密閉空間內(nèi)可燃液體蒸氣爆炸強(qiáng)度研究*

張發(fā)　任常興　呂天浩　劉樹(shù)陽(yáng)

(1.浙江省公安消防總隊(duì)　杭州 310014；　2.公安部天津消防研究所　天津 300381；3.舟山市公安消防支隊(duì)　浙江舟山 316200)

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密閉空間內(nèi)可燃液體蒸氣爆炸強(qiáng)度研究*

張發(fā)1任常興2呂天浩3劉樹(shù)陽(yáng)3

(1.浙江省公安消防總隊(duì)杭州 310014；2.公安部天津消防研究所天津 300381；3.舟山市公安消防支隊(duì)浙江舟山 316200)

采用20 L球燃爆實(shí)驗(yàn)裝置，研究分析了油氣濃度、點(diǎn)燃延遲時(shí)間的變化對(duì)油氣環(huán)境的爆炸影響因素及變化規(guī)律。研究表明，隨著油氣濃度的增加，油氣最大爆炸壓力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，點(diǎn)燃延時(shí)影響油氣-空氣混合物爆炸強(qiáng)度，超過(guò)一定時(shí)間后爆炸猛烈程度降低。

密閉空間可燃液體蒸氣油氣爆炸強(qiáng)度

0　引言

可燃液體蒸氣的燃爆機(jī)理主要為熱爆炸理論和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論。其燃爆過(guò)程通常不存在單一的熱爆炸或單一的鏈反應(yīng)爆炸，往往二者并存且相互作用[1]。

1.1熱爆炸理論

熱爆炸的實(shí)質(zhì)為系統(tǒng)的放熱速率大于散熱速率的情況下熱平衡被打破，熱量不斷得到積聚，溫度不斷上升，使得放熱速率呈指數(shù)增加，釋熱量進(jìn)一步增大，這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，使反應(yīng)進(jìn)程加快，直至發(fā)生爆炸。但并非任何反應(yīng)系統(tǒng)最后都會(huì)演變?yōu)楸?，只有?dāng)反應(yīng)系統(tǒng)超出一定臨界狀態(tài)爆炸才有可能出現(xiàn)[2]。反應(yīng)系統(tǒng)的熱平衡如式(1)所示。

qG=qL

(1)

式中，qG為單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)系統(tǒng)放出的熱量，qL為單位時(shí)間反應(yīng)系統(tǒng)損失給周?chē)h(huán)境的熱量。

當(dāng)qG>qL時(shí)，混合氣體熱量得到積聚，促進(jìn)反應(yīng)不斷地加速，循環(huán)反復(fù)，當(dāng)混合氣體儲(chǔ)存的能量大于界限值時(shí)，符合爆炸條件即會(huì)引發(fā)氣體爆炸。即

(2)式中，T為反應(yīng)系統(tǒng)溫度，K；T0為周?chē)h(huán)境溫度，K；R為氣體普適常數(shù)，J/(mol·K)；E為活化能，J/mol。

1.2鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論

根據(jù)謝苗諾夫的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論，爆炸性混合物吸收了一定的能量，就會(huì)生成活性基團(tuán)成為鏈鎖反應(yīng)的活化中心[3-4]，這些活性基團(tuán)也稱(chēng)自由基。自由基會(huì)與其他分子發(fā)生作用，反應(yīng)生成新的自由基，新生成的自由基又會(huì)迅速參與到反應(yīng)中。這個(gè)過(guò)程循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行，產(chǎn)生的自由基數(shù)量逐漸增多，加劇了化學(xué)反應(yīng)速率，當(dāng)其超過(guò)一定限度時(shí)，就會(huì)演變?yōu)閯×业娜紵?，甚至產(chǎn)生爆炸。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由鏈引發(fā)、鏈傳遞、鏈終止3個(gè)階段構(gòu)成，可用基元反應(yīng)通式表示，如表1所示。

表1　鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

注：M是分子，R是自由基，P是產(chǎn)物，α是自由基增長(zhǎng)倍數(shù)，k1，k2，k3，k4，k5是基元反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)。

2　實(shí)驗(yàn)測(cè)定

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

鉤藤猝倒病可用3億CFU/克哈茨木霉菌20～50倍，或10億個(gè)/克枯草芽孢桿菌800～1 000倍，或8%井岡霉素A水劑100～125倍，或10%苯醚甲環(huán)唑1 000～2 000倍，或43%戊唑醇懸浮劑WG 2 500～4 000倍，或1%申嗪霉素懸浮劑800～1 000倍噴霧防治，在苗床或育苗盤(pán)出現(xiàn)初始發(fā)病中心時(shí)及時(shí)普防。

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示，主要分為5個(gè)部分：爆炸容器，配氣系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)和清潔系統(tǒng)。爆炸容器容積為20 L，材質(zhì)為不銹鋼，最大內(nèi)徑30 cm，內(nèi)部空間高36 cm，工作壓力0～2 MPa(絕壓)。配氣系統(tǒng)通過(guò)燃爆/抑爆試驗(yàn)專(zhuān)用高純蒸氣發(fā)生裝置產(chǎn)生恒溫條件下的油氣飽和蒸汽壓，采取分壓法配制油氣在爆炸容器中的濃度。控制系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備、器件、閥門(mén)的順序聯(lián)動(dòng)，從而使實(shí)驗(yàn)安全可靠進(jìn)行。測(cè)量系統(tǒng)用于采集油氣環(huán)境中的爆炸強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)。清潔系統(tǒng)用于清理實(shí)驗(yàn)測(cè)試后爆炸容器、連接管路中的殘余氣體和抑爆劑，以排除殘留物對(duì)下次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用可燃液體蒸氣為實(shí)驗(yàn)室油氣，類(lèi)似93#汽油，主要成分為C4～C12環(huán)烷烴和脂肪烴。相關(guān)資料[5]表明：汽油為第3.1類(lèi)低閃點(diǎn)易燃易揮發(fā)性液體，閃點(diǎn)為-50 ℃，沸點(diǎn)為40～200 ℃，爆炸極限為1.3%～6.0%(V/V)。汽油蒸氣與空氣接觸會(huì)形成爆炸性混合物，遇到明火或高熱，即滿足燃燒3要素后極易發(fā)生燃燒爆炸。

2.3實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)為密閉式定容爆炸測(cè)試，環(huán)境溫度22～26 ℃，相對(duì)濕度54%～58%RH，起爆前爆炸容器初始?jí)毫?.1 MPa；點(diǎn)火方式采用化學(xué)點(diǎn)火頭點(diǎn)火，點(diǎn)火能量約為200 J；進(jìn)樣方式為油氣自動(dòng)進(jìn)樣；測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置精度為0.1%FS，數(shù)據(jù)采集時(shí)間1 000 ms，采樣間隔時(shí)間為0.2 ms。

使用真空泵將爆炸容器中的空氣抽出，使20 L球內(nèi)成負(fù)壓狀態(tài)；其次往容器中通入油氣，控制油氣的體積分?jǐn)?shù)，觀測(cè)爆炸容器中的壓力變化；然后打開(kāi)儲(chǔ)粉室連通爆炸容器的閥門(mén)，使高壓空氣經(jīng)氣粉兩相閥由分散噴嘴高速?lài)娙氡ㄈ萜髦校唤?jīng)設(shè)定的點(diǎn)燃延遲時(shí)間后啟動(dòng)點(diǎn)火；完成實(shí)驗(yàn)。油氣點(diǎn)火操作后的燃燒或爆炸可以通過(guò)測(cè)定出的過(guò)壓值Pex相對(duì)于初始?jí)毫χ礟i而判定，兩者之差≥0.05 MPa，即Pex≥Pi+0.05 MPa則判定為發(fā)生爆炸[6]。

3　實(shí)驗(yàn)分析

3.1油氣濃度對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響

爆炸壓力的大小決定了爆炸破壞的猛烈程度，壓力數(shù)值越大，形成的破壞就越嚴(yán)重，是衡量爆炸的重要參數(shù)之一[7]。實(shí)驗(yàn)最初從一個(gè)大于LEL的油氣濃度，采用化學(xué)點(diǎn)火引爆油氣，測(cè)定出此濃度下油氣的最大爆炸壓力pmax。體積分?jǐn)?shù)以0.5%為步長(zhǎng)變化，直至能明顯地確定出最大爆炸壓力pmax的最大值，從而確定最大爆炸壓力pmax時(shí)的油氣濃度C。

實(shí)驗(yàn)采用燃爆/抑爆試驗(yàn)專(zhuān)用高純蒸氣發(fā)生裝置恒定40 ℃飽和蒸汽壓下的油氣。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，由多種油氣濃度的實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)未發(fā)生爆炸；在2%～3.5%范圍內(nèi)，爆炸壓力隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增加而升高，上升幅度較大；達(dá)到3.5%時(shí)，爆炸壓力達(dá)峰值，為0.828 MPa；隨著油氣濃度的進(jìn)一步增加，爆炸壓力隨之下降，下降幅度較小。該趨勢(shì)與文獻(xiàn)[8-9]中的描述相似。

3.2點(diǎn)燃延時(shí)對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響

給定油氣濃度C，在相同實(shí)驗(yàn)設(shè)定條件下，改變點(diǎn)燃延遲時(shí)間分析油氣爆炸壓力隨時(shí)間的演變規(guī)律，分析最大爆炸壓力pmax、最大爆炸壓力到達(dá)時(shí)間t1、最大壓力上升速率(dp/dt)max、最大爆炸指數(shù)Kmax隨點(diǎn)燃延時(shí)tld的變化趨勢(shì)，研究油氣環(huán)境爆炸強(qiáng)度的影響因素特征。實(shí)驗(yàn)設(shè)定油氣體積分?jǐn)?shù)3.5%，采用化學(xué)點(diǎn)火方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　點(diǎn)燃延時(shí)對(duì)油氣爆炸強(qiáng)度的影響

圖2點(diǎn)燃長(zhǎng)延時(shí)變化下油氣爆炸壓力-時(shí)間曲線

由圖2可知，點(diǎn)燃延時(shí)對(duì)油氣爆炸壓力有一定影響。初始時(shí)，混合氣體湍流強(qiáng)度較大，強(qiáng)湍流度影響使爆炸特性參數(shù)值偏大。點(diǎn)燃延時(shí)210 s前爆炸壓力-時(shí)間曲線變化不大；點(diǎn)燃延遲時(shí)間為210 s時(shí)爆炸產(chǎn)生的峰值壓力下降明顯，爆炸弛豫時(shí)間延后。

由圖3(a)可見(jiàn)，隨著點(diǎn)燃延遲時(shí)間的增長(zhǎng)，pmax一直在微量變化著，壓力變化在0.05 MPa以?xún)?nèi)，變幅最大達(dá)6.7%，達(dá)到壓力峰值的時(shí)間延后了65.4 ms。推測(cè)其主要原因?yàn)橥牧鳡顟B(tài)下油氣-空氣混合氣體分子擴(kuò)散時(shí)出現(xiàn)不規(guī)則脈動(dòng)現(xiàn)象，反應(yīng)物間的混合加劇，爆炸反應(yīng)過(guò)程的傳熱傳質(zhì)增強(qiáng)，釋放出較多的能量，致使燃燒速率大大增加，從而大大縮短了燃燒時(shí)間，熱損失減小，導(dǎo)致爆炸超壓較高[10]。

由圖3(b)可見(jiàn)，隨著點(diǎn)燃延遲時(shí)間的增長(zhǎng)，(dp/dt)max先上升后下降，變幅最大達(dá)63.1%。點(diǎn)燃延時(shí)210 s時(shí)，爆炸容器內(nèi)油氣-空氣混合氣的湍流狀態(tài)減弱，油氣最大壓力上升速率(dp/dt)max顯著降低。通過(guò)對(duì)dp/dt的分析，說(shuō)明油氣-空氣混合越不均勻，湍流度越大，油氣爆炸反應(yīng)速率越大，加劇其爆炸激烈程度。推測(cè)其主要原因是由于點(diǎn)燃延遲時(shí)間短，油氣-空氣混合氣體在爆炸容器中仍呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，在這種情況下燃燒火焰面出現(xiàn)扭曲，擴(kuò)大了已燃區(qū)和未燃區(qū)間的接觸面，致使反應(yīng)中熱傳遞與游離基的運(yùn)輸更方便快捷，加劇了反應(yīng)物的質(zhì)量消耗速率。

最大爆炸指數(shù)是由爆炸容器的容積V和爆炸時(shí)的最大壓力上升速率(dp/dt)max按照公式Kmax=(dp/dt)max×V1/3而確定的常數(shù)[11]，故最大爆炸指數(shù)-點(diǎn)燃延時(shí)圖(圖3(c))與圖3(b)呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

圖3點(diǎn)燃延時(shí)對(duì)油氣爆炸強(qiáng)度的影響

4　結(jié)論

(1)使用化學(xué)點(diǎn)火的方式，運(yùn)用20 L球形爆炸參數(shù)測(cè)試裝置分析了油氣濃度變化對(duì)爆炸壓力的影響。在40 ℃飽和蒸汽壓下，測(cè)定出油氣的最大爆炸壓力體積分?jǐn)?shù)為3.5%，最大爆炸壓力pmax為0.828 MPa(表壓)。

(2)點(diǎn)燃延時(shí)對(duì)密閉空間油氣爆炸強(qiáng)度有一定的影響，隨著儲(chǔ)粉室中高壓氣流噴射帶來(lái)的高速擾動(dòng)，爆炸容器內(nèi)部油氣-空氣混合氣體呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，最大爆炸壓力pmax變幅不大，最大變幅為6.7%，達(dá)到壓力峰值的時(shí)間延后了65.4 ms。

(3)隨著點(diǎn)燃延遲時(shí)間的增長(zhǎng)，最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，變幅最大達(dá)63.1%。點(diǎn)燃延時(shí)210 s時(shí)，爆炸容器內(nèi)油氣-空氣混合氣的湍流狀態(tài)減弱，油氣最大壓力上升速率(dp/dt)max顯著降低，表明油氣環(huán)境爆炸的強(qiáng)度減弱。

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Research on the Explosion Intension of Flammable Liquid Vapor in Confined Spaces

ZHANG Fa1REN Changxing2LYU Tianhao3LIU Shuyang3

(1.FireBureauofZhejiangProvinceHangzhou310014)

Using 20 L spherical explosive devices, with the change of ignition delay, the effect factors and change laws of explosion under certain concentration of oil and gas concentration have been studied. The test results indicate that with the increase of oil and gas concentration, the maximum explosion pressure of oil and gas tends from rising to decline. Ignition delay affects the explosion intension and it will be less violent over a certain time after explosion.

confined spacesflammable liquid vaporoil and gasexplosion intension

公安部消防局應(yīng)用創(chuàng)新課題(2013XFCX14)。

張發(fā)，男，1988年生，碩士，研究方向：消防材料學(xué)。

2015-08-21)