泄壓與隔爆聯(lián)用的粉塵爆炸壓力特性?

趙京宇 饒國(guó)寧 周 健 馬 盼 肖秋平

①南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

②上?；ぱ芯吭河邢薰?上海，200062)

引言

由容器與管道相連通的氣力輸送系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)廣泛存在于各工藝系統(tǒng)中。 在涉爆粉塵工藝中，僅對(duì)壓力容器采取泄壓措施，粉塵爆炸的火焰也可沿著管道傳播，引起相連容器內(nèi)發(fā)生二次爆炸[1]。作為用來(lái)隔離爆炸的保護(hù)性裝置，隔爆翻板閥能夠有效地阻斷爆炸壓力波和火焰，從而限制爆炸范圍，減小爆炸損失[2]；因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、價(jià)格相對(duì)低廉，故被大量應(yīng)用于粉塵爆炸的防護(hù)中。

對(duì)于隔爆翻板閥的功能有效性驗(yàn)證、安裝要求和影響研究已經(jīng)開始受到重視。Mittal[3]參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了隔爆實(shí)驗(yàn)和CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))仿真模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn):由于隔爆翻板閥以及管道的存在，氣流湍流的程度加大會(huì)增加相連容器內(nèi)的爆炸壓力。 隨后，Ajrash 等[4]在使用一定濃度的甲烷進(jìn)行的爆燃實(shí)驗(yàn)中也有類似發(fā)現(xiàn):由于被動(dòng)管壓式隔爆閥的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，在關(guān)閉階段，被動(dòng)閥下游產(chǎn)生了壓力波，非常接近原始?jí)毫Σǖ拇笮　?Boeck等[5]建立了容器-管道連通系統(tǒng)的爆炸動(dòng)力學(xué)模型，可得到壓力波的大小和到達(dá)時(shí)間，從而為隔爆系統(tǒng)的有效性提供評(píng)估依據(jù)。

相關(guān)研究表明:容器相連的管道長(zhǎng)度和容器泄壓面積對(duì)內(nèi)部壓力有顯著影響。 王健等[6]在接近實(shí)際工況的氣力輸送實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行了糧食粉塵爆炸測(cè)試，結(jié)果表明:初級(jí)容器的爆炸將沿著管道傳播，導(dǎo)致二級(jí)容器發(fā)生爆炸；且管道各點(diǎn)峰值壓力隨著管道長(zhǎng)度的增加而增加。 正是這種影響，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)發(fā)布的EN 16447—2014 標(biāo)準(zhǔn)[7]對(duì)隔爆翻板閥的最大、最小安裝距離提出了確切的實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求。 同時(shí)，容器的泄壓面積是內(nèi)部壓力的主要影響因素之一，隨著泄壓面積的減小，連通容器的內(nèi)部壓力增加；且相較于單個(gè)容器泄壓，其對(duì)于連通容器內(nèi)部壓力的影響更為明顯。 尤明偉等[8]認(rèn)為，這是由于連通容器的爆炸受管道火焰加速和壓力累積作用所導(dǎo)致的。 這些實(shí)驗(yàn)研究為了解泄壓過程中容器及管道內(nèi)部壓力提供了參考。

在當(dāng)前工業(yè)防爆中，泄壓與隔爆已經(jīng)成為粉塵爆炸防護(hù)的主要手段。 但是僅僅將兩者簡(jiǎn)單加和無(wú)法應(yīng)對(duì)實(shí)際需求，難以確保工藝的安全性。 因此，開展泄壓和隔爆防護(hù)聯(lián)用下粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于揭示容器及隔爆翻板閥壓力變化規(guī)律、指導(dǎo)隔爆翻板閥的安裝、達(dá)到有效隔爆的目的具有重要意義。本文中，通過壓力容器和管道的粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)，改變隔爆翻板閥安裝距離及容器泄壓面積，探尋泄壓和隔爆防護(hù)聯(lián)用對(duì)于爆炸超壓的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要由實(shí)驗(yàn)容器、粉塵分散系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和隔爆翻板閥組成。 實(shí)驗(yàn)容器為2 m3的圓柱形臥式耐壓容器，且容器頂部有可隨法蘭內(nèi)徑調(diào)節(jié)泄壓面積的泄壓口，泄壓采用410 mm ×410 mm 泄壓片或雙層聚酯薄膜。粉塵分散系統(tǒng)主要由噴粉罐和內(nèi)部多孔分散裝置組成，通過19 mm 連接管安裝于實(shí)驗(yàn)容器左側(cè)中心位置。 點(diǎn)火系統(tǒng)采用釋放能量為10 kJ 的化學(xué)點(diǎn)火頭，參照EN 16447—2014 標(biāo)準(zhǔn)[7]中對(duì)于隔爆翻板閥功能的測(cè)試要求，將點(diǎn)火位置設(shè)置在容器中心軸線、距離管道入口350 mm 處。 實(shí)驗(yàn)容器右端通過法蘭及DN 500 的管道連接被動(dòng)式隔爆翻板閥，隔爆翻板閥安裝距離通過管道長(zhǎng)度改變。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由壓力傳感器(瑞士Kistler)和數(shù)據(jù)采集器組成，壓力傳感器P1、P2分別安裝在容器右側(cè)中心和隔爆翻板閥前端100 mm 處的管道右側(cè)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(俯視圖)Fig.1 Schematic diagram of experimental device (top view)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)開始前，打開隔爆翻板閥。 依照250 g/m3質(zhì)量濃度稱取玉米淀粉500 g 于噴粉罐，由電磁閥控制噴粉。 噴粉延遲420 ms 后，點(diǎn)火引爆，隨后壓力傳感器采集容器內(nèi)部及隔爆翻板閥前端壓力信號(hào)。 爆炸壓力通過容器頂部泄壓口釋放。 同時(shí)，火焰與沖擊波沿管道傳播到達(dá)隔爆翻板閥閥板后，使閥板關(guān)閉，達(dá)到隔爆效果。 隔爆翻板閥相關(guān)參數(shù)見表1；作用機(jī)制如圖2 所示。

表1 隔爆翻板閥相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of explosion isolation flap valve

圖2 隔爆翻板閥作用機(jī)制示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanism of explosion isolation flap valve

開展兩組實(shí)驗(yàn)，具體方案見表2。實(shí)驗(yàn)1＃采用304 SS材質(zhì)、面積為410 mm×410 mm的泄壓片進(jìn)行泄壓，隔爆翻板閥安裝距離分別為3、5、7 m；實(shí)驗(yàn)2＃采用雙層聚酯薄膜進(jìn)行泄壓，通過改變固定法蘭口徑達(dá)到改變泄壓面積的目的，隔爆翻板閥安裝距離固定為3 m。

表2 各實(shí)驗(yàn)方案運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Operating parameters of each experimental program

2 分析和討論

2.1 隔爆翻板閥安裝距離對(duì)壓力的影響

隔爆翻板閥的安裝距離直接影響著隔爆效果[7]。 通過改變安裝距離，研究容器內(nèi)部及隔爆翻板閥前端的爆炸壓力特性。

實(shí)驗(yàn)1＃中，在不同的隔爆翻板閥安裝距離下，容器內(nèi)部壓力和隔爆翻板閥前端壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖3 所示。表3 是兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值壓力數(shù)據(jù)。表3 中:pv為容器內(nèi)部一次峰值壓力；pr為容器內(nèi)部二次峰值壓力；pf為隔爆翻板閥前端峰值壓力；△t0-1為pf與pv的 時(shí) 間 差；△t0-2為pr與pv的 時(shí)間差。

表3 容器內(nèi)部及隔爆翻板閥前端的峰值壓力(1＃)Tab.3 Peak pressure inside the container and at the front end of explosion isolation flap valve (1＃)

圖3 容器內(nèi)部及隔爆翻板閥前端的壓力-時(shí)間曲線(1＃)Fig.3 Pressure-time curves inside the container and at the front end of explosion isolation flap valve (1＃)

從圖3 可以看出，不同隔爆翻板閥安裝距離時(shí)，容器內(nèi)部和隔爆翻板閥前端壓力都呈現(xiàn)了相似的變化規(guī)律。 點(diǎn)火引爆后，傳感器P1測(cè)得容器內(nèi)部壓力不斷上升，達(dá)到泄壓片開啟壓力0.010 MPa 后，泄壓片打開，壓力開始下降，隨后壓力再次升高，但略低于一次峰值壓力。 同時(shí)，容器內(nèi)部二次峰值壓力的時(shí)間都明顯滯后于隔爆翻板閥前端達(dá)到峰值壓力的時(shí)間。 分析認(rèn)為，二次峰值壓力可能來(lái)源于隔爆翻板閥關(guān)閉過程的沖擊波反射作用，但由于管道內(nèi)幾乎沒有可燃粉塵繼續(xù)燃燒，加之壁面摩擦和吸熱作用，反射波傳播過程中能量不斷降低[9-10]，因此，反射產(chǎn)生的二次峰值壓力均低于隔爆翻板閥前端壓力及容器內(nèi)部的一次峰值壓力。 在容器內(nèi)部?jī)纱畏逯祲毫﹂g，傳感器P2測(cè)得的隔爆翻板閥前端壓力達(dá)到最大，且均大于容器內(nèi)部最大壓力；原因主要在于管道內(nèi)壁的壓力反射作用和湍流程度加大產(chǎn)生的壓力積聚作用。 隨著安裝距離從3 m 不斷增加至7 m，壓力積聚作用的持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)[11]，隔爆翻板閥前端峰值壓力從0. 067 MPa 提高了51. 57%，陡升至0.101 MPa，但未溢出火焰，成功隔爆。

在爆炸后期壓力下降至常壓過程中，由于管道長(zhǎng)度的不斷增加，壓力波傳播阻力和管道的冷卻作用加強(qiáng)。 因此，在實(shí)驗(yàn)C 中，容器內(nèi)兩次峰值壓力的時(shí)間差較大，容器內(nèi)壓力在爆炸過程中變動(dòng)幅度平緩，容器泄壓口泄壓對(duì)于管道的負(fù)壓作用較弱，因而隔爆翻板閥前端壓力并未出現(xiàn)波動(dòng)。 但在實(shí)驗(yàn)A、實(shí)驗(yàn)B 中，由于兩次峰值壓力的時(shí)間差較小，期間壓力變動(dòng)較為急促，泄壓對(duì)于管道的負(fù)壓作用較強(qiáng)，所以在隔爆翻板閥前端出現(xiàn)明顯的壓力波動(dòng)和負(fù)壓，這種壓力波動(dòng)和負(fù)壓在安裝距離更短的實(shí)驗(yàn)A 中更為劇烈。

2.2 泄壓面積對(duì)壓力的影響

實(shí)驗(yàn)2＃中，分別采用內(nèi)徑400、600mm雙層聚酯薄膜進(jìn)行泄壓時(shí)，容器內(nèi)部壓力和隔爆翻板閥前端壓力隨時(shí)間的變化曲線見圖4。表4是兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值壓力數(shù)據(jù)。

表4 容器內(nèi)部及隔爆翻板閥前端的峰值壓力(2＃)Tab.4 Peak pressure inside the container and at the front end of explosion isolation flap valve (2＃)

圖4 容器內(nèi)部及隔爆翻板閥前端的壓力-時(shí)間曲線(2＃)Fig.4 Pressure-time curves inside the container and at the front end of explosion isolation flap valve (2＃)

從圖4 可以看出，在爆炸前、中期，容器內(nèi)部和隔爆翻板閥前端壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律與圖3 基本一致。 相較于實(shí)驗(yàn)F，在實(shí)驗(yàn)E 中，傳感器P1測(cè)得的容器壓力達(dá)到一次峰值壓力后下降較為平緩。 這是由于在泄壓口打開后，較小的泄壓口面積使泄壓過程中產(chǎn)生更大的湍流，導(dǎo)致火焰燃燒加速，高壓氣體難以立刻排出[12]；而實(shí)驗(yàn)F 的泄壓口面積增加，容器內(nèi)部壓力及氣體可以較為迅速地從泄壓口排至外部空間。 同時(shí)，泄壓口內(nèi)徑從400 mm 上升到600 mm 后，容器內(nèi)部的一次峰值壓力下降了62.06%，從0.085 MPa 降低至0.032 MPa，這也導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)F 中傳播至隔爆翻板閥前端的峰值壓力較實(shí)驗(yàn)E 出現(xiàn)明顯下降，從0.109 MPa 降低至0.034 MPa。 通常認(rèn)為，隔爆翻板閥失效的主要原因是壓力過大導(dǎo)致的閥板變形。 然而，在實(shí)驗(yàn)F 中，傳感器P2測(cè)得的隔爆翻板閥前端壓力遠(yuǎn)小于閥板耐壓極限，閥板結(jié)構(gòu)完整，卻隔爆失敗:這是由于閥板受力下降，導(dǎo)致閥板被動(dòng)關(guān)閉的速度下降，閥板未能及時(shí)關(guān)閉并阻止火焰噴出，致使隔爆失敗，如圖5 所示。 可見，在實(shí)際的工業(yè)運(yùn)用中，僅考慮閥板的耐壓極限進(jìn)行選型安裝是相對(duì)片面的，當(dāng)爆炸壓力較小時(shí)，閥板的關(guān)閉時(shí)間才是有效隔爆的關(guān)鍵。

圖5 隔爆閥隔爆失敗Fig.5 Explosion isolation failure situation

在爆炸后期，實(shí)驗(yàn)E和實(shí)驗(yàn)F中的隔爆翻板閥前端都出現(xiàn)了壓力波動(dòng)，但波動(dòng)的原因有所不同。實(shí)驗(yàn)F 由于隔爆失敗，壓力波動(dòng)主要是閥板處噴射的火焰波擾動(dòng)所導(dǎo)致的；在實(shí)驗(yàn)E 中，波動(dòng)主要發(fā)生在壓力剛達(dá)到峰值之后，可能是由于泄壓面積較小，容器內(nèi)部爆炸發(fā)展更加完全，加速的火焰在沖擊波后再次沖擊隔爆翻板閥，導(dǎo)致隔爆翻板閥前端的壓力短時(shí)間維持在峰值附近。 對(duì)于壓力波動(dòng)原因的猜想亟需在實(shí)驗(yàn)裝置中增加火焰探測(cè)器進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

3 結(jié)論

1)對(duì)于采用泄壓與隔爆防護(hù)聯(lián)用的容器，發(fā)生粉塵爆炸時(shí)，容器內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)兩次峰值壓力:第1 次峰值壓力來(lái)源于粉塵爆炸的壓力增長(zhǎng)；第2 次峰值壓力來(lái)源于隔爆翻板閥的反射波，但第2 次峰值壓力稍小于第1 次峰值壓力。 因此，在粉塵爆炸防護(hù)裝置中采取隔爆措施，雖然能夠防止爆炸繼續(xù)傳播，但即使在采取泄壓措施情況下，也可能對(duì)容器本身結(jié)構(gòu)造成二次破壞。

2)隔爆翻板閥的安裝距離對(duì)隔爆翻板閥前端壓力的最終發(fā)展具有顯著影響。 隨著隔爆翻板閥安裝距離增加，粉塵濃度及容器內(nèi)部壓力基本不變的條件下，隔爆翻板閥前端最大壓力明顯升高。 而安裝距離較短，容器內(nèi)部壓力的兩次峰值間隔也縮短，整體呈現(xiàn)出更加劇烈的壓力波動(dòng)。 因此，選擇合適的安裝距離才能有效避免由于壓力過大或壓力波動(dòng)可能導(dǎo)致的隔爆翻板閥結(jié)構(gòu)變形。

3)泄壓面積設(shè)置不當(dāng)可能導(dǎo)致隔爆翻板閥隔爆失效。 隨著容器泄壓面積的減小，容器內(nèi)一次峰值壓力和隔爆翻板閥前端壓力也隨之升高；但是泄壓面積的增大時(shí)，爆炸壓力下降，也可能導(dǎo)致隔爆翻板閥關(guān)閉的時(shí)間增加，隔爆失敗的概率也會(huì)上升。因此，對(duì)于隔爆翻板閥，選擇合適的泄壓設(shè)計(jì)，將被保護(hù)設(shè)備內(nèi)的最大受控爆炸壓力限制在合理范圍內(nèi)對(duì)有效隔爆有重要影響。