水平管道內(nèi)甲烷爆炸壓力傳播實(shí)驗(yàn)

張迎新， 王 浩， 王中華

(黑龍江科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，煤礦瓦斯爆炸事故一直是煤礦企業(yè)最嚴(yán)重的災(zāi)害事故，如何控制瓦斯爆炸波及爆炸范圍，為事故救援提供方案指引，保障煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)已成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究的重要課題。

瓦斯爆炸事故發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程極其復(fù)雜，學(xué)者們借助大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒗碚撃Ｐ?、?shù)學(xué)模型分析瓦斯爆炸的影響因素、作用機(jī)理及傳播特性等。Phylacktou等[1]通過(guò)改變管道內(nèi)點(diǎn)火位置和可燃?xì)怏w爆炸濃度得出“相比于管道內(nèi)中心位置點(diǎn)火，管道底部點(diǎn)火產(chǎn)生的爆炸更劇烈，當(dāng)量化學(xué)濃度的氣體發(fā)生爆炸時(shí)爆炸壓力上升速率最高”的結(jié)論。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)林柏泉等[2－4]利用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置分析了障礙物存在條件下的火焰運(yùn)動(dòng)過(guò)程影響因素及巷道中瓦斯爆炸傳播過(guò)程的特性、機(jī)理。王從銀等[5]利用自行設(shè)計(jì)的瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)對(duì)火焰厚度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Ibrahim等[6]研究了不同障礙物的幾何尺寸、阻塞比、泄放壓力等對(duì)預(yù)混氣體爆炸傳播的影響。宮廣東等[7－8]利用數(shù)值模擬方法對(duì)瓦斯爆炸特性參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。畢明樹(shù)等[9－10]探討了瓦斯煤塵復(fù)合爆炸實(shí)驗(yàn)規(guī)律。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)的研究主要集中于密閉空間、小尺寸水平管道內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有局限性。鑒于此，筆者基于前人理論研究成果，利用自行設(shè)計(jì)的瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)低濃度瓦斯爆炸特征參數(shù)進(jìn)行分析、測(cè)定，研究爆炸區(qū)間內(nèi)不同濃度的瓦斯在水平管道內(nèi)的傳播規(guī)律，對(duì)后續(xù)瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)研究、機(jī)理分析、事故救援預(yù)案分析及瓦斯儲(chǔ)運(yùn)等將具有指導(dǎo)意義。

1 甲烷空氣預(yù)混氣體爆炸反應(yīng)機(jī)理

1.1 爆炸反應(yīng)機(jī)理

甲烷空氣預(yù)混氣體爆炸是一個(gè)劇烈的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)爆炸過(guò)程。參加反應(yīng)的氣體分子在適當(dāng)?shù)臈l件下分解成若干個(gè)自由基，新生成的自由基間相互作用產(chǎn)生新的自由基團(tuán)，隨后又與其他自由基團(tuán)繼續(xù)反應(yīng)。隨著自由基團(tuán)數(shù)量和種類的增加，爆炸反應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大，反應(yīng)能量逐漸增大，如此循環(huán)往復(fù)發(fā)生了一系列的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

甲烷氣體在空氣中的爆炸極限在5%～16%之間。標(biāo)況下甲烷預(yù)混氣體爆炸反應(yīng)方程式為

其中，Q=882.6 kJ/mol。

該爆炸反應(yīng)主要分為鏈引發(fā)、鏈傳遞(包括鏈支化)、鏈終止三個(gè)階段，反應(yīng)步驟如下:

1.2 爆炸反應(yīng)模型

水平管道可燃?xì)怏w爆炸反應(yīng)模型如圖1所示，其中，e為比內(nèi)能，p為壓力，ρ為密度，u為粒子速度，C為音速，T為溫度，γ為等熵指數(shù)。

圖1 水平管道可燃?xì)怏w爆炸反應(yīng)模型Fig.1 Model of combustible gas explosion reaction in horizontal line

由圖1可見(jiàn)，前驅(qū)沖擊波陣面和隨后傳播的火焰陣面在瓦斯爆炸水平管道內(nèi)將爆炸波分成三個(gè)流場(chǎng)區(qū)域(即兩波三區(qū)結(jié)構(gòu))[11]。已燃區(qū)內(nèi)的氣體被點(diǎn)燃后迅速形成高溫高壓氣體沿管道水平方向運(yùn)動(dòng)。燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體與未燃燒區(qū)內(nèi)氣體進(jìn)行能量交換，形成帶有波動(dòng)效應(yīng)的前驅(qū)沖擊波。由于前驅(qū)沖擊波的速度大于火焰陣面速度，故燃燒波陣面在受前驅(qū)沖擊波擾動(dòng)的爆炸反應(yīng)區(qū)內(nèi)傳播。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由水平圓柱形爆炸腔體、爆炸傳播管道，配氣、揚(yáng)塵系統(tǒng)，可變高能點(diǎn)火系統(tǒng)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成，如圖2所示。

爆炸介質(zhì)燃爆腔體由爆炸管、塑料分隔膜、伸縮節(jié)組成。爆炸介質(zhì)燃爆容器及爆炸傳播管道是介質(zhì)燃爆發(fā)生的場(chǎng)所，主要作用是容納爆炸介質(zhì)溫度壓力以及導(dǎo)引燃爆氣體擴(kuò)散。配氣、揚(yáng)塵系統(tǒng)由可自動(dòng)控制真空度的真空泵、爆炸管底部沿軸線均布的粉室以及含4 L高壓鋼瓶的氣動(dòng)增壓系統(tǒng)組成?？勺兏吣茳c(diǎn)火系統(tǒng)由裝在爆炸管左盲板孔內(nèi)的靜電點(diǎn)火頭及靜電點(diǎn)火控制柜等組成。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由六支高頻壓力傳感器、TST6300動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)及Thinkpad控制計(jì)算機(jī)組成。

圖2 瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Gas explosion experimental system

2.2 管道參數(shù)及實(shí)驗(yàn)方案

爆炸管設(shè)計(jì)參數(shù):規(guī)格DN300 mm×1 500 mm，容積109 L，安全系數(shù)6，最大泄放壓力＜0.09 MPa。

擴(kuò)散管設(shè)計(jì)參數(shù):規(guī)格DN125 mm×2 200 mm(10件)，總長(zhǎng)24 m，安全系數(shù)6。

實(shí)驗(yàn)甲烷氣樣體積分?jǐn)?shù)(φ)分別為5.0%、7.0%、9.4%、10.2%、13.4%。1～4號(hào)壓力傳感器沿水平管道內(nèi)距點(diǎn)火段的距離(d)分別為40、210、360、430 cm，其中，1號(hào)壓力傳感器位于燃爆腔體內(nèi)。

通過(guò)完善施工環(huán)境污染管理制度，落實(shí)相關(guān)責(zé)任，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)施工人員的環(huán)保意識(shí)培養(yǎng)，全面提升其綜合素養(yǎng)，才能保證上述揚(yáng)塵污染的管控措施得到有效的落實(shí)，從而取得更好的防治效果，改善大氣環(huán)境質(zhì)量。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程及參數(shù)設(shè)定

水平管道內(nèi)瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)操作流程見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)操作流程Fig.3 Experimental operation flow chart

實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)配氣壓力為－50 kPa，點(diǎn)火壓力為0，閥門(mén)遲滯時(shí)間為1 s，靜電點(diǎn)火延時(shí)固定為60 ms，點(diǎn)火電極間距為2～3 mm，點(diǎn)火能量為440 J，壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳂驂悍謩e為6、4 V，采樣頻率為50 kHz，采樣長(zhǎng)度為20 000個(gè)。選用內(nèi)觸發(fā)方式，觸發(fā)通道為連接爆炸管中傳感器的通道。

3 結(jié)果分析

3.1 氣樣沿水平管道的壓力變化

實(shí)驗(yàn)所選用的五種瓦斯氣樣均發(fā)生爆炸，水平管道內(nèi)不同氣樣在各測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線如圖4所示。其中，電壓(U)與超壓(p)成正比，換算關(guān)系為U(mV)=0.031 4p/(MPa)。

通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn):爆炸反應(yīng)開(kāi)始后，爆炸管道內(nèi)的甲烷爆炸壓力迅速上升，體積分?jǐn)?shù)為9.4%時(shí)甲烷氣體的爆炸壓力峰值出現(xiàn)最早，壓力峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間為70.4 ms(圖4c);體積分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)的甲烷氣體爆炸壓力峰值出現(xiàn)最晚(圖4a)。其他各濃度氣體壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間介于兩者之間。除體積分?jǐn)?shù)為5.0%的甲烷氣體外(爆炸強(qiáng)度弱，各測(cè)點(diǎn)壓力曲線變化不明顯)，其他各濃度甲烷氣體爆炸壓力達(dá)到最大后，開(kāi)始逐漸下降，下降至負(fù)壓值后又逐漸恢復(fù)到初始值。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，爆炸發(fā)生后，各波面迅速以爆炸點(diǎn)為圓心向外膨脹擴(kuò)張，由于此燃燒過(guò)程在有限空間內(nèi)發(fā)生，加之爆炸反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生大量高溫高壓氣體，這些氣體受管道擠壓、摩擦作用，爆炸能量迅速增強(qiáng)并生成爆炸沖擊波，火焰波沿爆炸管道方向運(yùn)動(dòng)，各測(cè)點(diǎn)迅速檢測(cè)到瓦斯爆炸超壓。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，爆炸壓力達(dá)到最大值后受能量損失和熱量散失的影響，可燃?xì)怏w爆炸壓力開(kāi)始下降，當(dāng)可燃?xì)怏w沖出爆炸管道后，負(fù)爆炸壓力開(kāi)始出現(xiàn)，這一現(xiàn)象一直持續(xù)到大部分可燃?xì)怏w沖出管道后。由于負(fù)壓的出現(xiàn)，爆炸管道內(nèi)散布?xì)怏w向各檢測(cè)點(diǎn)處急速運(yùn)動(dòng)，造成爆炸管道內(nèi)各檢測(cè)點(diǎn)壓力升高，這一過(guò)程往復(fù)循環(huán)，最后使實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)壓力達(dá)到平衡。

3.2 爆炸超壓傳播規(guī)律

3.2.1 燃爆腔體內(nèi)

燃爆腔體內(nèi)不同甲烷氣樣爆炸超壓曲線如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.4%的氣樣爆炸現(xiàn)象最為明顯，爆炸發(fā)生時(shí)可聽(tīng)到強(qiáng)刺耳的轟隆聲，爆炸裝置反應(yīng)端末處可見(jiàn)橙黃色的火焰，爆炸超壓為0.165 670 MPa。甲烷體積分?jǐn)?shù)為7.0%、10.2%、13.4%時(shí)的氣樣爆炸現(xiàn)象明顯，爆炸產(chǎn)生的聲音較強(qiáng)烈，在爆炸端口末端可見(jiàn)外焰略帶淡藍(lán)色的橙黃色火焰，爆炸超壓分別為0.155 932、0.144 139、0.098 317 MPa。甲烷氣樣體積分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)爆炸現(xiàn)象最不明顯，按下點(diǎn)火按鈕后爆炸發(fā)生時(shí)間有0.8～1.2 s的延遲，爆炸聲音不強(qiáng)烈，在爆炸端口末端未看到火焰產(chǎn)生，爆炸超壓為0.098 781 MPa。

圖4 甲烷在各測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線Fig.4 Methane every measuring point pressure

圖5 不同甲烷氣樣爆炸超壓曲線Fig.5 Different concentration of methane explosion pressure curve

3.2.2 燃爆腔體—擴(kuò)散管道內(nèi)

不同甲烷氣樣在燃爆腔體—擴(kuò)散管道中的爆炸超壓分布情況如圖6所示。

圖6 不同甲烷氣樣超壓分布規(guī)律Fig.6 Different methane gas sample overpressure distribution rule

從圖6可以看出，體積分?jǐn)?shù)為5.0%、7.0%、13.4%的預(yù)混氣體在爆炸腔體被點(diǎn)燃后壓力峰值出現(xiàn)在燃爆腔體內(nèi)近點(diǎn)火段測(cè)點(diǎn)1處，分別為0.098 781、0.155 932、0.098 317 MPa。近點(diǎn)火段范圍內(nèi)甲烷爆炸壓力峰值曲線在擴(kuò)散管道水平距離內(nèi)呈現(xiàn)先減小再增大后減小的趨勢(shì)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在爆炸腔體內(nèi)的壓力峰值并不是整個(gè)爆炸反應(yīng)過(guò)程的壓力峰值，如體積分?jǐn)?shù)為9.4%的預(yù)混氣體壓力峰值為0.181 228 MPa，出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn) 3處;體積分?jǐn)?shù)為10.2%的預(yù)混氣體壓力峰值為0.144 139 MPa，出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)2處，此后壓力峰值沿水平管道一直下降。

根據(jù)各濃度氣體在燃爆腔體及擴(kuò)散管道內(nèi)壓力峰值變化曲線可知，不同濃度氣體的壓力峰值變化趨勢(shì)并不是單調(diào)的，而是呈波動(dòng)性的。一定濃度的甲烷預(yù)混氣體被點(diǎn)燃后，迅速在管道內(nèi)形成兩波三區(qū)流場(chǎng)區(qū)域。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，各波形陣面受到封閉點(diǎn)火段反射波的疊加作用、管道內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生的湍流作用、前驅(qū)沖擊波陣面前段的未燃?xì)怏w相繼被引燃等因素影響，燃燒面積加大，爆炸強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，爆炸超壓逐漸增大。此后，由于受擴(kuò)散管道內(nèi)壁的摩擦作用及反應(yīng)過(guò)程中能量消耗的影響，燃爆氣體爆炸超壓逐漸減小。最后，爆炸反應(yīng)受能量損失及熱量擴(kuò)散的影響，反應(yīng)強(qiáng)度緩慢減弱，爆炸超壓逐漸減小。

4 結(jié)論

(1)爆炸極限范圍內(nèi)的甲烷氣體，在甲烷燃爆腔體內(nèi)(點(diǎn)火段附近)爆炸超壓隨甲烷濃度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.4%時(shí)，爆炸壓力最大，為 0.165 670 MPa，對(duì)應(yīng)時(shí)間為76.8 ms。

(2)爆炸反應(yīng)開(kāi)始后，在燃爆腔體—擴(kuò)散管內(nèi)體積分?jǐn)?shù)為9.4%的甲烷氣體的爆炸壓力峰值出現(xiàn)最早，測(cè)點(diǎn)3處測(cè)得甲烷爆炸超壓對(duì)應(yīng)時(shí)間為70.4 ms。

(3)在燃爆腔體—擴(kuò)散管道內(nèi)甲烷爆炸反應(yīng)強(qiáng)度及傳播規(guī)律受管道內(nèi)壁、湍流作用、可燃?xì)怏w濃度、反射波正反饋?zhàn)饔?、管道長(zhǎng)度、點(diǎn)火能量、點(diǎn)火位置等綜合因素影響，管道內(nèi)氣體爆炸壓力峰值呈波動(dòng)性變化。體積分?jǐn)?shù)為9.4%的甲烷氣體爆炸現(xiàn)象最為明顯，爆炸超壓為0.181 228 MPa。

[1]PHYLAKTOU H，ANDREWS G E.Gas explosions in linked vessels[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，1993，6(1):15－19.

[2]林柏泉，周世寧，張仁貴.障礙物對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中火焰和爆炸波的影響[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，28(2):6－9.

[3]江丙友，林柏泉，朱傳杰，等.瓦斯爆炸沖擊波在并聯(lián)巷道中傳播特性的數(shù)值模擬[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2011，17(3):250－254.

[4]賈真真，林柏泉.管內(nèi)瓦斯爆炸傳播影響因素及火焰加速機(jī)理分析[J].礦業(yè)工程研究，2009，24(1):57－62.

[5]王從銀，何學(xué)秋.瓦斯爆炸火焰厚度的實(shí)驗(yàn)研究[J].爆破器材，2001，30(2):28－32.

[6]IBRAHIM S S，MASRI A R.The effects of obstructions on overpressure resulting from premixed flame deflagration[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2001，14(3):213－221.

[7]宮廣東，劉慶明，白春華.管道中瓦斯爆炸特性的數(shù)值模擬[J].兵工學(xué)報(bào)，2010，31(Z1):17－21.

[8]司榮軍.礦井瓦斯煤塵爆炸傳播數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18(10):82－86.

[9]畢明樹(shù)，王洪雨.甲烷－煤塵復(fù)合爆炸威力實(shí)驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(7):784－788.

[10]張引合，張延松，任建喜.煤塵對(duì)低濃度瓦斯爆炸的影響研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，33(6):20－21.

[11]謝興華，李寒旭.燃燒理論[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2002:108－109，122－125.