石化裝置工業(yè)尺度管道爆轟傳播實(shí)驗(yàn)研究*

鮑 磊，王 鵬，黨 茜，李厚達(dá)，鄺 辰，于安峰

（1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266101；2.中國石油化工股份有限公司化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101；3.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

隨著國家對環(huán)保的日益重視，相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格。為滿足國家法律法規(guī)的要求，各煉化企業(yè)開始大面積實(shí)施或改造油品儲存系統(tǒng)揮發(fā)性有機(jī)物（volatile organic compounds，VOCs）收集與治理工程，涉及到中間原料與產(chǎn)品、石腦油、成品油等罐組。罐組連通后，一旦某一儲罐發(fā)生閃爆或火災(zāi)時，火焰可沿連通管線傳播到其它儲罐，引發(fā)群罐火災(zāi)。近年來，氣相連通罐組事故頻發(fā)，如某石化企業(yè)6號罐爆炸后，由于各罐氣相管線連通，導(dǎo)致7、8號罐相繼發(fā)生閃爆；某化工廠焚燒爐引風(fēng)機(jī)故障，生產(chǎn)裝置可燃?xì)怏w通過罐區(qū)廢氣收集管向各儲罐倒灌，引發(fā)火災(zāi)[1]。

國內(nèi)外學(xué)者針對小尺度管道內(nèi)預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ゼ铀?、火焰抑制等已開展了大量研究[2-8]，但對大尺度管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑バ袨榈难芯枯^少，司榮軍[9]采用管徑DN500（長度66.5 m）和DN700（長度93.1 m）的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了瓦斯爆炸的峰值壓力和火焰到達(dá)時間，認(rèn)為管道直徑的大小明顯影響了瓦斯的爆炸傳播過程，DN700管道的壓力波峰值和火焰?zhèn)鞑ニ俣染笥贒N500的管道，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，管道內(nèi)最大火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為500～700 m/s，尚未形成爆轟傳播。Zuraiji等[10]采用內(nèi)徑為500 mm、長為30 m的管道對不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷空氣混合物火焰?zhèn)鞑ラ_展了研究，在28.5 m處得到最大速度133.1 m/s。白春華等[11]采用內(nèi)徑為0.199 m、長徑比為163的水平長直管道研究了甲烷空氣爆轟傳播，得到在強(qiáng)點(diǎn)火條件下，甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.13%時，經(jīng)過14.35 m（長徑比約72）形成穩(wěn)態(tài)爆轟，爆速維持在1 700 m/s。蔣新生等[12]采用直徑為0.15 m，長徑比分別為69.3和155.3的實(shí)驗(yàn)管道研究了油氣在不同長徑比管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑バ袨?，得出最大爆炸超壓值和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S長徑比增大而顯著增大，當(dāng)長徑比達(dá)到一定程度后，發(fā)生了爆轟現(xiàn)象，最大爆炸超壓值均達(dá)到3 MPa 以上，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁爝_(dá)到3 000 m/s 以上；而當(dāng)長徑比足夠大時，管道內(nèi)沿程的最大超壓值會出現(xiàn)隨傳播距離增大而下降再迅速升高的現(xiàn)象。孫少辰等[13]采用DN80和DN400管道研究了管道爆轟傳播特性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)DN80管道爆轟壓力峰值大于DN400爆轟壓力峰值。上述研究更多地集中在瓦斯爆炸傳播領(lǐng)域，且更多的為爆燃傳播，對于石化裝置典型介質(zhì)氣體（丙烷、乙烯等）在工業(yè)級管道（管徑以DN50～DN500為主）內(nèi)的爆轟傳播行為研究較少。

本文中針對石化裝置常用管道規(guī)格（DN50～DN500）搭建9種規(guī)格管道火焰?zhèn)鞑バ袨檠芯繉?shí)驗(yàn)裝置，研究了典型介質(zhì)氣體（丙烷、乙烯等）在不同規(guī)格管徑的管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃皦毫﹃P(guān)鍵參數(shù)，以期為指導(dǎo)石化裝置連通管線設(shè)計及阻火器選型等提供數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由以下幾部分組成：實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)、自動配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、測量與采集系統(tǒng)以及安全控制系統(tǒng)等，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)包括50～500 mm等9種不同管徑規(guī)格不銹鋼材質(zhì)管道，管道內(nèi)未做特殊加工處理，內(nèi)壁平滑無銹斑等。管道長度如表1所示。其中，50 mm管道實(shí)驗(yàn)裝置中火焰速度、壓力傳感器以管徑D整數(shù)倍作為單位進(jìn)行布置，具體如表2～3所示。

表1 各實(shí)驗(yàn)管道長度Table1 Length of each experimental pipeline

表2 50 mm管道實(shí)驗(yàn)裝置火焰速度傳感器布置位置Table2 Location of flame speed sensors in 50-mm-pipeline experimental apparatus

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.1 Schematic representation of the experimental apparatus

自動配氣系統(tǒng)采用動態(tài)法配氣，通過實(shí)時自反饋調(diào)節(jié)可燃?xì)馀c空氣的流量實(shí)現(xiàn)氣體的混合?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)需要配置丙烷、乙烯等與空氣的混合可燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)精度為±0.2%；點(diǎn)火系統(tǒng)采用高壓放電點(diǎn)火，點(diǎn)火能量可調(diào)，范圍為1 mJ～30 J，為保證實(shí)驗(yàn)中可燃?xì)獗稽c(diǎn)燃，實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火能量采用1 J。測量與采集系統(tǒng)包括火焰速度測量、壓力測量等。

火焰速度測量采用光電二極管原理的火焰?zhèn)鞲衅?，?dāng)管道內(nèi)有火焰?zhèn)鞑r，其火焰的可見光傳至火焰?zhèn)鞲衅鲿r，火焰?zhèn)鞲衅髦械墓怆姸O管將輸出0～3 000 mV的電信號并記錄下可見光出現(xiàn)的時間點(diǎn)，通過相鄰測試點(diǎn)的間距與時間差可求得其間的平均速度；間距越小，計算得到的平均速度值越真實(shí)反映火焰的瞬間速度，可根據(jù)火焰?zhèn)鞑サ牟煌螒B(tài)設(shè)計火焰?zhèn)鞲衅鏖g距值，火焰?zhèn)鞲衅黜憫?yīng)時間≤0.5 μs。

火焰壓力測量采用壓電式動態(tài)壓力傳感器，其量程為0～100 MPa，測量精度：響應(yīng)時間小于0.4 μs，采樣頻率大于500 kHz。由于爆轟壓力的峰值壓力（pmax）通常具有一定的隨機(jī)性，加之當(dāng)爆轟產(chǎn)生時，爆轟對管道或者其他設(shè)備的破壞需要一定的作用時間，根據(jù)ISO16852[14]（國際阻火器測試標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定，采用爆轟平均圧力pm表征爆炸壓力，其計算方法如下：

表3 50 mm管道實(shí)驗(yàn)裝置火焰壓力傳感器布置位置Table3 Location of flame pressure sensors in 50-mm-pipeline experimental apparatus

式中：pm為爆轟平均圧力，MPa；tp為爆轟峰值壓力時間點(diǎn)，μs。

安全控制系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制進(jìn)、出氣閥，阻火器以及管道末端的爆破片等，遠(yuǎn)程控制進(jìn)、出氣閥實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的配氣與吹掃操作，避免實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管道區(qū)域，配氣完成后，遠(yuǎn)程控制關(guān)閉進(jìn)、出氣閥，保證實(shí)驗(yàn)時管道內(nèi)可燃?xì)怏w處于獨(dú)立狀態(tài)，與配氣系統(tǒng)等物理隔離；阻火器用于防止火焰?zhèn)鞑ブ练菍?shí)驗(yàn)管道區(qū)域；由于實(shí)驗(yàn)基于常壓、微正壓開展，在管道末端安裝爆破片以保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器等。

實(shí)驗(yàn)采用石化裝置典型可燃?xì)怏w乙烯、丙烷等與空氣的混合氣體開展。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

為保證實(shí)驗(yàn)過程的安全，在管道末端安裝爆破片，管道進(jìn)出口設(shè)置遠(yuǎn)程控制開關(guān)閥。實(shí)驗(yàn)開始前開展氣密性檢查，確保實(shí)驗(yàn)管道無泄漏；配氣采用動態(tài)配氣，通過置換5～10倍實(shí)驗(yàn)管道體積的實(shí)驗(yàn)氣體來確保實(shí)驗(yàn)氣體滿足對體積分?jǐn)?shù)的要求。點(diǎn)火前關(guān)閉進(jìn)出氣閥，通過高壓放電點(diǎn)火裝置遠(yuǎn)程點(diǎn)火，點(diǎn)火同步觸發(fā)火焰速度和壓力采集系統(tǒng)。當(dāng)開展正壓實(shí)驗(yàn)時，通過管道上的靜壓表來確定實(shí)驗(yàn)壓力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ビ杀?、爆燃轉(zhuǎn)爆轟、最后發(fā)展為爆轟已經(jīng)有很多學(xué)者研究，這里不做贅述。本文中主要關(guān)注可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)、管徑等對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽?/p>

2.1 體積分?jǐn)?shù)影響

圖2～3給出了C2H4體積分?jǐn)?shù)不同的C2H4/空氣混合物在爆轟段（146D～228D）的火焰?zhèn)鞑毫突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?。每組工況開展5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其中誤差定義為測量值與平均值的最大差值（包括正誤差與負(fù)誤差，下同）

圖2 不同C2H4體積分?jǐn)?shù)下C2H4/空氣爆轟傳播壓力Fig.2 Detonation pressure of different C2H4concentrations in air

圖3 不同C2H4體積分?jǐn)?shù)下C2H4/空氣混合物爆轟傳播速度Fig.3 Detonation flame speed of different C2H4concentrations in air

由圖2～3可以看到，當(dāng)C2H4/空氣混合氣體中C2H4體積分?jǐn)?shù)為5.93%，6.6%和7.15%時，火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫尸F(xiàn)出較為穩(wěn)定的特性，多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ?50D以后即形成了穩(wěn)態(tài)爆轟，速度約為1 800 m/s，與CJ理論爆轟速度接近。而當(dāng)C2H4體積分?jǐn)?shù)為5.6%（貧燃工況）時，火焰速度和爆炸壓力波動均較大，且隨著火焰的進(jìn)一步傳播呈現(xiàn)逐漸降低的規(guī)律，并在190D以后逐漸形成穩(wěn)態(tài)爆轟；這主要是由于該體積分?jǐn)?shù)下，相對過量的空氣吸收了燃燒產(chǎn)生的熱量，一定程度上削弱爆轟反應(yīng)，使得需要更長的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x發(fā)展成為穩(wěn)態(tài)爆轟，同時穩(wěn)態(tài)爆轟火焰速度略低于C2H4體積分?jǐn)?shù)為6.6%時穩(wěn)態(tài)爆轟速度。而當(dāng)C2H4體積分?jǐn)?shù)為8%（富燃工況）時，火焰速度和爆炸壓力與貧燃工況類似，均呈現(xiàn)較大的波動，這主要是由于隨著C2H4體積分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)致在非穩(wěn)態(tài)爆轟區(qū)的反應(yīng)速率增大，支持非穩(wěn)態(tài)爆轟波傳播所需要的化學(xué)反應(yīng)熱能釋放率也相應(yīng)升高，進(jìn)而增高了非穩(wěn)態(tài)爆轟波傳播的速度和壓力，導(dǎo)致爆轟加速距離增長，這一現(xiàn)象與夏昌敬等[15]實(shí)驗(yàn)觀察到的比較一致。

有趣的是，由圖2～3可以看出，隨著C2H4體積分?jǐn)?shù)的提高，爆轟速度呈現(xiàn)微弱的提高，而爆轟壓力卻未呈現(xiàn)相同的規(guī)律，特別是C2H4體積分?jǐn)?shù)為5.6%時，其爆轟壓力要高于C2H4體積分?jǐn)?shù)為5.93%，6.6%和7.15%對應(yīng)的爆轟壓力值，這主要是由于當(dāng)C2H4體積分?jǐn)?shù)為5.6%時，爆轟還處于一定的過驅(qū)狀態(tài)，并未完全穩(wěn)態(tài)，這可從圖2可以看出，其壓力值還存在一定的下降趨勢，并未實(shí)現(xiàn)相對穩(wěn)態(tài)。

對于石化裝置連通管道，可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)多處于貧燃或富燃工況，在阻火器選用安裝時，應(yīng)當(dāng)選用爆轟阻火器，安裝位置距離可能點(diǎn)火點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)[16]建議（大于120倍管徑）的基礎(chǔ)上可適當(dāng)增加安全裕量。

2.2 管徑影響

考慮到實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性及可操作性，本節(jié)研究中分別采用C2H4體積分?jǐn)?shù)為6.6%的C2H4/空氣混合氣與C3H8體積分?jǐn)?shù)為4.2%的C3H8/空氣混合氣開展實(shí)驗(yàn)。

圖4給出了50～500 mm等9種不同管徑下兩種可燃?xì)?空氣混合氣的管道火焰爆轟傳播速度，由圖4可以看出，從可燃?xì)夥N類來看，體積分?jǐn)?shù)為6.6%的C2H4/空氣混合氣體的爆轟速度要大于體積分?jǐn)?shù)4.2%的C3H8/空氣混合氣體，這主要是由于C2H4化學(xué)反應(yīng)活性高于C3H8，火焰燃燒反應(yīng)強(qiáng)度更高所致；從管徑來看，隨著管徑的增加，爆轟速度并未呈現(xiàn)明顯的變化，這說明爆轟速度與管徑基本無關(guān)。

圖4 不同管徑下管道火焰爆轟速度Fig.4 Detonation speed of different pipe diameters

由于火焰處于爆轟傳播狀態(tài)時，其速度與管徑基本無關(guān)，采用3個特征點(diǎn)速度偏差值對速度進(jìn)行表征。ISO16852標(biāo)準(zhǔn)[14]中提出采用火焰速度偏差來判斷是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)爆轟狀態(tài)，即3個速度的最大偏差不超過10%即認(rèn)為是爆轟狀態(tài)。其火焰速度傳感器布置如圖5所示。其中，L1≥3D，且L1≥100 mm，L2≥500 mm，2L1+L2＞30D，其中D為管道內(nèi)徑，單位mm。

圖5 ISO16852標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于爆轟速度的位置設(shè)置Fig.5 Location settings of detonation speed in ISO16852

定義無量綱量速度偏差δ為最大速度vmax相較最小速度vmin的偏差，即 δ =(vmax?vmin)/vmin。

最大速度偏差 δmax定義為多組重復(fù)實(shí)驗(yàn)中的速度偏差最大值。

為了更好地反映不同尺寸管徑內(nèi)火焰的傳播特性，壓力采用無量綱化處理，即采用爆轟壓力pm與初始壓力p0的比值（pm/p0）作為比較爆轟壓力的參數(shù)。

圖6給出了50～500 mm等9種不同管徑下爆轟圧力與初始壓力（pm/p0）的關(guān)系。其中實(shí)線分別為不同管徑下對應(yīng)的pm/p0值，虛線分別為pm/p0值的偏差范圍，即±20%上下限值。從圖6中可以看出，管徑從50 mm增大到500 mm，pm/p0相對穩(wěn)定，均在12～19之間。ISO16852標(biāo)準(zhǔn)[14]將管徑與pm/p0的關(guān)系進(jìn)一步分為4個區(qū)間，如表4所示，并認(rèn)為20%以內(nèi)的偏差都可以認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)爆轟。由表4可以看出，pm/p0值隨著管徑的增大而逐漸增大，呈現(xiàn)正相關(guān)性。而圖6中，pm/p0值并未隨管徑增大而呈現(xiàn)明顯增大趨勢，9種規(guī)格管道內(nèi)pm/p0平均值為15.17，相對偏差為（?11.27%～12.13%）

圖6 爆轟火焰無量綱壓力pm/p0值與管徑關(guān)系（6.6% C2H4/空氣）Fig.6 Relationship between pm/p0 and pipe diameters (6.6% C2H4/air)

表4 ISO16852標(biāo)準(zhǔn)的pm/p0參考值Table4pm/p0 given by ISO16852

根據(jù)圖5所示測得的3個位置點(diǎn)速度的δmax與管徑的關(guān)系如圖7所示。其中，虛線為ISO16852給出的管道直徑分界值，分別為80和150 mm；下同圖10，不再贅述。由圖7可以看出，對于50～500 mm等9種管徑下測得的 δmax最大為8.9%，均不超過10%，且管徑越大，其 δmax越 小。圖10同樣呈現(xiàn)相近的規(guī)律。 δmax與管徑呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，這主要是當(dāng)管徑增加后，可燃?xì)怏w積增大導(dǎo)致反應(yīng)能量增加，管道邊界層對爆轟火焰影響相對減小，進(jìn)而使得爆轟火焰更為穩(wěn)定。

圖7 不同管徑下火焰 δmax值（6.6% C2H4/空氣）Fig.7 δmax in different pipes(6.6% C2H4/air)

特別的，這里以50 mm管徑為例，其3個測點(diǎn)的速度及速度偏差如圖8所示，共開展4組重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在4組重復(fù)實(shí)驗(yàn)中， δmax值 為8.52%， δmin值為4.02%，符合ISO16852標(biāo)準(zhǔn)[14]中通過速度判定穩(wěn)態(tài)爆轟的準(zhǔn)則。

圖8 50 mm管道不同位置處火焰速度（6.6% C2H4/空氣）Fig.8 Flame speed at different positions in 50 mm pipeline(6.6% C2H4/air)

進(jìn)一步采用C3H8/空氣混合氣作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，其結(jié)果如C2H4/空氣混合氣類似，具體如圖9～10所示。圖9中，pm/p0值并未隨管徑增大而呈現(xiàn)明顯增大趨勢，9種管徑下pm/p0平均值為14.47，相對偏差為（?6.37%～+6.21%）。Christoph等[17]提到ISO16852標(biāo)準(zhǔn)[14]中pm/p0值的確定是依據(jù)Lietze通過可燃?xì)庵苯悠鸨玫降?，而在文中Christoph等[17]測得的pm/p0也未能與標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)，這可能是由于直接起爆的爆轟壓力與火焰逐漸發(fā)展成為穩(wěn)態(tài)爆轟的壓力并不完全一致。在火焰?zhèn)鞑ブ饾u發(fā)展成為爆轟的過程中，火焰與管道壁面熱交換、管道邊界層的影響等均會造成火焰能量的損失，進(jìn)而導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)爆轟壓力與直接起爆的壓力不同。進(jìn)一步可以看出，當(dāng)管徑增大到100 mm以上時，實(shí)驗(yàn)測得的pm/p0值與表4中的值吻合度較高，這主要是由于管徑增大后，邊界層對火焰爆轟壓力的影響相對減小導(dǎo)致。對比圖6和圖9，當(dāng)采用C2H4/空氣混合氣時，即便管徑增大后，實(shí)驗(yàn)測得的pm/p0值與表4中的值也存在一定的偏差，這說明pm/p0與氣體介質(zhì)有關(guān)系，需要進(jìn)一步研究。

圖9 管徑與爆轟火焰pm/p0關(guān)系（4.2%C3H8/空氣）Fig.9 Relationship betweenpm/p0and pipe specifications(4.2%C3H8/Air)

圖10 不同管徑下火焰 δmax值（4.2% C3H8/空氣）Fig.10 δmax in different pipes(4.2% C3H8/Air)

由圖6、圖9可以看出，管道爆轟壓力并未隨管道管徑的增大而呈現(xiàn)明顯的增大過程，而是與氣體的種類有一定的關(guān)系，對于C2H4/空氣混合氣（C2H4體積分?jǐn)?shù)為6.6%），其爆轟壓力是初始壓力的15.17倍，而對于C3H8/空氣混合氣（C3H8體積分?jǐn)?shù)為4.2%），其爆轟壓力是初始壓力的14.47倍。在設(shè)計連通管道承受爆轟沖擊時，特別是對于小管徑管道（如DN150以下），應(yīng)適當(dāng)提高壓力。

3 結(jié) 論

本文中搭建了罐區(qū)連通管道典型尺寸（50～500 mm）的管道火焰?zhèn)鞑バ袨閷?shí)驗(yàn)裝置，并開展一系列實(shí)驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論。

（1）可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)對火焰?zhèn)鞑ゼ氨Z有一定影響，當(dāng)可燃?xì)馓幱诨蚪咏瘜W(xué)計量濃度時，爆轟加速距離更短，更易形成穩(wěn)態(tài)爆轟，而當(dāng)可燃?xì)?空氣混合氣為貧燃或富燃狀況時，爆轟加速距離則會延長，爆轟速度與可燃?xì)鉂舛瘸尸F(xiàn)正相關(guān)性。在阻火器選用、安裝時應(yīng)考慮爆轟影響。

（2）火焰爆轟傳播速度、爆轟壓力與管道管徑基本無關(guān)，受可燃?xì)夥N類影響更大；特別是中小管道（150 mm以下）爆轟壓力要遠(yuǎn)高于ISO16852標(biāo)準(zhǔn)[14]給出的參考值，在管道設(shè)計時應(yīng)特別注意。