多孔金屬抑制管道燃?xì)獗ㄌ匦缘膶?shí)驗(yàn)研究

肖記軍 李同卓 溫小萍 王耀萱

摘 ?要：針對(duì)管道燃?xì)獗ㄟM(jìn)行多孔金屬抑爆特性的實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了多孔金屬對(duì)管道燃?xì)獗ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ズ捅▔毫Φ忍卣鲄?shù)的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)管道中放置多孔金屬時(shí)，管道燃?xì)獗ɑ鹧鏌o法穿過多孔金屬，即管道燃?xì)獗ɑ鹧姘l(fā)生了淬熄抑爆效果;隨著多孔金屬孔隙率增大，上游爆炸壓力上升趨勢十分緩慢，下游爆炸壓力有明顯上升趨勢。

關(guān)鍵詞：管道燃?xì)?爆炸;多孔金屬

中圖分類號(hào)：TQ560 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）01-0061-02

Abstract： Based on the experimental study on the explosion suppression characteristics of porous metal in pipeline gas explosion， this paper focuses on the influence of porous metal on the characteristic parameters such as flame propagation and explosion pressure of pipeline gas explosion. The experimental results show that when the porous metal is placed in the pipeline， the pipeline gas explosion flame can not pass through the porous metal， that is， the pipeline gas explosion flame has the quenching and explosion suppression effect， and with the increase of the porosity of the porous metal， the upstream explosion pressure rises very slowly， and the downstream explosion pressure has an obvious upward trend.

Keywords： pipeline gas; explosion; porous metal

管道燃?xì)馐腔ぁ⒚旱V、油氣田及城市生活中重要的組成部分[1-2]，經(jīng)常受到氣體爆炸事故的威脅，嚴(yán)重影響工業(yè)設(shè)備和人身的安全，因此深入開展管道燃?xì)獗ㄌ匦约捌湟直夹g(shù)研究是非常必要的[3-4]。王信群等[5]采用改性BC干粉開展了抑制甲烷/空氣預(yù)混氣爆炸的實(shí)驗(yàn)研究;羅振敏等[6]通過實(shí)驗(yàn)證明了與微米級(jí)粉體相比，納米粉體的抑爆效果更優(yōu)。張鵬鵬等[7]研究了不同濃度超細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的作用規(guī)律。

本文利用自行搭建的半密閉透明爆炸容器，實(shí)驗(yàn)研究了多孔泡沫金屬對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣爆炸抑制作用，著重分析了多孔金屬對(duì)管道燃?xì)獗ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ズ捅▔毫Φ忍卣鲄?shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

爆炸實(shí)驗(yàn)管道由厚度為20mm的透明有機(jī)玻璃管道構(gòu)成，最大耐壓極限為2.0MPa，有利于使用高速攝像機(jī)進(jìn)行火焰拍攝，管道內(nèi)部橫截面為80mm×80mm，長為1000mm，其長寬比為12.5：1。管道右端定義為末端，使用鋼板夾持0.1mm厚聚乙烯薄膜進(jìn)行密封，以保證預(yù)混氣體停留在管道中，燃?xì)獗〞r(shí)薄膜破裂及時(shí)泄壓，管道左端由10mm厚鋼板密封，鋼板上裝有3個(gè)接口，分別為：點(diǎn)火器、壓力傳感器以及進(jìn)氣口。管道內(nèi)距點(diǎn)火端680mm處放置多孔金屬。

預(yù)混氣配送系統(tǒng)由甲烷儲(chǔ)存氣瓶、空壓機(jī)、質(zhì)量流量裝置、輸氣管路、閥門等組成。實(shí)驗(yàn)中所需預(yù)混氣體由兩個(gè)高精度質(zhì)量流量控制器提供，通入化學(xué)當(dāng)量比為1.0的甲烷/空氣預(yù)混氣?；旌蠚怏w通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)氣口充入實(shí)驗(yàn)管道，實(shí)驗(yàn)采用排空法，即通過向管道內(nèi)充入4倍管道體積的預(yù)混氣體以排出管道內(nèi)殘留空氣，排氣口設(shè)置管道右末端附近的一側(cè)管壁上。圖像采集系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)、電腦主機(jī)、圖片采集控制和儲(chǔ)存裝置組成。高速攝像機(jī)選用美國Phantom公司的MIRO M310高速攝像機(jī)，主要用于記錄管道燃?xì)獗ɑ鹧娴膫鞑ミ^程，由Phantom-Pcc軟件控制高速攝像機(jī)進(jìn)行圖片采集。實(shí)驗(yàn)中高速攝像機(jī)圖像采集頻率為2000 幀/秒，采集到的圖像最大分辨率可達(dá)到1024像素×1024像素。壓力采集系統(tǒng)主要由RL-1型光電傳感器、兩個(gè)Keller公司的PR-23壓力傳感器和NI USB-6210型數(shù)據(jù)采集卡組成。壓力傳感器的最大數(shù)據(jù)采集頻率為25 kHz，測壓范圍為0～100kPa，誤差為0.25%，一個(gè)安裝在實(shí)驗(yàn)管道點(diǎn)火端鋼板上，另一個(gè)安裝在排氣口一側(cè)管壁附近。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2（a）、（b）分別表示為無、有多孔金屬兩種工況下管道燃?xì)獗ɑ鹧娴膫鞑ミ^程?？梢钥闯?，可燃?xì)怏w爆炸火焰在管道內(nèi)傳播形狀將火焰?zhèn)鞑タ煞譃樗膫€(gè)階段，即球形火焰、指形火焰、觸及管壁的細(xì)長火焰和郁金香火焰。其中，郁金香火焰是一種流體力學(xué)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由側(cè)向火焰裙擴(kuò)張的偏轉(zhuǎn)燃燒氣體的向后運(yùn)動(dòng)與手指形火焰階段加速的未燃燒氣體向前運(yùn)動(dòng)之間競爭導(dǎo)致的。從圖2（a）可以觀察到，在管道中未放置多孔金屬時(shí)，火焰?zhèn)鞑ズ笃谟艚鹣慊鹧婷黠@，未燃?xì)怏w區(qū)域出現(xiàn)渦團(tuán)，火焰陣面變形出現(xiàn)褶皺，湍流加劇。圖2（b）顯示在管道中放置多孔金屬的火焰?zhèn)鞑ミ^程，可以看出在郁金香火焰形成初期，火焰無法穿過多孔金屬，即爆炸火焰發(fā)生了明顯的淬熄抑爆效果。

圖3表示在不同的孔隙率條件下，多孔金屬對(duì)其上下游爆炸壓力的影響。從圖中可以看出，多孔金屬孔隙率分別為85%、87%、90%時(shí)，上游爆炸壓力上升趨勢十分緩慢，其上升斜率接近于0，分別為6.73kPa、6.84kPa、7.02kPa;下游爆炸壓力有明顯上升，分別為4.95kPa、4.98kPa、5.31kPa，爆炸壓力的衰減率分別為26.49%、27.22%、24.35%?？梢娍紫堵蕦?duì)多孔金屬減壓性能影響較為明顯，孔隙率越大的材料，內(nèi)部通道縱橫交錯(cuò)，被吸收的前驅(qū)壓力波和爆炸壓力波有一部分可能會(huì)穿過多孔金屬。

3 結(jié)論

（1）搭建了半密閉透明管道燃?xì)獗▽?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了多孔金屬對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣爆炸抑制作用，著重分析了多孔金屬對(duì)管道燃?xì)獗ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ズ捅▔毫Φ忍卣鲄?shù)的影響規(guī)律。

（2）當(dāng)管道中放置多孔金屬時(shí)，管道燃?xì)獗ɑ鹧鏌o法穿過多孔金屬，即爆炸火焰發(fā)生了明顯的淬熄抑爆效果。隨著孔隙率增加，上游爆炸壓力上升趨勢十分緩慢，下游爆炸壓力有明顯上升，說明孔隙率越大的材料，內(nèi)部通道縱橫交錯(cuò)，被吸收的前驅(qū)壓力波和爆炸壓力波有一部分可能會(huì)穿過多孔金屬。

參考文獻(xiàn)：

[1]高建豐，何笑冬，邱云欽，等.原油管道油氣爆炸實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2019，38（1）：71-75.

[2]馬世海.城區(qū)天然氣管道泄漏數(shù)值模擬與爆炸危害分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7（7）：26-30.

[3]溫小萍，余明高，鄧浩鑫，等.小尺度受限空間內(nèi)瓦斯湍流爆燃大渦模擬[J].化工學(xué)報(bào)，2016，67（5）：1837-1843.

[4]程浩力，李睿，劉德俊.管道燃?xì)獗ㄌ匦詫?shí)驗(yàn)研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6（4）：23-27.

[5]王信群，王婷，徐海順，等.BC粉體抑爆劑改性及抑制甲烷/空氣混合物爆炸[J].化工學(xué)報(bào)，2015，66（12）：5171-5178.

[6]羅振敏，鄧軍，文虎，等.納米粉體抑制礦井瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18（12）：84.

[7]張鵬鵬.超細(xì)水霧增強(qiáng)與抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)研究[D].大連理工大學(xué)，2013.