球形抑爆材料抑制中尺度密閉空間油氣爆炸研究

趙亞東　蔣新生　謝威　何東海

摘????? 要： 為了研究球形抑爆材料對(duì)油氣爆炸超壓的抑制作用和阻止火焰?zhèn)鞑サ男阅埽罱甩?00 mm×? 3 300 mm中尺度圓管密閉空間試驗(yàn)臺(tái)架。測定在裝有非金屬球形抑爆材料時(shí)92#汽油蒸氣與空氣混合氣體中的爆炸超壓及火焰?zhèn)鞑ニ俣?，并與空爆和裝有金屬網(wǎng)架下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：在該試驗(yàn)條件下，球形抑爆材料可以使油氣爆炸最大超壓下降68.28%，削弱湍流發(fā)展和震蕩加強(qiáng)過程;雖然沒有完全阻止火焰?zhèn)鞑?，但球形抑爆材料可以使火焰持續(xù)時(shí)間縮短70.13%，減小火焰強(qiáng)度;抑爆試驗(yàn)后少量球形抑爆材料發(fā)生局部失穩(wěn)、變形，大體上狀態(tài)良好。

關(guān)? 鍵? 詞：球形抑爆材料;中尺度密閉空間;油氣爆炸;抑爆

中圖分類號(hào)：X932??????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ???????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）06-1017-06

Experimental Study on Suppression of Gasoline-Air Mixture Explosion

in Narrow-confined Space Using Non-metallic Spherical Anti-explosion Material

ZHAO Ya-dong¹， JIANG Xin-sheng¹， XIE Wei²， HE Dong-hai¹

（1. Department of Petroleum Supply Engineering， Logistical Engineering University， Chongqing401331， China;

2. PLA Military Representative Office to Daqing Petrochemical Company， Daqing Heilongjiang 163000， China）

Abstract： In order to study the inhibitory effect of non-metallic spherical anti-explosion material on the overpressure of gasoline-air mixture explosion and the performance of preventing flame propagation， a ?700 mm×3 300 mm mesoscale circular tube confined space experimental bench was set up. The explosion overpressure and flame propagation speed in a mixture of 92# gasoline vapor and air when non-metallic spherical anti-explosion materials were installed were measured and compared with the experimental results under air explosion and with a metal grid. The results showed that，under this experimental condition， the spherical anti-explosion material reduced the maximum overpressure of gasoline-air mixture explosion by 68.28%， and weakened the turbulence development and oscillating strengthening process; although the flame propagation was not completely prevented， the spherical anti-explosion material shortened the flame duration by 70.13%， reduced the flame intensity; after the explosion suppression experiment， a small amount of spherical anti-explosion materials were locally unstable and deformed， and generally in good condition.

Key words： Spherical anti-explosion material; Mesoscale confined space; Gasoline-air mixture explosion; Explosion suppression

油料作為一種重要的能源和原料，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國家安全都起著重要作用。然而油料揮發(fā)、泄漏產(chǎn)生的油氣遇到明火、高熱能等容易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，對(duì)油庫安全事故分析顯示，著火爆炸事故占事故總數(shù)的42.4%^[1]。隨著我國國防石油儲(chǔ)備戰(zhàn)略的建立，各類軍用油料儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)備設(shè)施大型化、信息化、智能化建設(shè)加快，對(duì)油料的供應(yīng)與儲(chǔ)藏量加大，導(dǎo)致大型油罐數(shù)量增加，對(duì)油料的輸運(yùn)、周轉(zhuǎn)和儲(chǔ)存過程提出了新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也對(duì)油料儲(chǔ)運(yùn)工程安全防護(hù)能力建設(shè)提出了更高要求。

為了預(yù)防此類安全事故，提高油料儲(chǔ)運(yùn)安全防護(hù)能力，阻隔防抑爆材料被大量研究。阻隔防抑爆材料是具有特殊的阻燃、抑爆、抗沖擊和防靜電等性能的金屬或非金屬材料，既可以應(yīng)用于防爆，又可以用來抑爆，它的功能性質(zhì)取決于所處的應(yīng)用場所，非常具有應(yīng)用和研究價(jià)值。

早在20世紀(jì)60年代，美國、加拿大等國就開始了阻隔防抑爆材料的研究。為了減少各類用油裝備的油箱發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，在油箱中填充網(wǎng)狀金屬材料，最常見的是網(wǎng)狀鋁合金材料^[2]。最初主要在軍事上應(yīng)用，經(jīng)過大量試驗(yàn)，美軍于1982年頒布了用于飛機(jī)燃油箱防爆的網(wǎng)狀鋁合金防護(hù)材料的美國軍用規(guī)范MIL-B-87162^[3]。我國民用方面也有多家公司研究和生產(chǎn)鋁合金抑爆材料。

非金屬防抑爆技術(shù)常用聚酯或聚醚作為防抑爆材料，在高分子抑爆材料領(lǐng)域，美國研制的高分子抑爆材料在武器裝備上已經(jīng)大量應(yīng)用，并制定了軍用標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已更新到第三代抑爆材料。俄羅斯研制的材料與美國第一代抑爆材料相當(dāng)，并制定了俄標(biāo)，一直沿用至今。

國內(nèi)高分子抑爆材料的研制起步較晚。20世紀(jì)90年代，由引進(jìn)俄裝備所帶動(dòng)，開展了聚酯型抑爆材料的國產(chǎn)化研究工作。田宏^[4]等對(duì)燃油箱填充用防火抑爆網(wǎng)狀泡沫材料進(jìn)行了研究，曲芳^[5]等進(jìn)行了填充俄制網(wǎng)狀聚氨酯泡沫油箱的燃油沖刷靜電試驗(yàn)研究，蔣新生^[6]等、謝威^[7]等對(duì)中尺度受限空間和狹長受限空間內(nèi)網(wǎng)狀材料抑制油氣爆炸進(jìn)行了研究。

目前國內(nèi)正在研發(fā)一種新型具有薄壁骨架結(jié)構(gòu)的球形非金屬阻隔防爆材料，相較網(wǎng)狀金屬材料和網(wǎng)狀聚氨酯，球狀外形對(duì)各種管線、異型油箱的裝填更加容易并且方便清洗。周友杰^[8]等對(duì)鋁合金、聚氨酯泡沫、球形非金屬等3大類阻隔防爆材料的基本性能進(jìn)行了測試，認(rèn)為球形非金屬抑爆材料可以安全地在油箱油罐中填充使用。魯長波^[9]等對(duì)不同起爆能量的激波管、等效靜爆試驗(yàn)和30 mm 殺爆燃彈炮擊試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際應(yīng)用中球形阻隔抑爆材料的防爆性能。但是現(xiàn)有研究一般都針對(duì)油箱類的密閉空間，對(duì)于中尺度的儲(chǔ)油密閉空間球形非金屬阻隔防爆的性能研究較少。因此，本文以92#汽油蒸氣為介質(zhì)，對(duì)比空爆和抑爆條件下的超壓和火焰?zhèn)鞑デ闆r，研究了球形抑爆材料對(duì)中尺度密閉空間油氣爆炸的抑制作用，為該材料的應(yīng)用提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 ?試驗(yàn)

1.1? 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)臺(tái)架、測試系統(tǒng)（HC體積分?jǐn)?shù)測試系統(tǒng)、瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力傳感器、火焰強(qiáng)度傳感器）以及輔助系統(tǒng)（油氣霧化系統(tǒng)、高能無干擾點(diǎn)火器）。

1.1.1 ?試驗(yàn)臺(tái)架

搭建F700 mm×3 300 mm的中尺度圓形密閉管道試驗(yàn)臺(tái)架，管道壁厚為10 mm，可耐壓6 MPa。一側(cè)設(shè)置為點(diǎn)火端，另一側(cè)為用鐵絲網(wǎng)架裝填球形抑爆材料的抑爆段，P1、P2、P3、P4為4個(gè)壓力測點(diǎn)，其間隔為650 mm，F(xiàn)1、F2、F3、F4為4個(gè)火焰強(qiáng)度測點(diǎn)，其間隔為650 mm，如圖1所示。

1.1.2? 測試系統(tǒng)

試驗(yàn)初始油氣體積分?jǐn)?shù)的測量采用北京均方理化科技研究所生產(chǎn)的GXH-1050分析儀。壓力傳感器采用寶雞秦明傳感器有限公司生產(chǎn)的CYG1163型擴(kuò)散硅高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器，用其對(duì)爆炸超壓進(jìn)行測量;火焰?zhèn)鞲衅鬟x用CKG100光電型火焰?zhèn)鞲衅?，其能?zhǔn)確地測量火焰強(qiáng)度變化以及火焰持續(xù)時(shí)間。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用江蘇東華測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH8301型高性能動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)，壓力與火焰?zhèn)鞲衅骶B接至該系統(tǒng)。

1.1.3? 輔助系統(tǒng)

配氣循環(huán)單元采用油氣霧化裝置與2X-8旋片式真空泵組成循環(huán)配氣系統(tǒng)。

高能無干擾點(diǎn)火單元采用成都新辰光電研究所生產(chǎn)的WGDH-5型高能無干擾點(diǎn)火器，點(diǎn)火能量設(shè)置為與實(shí)際油氣爆炸事故點(diǎn)火源能量相近的1.5 J。

1.2? 材料及測試依據(jù)

1.2.1 ?材料

單個(gè)球形抑爆材料的相關(guān)參數(shù)如下。

體積：平均約1.111×10³ mm³;

重量：平均約1.836 5 g;

材料密度：約1 653 kg·m^-3;

體積質(zhì)量：438.431 kg·m^-3;

孔隙率：約73.5%。

其單個(gè)球形抑爆材料的形狀如圖2所示。

將球形抑爆材料塞滿提前加工好的3 m長的金屬網(wǎng)架組成抑爆段，約27.6萬個(gè)球形抑爆材料。球形抑爆材料在網(wǎng)架內(nèi)部的朝向完全是任意的，無規(guī)律可循。

1.2.2? 測試依據(jù)

（1）《道路運(yùn)輸車輛油箱及液體燃料運(yùn)輸罐體阻隔防爆安全技術(shù)要求》（JT/T 1406-2016）^[10];

（2）《油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用規(guī)范》（GJB 8455-2015）^[11]。

1.3? 方案

試驗(yàn)設(shè)定初始油氣體積分?jǐn)?shù)為1.81%，點(diǎn)火能量為1.5 J。填充材料為塑料球形抑爆材料，裝入3 m長的鐵絲網(wǎng)架中，其留空率為3.2%，滿足AQ 3001—2005^[12]指標(biāo)要求。

3個(gè)試驗(yàn)分別為燃爆試驗(yàn)、金屬網(wǎng)架燃爆試驗(yàn)、爆炸抑制試驗(yàn)。為了保證單一變量，在同樣的試驗(yàn)條件下，做了單獨(dú)針對(duì)金屬網(wǎng)架的爆燃試驗(yàn)，減小網(wǎng)架對(duì)抑爆試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。為了保證試驗(yàn)的可重復(fù)性，抑爆試驗(yàn)做3組，記為a、b、c組。

試驗(yàn)時(shí)，首先配制油氣體積分?jǐn)?shù)為1.81%的預(yù)混氣體。霧化后的汽油經(jīng)油氣循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入試驗(yàn)管道，當(dāng)油氣濃度達(dá)到試驗(yàn)濃度時(shí)，關(guān)閉霧化裝置停止供油，繼續(xù)循環(huán)10 min使氣體充分混合均勻，然后靜置2 min。當(dāng)各測點(diǎn)的油氣濃度差保持在0.3%以內(nèi)視為試驗(yàn)管道中的油氣混合均勻，可以進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.1 ?爆燃試驗(yàn)

（1）按照?qǐng)D1進(jìn)行油氣燃爆試驗(yàn)布置，點(diǎn)火位置在左側(cè)法蘭端蓋中心;

（2）利用真空泵往密閉管道中噴入油氣，使油氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.9%～2.0%范圍，并靜置30 min;

（3）關(guān)閉管道各個(gè)閥門，點(diǎn)火并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集壓力及火焰參數(shù);

（4）在數(shù)據(jù)采集完畢儲(chǔ)存好之后，等待安全等候時(shí)間，再打開閥門進(jìn)行排除尾氣操作。

1.3.2 ?金屬網(wǎng)架爆燃試驗(yàn)

文獻(xiàn)^[13-14]表明金屬絲網(wǎng)對(duì)火焰也有一定的淬息作用，對(duì)爆炸產(chǎn)生的壓力也有一定的影響^[15-16]，故針對(duì)金屬網(wǎng)架對(duì)爆炸的影響進(jìn)行了研究，采用在只填充金屬網(wǎng)架的工況下進(jìn)行了爆炸試驗(yàn)。將金屬網(wǎng)架從右端填入管道，安裝好法蘭蓋，其余操作步驟同爆燃試驗(yàn)。

1.3.3 ?爆炸抑制試驗(yàn)

在完成好油氣燃爆試驗(yàn)和金屬網(wǎng)架燃爆試驗(yàn)后，將金屬網(wǎng)架直立，然后往其內(nèi)部加入球形抑爆材料直至裝滿，末端用金屬端蓋封裝，如圖3。

從右端往管道內(nèi)填充金屬網(wǎng)架，圖4為填充過程，安裝好法蘭端蓋，其后步驟同燃爆試驗(yàn)，得到3組數(shù)據(jù)。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 爆炸壓力結(jié)果對(duì)比與分析

2.1.1 ?對(duì)比

對(duì)DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到了整個(gè)爆炸過程中壓力隨時(shí)間的變化過程曲線圖，如圖5、圖6。

2.1.2 ?爆炸壓力結(jié)果分析

從圖5中可以看出，空爆試驗(yàn)和金屬網(wǎng)架爆炸試驗(yàn)中P1、P2、P3、P4號(hào)壓力的時(shí)變趨勢較為一致，大致可分為爆炸升壓、湍流加強(qiáng)、爆炸衰減3個(gè)階段，加強(qiáng)到燃燒結(jié)束時(shí)超壓達(dá)到最大值。對(duì)比圖6，4個(gè)測點(diǎn)的超壓值大大減小，可以認(rèn)為球形抑爆材料對(duì)爆炸壓力波具有抑制作用。因?yàn)椴牧媳旧砭哂幸欢◤椥裕揖W(wǎng)格結(jié)構(gòu)也對(duì)壓力波和振動(dòng)有一定抑制作用。在圖6（c）中，P3、P4壓力測點(diǎn)最大壓力值明顯升高，推測是在燃燒進(jìn)行到管道末端時(shí)壓力波震蕩加劇，并影響到P3，但由于球形抑爆材料對(duì)壓力波的抑制作用并未傳回P1、P2。

從得到的數(shù)據(jù)可以看出，該密閉試驗(yàn)管道的最大燃爆超壓值約585.75 kPa，只填充金屬網(wǎng)架時(shí)的最大爆炸超壓為537.2 kPa，下降了8.29%，說明金屬網(wǎng)架對(duì)爆炸存在抑制作用，但是對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果影響不大。而加入球形抑爆材料之后，前兩組試驗(yàn)的平均最大超壓值為124.115 kPa，平均約下降了78.81%，抑爆效果較好。但是，第3組抑爆試驗(yàn)的最大超壓出現(xiàn)在P4，且達(dá)到了309.15 kPa，遠(yuǎn)大于前3個(gè)測量點(diǎn)（P1、P2、P3）的最大超壓，按規(guī)范抑爆成功最大超壓應(yīng)低于140 kPa。

為了分析第3次抑爆試驗(yàn)超壓大于140 kPa的具體原因，將試驗(yàn)裝置進(jìn)行拆解分析，如圖8。

其原因一方面可能是隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，部分球形抑爆材料由于受到多次強(qiáng)沖擊作用而出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，如圖9;另一方面可能是爆炸使得金屬網(wǎng)架的密封端出現(xiàn)了斷裂，增加了末端的燃燒空間，如圖8。

2.2? 爆炸火焰結(jié)果對(duì)比與分析

2.2.1? 對(duì)比

空爆及金屬網(wǎng)架爆炸火焰強(qiáng)度見圖10。

3組抑爆試驗(yàn)的火焰強(qiáng)度見圖11。

2.2.2 ?分析

圖10、圖11中，均用電壓值代替火焰強(qiáng)度。圖10可以看出，添加金屬網(wǎng)架后火焰強(qiáng)度有所減小，這說明金屬網(wǎng)架對(duì)火焰也有抑制作用，不可完全忽略。對(duì)比圖11，火焰持續(xù)時(shí)間大大縮短，且a、b兩組F4測點(diǎn)火焰強(qiáng)度降低明顯;c組中F3、F4測點(diǎn)火焰強(qiáng)度值較高，與空爆最大火焰強(qiáng)度值相當(dāng)。

由數(shù)據(jù)可以看出，金屬網(wǎng)架對(duì)火焰的確存在抑制作用，通過金屬網(wǎng)的火焰強(qiáng)度大幅降低，而后又逐漸上升，最終約為空爆的54.8%;球形抑爆材料雖然沒有完全阻止火焰的通過，但是火焰的持續(xù)時(shí)間極短，縮短了70.13%，抑爆成功的情況下，末端的火焰強(qiáng)度很小，約為空爆最大火焰強(qiáng)度值的18.39%。

3? 結(jié) 論

按照《道路運(yùn)輸車輛油箱及液體燃料運(yùn)輸罐體阻隔防爆安全技術(shù)要求》（JT/T 1406-2016）和《油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用規(guī)范》（GJB 8455-2015）的基本試驗(yàn)要求，對(duì)填裝有球形抑爆材料的密閉空間在介質(zhì)為92#汽油的條件下，進(jìn)行了爆炸抑制對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1）加入金屬網(wǎng)架對(duì)球形抑爆材料抑制爆炸的影響不大，不影響最終結(jié)果的評(píng)判;

2）球形抑爆材料在該試驗(yàn)條件下按規(guī)范的要求填充可以使油氣爆炸最大超壓下降68.28%，削弱湍流發(fā)展和震蕩加強(qiáng)過程縮短火焰持續(xù)時(shí)間70.13%，減小火焰強(qiáng)度;

3）在進(jìn)行不同工況的3組抑爆試驗(yàn)后，部分球形抑爆材料發(fā)生了局部失穩(wěn);

4）當(dāng)安裝時(shí)末端若留有較大空隙，抑爆效果會(huì)降低，油氣爆炸最大超壓僅下降47.22%，末端火焰強(qiáng)度下降不明顯。

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