硅酸鋁棉對(duì)火焰速度和爆炸超壓的抑制作用＊

喻健良，閆興清

（大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院，遼寧 大連 116024）

可燃?xì)怏w爆炸造成的災(zāi)害損失均與火焰和爆炸沖擊波有關(guān)，因此抑制火焰速度和消弱爆炸波強(qiáng)度，一直是氣體爆炸防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域關(guān)注的課題。許多學(xué)者開展了關(guān)于火焰及壓力波抑制的研究。其中，平板狹縫［1］和多孔絲網(wǎng)［2］結(jié)構(gòu)作為典型的阻火材料已經(jīng)成功應(yīng)用于阻火器中。近年來，多孔、可壓縮材料對(duì)爆炸火焰及壓力波的抑制性能成為新興熱點(diǎn)［3－5］，如高分子材料［6］和泡沫陶瓷等［7－8］。

硅酸鋁棉是一種典型的多孔可壓縮材料，其孔隙率高，比表面積大，作為絕熱保溫材料在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。研究表明，硅酸鋁棉對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ哂幸种菩Ч５駷橹龟P(guān)于硅酸鋁棉抑爆特性的研究開展較少。本文中擬通過開展硅酸鋁棉抑制管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)，研究硅酸鋁棉對(duì)預(yù)混火焰速度和爆炸超壓的抑制規(guī)律，以期對(duì)實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由實(shí)驗(yàn)管路、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

圖1 氣體爆炸抑制裝置流程圖Fig.1 Schematic of gas explosion suppression experiment system

實(shí)驗(yàn)管路由7段外徑89mm、厚4.5mm、長(zhǎng)300mm的管道組成，安置在高1m的支架上。在混氣罐內(nèi)通過分壓法配置體積分?jǐn)?shù)為7.7%的C2H2／air預(yù)混氣體。采用多點(diǎn)充氣法向?qū)嶒?yàn)管路內(nèi)充入預(yù)混氣體以得到均勻的預(yù)混氣體。

采用MD－HF型壓電式傳感器測(cè)量預(yù)混氣體爆炸壓力，其量程為0～2MPa，響應(yīng)頻率為200kHz，輸出電壓0～5V。采用光敏火焰?zhèn)鞲衅鳒y(cè)量管路火焰［2］。采用火花塞點(diǎn)火，由起爆箱控制。采用48通道的數(shù)據(jù)采集單元測(cè)量火焰及壓力信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)流程如下：將混氣罐抽真空，通過分壓法配制化學(xué)計(jì)量濃度的C2H2／air混合氣體，靜置24h。實(shí)驗(yàn)前將管路末端采用法蘭蓋封閉，管路抽真空，然后充入預(yù)混氣體至常壓。放置1h后，移除管路末端法蘭蓋?？刂苹鸹ㄈ烹?，同時(shí)采集火焰及壓力信號(hào)。

1.2 硅酸鋁棉

硅酸鋁棉外觀上為多孔、高彈的棉狀物質(zhì)。利用掃描電子顯微鏡對(duì)硅酸鋁棉進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，圖2為200倍與500倍掃描電鏡結(jié)構(gòu)圖。圖中可見硅酸鋁棉的微觀結(jié)構(gòu)是由具有一定彈性和可壓縮性的纖維組成，且纖維橫縱交錯(cuò)，形成三維骨架架構(gòu)，骨架內(nèi)部形成氣孔。硅酸鋁棉這種多孔骨架結(jié)構(gòu)決定了其孔隙率高，比表面積大。

圖2 硅酸鋁棉掃描電鏡結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Scanning electron microscope photo of aluminum silicate wool

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

圖3 硅酸鋁棉及骨架Fig.3 Aluminum silicate wool and framework

實(shí)驗(yàn)用硅酸鋁棉如圖3所示，利用絲網(wǎng)卷制成的圓筒作為硅酸鋁棉骨架，然后塞入管路內(nèi)。實(shí)驗(yàn)用硅酸鋁棉孔隙率為0.8，比表面積為10m2／g，平均孔徑為20μm，絲徑為2～4μm。實(shí)驗(yàn)方案如圖4所示，硅酸鋁棉厚度t＝10mm不變，研究不同位置Lx以及長(zhǎng)度L下對(duì)火焰速度及爆炸超壓的抑制。硅酸鋁棉入口火焰速度為vi，出口火焰速度為vo；入口爆炸超壓為pi，出口爆炸超壓為po。為了對(duì)比硅酸鋁棉的抑爆效果，對(duì)相同實(shí)驗(yàn)條件下不放置硅酸鋁棉的管路相同位置處的火焰速度及爆炸超壓進(jìn)行測(cè)量，分別為vi′、vo′、pi′、po′。

圖4 硅酸鋁棉抑爆實(shí)驗(yàn)方案Fig.4 Schematic of suppression experiment

定義硅酸鋁棉加速與減速效果相當(dāng)時(shí)的長(zhǎng)度為速度臨界長(zhǎng)度。即當(dāng)硅酸鋁棉布置在距離點(diǎn)火端0.4m（硅酸鋁棉入口火焰速度為143m／s）時(shí)，速度臨界長(zhǎng)度Lv＝0.4m。棉長(zhǎng)大于速度臨界長(zhǎng)度時(shí)，硅酸鋁棉對(duì)火焰速度具有抑制效果。當(dāng)火焰經(jīng)過0.6m長(zhǎng)度的硅酸鋁棉時(shí)出口火焰速度為280m／s，不放置硅酸鋁棉的管路中相同位置處的火焰速度為346m／s，可見放置硅酸鋁棉時(shí)火焰速度降低約19%。

改變硅酸鋁棉位置Lx，出口火焰速度與硅酸鋁棉長(zhǎng)度的關(guān)系如圖6所示。改變Lx位置，出口火焰速度與棉長(zhǎng)的規(guī)律與Lx＝0.4m時(shí)相同，均隨棉長(zhǎng)增加先增大后減小。這說明將硅酸鋁棉布置在管道不同位置，對(duì)火焰的加速與減速雙重效果依然存在。但是，置于不同位置時(shí)，硅酸鋁棉速度臨界長(zhǎng)度Lv并不相同。分析發(fā)現(xiàn)，速度臨界長(zhǎng)度Lv與硅酸鋁棉入口火焰速度vi有關(guān)，且?guī)缀醭示€性關(guān)系。這說明，隨著入口火焰速度的增大，需要更長(zhǎng)的硅酸鋁棉才能對(duì)火焰速度有抑制效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 硅酸鋁棉對(duì)火焰速度的抑制

圖5所示為硅酸鋁棉置于管路0.4m處，出口火焰速度vo隨硅酸鋁棉長(zhǎng)度L的變化。

L＝0處的出口火焰速度即代表入口火焰速度。由圖5中曲線可知，隨著硅酸鋁棉長(zhǎng)度的增加，出口火焰速度先增大后減??；與不放置硅酸鋁棉的管路相比，硅酸鋁棉對(duì)出口火焰速度有加速和減速雙重效果：內(nèi)襯管道中引起預(yù)混火焰流通截面積減小，起到類似障礙物加速的效果；特有的高孔隙率及大表面積結(jié)構(gòu)能有效減小活化分子自由基之間的碰撞概率，降低燃燒反應(yīng)速度，對(duì)火焰起到淬熄作用，具有減速效果。當(dāng)硅酸鋁棉長(zhǎng)度小于0.4m時(shí)加速效果占主導(dǎo)，當(dāng)長(zhǎng)度高于0.4m時(shí)，減速效果占主導(dǎo)。

圖5 出口火焰速度與硅酸鋁棉長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.5 Relation between outlet flame speed and aluminum silicate wool length

圖6 不同位置處出口火焰速度與硅酸鋁棉長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.6 Relation between outlet flame speed and aluminum silicate wool length at different positions

2.2 硅酸鋁棉對(duì)爆炸超壓的抑制

圖7 出口爆炸超壓隨硅酸鋁棉長(zhǎng)度變化Fig.7 Relation between outlet explosion overpressure and aluminum silicate wool length

圖7所示為硅酸鋁棉置于管路0.4m處時(shí)，出口爆炸超壓po隨著硅酸鋁棉長(zhǎng)度L的變化關(guān)系。爆炸超壓隨著硅酸鋁棉長(zhǎng)度的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，與火焰速度類似。硅酸鋁棉對(duì)爆炸超壓依然具有增壓和降壓雙重效果：管路內(nèi)流通截面突然變化對(duì)火焰起到強(qiáng)烈擾動(dòng)，使預(yù)混氣體爆炸超壓增加；硅酸鋁棉的高彈多孔特性能夠有效吸收壓力波，降低爆炸超壓。這2種效果在硅酸鋁棉長(zhǎng)度為0.3m處時(shí)相互抵消，定義此時(shí)長(zhǎng)度達(dá)到壓力臨界長(zhǎng)度Lp。對(duì)比速度臨界長(zhǎng)度Lv和壓力臨界長(zhǎng)度Lp可知，抑制壓力所需的壓力臨界長(zhǎng)度要低于抑制速度所需的速度臨界長(zhǎng)度。這說明在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，硅酸鋁棉對(duì)壓力的抑制效果更加顯著。

圖8 不同位置處出口爆炸超壓與硅酸鋁棉長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.8 Relation between outlet explosion overpressure and aluminum silicate wool length at different positions

當(dāng)硅酸鋁棉長(zhǎng)度大于壓力臨界長(zhǎng)度時(shí)，對(duì)爆炸壓力具有抑制效果。當(dāng)經(jīng)過長(zhǎng)度0.6m的硅酸鋁棉時(shí)，出口爆炸超壓為160kPa，不放置硅酸鋁棉的管道內(nèi)相同位置處的爆炸超壓為351kPa，硅酸鋁棉使爆炸超壓降低了約55%。

圖8為改變硅酸鋁棉位置Lx時(shí)出口爆炸超壓與硅酸鋁棉長(zhǎng)度的關(guān)系。硅酸鋁棉位置變化時(shí)，爆炸超壓隨棉長(zhǎng)變化與前述類似。不同位置處抑制超壓所需的壓力臨界長(zhǎng)度不同。分析發(fā)現(xiàn)，壓力臨界長(zhǎng)度Lp與硅酸鋁棉入口處爆炸超壓pi幾乎呈線性關(guān)系，說明要抑制更高的爆炸超壓，必須采用更長(zhǎng)的硅酸鋁棉。

3 硅酸鋁棉抑制火焰速度和爆炸超壓機(jī)理

預(yù)混氣體爆炸火焰在管路內(nèi)傳播時(shí)，壓力波先于火焰波傳播。當(dāng)壓力波進(jìn)入多孔結(jié)構(gòu)時(shí)，在纖維表面反射、散射，因硅酸鋁纖維內(nèi)部復(fù)雜的三維多孔骨架結(jié)構(gòu)以及良好的彈性與可壓縮性，被反射、散射的壓力波將在硅酸鋁棉內(nèi)部被多次反射、散射。在此過程中部分壓力波引起氣孔內(nèi)部的空氣與硅酸鋁纖維發(fā)生摩擦，能量被轉(zhuǎn)化為熱能；另一部分壓力波直接以壓力沖量的形式作用于硅酸鋁棉，引起棉纖維變形、斷裂。對(duì)爆炸后的硅酸鋁棉顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡結(jié)構(gòu)分析，如圖9所示。硅酸鋁棉在火焰及壓力波過后，雖然外觀幾乎無變化，但微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)有很大改變：纖維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)破碎，氣孔面積減小，

孔隙率降低。這說明硅酸鋁棉能夠有效吸收壓力波沖量。可燃?xì)怏w爆炸過程中，火焰波與壓力波互相作用。壓力波被硅酸鋁棉吸收后，對(duì)火焰鋒面的擾動(dòng)降低，同時(shí)多孔硅酸鋁棉將與火焰發(fā)生熱交換，產(chǎn)生不可逆的能量損失，降低了化學(xué)反應(yīng)的速率，從而降低火焰速度。但是，在硅酸鋁棉長(zhǎng)度較小時(shí)，上述吸波降速效果并不明顯，作為障礙物引起管道截面變化導(dǎo)致的增速增壓效果較為明顯，故當(dāng)長(zhǎng)度較小時(shí)，反而能夠增加火焰速度和爆炸超壓。速度臨界長(zhǎng)度和壓力臨界長(zhǎng)度是硅酸鋁棉能夠抑制火焰速度和爆炸超壓的臨界長(zhǎng)度。

圖9 爆炸后硅酸鋁棉掃描電鏡結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Scanning electron microscope photo of of aluminum silicate wool after explosion

4 結(jié) 論

對(duì)硅酸鋁棉抑制化學(xué)計(jì)量濃度的C2H2／air預(yù)混氣體爆炸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，硅酸鋁棉對(duì)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ゾ哂须p重效果：一是襯入管道的硅酸鋁棉引起管道內(nèi)氣體流通截面變化，能提高火焰速度及爆炸超壓；二是硅酸鋁棉多孔、高彈的特性能夠有效降低火焰速度和爆炸超壓。分別存在速度臨界長(zhǎng)度及壓力臨界長(zhǎng)度，當(dāng)硅酸鋁棉長(zhǎng)度分別高于各臨界長(zhǎng)度時(shí)，對(duì)火焰速度及爆炸超壓的抑制效果明顯。當(dāng)硅酸鋁棉長(zhǎng)度為0.6m時(shí)，與不放置硅酸鋁棉相比，出口處火焰速度降低19%，爆炸超壓降低55%。速度臨界長(zhǎng)度和壓力臨界長(zhǎng)度的值分別與硅酸鋁棉入口火焰速度和入口爆炸超壓有關(guān)。

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