填充多孔材料后狹長空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘脑囼?yàn)分析

員亞龍，杜一村，張宏，馮憲周

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所 鄭州市特種場所火災(zāi)防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450015)

在艦艇中，可燃?xì)怏w主要是石油、柴油、煤油等油類物質(zhì)揮發(fā)的可燃蒸氣，近些年LNG船的發(fā)展也極其迅速，其中也存在天然氣泄露的風(fēng)險(xiǎn)，這些氣體一旦進(jìn)入狹長空間中，濃度達(dá)到氣體爆炸的極限范圍內(nèi)，遇到火源后，極易發(fā)生爆燃事故。

學(xué)者們對受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w的燃燒爆炸特性進(jìn)行了大量研究，也對其爆燃防治方法進(jìn)行了探討?，F(xiàn)階段對多孔材料在阻隔防爆方面的研究多集中在網(wǎng)狀鋁合金、硅酸鋁棉和泡沫陶瓷等材料，對多孔非金屬復(fù)合材料的研究報(bào)道較少。為此，考慮采用多孔聚丙烯復(fù)合材料，在20 L爆炸球和水平管道組成的氣體爆炸測試平臺中，探究其對狹長空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊憽?/p>

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

氣體爆炸測試平臺包含5個部分：爆炸測試管道系統(tǒng)(①～⑥)、配氣及點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀器、高速攝影儀、同步控制器，見圖1。

圖1 試驗(yàn)平臺組成示意

爆炸測試管道由1個20 L爆炸球，3節(jié)長度均為2 000 mm、直徑60 mm的圓管道和1節(jié)長度為500 mm、內(nèi)邊長60 mm的方管道組成，氣密性良好，其中3節(jié)圓管道劃分為6段區(qū)域(用于填充多孔材料)，并給每段區(qū)域編上序號(見圖1)，每段區(qū)域500 mm。20 L爆炸球和圓管道上分別安裝3個微型壓力傳感器，連接到數(shù)據(jù)采集儀上，用于采集管道內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)參數(shù)，傳感器編號由左到右為1#、2#和3#，分別位于20 L爆炸球、④號管道和⑥管道上方；方管道兩側(cè)有可視窗，可視窗長度為400 mm，高速攝影儀可通過可視窗拍攝管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ膱D像，并根據(jù)圖像計(jì)算出火焰鋒面的傳播速度。

本試驗(yàn)采用的可燃?xì)怏w是體積分?jǐn)?shù)約為9.5%的甲烷與空氣的預(yù)混氣體，將其充滿在試驗(yàn)管道中，在20 L爆炸球內(nèi)引爆點(diǎn)火藥頭，將其作為起爆容器，從而點(diǎn)燃整個管道內(nèi)的預(yù)混氣體。

試驗(yàn)材料是以聚丙烯為基體，添加適量成分的阻燃劑、協(xié)效劑、增韌劑和相容劑制備而成的多孔聚丙烯復(fù)合材料，其直徑為50 mm，長度為1 000 mm，實(shí)物見圖2。

圖2 多孔聚丙烯復(fù)合材料實(shí)物

1.2 試驗(yàn)方案

首先分析甲烷-空氣預(yù)混氣體在狹長空間內(nèi)的爆燃傳播特性，即未填充多孔材料時，獲得試驗(yàn)過程中相應(yīng)的火焰圖像、火焰速度和爆炸壓力等參數(shù)。

最后，探究填充多孔聚丙烯復(fù)合材料對甲烷-空氣預(yù)混氣體在狹長空間內(nèi)爆燃傳播特性的影響。具體試驗(yàn)方案：分別在圓管道的6個不同位置區(qū)域填充1節(jié)1 000 mm的多孔聚丙烯復(fù)合材料，獲得試驗(yàn)過程中相應(yīng)的火焰圖像、火焰速度和爆炸壓力等參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲烷-空氣爆燃傳播特性分析

未填充多孔材料時，甲烷-空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑デ闆r見圖3。

圖3 甲烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑デ闆r

可視窗內(nèi)出現(xiàn)火焰開始計(jì)時，火焰充滿可視窗結(jié)束計(jì)時，在相同間隔時間截取部分火焰圖片。觀察圖3可知，在0～1.8 ms之間，火焰處于傳播的初期階段，火焰亮度較低，這是由于狹長空間內(nèi)的溫度較低，氣體燃燒不充分，前端火焰不斷對周圍的可燃?xì)怏w進(jìn)行預(yù)熱，導(dǎo)致火焰亮度較低且火焰較為離散；在1.8～4.2 ms之間，狹長空間內(nèi)的氣體溫度不斷上升，在高溫作用下，可燃?xì)怏w的燃燒反應(yīng)越來越劇烈，燃燒產(chǎn)生的熱量也越來越多，火焰較為明亮且火焰形狀的離散現(xiàn)象明顯減少。由圖3可知，火焰在狹長空間內(nèi)傳播時，中部火焰的傳播速度要明顯高于上下兩側(cè)火焰的傳播速度，這是由于管道上下壁面對火焰的摩擦效應(yīng)和傳熱效應(yīng)，導(dǎo)致了傳播速度的差異；火焰在傳播過程中有上浮的趨勢，這是由于甲烷空氣密度較小，導(dǎo)致管道上方的可燃?xì)怏w濃度略高，火焰燃燒較為充分，預(yù)熱也最先完成，所以傳播初期火焰會浮于上方，當(dāng)空間內(nèi)溫度升高時，火焰燃燒更為充分，溫度效應(yīng)的影響逐漸降低，該現(xiàn)象逐漸消失。

火焰速度與鋒面位置情況的關(guān)系見圖4，可視窗出現(xiàn)火焰前鋒開始計(jì)時，火焰前鋒穿出可視窗結(jié)束計(jì)時，以火焰鋒面水平方向傳播的速度為火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰鋒面距離可視窗左端的位置作為鋒面位置。如圖所示，在火焰?zhèn)鞑コ跗?，火焰速度處于加速階段，隨著狹長空間內(nèi)溫度逐漸升高，預(yù)混氣體的燃燒越來越劇烈，使得火焰鋒面速度逐漸加快；隨著爆燃火焰的繼續(xù)傳播，火焰鋒面的速度不斷震蕩，這是由于火焰的傳播速度要遠(yuǎn)低于爆炸沖擊波的傳播速度，沖擊波傳播到狹長空間末端的壁面后會發(fā)生反射，當(dāng)反射波的傳播與火焰的傳播方向相反時，會產(chǎn)生抑制作用，降低火焰的傳播速度；當(dāng)反射波與火焰的傳播方向相同時，會產(chǎn)生耦合作用，加速火焰的傳播速度，因此抑制作用和耦合作用會造成火焰?zhèn)鞑ニ俣忍幱谡鹗庪A段。在2.0 ms左右時，火焰鋒面的傳播速度最快，達(dá)到了243.43 m/s，表明這個階段沖擊波與火焰的耦合作用最大，最利于火焰的傳播。對火焰在可視窗內(nèi)的傳播過程進(jìn)行計(jì)算，得出火焰鋒面?zhèn)鞑サ钠骄俣葹?53.85 m/s，表明甲烷-空氣預(yù)混氣體的爆燃火焰在狹長空間內(nèi)的傳播速度極快，需要采取相應(yīng)的措施抑制火焰的傳播。

圖4 火焰鋒面位置與傳播速度的關(guān)系

甲烷-空氣預(yù)混氣體在狹長空間傳播過程中，不同位置傳感器采集到的壓力見圖5。

由圖5可知，1#、2#和3#傳感器監(jiān)測到的最大壓力分別為285、231和301 kPa，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因：20 L爆炸球內(nèi)的可燃?xì)怏w總量多于管道④，因此1#傳感器采集的最大爆炸壓力要高于2#傳感器采集的壓力；隨著爆炸沖擊波的傳播，會不斷壓縮狹長管道內(nèi)的可燃?xì)怏w，因此管道末端會聚集大量的可燃?xì)怏w，且燃燒反應(yīng)也越來越劇烈，使得末端的最大爆炸壓力值最高。管道末端的最大爆炸壓力上升速率為8.15 MPa，也明顯高于另外兩個傳感器采集到的最大爆炸壓力上升速率，這是由于爆燃火焰在傳播過程中，化學(xué)反應(yīng)越來越充分，釋放的能量越來越多，因此導(dǎo)致最大爆炸壓力上升速率達(dá)到最高。

圖5 管道爆炸壓力柱狀圖

2.2 多孔材料的影響

將多孔聚丙烯復(fù)合材料分別填充至狹長空間內(nèi)的不同位置，拍攝火焰?zhèn)鞑D像，計(jì)算火焰?zhèn)鞑ニ俣?，采集傳播過程中的爆炸壓力等參數(shù)。當(dāng)材料填充在①、②、③和④位置時，未拍攝到火焰?zhèn)鞑D像，表明火焰沒有穿過多孔材料繼續(xù)傳播，因此多孔聚丙烯復(fù)合材料對甲烷-空氣預(yù)混氣體爆燃火焰在狹長空間內(nèi)的傳播有明顯的抑制作用。

將多孔材料填充至⑤和⑥位置時，甲烷-空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑デ闆r見圖6。

圖6 填充至不同位置火焰?zhèn)鞑デ闆r

觀察圖6可知，與未填充多孔材料相比，火焰亮度明顯降低，火焰形狀的離散現(xiàn)象也更加嚴(yán)重，火焰通過可視窗所需要的時間也明顯增加，表明填充多孔聚丙烯復(fù)合材料對火焰的傳播有抑制作用。

對比圖6a)和b)發(fā)現(xiàn)，左圖中火焰的亮度更低，火焰形狀的離散程度也更為明顯，甚至出現(xiàn)了火焰回流現(xiàn)象，且火焰鋒面穿過可視窗消耗的時間更長。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于多孔材料填充在位置⑤，與可視窗位置相鄰，火焰在可視窗傳播過程中，更快接觸到多孔材料，多孔材料因其結(jié)構(gòu)的特殊性，有分散火焰的作用，降低了火焰的亮度；其次，沖擊波接觸到多孔材料后，產(chǎn)生的反射波也較為凌亂，其與火焰接觸后，造成了火焰形狀的離散現(xiàn)象更為明顯，甚至產(chǎn)生了回流現(xiàn)象，導(dǎo)致火焰的傳播速度更慢。

將多孔聚丙烯復(fù)合材料填充至a)⑤和b)⑥位置時，火焰鋒面位置與傳播速度情況見圖7。

圖7 填充至不同位置火焰鋒面位置與傳播的速度變化

由圖7可知，在傳播初期，火焰鋒面速度均不斷加速，達(dá)到速度的最高值，此階段，反射波對火焰的抑制作用不明顯；隨后火焰鋒面速度不斷下降，直至處于震蕩階段；圖7a)和b)兩圖中，火焰鋒面速度出現(xiàn)了負(fù)值，結(jié)合鋒面位置的變化，表明火焰在傳播過程中出現(xiàn)了回流，即當(dāng)火焰與沖擊波的耦合作用小于抑制作用時，會導(dǎo)致火焰出現(xiàn)回流現(xiàn)象，當(dāng)火焰與沖擊波的耦合作用大于抑制作用時，火焰會沿著正方向傳播，但火焰鋒面速度整體處于震蕩趨勢。圖7a)中火焰鋒面的平均速度為42.55 m/s，最大速度為85.46 m/s，圖7b)中火焰鋒面的平均速度為47.62 m/s，最大速度為99.72 m/s，與未填充多孔材料時火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾?，火焰鋒面的平均速度和最大速度降低的最大幅度分別為72.34%和了64.89%，表明該材料對甲烷-空氣預(yù)混氣體爆燃火焰在狹長空間內(nèi)的傳播有明顯的抑制作用。

將多孔材料填充至不同位置時最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率見圖8。

圖8 不同填充位置的壓力變化

觀察圖8可知，隨著多孔材料的填充位置距離起爆位置越來越遠(yuǎn)，管道內(nèi)的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的整體趨勢也逐漸上升；與圖5相比，填充多孔材料后管道末端的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的最大抑制效果分別85.38%和79.63%，表明多孔材料距離起爆位置越近，對爆炸沖擊波傳播的抑制作用越明顯，管道中的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率也就越低。

2.3 多孔材料對爆燃傳播特性抑制機(jī)制分析

多孔聚丙烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特殊，類似于三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可通過聚丙烯復(fù)合材料的細(xì)絲將內(nèi)部空間分割成若干個小空間，當(dāng)火焰經(jīng)過多孔材料時，會被分散進(jìn)入這些小空間，火焰在內(nèi)部傳播的時候不斷與壁面碰撞，該過程會加速空間內(nèi)部熱量與外界的傳遞，降低熱量的集聚，到達(dá)一定程度后，導(dǎo)致火焰發(fā)生淬熄現(xiàn)象；此外，多孔材料的壁面會消耗大量鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需的自由基，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ブ械幕瘜W(xué)反應(yīng)被抑制，從而達(dá)到阻隔火焰在多孔材料內(nèi)的傳播過程。當(dāng)沖擊波進(jìn)入多孔材料的小空間后，會跟材料內(nèi)部的壁面進(jìn)行碰撞和反射，在不斷的碰撞和反射過程中，沖擊波會消耗大量的能量；此外，由于多孔聚丙烯復(fù)合材料有一定的韌性，具有吸波減震的作用，會抑制沖擊波的發(fā)展和傳播，降低其帶來的爆炸壓力。

多孔聚丙烯復(fù)合材料對甲烷-空氣預(yù)混氣體爆燃火焰在狹長空間內(nèi)傳播的抑制主要分為“冷壁效應(yīng)”和“器壁效應(yīng)”，“冷壁效應(yīng)”通過加快內(nèi)部熱量的流失來抑制火焰的傳播；“器壁效應(yīng)”通過消耗鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的自由基來抑制其傳播。這兩種機(jī)制在耦合作用下，共同抑制了甲烷-空氣預(yù)混氣體爆燃火焰在狹長空間內(nèi)的傳播。

3 結(jié)論

1)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆燃火焰在狹長空間內(nèi)的傳播速度迅速，也會產(chǎn)生較大爆炸壓力。

2)填充多孔材料后，火焰在狹長空間內(nèi)的傳播速度和產(chǎn)生的爆炸壓力有明顯下降趨勢，表明多孔材料對爆燃火焰在狹長空間內(nèi)的傳播有明顯的抑制作用。

3)多孔聚丙烯復(fù)合材料通過加快熱量與外界的傳遞和消耗鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需的自由基達(dá)到對爆燃火焰?zhèn)鞑サ囊种谱饔谩?/p>