障礙物對管道中預混火焰壓力發(fā)展的實驗研究*

程浩力，劉德俊

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順113001）

障礙物對管道中預混火焰壓力發(fā)展的實驗研究*

程浩力，劉德俊

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順113001）

研究了管路中甲烷爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律和加速機理以及由于障礙物引起的火焰加速而導致的管內壓力上升現象。研究結果表明，障礙物的存在對甲烷爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律以及管內壓力的影響十分巨大，障礙物的存在將使瓦斯爆炸過程中火烙的傳播速度迅速提高，導致壓力大幅度上升。加速作用的機理主要是由于障礙物誘導的湍流區(qū)對燃燒過程的正反饋造成的。

爆炸；火焰；障礙物；加速機理；湍流

管道是石油及化學工業(yè)生產中的主要設備，由于它們具有圓長的受限密閉空間特性，可燃氣體被點燃后，燃燒產物膨脹會壓縮周圍的氣體而產生流動，障礙物的存在會把這種流動誘發(fā)為湍流從而大大地提高燃燒速率，當存在連續(xù)障礙物時（如管路上的閥門、測試儀器等附件），湍流會被不斷加強，火焰不斷被加速，從而有可能在火焰正前方產生激波，當其達到一定強度時就產生爆炸，從而對裝置或設備及人員造成巨大的危害，因此研究障礙物下的湍流加速火焰具有其重要的現實意義。

1 燃燒基本理論

1.1 甲烷的燃燒原理

物質燃燒原理是指物質燃燒的發(fā)生、發(fā)展和終止的本質和機理。歷史上出現各種燃燒理論，包括熱力爆燃理論、鏈式反應理論和湍流燃燒理論等[1-2]。通過活性粒子（自由基或原子）使一系列反應相繼連續(xù)發(fā)生，像鏈條一樣自動發(fā)展下去，這類反應稱之為鏈式反應[3]。鏈式反應是一種常見的復雜反應，如高分子化合物的聚合、石油的裂解、以至燃燒和爆炸反應都與鏈反應有關。由于鏈式反應理論能夠對燃燒中的大量現象進行圓滿的解釋，因此本文將以鏈式反應機理為基礎分析甲烷的燃燒原理。

當甲烷-空氣混合氣體吸收點火源的一定能量后，某些氣體分子鏈即行斷裂，離解成游離基。游離基有很大的化學活性，成為反應的活化中心。在適當的條件下，每一反應可生成兩個以上的新游離基。此過程不斷循環(huán)使游離基越來越多；同時，反應產生的能量也使更的氣體分子離解成游離基，這樣分解下去，游離基越來越多，反應也愈來愈快，最終可以發(fā)展成燃燒或爆炸式的氧化反應。但對于鏈反應，不管其形式如何都是由四部分[4]組成：游離基的存在→鏈引發(fā)→鏈傳遞→鏈終止。甲烷氧化反應機理是總反應所包含的各個基元反應的集合，在較低溫度下（T＜900 K）甲烷的鏈式反應機理可簡化為主要的10步[5]反應進行：

1.2 湍流火焰加速機理

火焰加速的主要機理是湍流。初始層流火焰在一定條件下會轉變成湍流火焰，使火焰加速。這種轉變主要通過以下兩種機制實現：1）當雷諾數足夠大時，在火焰前的未燃氣體流動中形成湍流；2）壓力波與火焰的相互作用形成湍流。

在有阻礙物的部分受限容器（如工藝設備，管道等）中，在爆炸火焰速度可能加速到每秒數百米。剛發(fā)生湍流時，湍流強度較低，旋渦只會使火焰表面產生褶皺，增加火焰的有效燃燒速率。當燃燒速度增加后，將會產生更強的膨脹流，之后便導致流速增加，而高的流速又將加大湍流的強度，這樣火焰會逐漸的丟失它的原來的光滑的表面，內部也發(fā)生變化。于是湍流的旋渦又傾向于分裂火焰前驅，從而導致一個更高的燃燒速率，高的燃燒速率將又會產生更強的膨脹流和湍流。這樣，就會形成火焰加速的正反饋，其反饋機理如圖1[6]所示。

圖1 可燃氣體爆炸過程的正反饋Fig.1 Positive feedbackloopcausing flame accelerationdue to turbulence.

2 實驗方法及實驗裝置

實驗氣體為空氣與99.9%的甲烷的混合氣體。實驗選用體積分數分別為7.5%，10.1%（最佳濃度）及11.5%的甲烷-空氣混合氣體。其中障礙物選擇多層金屬絲網。

實驗管道長徑比為118.8，其中總長10.45 m，Φ108 mm×10 mm。本實驗用8個測孔，配備5個壓力傳感器和3個火焰?zhèn)鞲衅鬟M行實驗測試，管道上測孔的布置如表1所示。

表1 測點位置表Table 1 Locationof testpoints

當進行爆炸實驗時，管道兩端均處于封閉狀態(tài)。障礙物加裝在管道中部變徑部分，管道示意圖見圖2。

圖2 管道示意圖Fig.2 Sketchmapof experimental pipeline

3 實驗結果及分析

3.1 火焰加速傳播實驗研究

圖3 沒有障礙物時4、6測點火焰信號Fig.3 Flame wave of eachtestpointinpipeline withoutobstacle

障礙物導致火焰加速的機理可以從障礙物對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響看出。甲烷火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰?zhèn)鞲衅饔涗浀墓怆娦盘柷€見圖3和圖4。4號測點在火焰?zhèn)鞑シ较蛏险系K物前方，6號測點在障礙物之后。圖3表示沒有障礙物時管道內火焰?zhèn)鞑バ盘?，圖4表示存在障礙物作用下火焰?zhèn)鞑バ盘枴?/p>

圖4 有障礙物時4、6測點火焰信號Fig.4 Flame wave of eachtestpointintube withobstacle

由圖3和圖4可以看出，與無障礙物時相比，當有障礙物存在時，火焰到達各對應的光電傳感器的時間縮短，表明火焰的傳播速度加快。圖3中未加障礙物時，障礙物后方測點6的信號持續(xù)時間遠比障礙物前方測點4的時間短。而在圖4中，障礙物后方測點6的信號持續(xù)時間明顯超過障礙物前方測點4的時間。這說明，金屬絲網對火焰的擾動作用明顯。另外，在實驗過程中，當有障礙物存在時，火焰?zhèn)鞑r爆炸聲響很大，而無障礙物時聲響明顯減弱，這種現象也可以表明有障礙物時的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葻o障礙物時的快。

3.2 爆炸波傳播特性實驗研究

測試管道超壓情況壓力傳感器布置選取表1中的1、3、4、5、7測點。

將安裝多層絲網結構及不加多層絲網結構時管道內各測點處的壓力情況繪于圖5。位于橫坐標0 m處的虛線表示多層絲網結構，無間距疊放。圖中藍色曲線表示管道內不安裝抑爆結構時各測點處的最大超壓值。壓力波自左向右傳播，橫軸為各測點距多層絲網結構的距離。

從圖5中可以看出：管道內存在障礙物比沒有障礙物時的爆炸壓力大，障礙物對氣體爆炸后障礙物后方壓力上升速率的影響更大，原因是障礙物的存在加劇了火焰?zhèn)鞑ミ^程中的湍流現象，使爆炸波的傳播發(fā)生變化，從而增大氣體爆炸的沖擊波超壓。當火焰在進入多層絲網結構時，多層絲網結構起到了障礙物的作用，火焰通過絲網后被分為許多細小火焰，增大了燃燒表面積。同時，金屬網促進了火焰湍流程度的加強，使得火焰產生許多皺褶，加快已燃氣體于未燃預混氣的混合，縮短了混合時間，提高了燃燒速度。燃燒的加強使得管道內壓力迅速上升，其值高于未裝多層絲網結構時的最大超壓值。

圖5 障礙物對管道各測點最大超壓分布的影響Fig.5 Influence of obstacle onoverpressure of eachpoint

圖6 障礙物前后壓差趨勢Fig.6 Pressure difference inpipeline

圖6為加裝20目不同層數金屬絲網后，障礙物前后壓差趨勢圖。從圖6中可以看出障礙物阻礙能力越大，障礙物前后壓差越大越大。所以，當在管道中設置阻火器或其他儀器時，應充分考慮到儀器及管道在事故發(fā)生后的承壓能力。

4 結論

通過上述實驗研究，可以得出以下結論：

（1）障礙物對甲烷燃燒爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ヒ约皦毫哂兄匾绊?。適當的障礙物可以使火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆偬岣?。衰減速度變慢，波及范圍擴大。

（2）在管道中適當設置障礙物對火焰的傳播具有加速作用，這種加速作用的機理歸因于障礙物誘導的湍流區(qū)對燃燒過程的正反饋。

（3）在設計易燃氣體管路時，為了防止出現事故時可燃氣體火焰的加速傳播以及超壓，造成更嚴重的破壞，應該盡量減少不必要的障礙物，在管路上合理配置各種儀器。

[1]Kenneth K.Kuo．Principle of combustion[M].鄭楚光，袁建偉，米建春，譯．武漢：華中理工大學出版社，1991.

[2]岑可發(fā).高等燃燒學[M].杭州：浙江大學出版社，2002.

[3]周霖.爆炸化學基礎[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[4]魏伴云.火災與爆炸災害安全工程學[M].武漢：中國地質大學出版社，2004.

[5]謝興華，李寒旭.燃燒理論[M].江蘇：中國礦業(yè)大學出版社，2002.

[6]Dag Bjerketvedt，Jan Roar Bakke，Kees van Wingerden.Gas Explo sionHandbook[J].Journal of Hazardous Materials，1997，52：1-150.

Experimental Study on Influence of Obstacles on Overpressure Development of Premixed Flame in Pipeline

CHENGHao-li，LIU De-jun
（College of PetroleumEngineering，Liaoning ShihuaUniversity，Liaoning Fushun113001，China）

The flame propagation and its acceleration mechanism in gas explosion were studied.An investigation of overpressure development due to flame acceleration induced by obstacles has also been studied.The results show that the obstacle plays a significant role on the flame propagation and overpressure development in pipeline.When there are barriers，the velocity of f1ame transmission increases very quickly，which results in high increase of the overpressure. The mechanismof accelerationis to the positive feedbackof turbulentcombustioncausedby obstacles.

Explosion；Flame；Obstacle；Mechanismof acceleration；Turbulent

TQ560

A

1671-0460（2010）04-0357-03

2010-03-01

程浩力（1984-），男，2008年畢業(yè)于河北科技大學安全工程系，現為遼寧石油化工大學油氣儲運工程在讀碩士研究生，主要從事油氣管道輸送技術及安全和海底管道腐蝕及剩余壽命評估研究。E-mail：cheng_paper@163.com。