填充比對隔爆腔內(nèi)瓦斯爆炸的影響

隨著煤礦機(jī)械化、自動化的快速發(fā)展，隔爆型電氣設(shè)備在煤礦井下的應(yīng)用也越來越廣泛，與之相對應(yīng)，探索更加高效、準(zhǔn)確的設(shè)備檢測檢驗(yàn)技術(shù)也顯得至關(guān)重要，特別是隔爆外殼耐壓試驗(yàn)[1]中如何實(shí)現(xiàn)最嚴(yán)酷的爆炸壓力形成條件是面臨的研究難點(diǎn)之一。隔爆腔內(nèi)布置有不同類型的電氣設(shè)備及部件造成了腔體內(nèi)部不同填充比，而在進(jìn)行外殼型式試驗(yàn)時對腔體內(nèi)部填充比的要求并無明確規(guī)定，因此，研究填充比對隔爆腔內(nèi)瓦斯爆炸的影響，對推進(jìn)檢測檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

隔爆腔內(nèi)的爆炸傳播是一種極其復(fù)雜的過程，爆炸壓力參數(shù)的變化規(guī)律受多種因素的影響[2-5]。周偉鋒[6]基于隔爆外殼爆炸壓力測試系統(tǒng)，針對氣體體積分?jǐn)?shù)、初始壓力、氣體置換、試驗(yàn)工藝孔選擇以及外殼結(jié)構(gòu)等與隔爆外殼爆炸壓力的關(guān)系進(jìn)行了理論分析，提出應(yīng)綜合考慮各影響因素以獲取準(zhǔn)確的參考壓力數(shù)據(jù)；馬云龍[7]針對不同中間孔直徑的圓孔障礙物對隔爆腔內(nèi)爆炸壓力的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出瓦斯爆炸壓力峰值隨中間孔直徑的增大而減小，并得到了壓力上升速率與中間孔直徑的函數(shù)關(guān)系式；陳凡東[8]通過試驗(yàn)探究了接線空腔對隔爆型電動機(jī)主腔爆炸壓力的影響，得到電動機(jī)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)前端蓋點(diǎn)火時接線空腔處爆炸壓力最大；樊小濤等[9]利用典型ⅡC 類隔爆外殼，分別考察了乙炔、氫氣在其內(nèi)部的爆炸過程，發(fā)現(xiàn)乙炔的爆炸壓力大于氫氣，而氫氣的爆炸壓力上升速率大于乙炔；王志榮等[10]等通過對比分析不同尺寸圓柱形容器內(nèi)的甲烷-空氣混合物爆炸，研究管道長度和內(nèi)徑與最大爆炸壓力及最大壓力上升速率之間的關(guān)系，并得到了擬合度達(dá)99.7%的無量綱預(yù)測模型；徐銘[11]采用有限元分析手段對矩形外殼殼體內(nèi)壁加載1 MPa，分析了殼體的應(yīng)力分布和法蘭變形情況。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者對隔爆腔內(nèi)氣體爆炸現(xiàn)象的研究已取得一定進(jìn)展，但研究成果多基于空腔得出，而隔爆腔內(nèi)的爆炸壓力受填充比影響較大。為此，開展了不同隔爆腔內(nèi)填充比條件下的瓦斯爆炸試驗(yàn)研究，為進(jìn)一步研究隔爆腔內(nèi)氣體爆炸特性提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)裝置與內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1。試驗(yàn)裝置主要由隔爆外殼、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、動態(tài)數(shù)值采集與控制系統(tǒng)組成。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental system

其中隔爆主腔尺寸750 mm×750 mm×600 mm，壁厚6 mm，可在保壓1 MPa 時持續(xù)10 s 不發(fā)生影響隔爆性能的變形或損壞，隔爆腔體和箱門通過法蘭由螺栓連接；瓦斯氣源的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為99.9%；點(diǎn)火系統(tǒng)采用電極點(diǎn)火，點(diǎn)火能量為10 J；動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中壓力傳感器采用成都科大勝英科技有限公司的CY400 高頻壓力傳感器（量程0～1 MPa，精度為±0.25%FS），測試系統(tǒng)采用成都泰斯特公司的TST6260 瞬態(tài)信號測試儀配合DAP7.20 測試分析軟件對壓力信號進(jìn)行采集，最高可監(jiān)測16 通道的壓力信號，采樣頻率為100 kHz。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

參照GB/T 3836.2—2021 標(biāo)準(zhǔn)[1]中型式試驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)氣體為體積分?jǐn)?shù)為9.80%±0.50%的甲烷-空氣混合氣體，根據(jù)不同填充比條件下的隔爆腔內(nèi)瓦斯爆炸，共設(shè)置有9 組工況，試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

針對每一種工況，將填充物固定在腔體底部進(jìn)行試驗(yàn)，填充物底部中心與腔體底部中心重合放置，分析不同位置的壓力變化情況。腔體示意圖如圖2，壓力傳感器根據(jù)空間布置位置分別命名為PUL、PLR、PLL、PC、PRU，點(diǎn)火位置位于外殼正面的壁面中央偏左下角。

圖2 腔體示意圖Fig.2 Flameproof chamber

試驗(yàn)開始前檢查裝置的氣密性，檢查完畢后進(jìn)行充氣。試驗(yàn)采用體積配比法進(jìn)行配氣，借助膜式燃?xì)獗砜刂七M(jìn)入隔爆腔體的氣體流量，將瓦斯充入腔體中，擠出腔體內(nèi)原有空氣，配氣完成后開啟循環(huán)泵將腔內(nèi)混合氣體循環(huán)3 min 之后繼續(xù)靜置15 s，使氣體充分混合均勻。試驗(yàn)時初始溫度為298 K，初始壓力為0.102 MPa，對于每種工況試驗(yàn)至少重復(fù)3次以保證可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)結(jié)果

利用隔爆腔內(nèi)瓦斯爆炸壓力試驗(yàn)裝置研究不同填充比條件下各壓力測點(diǎn)的爆炸壓力以及壓力上升速率，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 空腔瓦斯爆炸壓力

隔爆空腔內(nèi)發(fā)生瓦斯爆炸時，空腔內(nèi)爆炸壓力如圖3。

圖3 空腔內(nèi)爆炸壓力Fig.3 Explosion pressure in cavity

從圖3 中可以看出：PLU、PRL、PLL測點(diǎn)的瓦斯爆炸壓力變化趨勢大致相同，壓力均先增大后減小，只有1 個壓力極值，較符合定容爆炸壓力曲線特征，而PC、PRU測點(diǎn)都出現(xiàn)了多個壓力極值；各測點(diǎn)的最大爆炸壓力也各不相同，PLU、PRL、PLL、PC、PRU傳感器的最 大 爆 炸 壓 力 分 別 是0.388、0.401、0.438、0.372、0.547 MPa。

當(dāng)電極點(diǎn)火后火焰呈層流燃燒，爆炸火焰鋒面以圓球形向外擴(kuò)展傳播，火焰鋒面兩側(cè)形成較強(qiáng)壓縮波，當(dāng)火焰到達(dá)隔爆腔體壁面時，火焰形狀會因?yàn)閯傂员诿娴淖璧K而發(fā)生形變，導(dǎo)致火焰面積迅速增大，形成大尺度的湍流，火焰進(jìn)一步向未燃區(qū)域傳播，使得壓縮波與湍流火焰的相互作用進(jìn)一步加強(qiáng)，與點(diǎn)火源處于同一壁面的PLU、PRL測點(diǎn)和距點(diǎn)火源相對較近的PLL測點(diǎn)由于火焰到達(dá)時的湍流程度較低，因此壓力發(fā)展也較為平穩(wěn)，而PC、PRU測點(diǎn)距點(diǎn)火位置相對較遠(yuǎn)，壓縮波到達(dá)壁面后經(jīng)由壁面反射，反射壓縮波抑制火焰的傳播速度導(dǎo)致壓力小幅下降，之后二次反射壓縮波與火焰鋒面相遇，又促進(jìn)壓力上升，導(dǎo)致壓力極值的多次出現(xiàn)。PRU測點(diǎn)處的火焰在碰撞壁面前火焰尺寸也相對較大，火焰湍流程度更強(qiáng)，導(dǎo)致的壓力峰值最大。

2.2 不同填充比瓦斯爆炸壓力

不同填充比隔爆腔內(nèi)爆炸參數(shù)如圖4，不同填充比條件下爆炸參數(shù)見表2。

表2 不同填充比條件下爆炸參數(shù)Table 2 Explosion parameters of different filling ratios

圖4 不同填充比隔爆腔內(nèi)爆炸參數(shù)Fig.4 Explosion parameters of different filling ratios in flameproof chamber

由表2 可知：最大爆炸壓力峰值出現(xiàn)在空腔狀態(tài)時，為0.547 MPa，放置填充物后會降低爆炸壓力峰值，其中填充比為70%時降幅最大，達(dá)到了32%，此時的最大爆炸壓力為0.347 MPa，為PC測點(diǎn)所測得；最大爆炸壓力上升速率隨著隔爆腔內(nèi)填充比的增加而增大，由空腔時的3.612 MPa/s 增大到填充比為80%時的23.798 MPa/s，因?yàn)閷τ谕蝗莘e的隔爆腔，隨著腔內(nèi)填充比的增大，火焰通道變窄，增強(qiáng)了氣體的湍流程度，而填充比越大這種現(xiàn)象越明顯，使更多的氣體在更短的時間內(nèi)被引燃，因此最大爆炸壓力上升速率也隨之變大；但是隨著填充物的加入，爆炸反應(yīng)發(fā)生過程中會伴隨著火焰鋒面與壓縮波與填充物壁面相摩擦而損失一部分熱量從而導(dǎo)致加入填充物后較空腔會使得最大爆炸壓力產(chǎn)生小幅度下降。

由圖4（b）可以看出填充比嚴(yán)重影響隔爆腔內(nèi)瓦斯爆炸的最大壓力上升速率，對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，R2=0.990 3，得到填充比與最大爆炸壓力上升速率成指數(shù)關(guān)系，其擬合函數(shù)如下：

式中：dp/dt 為壓力上升速率，MPa/s；f 為填充比，取值范圍為0～80%。

為進(jìn)一步研究填充比與爆炸壓力之間的關(guān)系，選取填充比為50%時隔爆腔內(nèi)爆炸壓力曲線進(jìn)行分析，50%填充比隔爆腔內(nèi)爆炸壓力如圖5。

從圖5 中可以看出：壓力在極短時間內(nèi)到達(dá)峰值，各測點(diǎn)的壓力曲線均呈鋸齒形變化，這是由于爆炸沖擊波在隔爆腔內(nèi)部的震蕩作用，且隨著腔體內(nèi)部填充比的增大，爆炸沖擊波的震蕩效果更加明顯，壓力曲線高值區(qū)也隨之減??；而隨著填充比的增加，最大爆炸壓力值均處在PC、PRU測點(diǎn)之上，并且2 個測點(diǎn)上的最大爆炸壓力也較為接近。

圖5 50%填充比隔爆腔內(nèi)爆炸壓力Fig.5 Explosion pressure of 50% filling ratio in flameproof chamber

3 結(jié) 語

1）空腔狀態(tài)下隔爆腔內(nèi)的瓦斯爆炸壓力最大，出現(xiàn)在距離點(diǎn)火位置最遠(yuǎn)的PRU測點(diǎn)處，放置填充物后均會低于空腔時的最大爆炸壓力。

2）隨著隔爆腔內(nèi)填充比的增大，爆炸壓力的震蕩效果愈加明顯，填充比與最大爆炸壓力上升速率成指數(shù)關(guān)系。