連通容器泄爆過程的影響因素*

孫 瑋，王志榮，馬龍生，劉明翰，楊臣劍

(南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院江蘇省危險化學(xué)品本質(zhì)安全與控制技術(shù)重點實驗室,江蘇 南京 210009)

連通容器泄爆過程的影響因素*

孫 瑋，王志榮，馬龍生，劉明翰，楊臣劍

(南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院江蘇省危險化學(xué)品本質(zhì)安全與控制技術(shù)重點實驗室,江蘇 南京 210009)

以甲烷/空氣混合物為研究對象，開展了連通容器氣體泄爆影響因素的實驗研究。結(jié)果表明：連通容器泄爆片泄爆時，隨著破膜壓力和量綱一泄壓比的減小，大、小球容器的最大泄爆壓力均增大；在等量綱一泄壓比條件下，隨著連接管道長度的增加，傳爆容器的最大泄爆壓力增大。連通容器無膜泄爆時，大球點火條件下，無論管長如何，起爆容器和傳爆容器均比單個容器最大泄爆壓力大。小球點火條件下，當管道長度為0.45 m時，起爆容器和傳爆容器的最大泄爆壓力均小于單個容器。連通容器無膜泄爆且量綱一泄壓比相同時，當管道長度為0.45 m時，大、小容器內(nèi)的最大泄爆壓力基本相等；當管道長度為2.45 m時，大容器點火時，傳爆容器最大爆炸壓力大于起爆容器，但小容器點火時，起爆容器最大泄爆壓力大于傳爆容器；當管道長度為4.45和6.45 m時，傳爆容器最大泄爆壓力均大于起爆容器。

爆炸力學(xué)；管道長度；點火位置；泄壓比；連通容器；氣體泄爆

在工業(yè)過程中，各類生產(chǎn)裝置常常需要通過管道連接而形成連通裝置。由于靜電、操作不當?shù)仍驎?dǎo)致容器中的可燃氣體爆炸，產(chǎn)生的火焰可以通過管道在容器中傳播。與單容器相比，連通容器可能會發(fā)生更加猛烈的爆炸[1]。為防止或降低氣體爆炸造成的損害，一般采用的防治方法為抑爆和泄爆。為了獲得最佳泄爆效果，學(xué)者們通過大量的實驗和觀測，提出許多經(jīng)驗和半經(jīng)驗關(guān)系式來估算安全泄爆面積[2-4]，但這些計算公式和設(shè)計方法對于連通容器氣體爆炸泄放并沒有明確說明[5-6]，其原因在于，目前對于該類爆炸的形成機理和連通裝置泄爆過程的規(guī)律尚不清楚[7-8]。當前，學(xué)者們對于容器與管道組合形成的連通容器的爆炸與泄爆研究比較少，如P.Holbrow等[9]、G.A.Lunn等[10]和P.Holbrow等[11]對粉塵泄爆進行了研究，在體積范圍2～20 m3的柱形容器，長15 m半徑分別為0.15、0.25、0.5 m的管道組成的連通容器中開展了粉塵密閉爆炸與泄爆實驗，分析了管道長度、泄壓面積等因素對連通容器不同粉塵爆炸與泄爆的影響；王志榮等[12]對甲烷/空氣預(yù)混氣體在連通容器內(nèi)的泄爆過程進行了實驗研究，其研究焦點主要集中在了連通容器泄爆過程中壓力的變化規(guī)律，分析了氣體體積分數(shù)和泄爆方式對連通容器泄爆過程的影響；尤明偉等[12-16]在不同泄爆面積和等泄壓比條件下對連通容器氣體泄爆片泄爆過程進行了實驗研究，分析了連通條件下容器泄爆的壓力變化和火焰?zhèn)鞑ミ^程，但在實驗過程中設(shè)定了破膜壓力和泄壓比，對于等泄壓比條件下的連通容器無膜泄爆的問題并沒有涉及。上述研究主要集中在泄爆面積、泄爆過程、泄爆方式、氣體體積分數(shù)等對連通容器泄爆的影響方面，關(guān)于泄爆位置、不同點火位置、管道長度以及量綱一泄壓比對連通容器泄爆過程的影響研究涉及較少。因此，本文在實驗的基礎(chǔ)上，就泄爆位置、不同點火位置、管道長度以及量綱一泄壓比等因素對連通容器泄爆過程的影響進行探討，以期為后續(xù)工作提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗使用的連通容器如圖1所示。2個球形容器內(nèi)徑分別為0.6、0.35 m(體積分別為0.113 m3、0.022 m3，以下簡稱大、小球容器)，水平導(dǎo)管分別長0.25、0.2 m，頂部泄爆導(dǎo)管長0.156 m，內(nèi)徑0.05 m；每段管道長為2 m，有3段，共長6 m。球形容器與管道可分別組成管長為0.45 m(兩球?qū)?、2.45 m(一段管)、4.45 m(二段管)、6.45 m(三段管)的連通容器。容器和管道上分別設(shè)置了壓力和點火裝置的接口，可根據(jù)實驗需要進行連接。

圖1 連通容器結(jié)構(gòu)示意圖[15]Fig.1 Schematic diagram of the linked spherical vessels[15]

1.2 實驗方法

選用甲烷和空氣預(yù)混氣體開展實驗，甲烷的體積分數(shù)為10%。實驗過程中，用真空泵將連通容器抽真空，再充入事先用SY-9506型配氣儀配好的甲烷/空氣混合氣體至常壓，靜止一段時間，然后用點火能量為6 J的高能電子點火器點火引爆容器內(nèi)的混合氣體，利用安裝在大、小球與管道上的高頻壓力變送器采集數(shù)據(jù)，并通過USB總線數(shù)據(jù)采集儀及配套分析軟件進行數(shù)據(jù)的記錄和處理。

定義量綱一泄壓比為泄爆面積A與V2/3的比值，V為泄爆裝置體積。大球容器中泄壓口直徑和小球容器泄壓口直徑分別為50、30 mm時，量綱一泄壓比為0.008 50；大、小球容器泄壓口直徑分別為40、23 mm時，量綱一泄壓比為0.005 29；大、小球容器泄壓口直徑分別為30.0、17.5 mm時，量綱一泄壓比為0.003 04；大、小球容器泄壓口直徑分別為23、13 mm時，量綱一泄壓比為0.001 70。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 連通容器與單球容器無膜泄爆的比較

將連通容器與單球容器無膜泄爆進行對比，研究連通容器與單球容器泄爆壓力的變化規(guī)律，定義p1、p2分別為大、小球內(nèi)泄爆壓力。圖2～3所示分別為不同管長連通容器，大球點火時，起爆和傳爆容器與單球泄爆壓力變化的比較。從圖中可以看出，當大球點火時，不管起爆容器還是傳爆容器，也不管連接管道的長短，均比單球的最大泄爆壓力大。圖4～5所示分別為不同管長連通容器，小球點火時，起爆容器和傳爆容器泄爆壓力與單球壓力的比較。從圖中可以看出，當小球點火時，兩球?qū)訒r，連通容器中的起爆和傳爆容器的最大泄爆壓力均小于單個容器。相同條件下，起爆容器為大球時的泄爆壓力大于起爆容器為小球時的泄爆壓力。主要原因在于當大球為起爆容器時，起爆容器起初產(chǎn)生的高壓氣體的量相比與傳爆容器來說較大，隨著管道的增長，火焰?zhèn)鞑ネ牧髯饔迷矫黠@，傳爆容器內(nèi)預(yù)壓縮作用越明顯，導(dǎo)致壓力越高，并將產(chǎn)生的高壓氣體回流至起爆容器，引起湍流度增加加速燃燒，導(dǎo)致起爆容器壓力迅速上升，產(chǎn)生較高的泄爆壓力；小球為起爆容器時，起爆容器起初產(chǎn)生的高壓氣體的量相對傳爆容器來說，相對較小，兩球?qū)訒r，大球體積較大，小球中高壓氣體向大球泄放相對容易，最終導(dǎo)致最大泄爆壓力小于單球最大泄爆壓力。因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)加強對大球容器的爆炸防護，如做好大球容器的靜電防護等，防止由于大球作為起爆容器產(chǎn)生較高的爆炸壓力而造成嚴重后果。

圖2 大球中心點火起爆容器泄爆壓力時程曲線Fig.2 Pressure histories of explosion venting in the primary vessel when ignited in the big vessel

圖3 大球中心點火傳爆容器泄爆壓力時程曲線Fig.3 Pressure histories of explosion venting in the secondary vessel when ignited in the big vessel

圖4 小球中心點火起爆容器泄爆壓力時程曲線Fig.4 Pressure histories of explosion venting in the primary vessel when ignited in the small vessel

圖5 小球中心點火傳爆容器泄爆壓力時程曲線Fig.5 Pressure histories of explosion venting in the secondary vessel when ignited in the small vessel

2.2 連通容器無膜泄爆

2.2.1 泄爆位置的影響

表1 不同泄爆位置下連通容器的泄爆特性Table 1 Characteristic of explosion venting pressure in linked vessels at different positions of explosion venting

從表中可以看出，2個球形容器組成的連通容器同時泄爆比單個容器泄爆時的泄爆效果好。當連接管道比較長的時候，傳播容器泄爆已經(jīng)沒有實際意義，這種情況下需要其他防爆措施來保護連通容器，該結(jié)論與文獻[12]的研究結(jié)論吻合。實驗表明，連通容器同時泄爆時泄爆效果最好，因此，在實際工程中應(yīng)盡量采用多泄爆口泄爆的方式進行泄爆。

2.2.2 點火位置的影響

由于實際工程中連通裝置內(nèi)部靜電火花產(chǎn)生位置的不確定性，通過大、小球分別點火，研究點火位置對連通容器泄爆的影響。圖6所示為不同連接管道長度的連通容器，大球容器點火且無膜泄放時，大、小容器的泄爆壓力時程曲線。

圖6 大球點火時，不同管長連通容器的泄爆壓力時程曲線Fig.6 Histories of explosion venting pressure in linked vessels with different pipe lengths when ignited in the big vessel

從圖中可以看出，傳爆容器的壓力上升速率大于起爆容器的，且先于起爆容器達到最大泄爆壓力。當連通器兩球?qū)訒r，雖然連通容器內(nèi)的峰值壓力接近，但曲線不是很一致，有別于小球點火時的壓力曲線。這主要是由于小容器起爆向大容器傳播時，起爆容器起初產(chǎn)生的高壓氣體的量對大容器來說，相對較少，影響不大。而大容器起爆時產(chǎn)生的高壓氣體向小容器傳播時，相對來說量比較大，對壓力的影響比較大。當管道比較短時，由于火焰很快傳播到傳爆容器，所以傳爆容器內(nèi)的壓力經(jīng)過緩慢的升壓后，直接就迅速升壓。而當管道比較長的時候，火焰?zhèn)鞑ニ璧臅r間比較長，傳爆容器通過頂部泄放后，會有一個小幅的下降，當火焰?zhèn)鞯綍r再迅速上升。并將產(chǎn)生的高壓氣體回流至起爆容器，引起湍流度增加從而加速燃燒，壓力迅速上升。傳爆容器在迅速升壓后，也加速向外泄放，由于傳播容器體積比較小，在高速泄放后，會在容器內(nèi)部形成一定的低壓，所以壓力曲線迅速下降，當起爆容器的壓力波再次傳到時，又一次上升。隨著可燃氣體的燃盡，連通容器內(nèi)壓力波來回振蕩，所以壓力曲線振蕩下降。當大球往小球傳播時，小球壓力曲線的第2個波峰是由于大球壓力達到最大時，回傳給小球的。所以小球的第2個波峰的壓力小于大球的最大泄爆壓力，且第2個波峰的時間，滯后于大球波峰時間，隨著管道的增長，能量損失增大，所以其值逐漸減小，滯后的時間延長。

圖7所示為連通容器不同連接管道長度時，小球容器點火時，2個容器同泄壓比無膜泄放時，大、小球容器的爆炸壓力時程曲線。當兩容器直接連接時，可看成一個復(fù)雜形狀的連通容器，所以大、小球容器內(nèi)的泄爆壓力時程曲線幾乎重合。但隨著管道增長，由于管道對火焰的加速作用，使得傳爆容器內(nèi)的壓力上升速率和峰值壓力均大于起爆容器內(nèi)的。這主要是由于點火后，小球內(nèi)先開始層流燃燒，壓力上升緩慢。壓力波一部分通過頂部泄放口排放到外部空間，一部分通過管道傳向大球容器，此時壓力波的傳播速度大于火焰的傳播速度。大球內(nèi)的氣體剛開始處于靜止狀態(tài)，由于慣性作用，大球內(nèi)的氣體被傳播過來的壓力波壓縮，壓力有小幅度上升，同時從頂端泄放口向外泄出。由于泄放是瞬間過程，慣性作用在大球內(nèi)部形成低壓，所以大球內(nèi)壓力出現(xiàn)小幅度上升后又下降。隨后火焰?zhèn)鞑ミ^來，點燃大球容器內(nèi)的未燃氣體，使得大球內(nèi)壓力迅速上升，產(chǎn)生的高壓壓力波通過管道回流向小球，使得小球內(nèi)的湍流度增加，燃燒變得更猛烈，使得本已開始下降的壓力也再次迅速上升。直至可燃氣體的燃盡，泄放和冷卻作用使得整個裝置內(nèi)的壓力迅速下降。因此，在工程應(yīng)用中，應(yīng)避免大球作為起爆容器，并相應(yīng)地增加小球容器的安全系數(shù)，如增加小球容器的厚度、增加小球容器泄爆面積或降低泄爆壓力等。

圖7 小球點火時，不同管長連通容器的泄爆壓力時程曲線Fig.7 Histories of explosion venting pressure in linked vessels with different pipe lengths when ignited in the small vessel

2.2.3 管道長度的影響

表2所示為大球中心點火時，不同量綱一泄壓比時，不同管長連通容器，大、小球內(nèi)的最大泄爆壓力。從表中可以看出，隨著管道長度的增加，小球容器的最大泄爆壓力變化較大，大球容器的最大泄爆壓力變化相對較小。主要原因在于當大球容器為起爆容器時，起爆容器起初產(chǎn)生的高壓氣體的量相對傳爆容器來說，相對較大，隨著管道的增長，火焰?zhèn)鞑ネ牧髯饔迷矫黠@，傳爆容器內(nèi)預(yù)壓縮作用越明顯，導(dǎo)致壓力越高，而泄爆過程是兩泄爆口同時泄爆，大球泄爆過程基本不受管道的影響，其本身的泄爆壓力是大球內(nèi)部氣體燃燒決定的，所以大球容器最大泄爆壓力變化相對較小。

表2 不同連通方式的容器大球中心點火時，大、小球容器的最大泄爆壓力Table 2 Maximum explosion venting pressure in the big and the small vessels in linked vessels with different pipe connections when ignited in big vessel

2.3 連通容器泄爆片泄爆

2.3.1 破膜壓力的影響

破膜壓力是泄爆安全設(shè)計的重要參數(shù)。圖8～9表示大球中心點火，2個球型容器接一段管，在大、小球容器泄壓口直徑分別為50、30 mm時的條件下，不同破膜壓力下，大、小球容器泄爆的壓力曲線。從圖中可以看出，隨著破膜壓力的增加，大、小球的最大泄爆壓力也增加。主要原因在于當破膜壓力較小時，破膜時仍有大部分的預(yù)混氣體未發(fā)生燃燒，壓力升高較??；當破膜壓力較大時，容器內(nèi)可燃預(yù)混氣體燃燒相對充分，壓力升高較大。因此，實際工程中在滿足工藝條件的情況下應(yīng)盡可能降低破膜壓力。

圖8 不同破膜壓力條件下，大球容器泄爆的壓力時程曲線Fig.8 Pressure histories of explosion venting of big vessel under different rupture disk bursting pressures

圖9 不同破膜壓力條件下，小球容器泄爆的壓力時程曲線Fig.9 Pressure histories of explosion venting of small vessel under different rupture disk bursting pressures

2.3.2 管道長度的影響

在實際工程中，由于連通容器管道長度的不確定性，在1.2節(jié)中所示4種不同的實驗條件下(大球容器中泄壓口直徑和小球容器泄壓口直徑分別為50、30 mm時，量綱一泄壓比為0.008 50；大、小球容器泄壓口直徑分別為40、23 mm時，量綱一泄壓比為0.005 29；大、小球容器泄壓口直徑分別為30.0、17.5 mm時，量綱一泄壓比為0.003 04；大、小球容器泄壓口直徑分別為23、13 mm時，量綱一泄壓比為0.001 70。)，表3～4給出了不同管長時，給定不同的破膜壓力條件下，大、小球分別點火，大、小球最大泄爆壓力值，設(shè)破膜壓力為pb。與文獻[16]相比，本文首先研究了無膜條件下管道長度對連通容器泄爆的影響，而文獻[16]的研究是在有泄爆片條件下進行的。此外，本文研究有泄爆片時，研究的是不同破膜壓力條件下管道長度對連通容器泄爆的影響，而文獻[16]的研究是在相同破膜壓力條件下進行的。由表可知，隨著管道長度的增加，傳爆容器的最大泄爆壓力增大，該結(jié)論與文獻[16]結(jié)論吻合，也與2.2.3節(jié)中無膜泄爆研究結(jié)論相同?？梢酝茰y，連接管道加速了火焰的傳播，增強了爆炸強度，當管道長徑比達到一定值時可能會發(fā)生爆轟。因此，在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量減少連通容器的管道長度。

表3 不同管長連通容器給定破膜壓力并大球中心點火時，大、小球容器的最大泄爆壓力Table 3 Maximum explosion venting pressure in linked vessels with different pipe lengths under given rupture pressures when ignited in big vessel

表4 不同管長連通容器給定破膜壓力并小球中心點火時，大、小球容器的最大泄爆壓力Table 4 Maximum explosion venting pressure in linked vessels with different pipe lengths under given rupture pressures when ignited in small vessel

3 結(jié) 論

(1)連通容器無膜泄爆時，大球點火條件下，無論連接管長如何，起爆容器和傳爆容器均比單個容器最大泄爆壓力大。當小球點火時，兩球?qū)訒r，起爆容器和傳爆容器的最大泄爆壓力均小于單個容器。(2)連通容器兩球形容器同時泄爆比單個容器泄爆時，泄爆效果好。(3)無膜泄爆時，大球容器點火時連通容器最大泄爆壓力大于小球容器點火時連通容器最大泄爆壓力。(4)連通容器無膜泄爆和泄爆片泄爆時，隨著管道長度的增加，傳爆容器的最大泄爆壓力均增大。(5)隨著破膜壓力的增大，連通容器的大、小球容器的最大泄爆壓力均增大。

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(責(zé)任編輯 王易難)

Influence factors of gas explosion venting in linked vessels

Sun Wei, Wang Zhirong, Ma Longsheng, Liu Minghan, Yang Chenjian

(JiangsuKeyLaboratoryofHazardousChemicalsSafetyandControl,CollegeofSafetyScienceandEngineering,NanjingTechUniversity,Nanjing210009,Jiangsu,China)

A series of experiments were conducted to study the factors influencing gas explosion venting in methane-air mixture explosion in linked vessels. For the linked vessels, the maximum explosion venting pressure in both the big vessel and the small vessel increases when the rupture disk bursting pressure and the dimensionless ratio of the vent area to the vessel volume decrease. At the same dimensionless ratio, the maximum explosion venting pressure in the secondary vessel increases with the pipe length regardless of the ignition occurring in the big or in the small vessel. The maximum explosion venting pressures in the primary and in the secondary vessels are higher than that in the single vessel for ignition in the big vessel without a rupture disk. However, when the pipe length is 0.45 m, the maximum explosion venting pressures in the primary and in the secondary vessel are lower than that in the single vessel for ignition occurring in the small vessel without a rupture disk. At the same dimensionless ratio of the vent area to the vessel volume, the maximum explosion venting pressure in the big vessel and that in the small one are close to each other when the pipe length is 0.45 m for explosion venting in linked vessels without a rupture disk. However, when the pipe length is 2.45 m, the maximum explosion venting pressure in the primary vessel is higher than that in the secondary vessel for ignition in the small vessel. When the pipe length is 4.45 m or 6.45 m, the maximum explosion venting pressure in the secondary vessel is higher than that in the primary vessel.

mechanics of explosion; pipe length; ignition position; ratio of vent area to vessel volume; linked vessels; gas explosion venting

10.11883/1001-1455(2016)04-0457-08

2014-11-25；< class="emphasis_bold">修回日期：2015-02-03

2015-02-03

國家自然科學(xué)基金項目(50904037,51376088);

江蘇省高校自然科學(xué)基金項目(11KJA620001,10KJB620001);

江蘇省“六大人才高峰”高層次人才計劃資助項目(2014-XNY-007);

江蘇省高校“青藍工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人計劃資助項目(SJ201216);

南京工業(yè)大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室開放課題資助項目(KFJJ16-03M)

孫 瑋(1989— )，男，碩士研究生;

王志榮，wangzhirong@njtech.edu.cn。

O383 <國標學(xué)科代碼：1303510 class="emphasis_bold"> 國標學(xué)科代碼：1303510 文獻標志碼：A國標學(xué)科代碼：1303510

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