氣體和粉塵燃爆機理實驗平臺設計

周 寧, 劉 超, 劉珈銓, 劉晅亞, 趙會軍, 袁雄軍, 黃維秋

(1. 常州大學 江蘇省油氣儲運技術重點實驗室, 江蘇 常州 213016, 2. 公安部天津消防研究所, 天津 300381)

氣體和粉塵燃爆機理實驗平臺設計

周 寧1, 劉 超1, 劉珈銓1, 劉晅亞2, 趙會軍1, 袁雄軍1, 黃維秋1

(1. 常州大學 江蘇省油氣儲運技術重點實驗室, 江蘇 常州 213016, 2. 公安部天津消防研究所, 天津 300381)

設計了一種多結構、多段式氣體、粉塵燃爆機理實驗平臺。該實驗平臺可實現(xiàn)直管、彎管和分叉管自由組合,可以模擬各種工業(yè)實際工況下氣云、粉塵燃爆實驗,探究燃爆事故機理,提出事故防治技術措施。詳細闡述了實驗平臺功能需求、平臺構成、爆炸管段設計計算、數據處理、實驗結果分析等。學生通過實驗,可以了解易燃易爆氣體、粉塵燃燒爆炸的基本現(xiàn)象、爆炸效應及爆炸機理,掌握燃燒、爆炸測試中高頻數據采集、處理的方法,加深了學生對可燃氣體、粉塵燃燒爆炸規(guī)律與防治的認識,提高了學生的安全意識。

測試系統(tǒng)； 教學實驗； 爆炸測試； 爆炸管道

氣體、粉塵爆炸是當前爆炸事故的主要形式,如瓦斯爆炸事故、天然氣管道爆炸事故、工業(yè)粉塵爆炸事故等,事故往往造成重大的人員傷亡和財產損失,嚴重影響經濟的發(fā)展和社會穩(wěn)定[1]。氣體、粉塵燃爆機理研究及防治技術研究方面還存在大量未解決的科技問題,需要開發(fā)相應的實驗裝備開展相關研究工作。因此,本文設計了多段式、可自由組合的氣體、粉塵燃爆機理實驗平臺。該平臺整體采用不銹鋼無縫鋼管加工而成,具有良好的安全性、氣密性，實驗管段可自由組合模擬實際工況，測試手段多樣,可對燃爆過程中爆炸速度、爆炸壓力、溫度、火焰結構、爆炸沖擊波對管道管壁的加載效應進行測試。

1 實驗平臺設計

1.1 平臺需求分析

可燃氣體、粉塵都是易燃易爆的物質,與空氣混合后達到一定的濃度后就可能發(fā)生燃燒、爆炸事故。實際氣體、粉塵燃爆事故具有如下特點[2-4]:

(1) 氣體、粉塵爆炸會產生高溫高壓、通常瞬時溫度大于1 000 ℃、峰值壓力在數兆帕。因此要求設計的氣體、粉塵爆炸反應裝置具有耐瞬時高溫和耐高壓的特性,并且具有較大的安全余量[5-7]。

(2) 實際氣體、粉塵爆炸事故場景復雜,爆炸發(fā)生在各種結構內或廠房等內、爆炸現(xiàn)場內存在各種不同形狀、尺寸的構建筑物。因此需要燃爆測試平臺能夠模擬多種爆炸工況,考慮結構、障礙物、約束情況等對燃爆過程的影響。

(3) 氣體、粉塵爆炸事故過程非?？?通常在幾秒鐘之內就完成,要研究燃爆過程的規(guī)律,必須以極高的頻率、在極短的時間內將燃爆過程的爆炸壓力、溫度、火焰及沖擊波傳播速度、結構的應力應變特征等相關參數采集記錄下來[8-9]。因此所用傳感器和數據采集儀的頻響要快、抗干擾能力要強。

1.2 實驗平臺設計

根據上述分析,氣體、粉塵燃爆測試平臺總體構成見圖1,主要由控制系統(tǒng)、爆炸管段、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。

圖1 氣體、粉塵燃爆實驗平臺構成

1.2.1 爆炸管道設計

根據需求分析,實驗管道采用分段設計,可自由組合直管、彎管和分叉管,同時可在管道內設置不同形狀和阻塞率的障礙物,管道內爆炸產生的壓力一般小于3 MPa,為安全計管道設計壓力選取6 MPa；在管道上安裝有防彈玻璃視窗,可通過高速攝影拍攝火焰?zhèn)鞑デ闆r,學生可以安全地觀察氣體、粉塵的燃爆現(xiàn)象；分段管道之間通過法蘭連接。實驗管道壁厚δ按薄壁管道設計[10],有

(1)

式中,pc為管道設計壓力,Di為管道外徑,φ為焊縫系數,[σ]t為設計溫度下的許用應力。

取pc= MPa,φ=1,設計溫度為100 ℃,[σ]t=137 MPa,Di=139 mm,則δ=3.2 mm。在實際工程設計中,還要考慮介質的腐蝕以及軋制鋼板過程中出現(xiàn)負偏差而引入壁厚附加量C、C1、C2(由表1取C1=1.5,C2=2)和設計厚度δd和名義厚度δn。

表1 鋼板厚度負偏差表[11]

計算得δn=6.7 mm,向上圓整為7 mm。筒壁的應力校核[12]:

(2)

式中：pc為安全管道設計壓力；Di為管道外徑；δe為有效厚度；δe=δn-C;σt為許用應力。

1.2.2 測試系統(tǒng)配置

根據需求分析,所選用傳感器和數據采集儀的頻響要快,且有較強的抗干擾能力,結合平臺搭建的實際情況,測試系統(tǒng)配置如下:

(1) 壓力傳感器。氣體、粉塵燃爆過程中管道內壓力波以極快速度傳播,需要快速響應的高頻動態(tài)壓力傳感器測試管道內各個位置處的爆炸壓力,因此選用CYY8高頻響動態(tài)壓電陶瓷壓力傳感器,該傳感器動態(tài)頻率響應最高可達到2 000 kHz。

(2) 火焰?zhèn)鞑ニ俣裙怆姕y試。管道內火焰?zhèn)鞑ニ俣炔捎没鹧鎮(zhèn)鞲衅鳒y試,光電傳感器核心部件為光電三極管,響應光譜的范圍為340～980 nm,響應時間小于100 μs,具有較好的靈敏度和放大電信號的特性,可準確采集到火焰陣面到達的時間。

(3) 溫度傳感器。氣體、粉塵燃爆產生瞬時高溫可達到1 000 ℃,因此采用鎢-錸熱電偶絲作為溫度傳感器,其測量溫度可達2 300 ℃,使用時將正負極搭接即可,每絲只使用一次。

(4) 應變測試傳感器。爆炸對于管壁沖擊效應,其特點就是產生高頻應力沖擊,因此需采用高頻響動態(tài)應變儀采集管道應變信號,本實驗平臺采用SDY2107A型超動態(tài)應變儀,橋路自動平衡,平衡時間為2 s,平衡范圍大于±5 000,頻響范圍為0～2 500 kHz,能滿足測量快速瞬態(tài)應變過程；實驗測試的是瞬間動態(tài)響應,需要靈敏度較高的應變傳感器,所以選擇靈敏度約為普通電阻式應變計55倍的半導體應變片來監(jiān)測管壁的環(huán)向應變。

(5) 數據采集系統(tǒng)。由于爆炸測試對于采樣率及存儲深度有很高的要求,因此選用TST3406C動態(tài)數據采集卡,通道最高采樣率為40 Msps,存儲深度是4兆樣點/CH,量程為±100 mV～±20 V且多檔可調,考慮采用數據量多,通道需求多,設計采用通道為20個,并且具有可擴展性,能同時將測試結果顯示在屏幕上,具有將曲線壓縮、拉伸、放大、縮小的功能,實現(xiàn)在線查看。

(6) 高速攝影。為拍攝管道內火焰?zhèn)鞑ゼ敖Y構,實驗平臺配置了HiSPpec高速攝像機,攝像速度最快112 000幀/s,最大像素為 1 280像素×1 024像素。

2 實驗平臺簡介

實驗平臺主要由配氣系統(tǒng)、實驗管道、測試系統(tǒng)和點火系統(tǒng)所組成。

2.1 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)由99.9%(甲烷體積分數)的可燃氣瓶、空壓機、混合儲氣罐、量程為1 MPa的2X-15型雙級旋片式真空泵組成。選定可燃預混氣混合濃度,按體積分壓比計算可燃氣與空氣的量?？赏ㄟ^下面的計算公式獲得:

(3)

式中Xg為混合氣中可燃氣所占的壓力比；Y為混合氣中空氣所占的壓力比；N為可燃預混氣體的化學計量濃度。

2.2 實驗管道

管道采用分段設計,管道兩端由可拆卸盲板所密封,方便開展封閉管道實驗和半開口管道實驗。在管道上開有進氣孔、排氣孔、火焰?zhèn)鞲衅骺住毫鞲衅骺缀驼婵毡砜椎?還設置有預留孔備用。管段之間通過法蘭連接,為了有較好的氣密性,法蘭之間、傳感器與管道之間、盲板與管道之間,用不同型號的聚四氟墊片密封,管道開孔處的連接用生料帶密封。實驗管道實物圖見圖2。

圖2 實驗管道實物圖

2.3 測試系統(tǒng)

整個測試系統(tǒng)由壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器、超動態(tài)應變儀、數據采集系統(tǒng)及高速攝相機組成,各個傳感器和數據采集系統(tǒng)之間相互協(xié)調工作,測出氣體、粉塵發(fā)生燃爆時管道內各個測點所測得的壓力、光電、溫度以及應變的參數,從而研究燃爆的機理。測試系統(tǒng)的實物圖見圖3。

2.4 點火系統(tǒng)

實驗點火方式選擇高壓點火,由點火電極、點火控制器、繼電器、壓力變送器和互感器組成。高壓點火是通過交流電對電容充電,然后放電瞬間產生較高的能量從而點燃預混氣體,實驗重復性和安全性比較好。為考察點火能量對氣體爆炸的影響,點火系統(tǒng)中的電容為可調電容。圖4是自制高壓點火實驗儀,能量可選范圍1～19 J。另有EPT-6點火實驗儀,能量可選范圍為0.05～1 J。

圖4 自制高壓點火能量實驗儀

3 實驗教學過程

氣體、粉塵燃爆測試裝置實驗較為復雜,需要4位學生協(xié)同操作:一位負責控制真空泵和空壓機,一位觀察真空表和壓力表的示數,一位負責實驗管道的抽真空以及實驗后管道內廢氣的排出,一位負責實驗臺的控制,以及觀察各個傳感器是否正常連接和點火能量的選擇,同時負責線上分析實驗數據。

3.1 實驗過程

可燃氣體以甲烷為例,利用圖1所示的測試裝置,進行測試,基本的教學過程如下:

(1) 實驗前對學生開展安全教育、講解實驗過程、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等的工作原理,操作過程,實驗現(xiàn)象分析與數據分析的基本理論、過程等；

(2) 指導學生分組開展實驗,對學生在實驗過程的操作、數據采集系統(tǒng)的參數設置操作進行指導；

(3) 初步檢查學生實驗結果及采集的數據是否正確。

3.2 實驗數據處理與分析

3.2.1 火焰?zhèn)鞲衅鲾祿?/p>

圖5為甲烷-空氣混合物在管道內點火爆炸采集到的火焰信號(1—10為傳感器編號),光電電壓V數值大小表征火光的強度?？梢钥闯黾淄?空氣預混氣體爆炸的光電電壓最大在0.4 V左右。爆燃產生前驅壓力波,對火焰?zhèn)鞑ビ屑铀僮饔?同時也促進了鏈式反應的發(fā)生,所以火光強度剛開始呈上升趨勢,隨后燃料燃燒殆盡和管壁的散熱效應促使管內溫度迅速降低,造成光電信號變小,直至火焰熄滅。

圖5 甲烷-空氣混合物爆炸光電信號

3.2.2 壓力傳感器數據

圖6為管道內甲烷-空氣混合氣體爆炸壓力信號p(圖中S1—S6為壓力通道)。設定壓力突然增大點為起跳點,在0.04 s處壓力也有所增大,但此點不作為起跳點,因為此處壓力上升是電火花瞬間放電引起的。圖7中，各測點壓電信號起跳時間是依次進行的,符合壓力波的傳播規(guī)律,同時可看出甲烷-空氣預混氣在管道中的最大爆炸峰值壓力為1 MPa。

圖6 甲烷-空氣混合物爆炸壓力信號

3.2.3 應變傳感器數據

圖7為甲烷-空氣混合氣體壓力p信號(上)與應變ε信號(下)，可知應變信號和壓力波信號呈現(xiàn)較好的一致性,上下波動的信號也反映了封閉管道兩端來回不斷疊加的反射沖擊波對管壁有加載作用,甲烷爆炸最大微應變達到了3.89。

圖7 管道內壓力信號與管壁應變信號

4 結語

氣體、粉塵燃爆機理實驗平臺是一種基礎性的綜

合實驗平臺,可根據需要擴展部分功能。通過不同工況的氣體、粉塵燃爆實驗,可以使學生了解氣體、粉塵燃燒爆炸的基本過程,了解管道結構、不同點火能、障礙物阻塞率等對氣體、粉塵爆炸效應及爆炸機理的影響,了解超壓形成及爆炸波對管壁沖擊響應,掌握實驗裝備的操作、實驗數據的采集及處理。實驗操作鍛煉了學生的動手能力和分工協(xié)作的精神,實驗可加深學生對可燃氣體、粉塵燃燒爆炸規(guī)律與防治的認識,提高學生的安全意識。

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Design of testing experimental platform for gas and dust combustion and explosion mechanism

Zhou Ning1, Liu Chao1, Liu Jiaquan1, Liu Xuanya2, Zhao Huijun1,Yuan Xiongjun1,Huang Weiqiu1

(1. Jiangsu Province Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Technology, Changzhou University, Changzhou 213016, China; 2. Tianjin Fire Research Institute, Ministry of Public Security, Tianjin 300381, China)

A testing experimental platform with multi-structure and multi-section gas and dust combustion and explosion mechanism is designed. The experimental platform can realize the free combination of straight pipes, bent pipes and branch pipes, simulate the gas cloud and dust combustion and explosion experiments under various industrial conditions, explore the mechanism of the combustion and explosion accidents, and put forward the technical measures for the prevention and control of the accidents. The functional requirements for the experimental platform, the structure of the platform, the design calculation of explosion pipe section, bata processing and the analysis of the experimental results are described in detail. Through the experiments, the students can better understand the basic phenomena of the combustion and explosion of inflammable and explosive gas and dust, explosion effect and explosion mechanism, master the methods of high frequency data acquisition and processing in combustion and explosion tests, deepen their knowledge about the rules and prevention of inflammable gas and dust combustion and explosion, and enhance their safety awareness.

testing system; teaching experiment; explosion test; explosion pipe

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.021

2016-06-30 修改日期：2016-07-25

建筑消防工程技術公安部重點實驗室開放課題(KFKT2014MS02)；常州市科技支撐計劃項目(CE20155025)；公安部科技強警基礎工作專項 (2014GABJC047)；公安部消防局科研計劃項目(2015XFR 22)；建筑消防工程技術公安部重點實驗室開放課題(KFKT2015ZD03)

周寧(1977—)，男，四川仁壽，博士，副教授，主要從事爆炸與沖擊動力學、油氣爆炸安全、油氣儲運工程等方面的研究

E-mail：zhouning@cczu.edu.cn

劉超(1991—)，男，江蘇泰州，在讀碩士研究生，主要研究方向為油氣儲運工程.

E-mail：1372654414@qq.com

X924.2；G484

: A

: 1002-4956(2016)12-0080-05