圓孔障礙物對壓力重疊影響的實驗研究

馬云龍

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

在隔爆外殼內(nèi)，為方便接線，會預(yù)留過線板，過線板將隔爆腔分割成小孔相連的通腔，這些相連的通腔為壓力重疊的形成提供了條件。當爆炸經(jīng)過這些連通腔時，火焰的形態(tài)、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、流場結(jié)構(gòu)及爆炸壓力等都會發(fā)生顯著變化，進而影響爆炸過程，造成爆炸壓力值瞬間增大，出現(xiàn)壓力重疊，嚴重危及隔爆外殼的隔爆性能，進而影響煤礦安全生產(chǎn)[1-6]。鞠哲等[7]利用試驗驗證了中間孔板結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生壓力重疊現(xiàn)象，并闡述了壓力重疊現(xiàn)象產(chǎn)生的過程；劉凱華[8]對2 個腔體壓力重疊現(xiàn)象做了進一步闡述?；诖?，利用國家煤礦安全生產(chǎn)撫順礦用設(shè)備檢測檢驗中心的爆炸測試系統(tǒng)對不同圓孔障礙物的隔爆外殼進行甲烷空氣爆炸測試，獲得不同圓孔尺寸下的爆炸壓力過程曲線；對實驗結(jié)果進行分析，獲得了孔板尺寸與壓力重疊的關(guān)系，為超大型隔爆外殼設(shè)計提供理論支持。

1 實驗方法

根據(jù)GB 3836.2—2010《爆炸性環(huán)境第2 部分：由隔爆外殼“d”設(shè)備》可知，由于在外殼的1 個空腔或間隔內(nèi)發(fā)生點燃，造成另外1 個空腔或間隔內(nèi)被預(yù)壓的氣體混合物點燃時呈現(xiàn)的狀態(tài)稱之為壓力重疊。從定義可知壓力重疊的形成需要連續(xù)通腔結(jié)構(gòu)。被測試對象如圖1。

圖1 被測試對象Fig.1 Tested object

該實驗對象為總長750 mm，內(nèi)徑為160 mm，由腔A 和腔體B 組成。在腔體A 的左端設(shè)置進氣口、點火點以及測壓點p1，在腔體B 右端設(shè)置出氣口、點火點以及測壓點p2。為了模擬不同的連續(xù)通腔結(jié)構(gòu)，在腔體A 和腔體B 之間放置圓孔障礙物，通過改變中間孔直徑d 的大小以獲得不同的孔板尺寸。1#～10#圓板中間孔直徑d 分別為16、32、48、64、80、96、112、128、144、160 mm，共計9 塊孔板（序號10#的孔板尺寸與管道內(nèi)徑相同，故不需加工此孔板）。各螺栓的擰緊力矩為64.0 N·m，間隙為0.10 mm。點火能量10 J，點火時甲烷-空氣混合物中甲烷體積分數(shù)為（9.80±0.05）%,忽略實驗過程中環(huán)境溫濕度以及甲烷體積分數(shù)變化對實驗結(jié)果的影響[9-11]。初始壓力選擇0 kPa。為了研究對甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力影響，選擇腔體B 處的點火點進行點火。

2 實驗結(jié)果

根據(jù)實驗方案，共測得10 組實驗數(shù)據(jù)。不同圓板障礙物作用下，測壓點p1和p2最大壓力值及對應(yīng)時間見表1 和表2。

表1 測壓點p1 最大壓力值與到達時間Table 1 Maximum values and arrival time of pressure measuring point p1

2.1 圓板障礙物作用對爆炸壓力值的影響

由表1 可知，隨著圓板尺寸的減小（既中間孔直徑增大），測壓點p1處爆炸壓力值增大；然而由表2卻發(fā)現(xiàn)測壓點p2處爆炸壓力值隨著圓板尺寸的減小先增大后減小。因此當圓板尺寸小于圓板外徑的20%，會造成爆炸壓力分布不均衡。1#孔板的爆炸過程曲線如圖2。

表2 測壓點p2 最大壓力值與到達時間Table 2 Maximum values and arrival time of pressure measuring point p2

圖2 1#孔板的爆炸過程曲線Fig.2 Explosion process curves of 1# orifice plate

從圖2 能夠發(fā)現(xiàn)：在0 ms 到130 ms 時，p2處壓力值逐漸大于p1處壓力值，這是由于爆炸的初始階段，火焰波跟壓力波并未完全傳播到測壓點p1，因此靠近點火點的測壓點p2先測得了爆炸壓力最大值。在130 ms 時壓力值瞬間增大并在150 ms 后達到最大值，孔板打斷了甲烷－空氣爆炸的連續(xù)傳播，對腔體A 進行了預(yù)壓，并造成該腔內(nèi)爆炸壓力升高，最終導(dǎo)致p1爆炸壓力最大值是p2處的2.41 倍。也正是由于圓板的作用，阻斷了火焰波與壓力波的連續(xù)傳播，使得p2處壓力值先增大后減小。在測壓點p1和測壓點p2達到最大值后，隨著爆炸的完成，腔體A 和腔體B 壓力基本相同。

圓板尺寸對爆炸壓力最大值的影響如圖3。圓板孔直徑為160 mm 時，爆炸壓力最大值為0.290 MPa；圓板孔直徑為16 mm 時，爆炸壓力最大值為1.129 MPa，圓板中間孔直徑變化導(dǎo)致爆炸壓力最大值增大了38.93 倍。當圓板直徑為112 mm 時，其爆炸壓力最大值是最低值的1.66 倍，因此當圓板中間孔直徑小于70%的管道內(nèi)徑時，便會發(fā)生壓力重疊[12]。

圖3 圓板尺寸對爆炸壓力最大值的影響Fig.3 Effect of circular plate size on maximum explosion pressure

2.2 圓板障礙物作用對爆炸壓力上升速率的影響

爆炸壓力上升速率是衡量燃燒速率的標準，也是衡量爆炸強度的一個重要指標。爆炸壓力上升速率越快，爆炸產(chǎn)生的破壞力越大。壓力上升速率最大值的計算公式[13-14]為：

式中：p 為壓力，t 為時間；pt2為t2時刻壓力；pt1為t1時刻壓力。

式（1）的計算結(jié)果可通過數(shù)據(jù)軟件對圖2 進行時間的一階導(dǎo)數(shù)求解獲得，從中發(fā)現(xiàn)1#孔板上升速率最大，取最大值，壓力上升速率隨圓板尺寸的變化如圖4。

圖4 壓力上升速率隨圓板尺寸的變化Fig.4 Variation of pressure rise rate with circular plate size

從圖4 看出圓板尺寸嚴重影響甲烷-空氣爆炸壓力的上升速率，圓板中間孔直徑為16 mm 時壓力上升速率最大，圓板中間孔直徑為160 mm 時壓力上升速率最小。對圖4 數(shù)據(jù)點進行擬合, R2=0.999 9，得出圓板尺寸與壓力上升速率成指數(shù)關(guān)系：

式中：p′為壓力上升速率，MPa/s；d 為圓板中間孔直徑，mm。

3 結(jié) 語

圓孔障礙物中圓孔尺寸的變化會導(dǎo)致爆炸壓力增大、分布不均衡，最終導(dǎo)致出現(xiàn)壓力重疊。圓孔尺寸的變化導(dǎo)致爆炸壓力由0.290 MPa 增大到了1.129 MPa，數(shù)值增大了38.93 倍；圓孔尺寸與壓力上升速率成指數(shù)關(guān)系；當圓板中間孔直徑為70%的管道內(nèi)徑時，發(fā)生壓力重疊，因此在隔爆外殼設(shè)計和元器件布置時應(yīng)避免截面變化，若無法避免時，建議截面變化不超過30%。