強(qiáng)點(diǎn)火作用下C3HF7對甲烷-空氣爆炸的抑制

蔡 闖，陳先鋒，員亞龍，黃楚原，袁必和,2，代華明

（1.武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢科技大學(xué)冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081）

在石化、煤化及天然氣行業(yè)中，可燃?xì)怏w輸送管道爆炸火災(zāi)已經(jīng)成為主要災(zāi)害事故[1-2]。氣體爆炸會破壞管道的結(jié)構(gòu)、周圍各類建筑及儀器設(shè)備，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，所以亟需尋找新型綠色環(huán)保、阻火抑爆性能優(yōu)越的抑爆劑。目前，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對于鹵烴類物質(zhì)抑制甲烷[3-5]、氫氣[5-6]、乙烯[7]爆炸的阻火抑爆機(jī)理進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，以降低爆炸事故造成的嚴(yán)重危害。七氟丙烷（C3HF7）是一種新型滅火劑，由于不含Br、Cl元素，對大氣臭氧層不造成危害，且具有優(yōu)良的阻火抑爆效果，已經(jīng)成為當(dāng)今抑爆劑研究的熱點(diǎn)。

針對七氟丙烷濃度、可燃?xì)怏w濃度對容器內(nèi)的壓力變化及火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯挠绊懀嚓P(guān)學(xué)者已開展了一些實(shí)驗(yàn)研究。朱熹[8]發(fā)現(xiàn)在20 L球內(nèi)，8%甲烷-空氣預(yù)混氣體在不同濃度的七氟丙烷作用下，最大爆炸壓力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)達(dá)到峰值。薛少謙[9]發(fā)現(xiàn)在20 L爆炸特性測試系統(tǒng)中，利用高壓氣瓶向達(dá)到常壓的20 L球充入七氟丙烷對球內(nèi)部的9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體進(jìn)行惰化，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為17.4%時(shí)，20 L球內(nèi)的混合氣體無法被點(diǎn)燃。任常興等[10]發(fā)現(xiàn)利用分壓法配置丙烷和七氟丙烷混合氣體，對于4%丙烷-空氣預(yù)混氣體，其爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣葧S著七氟丙烷濃度的增加而逐漸減小，但低濃度的七氟丙烷會使可燃預(yù)混氣的最大爆炸壓力呈略微上升趨勢。李一鳴[11]發(fā)現(xiàn)在可視化豎管道中充入七氟丙烷惰化甲烷-空氣預(yù)混氣體，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)在5%以下時(shí)，會加速當(dāng)量比為0.6的甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰的傳播，且最大爆炸壓力大于對照組；當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)在3%以下時(shí)，會加速當(dāng)量比為0.8的甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰的傳播。Li等[12]發(fā)現(xiàn)七氟丙烷能有效減弱E10（10%乙醇和90% 92號無鉛汽油的預(yù)混物）爆炸，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)從1%增加到10%時(shí)，1.0 mL E10爆炸的最大爆炸壓力降幅從30%變?yōu)?0%。魏樹旺等[13]發(fā)現(xiàn)在21 m長的油氣爆炸管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，提前向抑爆區(qū)噴入3 、4和5 kg七氟丙烷作為抑爆介質(zhì)時(shí)，管道內(nèi)的最大爆炸壓力隨著七氟丙烷質(zhì)量的增加逐漸減小，火焰強(qiáng)度逐漸減弱。

上述針對七氟丙烷抑爆效果的研究中，將七氟丙烷與可燃?xì)怏w在一個(gè)狹小封閉空間內(nèi)完全預(yù)混來分析七氟丙烷的抑爆效果[8-11]。但在實(shí)際的可燃?xì)夤艿肋\(yùn)輸過程中，發(fā)生爆炸的管段不存在七氟丙烷，管道爆炸的防治是利用抑爆裝置在爆炸火焰還未到達(dá)前噴撒出抑爆介質(zhì)，在抑爆范圍內(nèi)形成一定濃度的抑爆屏障來阻斷爆炸火焰的傳播。因此有必要開展在固定管段充入七氟丙烷阻斷爆炸火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)驗(yàn)研究。本工作將系統(tǒng)研究在強(qiáng)點(diǎn)火條件下[14]不同濃度七氟丙烷對甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸的抑制效果，分析爆炸火焰在抑爆區(qū)的傳播過程和各管段爆炸壓力參數(shù)的變化，找到七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ呐R界濃度，為氣體爆炸的防治技術(shù)和抑制手段提供改進(jìn)思路和指導(dǎo)依據(jù)。

1 七氟丙烷的抑爆原理

七氟丙烷（C3HF7），英文名為Heptafluoropropane，能從物理、化學(xué)兩方面對爆炸火焰進(jìn)行抑制。七氟丙烷的物理特性：臨界溫度高（101.7 ℃），臨界壓力低（2.912 MPa），標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)低（-16.4 ℃），所以在常溫下可液化儲存。在密閉可視化氣體爆炸實(shí)驗(yàn)平臺中，當(dāng)爆炸火焰?zhèn)鞑ブ烈直瑓^(qū)時(shí)，七氟丙烷分子可以隔斷部分甲烷與氧氣分子的接觸，起到窒息作用，減弱爆炸火焰強(qiáng)度及爆炸反應(yīng)鏈的形成，七氟丙烷濃度越高，氧窒息作用越明顯。另外，七氟丙烷對爆炸火焰的化學(xué)抑制作用占主導(dǎo)地位，這也是它優(yōu)于二氧化碳、氮?dú)獾纫直瑒┑脑?。七氟丙烷屬于大分子，分子量?70，化學(xué)鍵會在爆炸高溫條件下斷裂，產(chǎn)生含氟的自由基，并與燃燒反應(yīng)過程中產(chǎn)生鏈反應(yīng)的O·、H·、OH·等活性自由基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而中斷燃燒過程中化學(xué)鏈反應(yīng)的傳遞[15]。故可使用七氟丙烷作為抑爆劑抑制爆炸火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 水平管道爆炸特性測試系統(tǒng)Fig.1 Horizontal pipeline explosion characteristic test system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由水平管道爆炸傳播測試管道系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及同步控制系統(tǒng)組成。水平氣體爆炸傳播測試管道系統(tǒng)由20 L爆炸球（頂部設(shè)有引爆保險(xiǎn)絲頭）和組合管道構(gòu)成，組合管道包括3段內(nèi)徑60 mm、管長2.00 m、壁厚10 mm的圓管道和1段管道尺寸為0.5 m × 60 mm × 60 mm（壁厚20 mm）的方管道，通過法蘭、螺栓連接，總長6.50 m，總長徑比L/D= 108。方管道設(shè)有尺寸為420 mm × 72 mm的觀察窗，用以觀察火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)。圓管道設(shè)有8個(gè)螺紋孔，方管道設(shè)置4個(gè)螺紋孔，以便安裝探測器及充裝氣體。在尾部端面法蘭上安裝實(shí)心圓盤，使爆炸在密閉空間內(nèi)進(jìn)行。選取實(shí)驗(yàn)管道中間2.5 m長的管段為七氟丙烷抑爆區(qū)。管道系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置3個(gè)CYG1508型壓力傳感器（量程為0～4 MPa，測量誤差小于20 kPa），分別設(shè)置在20 L爆炸球內(nèi)、距20 L球3.3 m處的抑爆區(qū)內(nèi)和5.8 m處的管道末端。點(diǎn)火系統(tǒng)由延時(shí)點(diǎn)火器、起爆線、引爆保險(xiǎn)絲頭等組成。本次實(shí)驗(yàn)所使用的起爆源為5 J標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火藥頭加20 L球內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混氣體，其爆炸能量遠(yuǎn)高于本次實(shí)驗(yàn)對象9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體的最小點(diǎn)火能0.391 5 mJ[16]，可在20 L球所形成的相對受限空間中產(chǎn)生較強(qiáng)的起爆能量，形成強(qiáng)點(diǎn)火[14]，然后向組合管道傳播。實(shí)驗(yàn)采用HIOKI 8861-50型存儲記錄儀記錄和存儲爆炸壓力數(shù)據(jù)，采樣速率為10 kHz。采用Fastcam SA1.1高速攝像機(jī)記錄火焰?zhèn)鞑D像，拍攝速率為 1 000 s?1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中所用的9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體的配制由配氣儀完成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，計(jì)算出需要的甲烷及空氣的體積，通過電腦控制配氣儀，可得到體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣體。配氣前先用真空泵將管道抽至真空狀態(tài)，隨后利用配氣儀控制通入甲烷-空氣預(yù)混氣體的體積至常壓。然后利用Alicat質(zhì)量流量計(jì)控制流量（量程為0～20 L/min，精度為 ± 0.4%讀數(shù) ± 0.2%滿量程），在七氟丙烷抑爆區(qū)管段等間距均勻設(shè)置了4個(gè)進(jìn)氣口充入七氟丙烷，設(shè)置在管道末端的出氣口可排出多余的甲烷-空氣預(yù)混氣體，始終保持管段壓力為常壓。配氣時(shí)間為10 s，配完氣后及時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣口及出氣口，保證實(shí)驗(yàn)在密閉條件下進(jìn)行。由于七氟丙烷的施放速度較小，且七氟丙烷的相對分子質(zhì)量為170，屬于大分子，故七氟丙烷抑爆介質(zhì)在管道內(nèi)的擴(kuò)散速度較低[17]。在同步控制系統(tǒng)控制下，5 s后開始點(diǎn)火并記錄爆炸壓力數(shù)據(jù)和火焰?zhèn)鞑D像。改變抑爆區(qū)的七氟丙烷濃度，重復(fù)上面步驟。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，各工況進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)所測爆炸壓力峰值誤差小于5%時(shí)[18]，認(rèn)為該工況數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。

3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

此次的實(shí)驗(yàn)平臺是內(nèi)徑為60 mm的水平管道，將管道中2.5 m長的管段（1段圓管道、1段方管道）做為七氟丙烷抑爆區(qū)。抑爆區(qū)的體積約為7.5 L，設(shè)計(jì)充入抑爆區(qū)的C3HF7體積分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%，具體設(shè)計(jì)方案見表1。將6個(gè)濃度梯度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)對照組進(jìn)行對比，研究在強(qiáng)點(diǎn)火條件下不同濃度七氟丙烷對甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸的抑制效果，分析爆炸火焰在抑爆區(qū)的傳播過程和各管段爆炸壓力參數(shù)的變化，找到七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ呐R界濃度，為氣體爆炸的抑制手段提供指導(dǎo)依據(jù)。

表1 七氟丙烷體積對照表Table 1 Heptafluoropropane volume comparison table

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 七氟丙烷對爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響

觀察窗設(shè)置于抑爆區(qū)末端，可觀測爆炸火焰能否通過抑爆區(qū)，圖2顯示了抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)分別為0%、1%、2%、3%、4%時(shí)對應(yīng)的方管道處火焰發(fā)展圖像。需要指出的是，不同七氟丙烷濃度工況下，火焰發(fā)展對應(yīng)單獨(dú)的時(shí)間列，各時(shí)間列之間沒有可比性；方管道玻璃窗口的長度為0.4 m。

從圖2（a）中可以清晰地看到，火焰剛進(jìn)入觀察窗范圍內(nèi)時(shí)，火焰明亮且火焰結(jié)構(gòu)連續(xù)，為明顯的層流燃燒；到t= 230 ms時(shí)，形成平面火焰結(jié)構(gòu), 火焰開始向反方向傳播；到t= 242 ms時(shí)，火焰鋒面內(nèi)凹，開始正向加速傳播。根據(jù)火焰結(jié)構(gòu)與壓力波的理論，當(dāng)預(yù)混氣體被點(diǎn)燃后，以點(diǎn)火源為中心，火焰沿各方向向未燃?xì)怏w傳播，火焰表面積迅速增大，而在火焰面預(yù)混氣體的反應(yīng)過程中大量熱量的放出導(dǎo)致火焰面前方未燃?xì)怏w被壓縮，逐漸形成各向的壓縮波。在非絕熱燃燒階段，前驅(qū)壓縮波在管道尾部封閉端面發(fā)生反射后與火焰相向運(yùn)動(dòng)，阻礙火焰向前傳播，使火焰出現(xiàn)Tulip結(jié)構(gòu)或鋒面變平。當(dāng)反射沖擊波在點(diǎn)火端封閉端面處再次發(fā)生反射后，與火焰同向運(yùn)動(dòng)，使火焰加速向前傳播。由于實(shí)驗(yàn)管道長徑比（L/D= 108）較大，火焰鋒面受到流場振蕩的影響，呈現(xiàn)出周期性的加速減速傳播現(xiàn)象[19]。

圖2 七氟丙烷濃度對9.5%甲烷-空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響Fig.2 Effect of heptafluoropropane concentration on 9.5% methane-air explosion flame propagation process

由圖2（b）～圖2（e）可知，隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減緩，火焰亮度逐漸減弱，但體積分?jǐn)?shù)在4%以下時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾扔趯φ战M加快。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為 1%時(shí)，火焰能快速通過觀察窗，火焰變得沒有對照組明亮，且混雜了藍(lán)色火焰，火焰結(jié)構(gòu)不連續(xù)；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，火焰亮度進(jìn)一步減弱，由于七氟丙烷的作用，甲烷無法完全燃燒；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為3%及4%時(shí)，觀察窗范圍內(nèi)只能觀察到零星火焰，但爆炸火焰仍能通過抑爆區(qū)。如圖3所示，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，只能觀測到片狀火焰，且迅速消失，無法傳播到觀察窗靠管道末端一側(cè)；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，只能觀測到點(diǎn)狀火焰，并迅速消失，無法傳播到觀察窗靠管道末端一側(cè)。

圖3 七氟丙烷濃度為5%及6%時(shí)對甲烷-空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響Fig.3 Picture of effect of heptafluoropropane concentration of 5% and 6% on methane-air explosion flame propagation

綜合各工況可以看出，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為1%～4%時(shí)，爆炸火焰通過觀察窗的時(shí)間比對照組更短，李一鳴等[11]也曾發(fā)現(xiàn)低濃度的七氟丙烷加速當(dāng)量比為0.6的甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑?，這是由于七氟丙烷在分解后的類燃料性質(zhì)[9,11]會促使熱當(dāng)量比增加，從而促進(jìn)爆炸反應(yīng)加劇，所以低濃度的七氟丙烷不僅無法抑制爆炸火焰的傳播，而且與對照組相比，會使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?。七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)從1%增加至4%時(shí)，整體火焰?zhèn)鞑ミ^程逐漸減緩；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，爆炸火焰無法通過長度為2.5 m的抑爆區(qū)，達(dá)到了阻斷爆炸火焰?zhèn)鞑サ哪康?。相比于任常興等[10]以最大爆炸壓力處作為火焰?zhèn)鞑ソ佑|球壁時(shí)刻及球體半徑為參數(shù)來計(jì)算爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣龋咚贁z影采集的數(shù)據(jù)更可靠。同時(shí)，在魏樹旺等[13]研究的基礎(chǔ)上，找到了本實(shí)驗(yàn)工況下七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ淖钚◇w積分?jǐn)?shù)。

3.2.2 七氟丙烷對爆炸壓力的影響

圖4為不同七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)下甲烷-空氣預(yù)混氣體最大爆炸壓力曲線。如圖4中黑色曲線所示，當(dāng)抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時(shí)，I號傳感器探測到的最大爆炸壓力分別為0.236、0.238、0.227、0.226、0.221、0.208 和 0.193 MPa。當(dāng)抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，爆炸壓力峰值高于無抑制劑的工況；隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增大，最大爆炸壓力逐漸減小；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)超過5%時(shí)，由高速攝影記錄可知爆炸火焰未通過抑爆區(qū)，位于抑爆區(qū)后的甲烷-空氣預(yù)混氣體未發(fā)生爆炸，此時(shí)的最大爆炸壓力降幅明顯增大；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，最大爆炸壓力已達(dá)到最小值0.193 MPa。

圖4 不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預(yù)混氣體最大爆炸壓力Fig.4 Pictures of maximum explosion pressure of methaneair mixture under different heptafluoropropane concentrations

如圖4中紅色曲線所示，當(dāng)抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時(shí)，位于抑爆區(qū)內(nèi)的II號傳感器探測到的最大爆炸壓力分別為0.192、0.176、0.179、0.213、0.172、0.180 和0.178 MPa。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為1%～3%時(shí)，最大爆炸壓力逐漸增大，在體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)達(dá)到最高值0.213 MPa，與空爆對照組相比，增幅高達(dá)10.9%。原因是在爆炸高溫條件下七氟丙烷會發(fā)生熱分解，產(chǎn)生以氟化氫為主要成分的全氟烴類，使密閉空間內(nèi)分子量增加，隨著抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的升高，熱分解產(chǎn)生的氟化氫質(zhì)量濃度越大，進(jìn)而導(dǎo)致抑爆區(qū)內(nèi)最大爆炸壓力增大。同時(shí)，七氟丙烷在分解后具有類燃料性質(zhì)，會促使熱當(dāng)量比增加，從而使爆炸反應(yīng)加劇。七氟丙烷既具有抑爆的物理化學(xué)性能，其熱分解后的產(chǎn)物又會促進(jìn)爆炸反應(yīng)。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為1%～4%時(shí)，抑爆區(qū)內(nèi)的最大爆炸壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)達(dá)到峰值，與朱熹等[8]發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相吻合；在其他5種工況下，爆炸壓力峰值始終小于無抑制劑工況，說明合理使用七氟丙烷的用量，可以抑制爆炸反應(yīng)的進(jìn)行。

如圖4中藍(lán)色曲線所示，當(dāng)抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時(shí)，位于管道末端的III號傳感器探測到的最大爆炸壓力分別為0.227、0.226、0.225、0.220、0.207、0.195 和0.193 MPa，隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增大，爆炸壓力峰值逐漸減小，且始終低于無抑爆劑的工況。當(dāng)抑爆區(qū)沒有充入七氟丙烷時(shí)，最大爆炸壓力為0.227 MPa；而當(dāng)抑爆區(qū)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為5%和6%時(shí)，最大爆炸壓力分別為0.195 和0.193 MPa，下降了14.09%和14.98%?？梢钥闯?，抑爆區(qū)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)越大，管道末端的最大爆炸壓力越小，七氟丙烷的阻火隔爆效果越好。

3.2.3 七氟丙烷對爆炸升壓速率的影響

圖5為不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸升壓速率曲線。當(dāng)抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時(shí)，I、II、III號傳感器探測到的最大爆炸升壓速率如表2所示?？梢钥闯觯篒號傳感器探測到20 L球內(nèi)的最大爆炸升壓速率隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增大而減小；II號傳感器探測到抑爆區(qū)內(nèi)的最大爆炸升壓速率呈現(xiàn)出不一樣的規(guī)律，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為1%和2%時(shí)，與對照組相比，降幅分別為28.7%和4.6%，說明在七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，高溫條件下七氟丙烷分解產(chǎn)生的類燃料性質(zhì)對甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸的促進(jìn)作用占據(jù)主導(dǎo)地位，使得最大爆炸升壓速率升高。當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為2%～5%時(shí)，抑爆區(qū)內(nèi)的最大爆炸升壓速率隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增大而減小，說明此時(shí)七氟丙烷抑爆的物理化學(xué)性能占據(jù)主導(dǎo)地位，減弱了爆炸波的威力；III號傳感器探測到管道末端的最大爆炸升壓速率在總體趨勢上隨著七氟丙烷濃度的增加而逐漸減小。從表2可以看出，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，I、II、III號傳感器探測到的最大爆炸升壓速率的降幅比前4組實(shí)驗(yàn)顯著增大，與對照組相比，降幅分別為46.1%、46.7%、41.5%，說明七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%后，長度為2.5 m的七氟丙烷抑爆區(qū)能阻斷9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰的傳播，使管道各處爆炸壓力上升速率顯著降低。

圖5 不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸升壓速率曲線Fig.5 Explosion rate of pressure rise for methane-air premixed gas under different heptafluoropropane concentrations

表2 不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸最大爆炸升壓速率Table 2 Maximum rate of pressure rise of methane-air premixed gas explosion under different heptafluoropropane concentrations

4 結(jié) 論

借助高速攝影技術(shù)，開展了強(qiáng)點(diǎn)火作用下不同濃度C3HF7對甲烷-空氣爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种蒲芯?，分析?shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論。

（1）在強(qiáng)點(diǎn)火作用下，對于長度為6.5 m的封閉管道，當(dāng)抑爆區(qū)長度為2.5 m時(shí)，七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ淖钚◇w積分?jǐn)?shù)為5%。

（2）對甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀寒?dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為1%～4%時(shí)，爆炸火焰通過觀察窗的時(shí)間比對照組更短，低濃度的七氟丙烷不僅無法阻斷爆炸火焰的傳播，而且與對照組相比，會使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?；?dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，爆炸火焰無法通過長度為2.5 m的抑爆區(qū)，達(dá)到了阻斷爆炸火焰?zhèn)鞑サ哪康摹?/p>

（3）對實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)爆炸壓力方面的影響：當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為1%～6%時(shí)，爆炸源及管道末端處的爆炸壓力峰值隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸減小；當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，抑爆區(qū)處的爆炸壓力峰值與對照組相比增幅為10.9%。在其他5種工況下，抑爆區(qū)內(nèi)的爆炸壓力峰值始終小于對照組。研究表明，七氟丙烷對甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸有良好的抑制作用，在使用過程中可根據(jù)使用場所合理確定七氟丙烷用量，保證抑爆區(qū)域內(nèi)七氟丙烷濃度達(dá)到抑爆濃度以上。