甲烷管道泄爆火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律研究

黃 勇高級(jí)工程師 奚功晨 楊 健 許 寧 郝永梅教授

(1.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213000；2.常州港華燃?xì)庥邢薰?，江蘇 常州 213161)

0 引言

隨著天然氣的廣泛使用，天然氣用量日益增加，天然氣引發(fā)事故的可能性越來越大，事故后果也越來越嚴(yán)重，如2021年6月13日湖北省十堰市張灣區(qū)艷湖小區(qū)發(fā)生天然氣爆炸事故，造成25人死亡、138人受傷(其中37人重傷)。因此，對(duì)天然氣爆炸的研究至關(guān)重要。

甲烷是天然氣的主要組成氣體，故針對(duì)甲烷在管道等狹長空間內(nèi)的泄爆火焰?zhèn)鞑パ芯渴直匾?，其中點(diǎn)火位置[1-4]、泄爆導(dǎo)管尺寸[5-7]、泄爆膜材料[8-10]、泄爆口強(qiáng)度[11]等對(duì)泄爆壓力及火焰有較大影響。余明高等[12]將泄爆分為3個(gè)階段，即升壓、振蕩和反向沖擊；喬麗等[13]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泄爆膜距點(diǎn)火點(diǎn)越近，泄爆壓力對(duì)管道內(nèi)甲烷氣體爆炸最高溫度的影響越不明顯；李天旭[14-15]研究端部泄爆口開口位置對(duì)爆炸超壓的影響，發(fā)現(xiàn)開口率是影響其泄爆效果的顯著因素之一；Mccann等[16]發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管會(huì)增大容器內(nèi)最大泄爆壓力，并且隨著泄爆導(dǎo)管長徑比的增加，容器最大泄爆壓力也會(huì)逐漸增大。綜上所述，目前對(duì)端部泄爆的研究多集中在較短距離管道的端口形狀變量、封閉端的膜片強(qiáng)度等方面，而由于管道長度的不同，導(dǎo)致其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定差別。因此，本文在相對(duì)較長管道內(nèi)采用聚乙烯薄膜為封閉膜，形成弱封閉條件，開展不同濃度甲烷—空氣混合氣體泄爆實(shí)驗(yàn)，從壓力與火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律分析其泄爆效果，分析無法形成赫爾姆茲振蕩的原因。對(duì)不同甲烷濃度下負(fù)壓振蕩的時(shí)間、火焰速度、壓力振蕩數(shù)值及參數(shù)之間的相互影響進(jìn)行分析，得到泄壓規(guī)律，為狹長管道爆炸泄壓研究提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由以下裝置組成：真空泵、控制閥門、質(zhì)量流量控制器、氣瓶、點(diǎn)火開關(guān)、點(diǎn)火口、有機(jī)玻璃管道、密封膜、高速攝像機(jī)、筆記本電腦、壓力采集傳感器等，按照其功能分為5個(gè)部分：有機(jī)透明玻璃爆炸管道、氣體充配氣系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、爆炸壓力與爆炸火焰采集系統(tǒng)，如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)簡圖Fig.1 The schematic diagram of the experimental equipment platform

實(shí)驗(yàn)管道為長2 000mm、內(nèi)徑125mm的圓柱體。管道起始端為點(diǎn)火端，點(diǎn)火端面密閉。管道的末端為泄爆端，泄爆端面采用2張0.1mm聚乙烯薄膜作為密封膜片，同時(shí)墊有硅膠片保障其密封性，泄爆端由開孔擋板和開孔法蘭片組成，通過法蘭片中間夾層來密封管道末端，爆炸時(shí)管道末端作為泄壓口將爆炸壓力泄放至大氣中。通過PHANTOM V1212-72G-C型高速攝像機(jī)能夠清晰地拍攝出甲烷爆炸過程中火焰的傳播情況。爆炸壓力與火焰采集系統(tǒng)是由PCB113系列壓力傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡組成。為掌握火焰初始傳播到加速傳播的整個(gè)過程，在管道的前部、中部、尾部設(shè)置壓力傳感器。壓力傳感器的安裝位置分別距點(diǎn)火端440、620、1 120、1 800mm。在管道內(nèi)充配濃度分別為8%、9%、9.5%和11%的甲烷—空氣混合氣體，同種濃度至少重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析傳播規(guī)律

2.1 弱封閉管道氣體爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程

通過火焰的傳播距離(點(diǎn)火位置至膜片破膜位置)計(jì)算出火焰速度，當(dāng)氣體濃度分別為8%、9%、9.5%、11%時(shí)，火焰通過管道時(shí)間分別為247、232、204、243ms，火焰破膜前的變化過程，如圖2?；鹧嫘螤钣芍兴?6～10m/s)傳播的球面形狀變?yōu)榈退?3～6m/s)傳播的郁金香形火焰形狀，之后形成湍流火焰，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O速增大，當(dāng)湍流狀態(tài)無法維持后，就會(huì)再次轉(zhuǎn)變?yōu)橹兴俚那蛎婊鹧?，循環(huán)往復(fù)至破膜。由圖2可以看出，在8%、9%、9.5%、11%的氣體濃度下距點(diǎn)火位置分別約為720、650、600、520mm處，火焰峰面第一次發(fā)生變化，且此刻火焰形狀由球面轉(zhuǎn)變?yōu)橛艚鹣阈?，火焰表面積增大，同時(shí)火焰整體向中心凹陷，外圈的厚度增大，使得燃燒不充分，導(dǎo)致火焰燃燒速度變慢。圖2可以看到氣體濃度為9%時(shí)，各時(shí)刻傳播的距離差最大，這是由于該氣體濃度處于最佳爆炸極限濃度附近，此時(shí)甲烷和氧氣混合效果較佳，分子分布較均勻。在整段管道中，當(dāng)郁金香形火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧鏁r(shí)，該時(shí)刻的亮度最大，這是由于湍流火焰的燃燒更加充分，火焰形態(tài)變得更加無序，使得火焰燃燒速度急劇增大。

圖2 不同濃度的甲烷火焰?zhèn)鞑デ闆rFig.2 The methane flame propagation at different concentrations

不同濃度的火焰爆炸傳播速度變化曲線圖，如圖3。

圖3 不同濃度火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓€Fig.3 The curve of the flame propagation velocity at different concentrations

利用插值計(jì)算公式計(jì)算出所取時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑘D3中黑色實(shí)線為擬合后的速度曲線，從圖3中可知，當(dāng)氣體火焰由球面開始向郁金香形轉(zhuǎn)變時(shí)，曲線上升速率變緩；當(dāng)郁金香形火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧婧?，火焰?zhèn)鞑ニ俾士焖僭龃?，而湍流火焰轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛎婊鹧鏁r(shí)傳播速度開始極速下降。這是由于湍流火焰的燃燒比較充分，溫度上升，使得火焰的能量呈指數(shù)上升，從而火焰速度極速增大(火焰峰面為湍流時(shí)，充分燃燒的火焰呈明亮的橙黃色，不充分燃燒的火焰呈藍(lán)色。)。從圖3不同濃度火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€可以看出火焰?zhèn)鞑ニ俣缺憩F(xiàn)為周期性的加速傳播現(xiàn)象，此實(shí)驗(yàn)管道的長徑比(L/D=16)較大，當(dāng)火焰爆炸波向前傳播時(shí)與壓力未變化的區(qū)域發(fā)生振蕩，形成反向沖擊波，反向沖擊波與火焰共同向前傳播。在同一區(qū)域內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p緩，當(dāng)反向沖擊波傳播至點(diǎn)火端處的擋板后，波的傳播強(qiáng)度被抵消，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑プ璧K變小，所以火焰速度再次增大，故火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)出一種周期性現(xiàn)象。同時(shí)從圖3與表2結(jié)合可以看出破膜前的壓力都是在火焰速度減小后再增大最終再破膜，并非是在壓力數(shù)值減小的時(shí)間區(qū)域段內(nèi)破膜，這是由于氣體點(diǎn)燃爆炸后，沖擊波向前傳播接觸到破膜材料形成破膜峰，破膜后壓力向管道外釋放，管道內(nèi)壓力極速降低與大氣壓形成一個(gè)較大的壓力差，壓力差增加火焰的動(dòng)能使得火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?。通過理想氣體定律可知，其狀態(tài)參量壓強(qiáng)P、體積V和絕對(duì)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系為：

PV=mRT=nRT

(1)

式中：

P—常壓下氣體壓強(qiáng)，Pa；

V—常壓下氣體體積，m3；

n—?dú)怏w的物質(zhì)的量，mol；

m—質(zhì)量，g；

T—體系溫度，K；

R—?dú)怏w常量(比例常數(shù))，J/(mol·K)。

同時(shí)由運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

式中：

F—外力矢量；

a—物體運(yùn)動(dòng)加速度，m/s2；

u—物體運(yùn)動(dòng)速度，m/s；

t—相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

根據(jù)理想氣體的沖擊波波后壓強(qiáng)和比體積與波前壓強(qiáng)和比體積公式：

(3)

式中：

P0—沖擊波波后壓強(qiáng)，Pa；

γ—理想氣體常數(shù)；

v—常壓下氣體體積，m3；

v0—沖擊波波后氣體體積，m3。

對(duì)于混合理想氣體，其壓強(qiáng)P是各組成部分的分壓強(qiáng)P1，P2，…之和，故PV=(p1+p2+…)V=(n1+n2+…)RT，n1，n2，…是各組成部分的物質(zhì)的量。

與理想氣體的壓強(qiáng)和體積公式對(duì)比，當(dāng)沖擊波的強(qiáng)度足夠大，即波后壓強(qiáng)比初態(tài)壓強(qiáng)大很多時(shí)，氣體的密度并不隨著沖擊波強(qiáng)度增大而無限增大，更多的是趨向一個(gè)定值，在該情況下當(dāng)火焰產(chǎn)生湍流峰面時(shí)，火焰燃燒充分，動(dòng)能增大，氣體質(zhì)量減少，速度增大。

由式(1)、(2)以及圖2、3可以得出火焰?zhèn)鞑ナ墙?jīng)過球形火焰初始加速，到郁金香形火焰出現(xiàn)后火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)變慢，然后當(dāng)郁金香形火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧婧蠡鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣瓤焖僭龃?，最終受傳播過程以及反向沖擊波的影響變?yōu)榍蛐位鹧妗?/p>

2.2 泄爆膜對(duì)爆炸負(fù)壓的特性影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得，在2張0.1mm聚乙烯泄壓膜封閉條件下爆炸壓力情況，如圖4。

圖4 不同氣體濃度下的泄爆壓力變化情況圖Fig.4 The change of the venting explosion pressure at different gas concentrations

從圖4中可以看出：當(dāng)氣體濃度為9.5% 時(shí)，爆炸負(fù)壓最大，爆炸負(fù)壓的出現(xiàn)速率最快；當(dāng)受到反向沖擊波作用時(shí)，波形壓力出現(xiàn)振蕩。2號(hào)傳感器與4號(hào)傳感器的數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定，2號(hào)傳感器位于管道的中部，4號(hào)傳感器位于管道的末端，能夠分別檢測(cè)泄爆后管道內(nèi)和泄爆口附近的壓力變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 不同濃度負(fù)壓時(shí)間及峰值數(shù)據(jù)表Tab.1 The table for the negative pressure time and the peak data at different concentrations

不同氣體濃度下的點(diǎn)火至破膜所需時(shí)間與負(fù)壓振蕩時(shí)間對(duì)比，發(fā)現(xiàn)只有1號(hào)傳感器在點(diǎn)火至破膜所需時(shí)間內(nèi)，而2、3、4號(hào)傳感器的負(fù)壓時(shí)間均在破膜以后，其點(diǎn)火至破膜所需時(shí)間與負(fù)壓振蕩時(shí)間，見表2。

表2 破膜時(shí)間與負(fù)壓振蕩表Tab.2 The table for the breakdown time and the negative pressure shock

將負(fù)壓振蕩時(shí)間與火焰破膜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，破膜時(shí)間大于負(fù)壓振蕩開始時(shí)間，即負(fù)壓開始振蕩時(shí)未破膜。負(fù)壓振蕩開始至破膜時(shí)間段內(nèi)的火焰瞬時(shí)速度，如圖5。負(fù)壓振蕩期間的壓力變化，如圖6。

圖5 不同濃度負(fù)壓振蕩至破膜內(nèi)的火焰瞬時(shí)速度Fig.5 The instantaneous flame velocity when the negative pressure oscillates into the broken film at different concentrations

圖6 不同濃度負(fù)壓振蕩區(qū)間壓力變化Fig.6 The interval pressure change of the negative pressure oscillation at different concentrations

甲烷的爆炸極限實(shí)驗(yàn)值為5%～15%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得甲烷的最佳爆炸極限為9.5%[17]，從圖5中可以看出最佳爆炸極限下的負(fù)壓振蕩至破膜內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓畲螅以陂_始振蕩時(shí)，在未達(dá)到最佳爆炸極限濃度前，其在負(fù)壓振蕩時(shí)間段內(nèi)起始火焰?zhèn)鞑ニ俣榷际窍葴p小后增大，而達(dá)到最佳爆炸極限濃度后，負(fù)壓振蕩時(shí)間段內(nèi)起始火焰?zhèn)鞑ニ俣榷冀?jīng)過一個(gè)增大的過程再發(fā)生其他變化。通過高速攝像機(jī)拍攝的圖像可知，濃度未達(dá)到9.5%的火焰處于湍流狀態(tài)向球形狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，而濃度達(dá)到9.5%的火焰處于球形向郁金香形轉(zhuǎn)變的過程。結(jié)合CO2在爆炸升壓階段大量生成，CO2含量與甲烷壓力呈正相關(guān)關(guān)系[18]，可以推斷出當(dāng)發(fā)生負(fù)壓振蕩時(shí)，最佳爆炸極限的CO2在湍流火焰狀態(tài)下濃度升高，而在球形火焰?zhèn)鞑顟B(tài)下濃度下降，故雖然在湍流火焰狀態(tài)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，但在發(fā)生振蕩后該振蕩點(diǎn)的火焰速度比其他濃度的起始振蕩點(diǎn)的速度低。從圖5中可以看出在任何濃度下其破膜前的火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥谡袷幤陂g內(nèi)的任意時(shí)刻火焰?zhèn)鞑ニ俣?。不同濃度下?fù)壓振蕩開始時(shí)刻的火焰?zhèn)鞑バ螤?，如圖7。

圖7 負(fù)壓振蕩開始火焰形狀Fig.7 The flame shape when negative pressure oscillations begin

從圖6可以看出，9.5%濃度的振蕩時(shí)間最長，但負(fù)壓振蕩時(shí)間段內(nèi)的前后值變化相對(duì)較小，曲線上升較平緩。對(duì)于強(qiáng)沖擊波，振蕩后的反沖擊波速度的絕對(duì)值小于入射沖擊波速度的絕對(duì)值。當(dāng)氣體在最佳爆炸極限時(shí)，爆炸中的氣體分子消耗得相對(duì)比較充分，同時(shí)通過圖5可以看出火焰速度變化較大，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了該段氣體爆炸較為充分，使得壓力波的波形更為連續(xù)。當(dāng)壓力波傳播至常壓面后，反射到壓力傳感器檢測(cè)區(qū)域的時(shí)間更長，通過圖4(c)可以看出。之所以形成較大負(fù)壓是因?yàn)楸óa(chǎn)生的壓力波從管道內(nèi)向管道外泄放時(shí)，膜的另一面是常態(tài)大氣壓，當(dāng)壓力波向前運(yùn)動(dòng)至破膜的一瞬間與常態(tài)大氣壓面發(fā)生碰撞，形成稀疏波反射回管道內(nèi)部，爆炸產(chǎn)生正壓，但隨后該相對(duì)區(qū)域內(nèi)的氣體分子大量消耗形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)域，該負(fù)壓區(qū)域受到反射回來的壓力波使得該區(qū)域內(nèi)的負(fù)壓被抵消一部分，負(fù)壓數(shù)值有所緩解。故反射回來的壓力波受到常壓面的反射以及負(fù)壓區(qū)域內(nèi)的相對(duì)抵消從而負(fù)壓值僅僅出現(xiàn)一次振蕩，而非弱封閉端情況下則會(huì)發(fā)生多次負(fù)壓振蕩。沖擊波與稀疏波的相互作用公式為：

(4)

式中：

J—黎曼不變量。

從振蕩波形分析，其波形未呈現(xiàn)出由外部爆炸的反向沖擊波與破膜后泄放的稀疏波共同作用形成的赫爾姆茲振蕩波形，這是由于在管道爆炸后通過泄爆口直接泄爆至大氣環(huán)境無法多次形成與大氣常壓面碰撞的反向沖擊波。

通過圖6可以看出，隨著氣體濃度的增大負(fù)壓振蕩時(shí)負(fù)壓值也隨之增大，其中在同一個(gè)濃度梯度范圍內(nèi)其壓力變化曲線相似，如9.0%與9.5%氣體濃度下的數(shù)值變化趨勢(shì)大致相同，在低濃度(8%)時(shí)，負(fù)壓振蕩呈二次斜坡式增大，這是由于氣體濃度較低，管道內(nèi)的氣體爆炸后產(chǎn)生壓力波，在其間隙處氣體分子的分布不夠充分，使得爆炸壓力無法急劇上升。當(dāng)氣體濃度較高(11%)時(shí)，爆炸壓力波上升較快，同樣壓力波與常壓面碰撞后反射使得負(fù)壓值增大速率較大，同理該負(fù)壓減小速率較大。

3 結(jié)論

本文研究狹長空間甲烷泄爆實(shí)驗(yàn)規(guī)律，為較長管道實(shí)驗(yàn)?zāi)M提供相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)能夠?yàn)楠M長管道爆炸泄壓研究提供技術(shù)支持。

通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析得到以下4點(diǎn)結(jié)論：

(1)負(fù)壓振蕩是由于沖擊波與破膜前的大氣壓常態(tài)面發(fā)生碰撞后的反向沖擊波與本身爆炸負(fù)壓相抵消形成的。當(dāng)反向沖擊波進(jìn)入管道后，會(huì)發(fā)生抵消行為，最終無法再次形成能夠與大氣常壓面碰撞的沖擊波，故只有一次負(fù)壓振蕩，未呈現(xiàn)出外部爆炸形成的反向沖擊波與破膜后泄放形成的稀疏波赫爾姆茲振蕩波形。

(2)在使用聚乙烯破膜材料(弱封閉端)情況下，9.5%氣體濃度振蕩開始時(shí)間占該破膜時(shí)間比例較8%氣體濃度慢16.136% 。經(jīng)計(jì)算，每提升 1%的氣體濃度，負(fù)壓振蕩時(shí)間相對(duì)延遲約10%。

(3)8%氣體濃度下負(fù)壓振蕩時(shí)間段內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣认噍^9.5%氣體濃度的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷钥欤译S著氣體濃度的增大在振蕩時(shí)間內(nèi)的火焰?zhèn)鞑サ乃俾实淖兓潭茸兇?，最佳爆炸極限的負(fù)壓變化相較于其他濃度爆炸極限更為穩(wěn)定。

(4)隨著氣體濃度的變化，負(fù)壓振蕩時(shí)間相對(duì)最佳爆炸極限呈正態(tài)分布，每提高1%的氣體濃度則產(chǎn)生的振蕩負(fù)壓是提升后該濃度泄爆產(chǎn)生最大負(fù)壓的9%～11%。

在此實(shí)驗(yàn)中延長管道長度和調(diào)整管道材料，即使用2 000mm的有機(jī)透明玻璃管道，保證能夠拍攝到全段管道的泄爆火焰情況。 通過對(duì)泄爆數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比前人相關(guān)研究結(jié)果[19-21]，發(fā)現(xiàn)本文實(shí)驗(yàn)波形符合其規(guī)律。

該實(shí)驗(yàn)所用的較長管道泄爆實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜓a(bǔ)充他人較短管道泄爆實(shí)驗(yàn)的不足，同時(shí)與較短管道泄爆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗(yàn)證，豐富在弱封閉端泄爆研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步研究泄爆緩解技術(shù)提供數(shù)據(jù)與思路。未來將開展弱封閉端導(dǎo)管泄爆相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。