ABC干粉對爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种茖?shí)驗(yàn)

張宇明，鄒高萬，郜冶，董惠，霍巖

(哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

管內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸與煤礦瓦斯爆炸是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域爆炸災(zāi)害的2種主要形式.在有限狹長空間內(nèi)發(fā)生爆炸對周圍環(huán)境同時產(chǎn)生沖擊波和高溫灼燒的雙重破壞.研究表明，抑爆介質(zhì)的種類、粒度、質(zhì)量濃度和噴射方式等都是影響抑爆效果的重要因素[1-3].其中，針對不同介質(zhì)的抑爆性能研究成為熱點(diǎn)之一，如惰性氣體[4]、水[5-6]、鹵代烴[3，7]、化學(xué)干粉[8-9]和礦巖粉[9-10]對爆炸都有一定的抑制效果.惰性氣體、水和礦巖粉依靠降溫緩燃的物理機(jī)理進(jìn)行抑爆，而鹵代烴和化學(xué)干粉同時具備物理和化學(xué)雙重抑爆機(jī)理[1]，并且化學(xué)干粉的應(yīng)用更加廣泛.

抑爆介質(zhì)的有效性在于抑制初期爆炸，而初期爆炸的形式為爆燃，抑制爆燃及其向爆轟發(fā)展的關(guān)鍵在于減小火焰?zhèn)鞑ニ俣龋罱K撲滅爆炸火焰，抑制爆炸火焰?zhèn)鞑?，所以開展ABC(磷酸銨鹽)干粉對爆燃傳播的抑制研究具有工程應(yīng)用價值.

1 ABC干粉

ABC干粉是以磷酸二氫銨為主要原料，經(jīng)硅化防潮處理制成的能夠撲滅A類、B類和C類火災(zāi)的滅火劑.由于磷酸二氫銨在滅火過程中起主導(dǎo)作用，所以其質(zhì)量分?jǐn)?shù)?越高，干粉的滅火效能越好.實(shí)驗(yàn)選用江西進(jìn)賢消防化工實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的4種ABC干粉.ABC超細(xì)干粉的磷酸二氫銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%、90%以上的顆粒，粒徑小于0.02 mm;ABC90#、75#和50#分別代表磷酸二氫銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%、75%和50%的普通ABC干粉，這3種干粉的顆粒粒徑指標(biāo)為 0.25～0.125 mm(3 ±3%)、0.125～0.063 mm(26 ±6%)、0.063～0.04 mm(20 ±6%)，0.04～0.02 mm(≥50%).

通過電子顯微鏡掃描圖像(圖1)，證實(shí)了超細(xì)ABC干粉的粒徑更小，均勻性更好.

圖1 2種ABC干粉的電鏡圖像Fig.1 Two kinds of ABC powder electron microscope image

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示.系統(tǒng)由爆炸管道、配氣裝置、抑爆粉劑噴射裝置和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成.

圖2 抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Explosion suppression experiment system

2.1 爆炸管道

爆炸管道內(nèi)徑為488 mm，由10節(jié)直管段和1節(jié)90°彎管段以外法蘭方式連接而成，每節(jié)直管段長1.6 m，管道兩端以盲板密封，形成定容爆炸空間.90°彎管段一側(cè)構(gòu)成14.4 m長的直管，爆炸管道照片如圖3所示.爆炸管道配有弱點(diǎn)火和強(qiáng)點(diǎn)火兩種引爆方式.弱點(diǎn)火引爆采用高壓電火花，電點(diǎn)火器固定在爆炸管道一端的盲板中心位置;強(qiáng)點(diǎn)火引爆采用電雷管和黑火藥(5 g)，懸于管道中軸線高度，與電點(diǎn)火器位置相同.

圖3 爆炸管道Fig.3 Explosion tube photograph

2.2 配氣裝置

配氣裝置主要由可燃?xì)怏w儲罐、流量計(jì)、可燃?xì)怏w傳感器和氣體循環(huán)泵組成.選用液化石油氣(LPG)作為營造爆炸環(huán)境的可燃?xì)怏w，采用流量配氣法緩慢地向爆炸管道注入LPG，并通過可燃?xì)怏w傳感器監(jiān)測管道內(nèi)LPG體積分?jǐn)?shù)變化，可燃?xì)怏w傳感器為深圳華瑞祥科技有限公司生產(chǎn)的HR100LGAS管道固定式可燃?xì)怏w傳感器.注氣口設(shè)置在90°彎管段上，注氣結(jié)束后，先循環(huán)30 min以上保證管道內(nèi)氣體充分均勻混合.

2.3 抑爆粉劑噴射裝置

抑爆粉劑噴射裝置主要由空氣壓縮機(jī)、儲粉罐和電磁閥組成.空氣壓縮機(jī)為抑爆粉劑噴射提供動力，實(shí)驗(yàn)時使用的噴射壓力為2.0 MPa.儲粉罐用于盛裝抑爆粉劑.電磁閥通過時間繼電器控制開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)與點(diǎn)火器、數(shù)據(jù)采集儀的聯(lián)動控制.抑爆粉劑噴射口設(shè)置在編號為4和5的傳感器之間，粉劑迎著爆燃火焰?zhèn)鞑シ较驀娚?，能夠在管道軸向方向上形成約1.6 m的抑爆云帶(圖4).由于儲罐容積的限制，實(shí)驗(yàn)中ABC干粉的用量為200 g，所形成的1.6 m抑爆云帶范圍內(nèi)的干粉密度約為668.67 g/m3.

圖4 管內(nèi)形成的抑爆云帶Fig.4 Explosion suppression bound formed in the tube

2.4 測量設(shè)備

測量設(shè)備主要包括壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蛿?shù)據(jù)采集儀.壓力傳感器為寶雞傳感器研究所生產(chǎn)的CYG1145型壓阻式壓力傳感器，量程0～1.0 MPa.火焰?zhèn)鞲衅鳛樽灾圃O(shè)備，主要由光敏二極管、干電池(2節(jié))、電阻、導(dǎo)線和鋼制外殼組成，工作電路如圖5所示.

圖5 火傳感器電路Fig.5 Flame front transducer circuit diagram

在沒有光照時，采集的數(shù)據(jù)為2節(jié)干電池串聯(lián)的電壓值(3.0～3.3 V);當(dāng)受到光照時，光敏二極管形成光電流，其兩端的電壓急劇降低.由于光電流的大小與入射光強(qiáng)度成正比，所以入射光強(qiáng)度越大，光敏二極管越趨于導(dǎo)通狀態(tài)，兩端電壓越接近0.數(shù)據(jù)采集設(shè)備為美國生產(chǎn)的DAQBOOK數(shù)據(jù)采集儀，裝配臺灣研華公司生產(chǎn)的PCL-816模塊化數(shù)據(jù)采集卡，采集時間為 0.1 ms.

壓力傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鲗ΨQ布置在爆炸直管道中軸線高度的兩側(cè).在90°彎管段一側(cè)的直管段上各布置7個壓力傳感器(P1～P7)和7個火焰?zhèn)鞲衅?F1～F7)，第一個壓力和火焰?zhèn)鞲衅骶帱c(diǎn)火端3.8 m，傳感器等距間隔 1.6 m.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)的確定

用體積分?jǐn)?shù)表示的LPG空氣混合物的爆炸極限為1.5%～9.5%.由于組分比例略有不同和使用條件的差別，最大爆炸威力對應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)并不確定.通過對5種不同體積分?jǐn)?shù)(4.15%、5.18%、6.22%、7.26%、8.3%)條件下的爆炸實(shí)驗(yàn)，每種體積分?jǐn)?shù)下至少重復(fù)3次，以各測點(diǎn)最大壓力Pmax的算術(shù)平均值和火焰?zhèn)鞑ニ俣茸鳛榕袛啾ㄍΦ膮?shù)進(jìn)行對比.火焰?zhèn)鞑ニ俣葹楦鳒y點(diǎn)間的平均速度，計(jì)算式為

式中:v為火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺/s;t為火焰?zhèn)鞲衅麟妷盒盘栂陆禃r刻，s.

圖6表明，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，LPG體積分?jǐn)?shù)為6.22%的預(yù)混氣體爆炸的Pmax相對較高，火焰?zhèn)鞑ニ俣雀欤ㄍ^大.該實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)[8]中使用的6%接近.由此，以下的實(shí)驗(yàn)都使用體積分?jǐn)?shù)為6.22%的預(yù)混氣體.

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)LPG的爆燃程度Fig.6 Deflagration severity with different LPG concentrations

3.2 不同ABC干粉對爆燃火焰?zhèn)鞑サ囊种?/h3>

在同等實(shí)驗(yàn)條件下，無抑爆實(shí)驗(yàn)和每種ABC干粉的抑爆實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次，并以至少2次重復(fù)性好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為有效數(shù)據(jù).

圖7為弱點(diǎn)火條件下不同ABC干粉對爆燃火焰速度的抑制.

圖7 弱點(diǎn)火條件下對火焰速度的抑制Fig.7 Suppression of flame velocity by electronic sparks ignition

圖7中的陰影表示初始抑爆云帶形成的位置和范圍.ABC干粉在爆燃火焰抑制過程中，兩者共同運(yùn)動，持續(xù)發(fā)揮消焰作用，減小爆燃火焰的傳播速度，所以與無抑爆實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，火焰陣面在通過抑爆云帶后其運(yùn)動速度仍有不同幅度的下降.相比而言，ABC超細(xì)干粉和ABC90#干粉對爆燃火焰速度的抑制效果更明顯，而且二者的抑制作用起效快，作用條件下火焰速度的下降幅值都在25%以上.ABC75#干粉和ABC50#干粉也具有減小火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊男Ч?，但在抑制程度和起效時間方面都要低于ABC超細(xì)干粉和ABC90#干粉.

圖8為強(qiáng)點(diǎn)火條件下ABC超細(xì)干粉和ABC90#干粉對爆燃火焰速度的抑制.強(qiáng)點(diǎn)火條件下，爆燃火焰的速度更快，抑制的難度更大.數(shù)據(jù)表明，ABC超細(xì)干粉和ABC90#干粉對較高運(yùn)動速度的爆燃火焰同樣具有良好的減速作用，而且速度降低程度比弱點(diǎn)火條件下更明顯.這可能是因?yàn)樵趶?qiáng)點(diǎn)火條件下的爆燃火焰能夠形成較強(qiáng)的前驅(qū)沖擊波，對未燃?xì)怏w產(chǎn)生顯著的壓縮擾動，抑爆云帶的覆蓋范圍縮小了，而抑爆云帶內(nèi)的ABC干粉密度增加了，消焰作用得到強(qiáng)化，獲得了更好的抑制效果.

圖8 對火焰速度的抑制Fig.8 Suppression of flame velocity by detonator ignition

4 結(jié)論

通過對4種ABC干粉抑制爆燃火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論:

1)ABC干粉作為抑制爆燃火焰?zhèn)鞑サ慕橘|(zhì)，能夠?qū)鹧嫫鸬匠掷m(xù)的消焰作用，減緩火焰?zhèn)鞑ニ俣?，有效控制爆燃向爆轟的發(fā)展，最終撲滅火焰，達(dá)到抑爆的目的.

2)ABC干粉的粒徑和磷酸二氫銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，其對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种颇芰Υ嬖诓顒e.同等磷酸二氫銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ABC干粉，粒徑越小、均勻程度越好，抑制火焰速度的效果越好;同等粒度的ABC干粉，磷酸二氫銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，抑制火焰速度的效果越好.

3)減小ABC干粉的粒徑和增加磷酸二氫銨的含量都可以提升其抑爆效能.通過增加ABC干粉的磷酸二氫銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以在一定程度上彌補(bǔ)粉劑粒徑和均勻度上的不足.

以上結(jié)論可為有效減災(zāi)防護(hù)和相關(guān)抑爆產(chǎn)品的研發(fā)提供技術(shù)支撐和基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

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