氧氣管道燃爆機(jī)理分析和能量計(jì)算

周亮 蘇苗印

(杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司 杭州 310014)

0 引言

氧氣作為一種化學(xué)性質(zhì)較為活潑的助燃?xì)怏w，本身不具有爆炸性，但高純度氧氣會(huì)和周圍物質(zhì)劇烈燃燒，甚至發(fā)生燃爆。為了減少氧氣燃爆事故引發(fā)的危害，近年來，大多數(shù)國家根據(jù)本國大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，編制了氧氣管道的安全技術(shù)規(guī)定，大大提高了氧氣管道的安全性[1]。

氧氣管道燃爆事故具有偶然性和難以量化的問題，這為氧氣管道安全防護(hù)設(shè)計(jì)帶來一定難度。本文將從氧氣燃燒機(jī)理及影響因素分析入手，探討氧氣濃度、固體顆粒和氧氣壓力對氧氣燃爆性能的影響，結(jié)合氧氣管道特性分析了點(diǎn)火源類型及特點(diǎn)，通過推導(dǎo)得出氧氣管道燃爆的爆炸當(dāng)量計(jì)算方法，為氧氣管道安全防護(hù)設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

1 氧氣管道燃燒變量

燃燒是復(fù)雜的物理化學(xué)過程，燃燒的產(chǎn)生必須同時(shí)具備三要素：①可燃物：如木材、酒精、油品等；②助燃物：如氧氣、氯氣等；③點(diǎn)火源：如明火、電火花、摩擦火花等[2]。燃燒速度的影響因素除了可燃物和助燃物的化學(xué)反應(yīng)速度等化學(xué)條件外，還包括可燃物和助燃物的接觸混合速度等物理?xiàng)l件，最終取決于兩者中的較慢者。氧氣管道中氧氣濃度、氧氣壓力和固體顆粒物尺寸等為常見物理?xiàng)l件變量，而氧氣管道的主材、殘留油脂、雜質(zhì)廢渣等為化學(xué)條件變量。

1.1 氧氣濃度影響

大多數(shù)物質(zhì)的著火溫度隨氧濃度的增大而降低，例如，常壓條件下，煙煤在空氣中的著火溫度為400 ℃左右，而在純氧時(shí)的著火溫度會(huì)降至250 ℃；甲烷氣在空氣中著火溫度為540 ℃左右，而在純氧條件下的著火溫度比在空氣中的著火溫度低50～100 ℃[2]。由于富氧環(huán)境也能降低金屬的著火溫度，導(dǎo)致部分金屬的著火溫度低于熔化溫度，變?yōu)榭扇嘉镔|(zhì)。比如鐵絲在空氣中不能發(fā)生連續(xù)的燃燒反應(yīng)，而在純氧環(huán)境中能形成火星四射的劇烈燃燒，并放出大量的熱。

一般工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)氧純度多數(shù)為≥99.5%，輸送高純度氧氣的金屬管道在滿足燃燒條件下會(huì)通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)連續(xù)燃燒。而且，外泄氧氣吹身或者液氧噴濺到身體，人的身體會(huì)因毛發(fā)、衣物充滿氧遇到火源而引發(fā)燃燒，導(dǎo)致嚴(yán)重?zé)齻鹿省?/p>

1.2 固體顆粒物尺寸影響

金屬在純氧條件下非常容易燃燒，產(chǎn)生大量的光和熱。研究表明，小顆粒固體的比表面積有較多的反應(yīng)活性點(diǎn)，且相互間的傳熱性能較好，所以，固體顆粒的粒徑越小，其著火溫度一般越低，表1為不同粒徑鐵粉的著火溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可見，鐵粉的著火溫度很低，而且，鐵粉一旦燃燒，產(chǎn)生的燃燒熱量很大(1 kg鐵粉燃燒釋放7 260 kJ的熱量)。

表1 不同粒徑鐵粉的著火溫度數(shù)值

1.3 氧氣壓力影響

氧具有強(qiáng)氧化和助燃特性，當(dāng)氧氣與可燃物并存，且點(diǎn)火源激發(fā)能充足時(shí)，會(huì)引起燃燒；當(dāng)氧氣與可燃物均勻混合且濃度在爆炸極限范圍內(nèi)，則會(huì)發(fā)生爆炸。另外，如果當(dāng)氧氣壓力足夠大，燃燒反應(yīng)速率足夠快，單位時(shí)間內(nèi)釋放出大量熱量，則燃燒傳播速度非?？?，燃燒極為劇烈，可能產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，隨著氧壓力提高，著火溫度會(huì)降低，表2為純氧環(huán)境中不同壓力下鐵和低碳鋼的著火溫度。由此可見，超高壓氧環(huán)境會(huì)造成金屬物質(zhì)變得極易燃燒。

表2 不同壓力下鐵和低碳鋼的著火溫度數(shù)值

1.4 可燃物雜質(zhì)影響

可燃物在氧氣中燃燒著火溫度比空氣中低，氧氣管道中比較常見的可燃物為殘留氧化皮、焊渣、油脂、纖維或橡膠雜質(zhì)、有機(jī)物等管道殘留雜質(zhì)，這些物質(zhì)在氧氣中的最低著火溫度如表3所示[3]。管道殘留雜質(zhì)著火溫度比鋼材低得多，這些物質(zhì)在高純氧的管道中被引燃后，會(huì)在管道中發(fā)生劇烈氧化還原反應(yīng)，引起燃燒事故。所以，氧氣管道安裝過程脫脂和清理不徹底是導(dǎo)致氧氣管道燃燒最為重要的原因之一。

表3 不同物質(zhì)在氧氣中燃燒的著火溫度

2 點(diǎn)火源影響因素

點(diǎn)火源作為燃燒的啟動(dòng)能量，是燃燒發(fā)生的激發(fā)能源，氧氣管道中最為常見的點(diǎn)火源為固體顆粒摩擦碰撞、靜電火花、絕熱壓縮生熱和動(dòng)靜部件間摩擦等。

2.1 固體顆粒摩擦碰撞

管道安裝后殘留焊渣、氧化皮或鐵屑等固體雜質(zhì)隨氣流在氧氣管道中高速運(yùn)動(dòng)，不斷撞擊管道內(nèi)壁，產(chǎn)生摩擦熱。摩擦熱來不及和氣流充分換熱，使得固體顆粒本身和管壁溫度升高。摩擦熱E來源于固體顆粒的動(dòng)能P，而固體顆粒的動(dòng)能P與流體的固體顆粒撞擊次數(shù)、固體運(yùn)動(dòng)速度、顆粒質(zhì)量有關(guān)，如式(1)所示。式中動(dòng)能P部分轉(zhuǎn)化成摩擦熱H，其轉(zhuǎn)化率μ取決于固體顆粒特性、管道粗糙度和固體顆粒形狀等。

(1)

式中，H為摩擦熱，W；N為單位時(shí)間內(nèi)撞擊次數(shù)；μ為摩擦熱轉(zhuǎn)化率；m為固體顆粒質(zhì)量, kg；v為固體運(yùn)動(dòng)速度, m/s。

另外，高速運(yùn)動(dòng)的固體顆粒與管道內(nèi)壁摩擦?xí)?dǎo)致靜電轉(zhuǎn)移，而分散顆粒在完全干燥的環(huán)境中會(huì)使得靜電電位越來越高，兩者間的電位差可能高達(dá)4 000～6 000 V，產(chǎn)生靜電激弧火花。可見，在氣體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)下，固體顆粒由于摩擦熱與靜電電位使得固體顆粒釋放能量超過最小點(diǎn)火能量，導(dǎo)致燃燒事故發(fā)生。

2.2 絕熱壓縮生熱

當(dāng)高壓氧氣快速流入低壓區(qū)域，如快速打開管道設(shè)備的截?cái)嚅y門或開啟氧氣壓縮機(jī)，下游低壓區(qū)域的氧氣被急速壓縮，來不及均衡壓力，也來不及和周圍交換熱量，近似等熵絕熱壓縮過程，壓縮后的氧氣溫度理論計(jì)算如式(2)：

T2=T1(P2/P1)(K-1)/K

(2)

式中，T2為壓縮后氣體溫度，K；T1為壓縮前氣體溫度，K；P2為壓縮后氣體壓力，Pa；P1為壓縮前氣體壓力，Pa；K為等熵絕熱指數(shù)，一般取1.4。

如果將壓縮前的氧氣取常溫常壓狀態(tài)(T1=20 ℃，P1=0.1 MPa)，則壓縮后的氧氣計(jì)算溫度如表4。

表4 不同物質(zhì)在氧氣中燃燒的著火溫度

表4顯示，壓縮后的高溫氧氣足以點(diǎn)燃周圍環(huán)境內(nèi)著火溫度較低的可燃物，導(dǎo)致燃燒發(fā)生。

3 氧氣管道燃爆當(dāng)量

從上述分析可以看出，由于氧氣管道殘留氧化皮、鐵銹或油脂等在高壓純氧環(huán)境中著火溫度較低，受固體顆粒摩擦碰撞、靜電火花或絕熱壓縮等點(diǎn)火源影響，當(dāng)激發(fā)能達(dá)到一定程度時(shí)，燃燒迅速發(fā)生，管道本體被點(diǎn)燃。鋼管燃燒釋放大量熱量，溫度急劇上升，管內(nèi)氣體急劇膨脹。之后，氧氣擊穿管壁后導(dǎo)致管道內(nèi)外壓力坡度越大，燃燒變得更為劇烈，火勢進(jìn)一步加大，發(fā)生燃爆事故。

3.1 氧氣管道燃燒能量計(jì)算

計(jì)算沖擊波的破壞力，首先計(jì)算燃爆釋放的能量，氧氣管道燃燒時(shí)的可燃物主要為管道本體，主要取氧氣管道為計(jì)算對象。氧氣管道燃燒釋放的能量理論值如式(3)：

E1=MQ1

(3)

式中，E1為氧氣管道燃燒能量，kJ；M為氧氣管道計(jì)算質(zhì)量，kg；Q1為氧氣管材燃燒熱，kJ/kg。

式(3)所述氧氣管道計(jì)算質(zhì)量M的范圍應(yīng)包括連續(xù)燃燒管段，比如快速切斷閥、阻火器或豁免材料等具有阻燃能力設(shè)施之間的連接管段，或者上下游設(shè)備之間的連接管段(當(dāng)無阻火措施時(shí))。

3.2 氧氣管道燃爆能量TNT當(dāng)量

高壓氣流沖出氧氣管道，燃燒迅速擴(kuò)散，發(fā)生燃爆。氧氣管道燃爆TNT當(dāng)量指表達(dá)式可以近似用式(4)表示[4]：

(4)

式中，q為氧氣管道燃爆能量TNT當(dāng)量, kg；Q2為TNT爆炸能量，約為4 200 kJ/kg；β為氧氣管道的TNT當(dāng)量系數(shù)。

氧氣管道的燃爆能量TNT當(dāng)量系數(shù)β是一個(gè)難以量化的綜合系數(shù)，由管材不完全燃燒產(chǎn)生，不僅受氧氣管道材質(zhì)、工作壓力、氧氣流速等物理及化學(xué)條件影響，還受氧氣管道周圍環(huán)境影響。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)分析β可以取值0.08～0.1，在考慮防護(hù)時(shí)，如設(shè)置防護(hù)墻時(shí)，為提高防護(hù)安全可靠性，取高值。

3.3 氧氣管道燃爆超壓計(jì)算

如果需要計(jì)算氧氣管道燃爆帶來的破壞力，還應(yīng)計(jì)算出沖擊波的超壓值，式(5)為爆炸超壓值的常用半經(jīng)驗(yàn)公式[5]：

(5)

式中，△P(R)為在半徑為R時(shí)實(shí)際爆炸沖擊波超壓值，MPa；△P0(R)為在半徑為R時(shí)1 000 kg TNT爆炸沖擊波超壓值，MPa；α為爆炸實(shí)驗(yàn)?zāi)M比。

為計(jì)算爆炸超壓值，先以無限空氣介質(zhì)中1 000 kg TNT爆炸時(shí)沖擊波的峰值超壓值為參考，見圖1，結(jié)合公式(5)，計(jì)算出不同爆炸半徑R下氧氣管道燃爆的超壓值。然后根據(jù)超壓值計(jì)算結(jié)果判斷管道燃爆事故對人員或建筑物的傷害半徑，以此綜合判斷事故產(chǎn)生的影響。

圖1 1 000 kg TNT爆炸超壓值分布

(6)

如果管道在鋼板、混凝土、巖石一類剛性地面時(shí)，由于反射效果，可看成2倍裝藥量在無限空間爆炸，則計(jì)算公式也可以采用經(jīng)驗(yàn)公式(7)。

(7)

4 事故示例分析

以氧氣調(diào)壓站內(nèi)的氧氣管道周圍設(shè)置防護(hù)墻為例，防護(hù)墻的總長度為20 m，壁厚為8 mm的DN300氧氣管道與閥門布置在防護(hù)墻內(nèi)，則防護(hù)墻內(nèi)氧氣管道燃爆TNT當(dāng)量計(jì)算結(jié)果代入式(4)計(jì)算后的結(jié)果為：

計(jì)算結(jié)果可知，該設(shè)置條件下的氧氣管道爆燃產(chǎn)生的沖擊波>0.1 MPa，在傷害半徑范圍內(nèi)，會(huì)造成大部分人員死亡。為防止氧氣閥門操作時(shí)發(fā)生意外事故，需確保人員在墻外操作閥門，通過防護(hù)墻體隔絕爆炸沖擊波對人員的傷害，也防止應(yīng)力波向四周傳播。

5 結(jié)論

(1)氧氣有支持燃燒的性質(zhì)，預(yù)防氧氣管道燃爆事故的發(fā)生關(guān)鍵在于控制點(diǎn)火源，可通過以下方式實(shí)現(xiàn)：安裝過程徹底清理管內(nèi)殘留可燃物質(zhì)，控制氧氣管道流速減少固體顆粒沖擊產(chǎn)生的摩擦熱和靜電電位，緩慢開啟閥門避免引發(fā)絕熱壓縮等。

(2)除從源頭上辨識潛在的危險(xiǎn)外，應(yīng)采取有效措施限制氧氣管道燃爆事故后危險(xiǎn)的擴(kuò)散和傳播，如設(shè)置防護(hù)墻防止爆炸沖擊波傷害操作人員和周圍設(shè)施等。文中分析了氧氣管道爆燃后的壓力分布規(guī)律，可以用于預(yù)測和評估氧氣管道燃爆事故沖擊波的影響，以利于設(shè)計(jì)人員將事故風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍內(nèi)。

(3)氧氣管道燃爆是非常復(fù)雜的變化過程，應(yīng)從設(shè)計(jì)、安裝、使用、管理等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，并從氣動(dòng)學(xué)、熱力學(xué)等理論和實(shí)驗(yàn)等多方面加強(qiáng)研究，為氧氣管道的工程設(shè)計(jì)提供更多依據(jù)。