內(nèi)上游區(qū)域，無(wú)裝置工況時(shí)的峰值壓力為15.85kPa，其他工況下的爆炸壓力分別為13.02、13.52、13.04、14.54kPa，較無(wú)裝置工況分別下降17.85%、14.71%、17.73%、8.26%；管內(nèi)下游區(qū)域，無(wú)裝置工況下的峰值壓力為18.11kPa，其他工況下的峰值壓力分別為13.65、13.63、14.92、14.42kPa，較無(wú)裝置分別下降24.63%、24.74%、17.61%、20.38%。

圖5 不同工況下的爆炸壓力Fig.5 Explosion pressure under different working conditions

峰值壓力和峰值壓力衰減比例關(guān)系，見表3。由表3可以看出，滑移裝置均對(duì)管內(nèi)上、下游區(qū)域的爆炸壓力有抑制作用。通過橫向?qū)Ρ?，?dāng)彈簧線徑一定時(shí)，管內(nèi)上游峰值壓力的上升速率均隨著多孔介質(zhì)孔隙度的增大而遞增。這是由于多孔介質(zhì)孔隙度的增大和多孔介質(zhì)滑移產(chǎn)生的耦合作用，阻礙管內(nèi)上游區(qū)域氣體的流動(dòng)，延長(zhǎng)了沖擊波和火焰到達(dá)泄爆口的時(shí)間，導(dǎo)致無(wú)法隨著泄爆口及時(shí)泄放，壓力進(jìn)一步增大。通過縱向?qū)Ρ?，多孔介質(zhì)孔隙度一定時(shí)，上游峰值壓力隨彈簧線徑的增大而逐漸增大，而下游的峰值壓力將會(huì)逐漸降低。多孔介質(zhì)滑移過程中對(duì)上游甲烷爆炸火焰和沖擊波的傳播的阻隔、抑制效果增加，導(dǎo)致上游的峰值超壓增大，但也造成下游未燃燒區(qū)域的氣體未完全燃燒，因此下游的峰值超壓呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

表3 滑移裝置爆炸峰值超壓及較無(wú)裝置工況峰值超壓衰減比例Tab.3 Explosion overpressure with sliding device and the attenuation ratio of the peak value overpressure under working conditions without sliding device

3 結(jié)論

基于自行設(shè)計(jì)的滑移裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展當(dāng)量比為1、甲烷濃度為9.5%與空氣預(yù)混氣體在滑移多孔介質(zhì)初始位置距點(diǎn)火端70cm時(shí)的爆炸特性研究。主要結(jié)論如下：

(1)有滑移多孔介質(zhì)工況下與無(wú)裝置工況下的火焰均經(jīng)歷球形—指形—平面形—郁金香形4個(gè)發(fā)育階段?；贫嗫捉橘|(zhì)的設(shè)置能夠延緩“郁金香形”火焰的出現(xiàn)時(shí)間，降低火焰最大傳播速度，較無(wú)裝置工況下的速度最高衰減比例可達(dá)13.24%。

(2)動(dòng)態(tài)滑移下的多孔介質(zhì)對(duì)管內(nèi)上游、下游爆炸產(chǎn)生的峰值超壓和沖擊波均能夠進(jìn)行有效衰減。在上游區(qū)域，較無(wú)裝置工況下的衰減比例分別為17.85%、14.71%、17.73%、8.26%；在下游區(qū)域較無(wú)裝置工況下衰減比例分別為24.63%、24.74%、17.61%、20.38%。綜合分析本實(shí)驗(yàn)中甲烷預(yù)混氣體爆炸特性，滑移多孔介質(zhì)對(duì)火焰和壓力的最佳抑制效果的工況為孔隙度60PPI且彈簧線徑0.6mm。

(3)多孔介質(zhì)和彈簧在爆炸過程中的相互耦合作用，使得多孔介質(zhì)在滑移運(yùn)行條件下的降壓、抑波效果顯著，可為甲烷爆炸防治領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展提供新的思考。