不同迎爆面結(jié)構(gòu)的泡沫金屬對(duì)甲烷氣體爆炸傳播阻隔性能的實(shí)驗(yàn)研究*

張保勇，崔嘉瑞，陶 金，王亞軍，秦藝峰，魏春榮，張迎新

（黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

甲烷作為一種清潔能源，具有高熱能、綠色環(huán)保、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著氣態(tài)條件下與空氣混合易燃易爆的危險(xiǎn)與隱患。對(duì)于煤礦而言，甲烷是瓦斯的主要成分，作為礦井災(zāi)害之一，瓦斯爆炸會(huì)嚴(yán)重影響從業(yè)人員的生命安全以及對(duì)井下設(shè)備造成嚴(yán)重破壞[1-3]。對(duì)于城市安全與發(fā)展而言，當(dāng)以甲烷為主要成分的天然氣能源在城市人口密集區(qū)發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿蕰r(shí)，會(huì)給社會(huì)造成嚴(yán)重的恐慌。例如：2021 年6 月13 日，湖北省十堰市發(fā)生重大燃?xì)獗ㄊ鹿试斐?6 人死亡，138 人受傷，其中重傷37 人；2021 年10 月24 日，遼寧省大連市瓦房店市發(fā)生燃?xì)忾W爆事故，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了巨大威脅。因此，阻隔爆減災(zāi)技術(shù)是氣體爆炸防治工作的重點(diǎn)[4-7]。

多孔材料[8-11]具有獨(dú)特的物理力學(xué)特性和優(yōu)異的能量吸收性能，被廣泛應(yīng)用于礦井與工程防護(hù)領(lǐng)域。Nie 等[12]發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)可以加速火焰的傳播速度，但火焰的能量會(huì)在穿過金屬網(wǎng)格的過程中有所消耗，因此金屬絲網(wǎng)可有效減少瓦斯爆炸造成的損傷。程方明等[13]通過實(shí)驗(yàn)研究了多孔材料對(duì)氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，發(fā)現(xiàn)多孔材料是導(dǎo)致火焰面破碎以及面積褶皺率增大的直接原因。Duan 等[14]研究了不同孔徑的多孔材料對(duì)氣體爆炸的阻隔爆效果，發(fā)現(xiàn)具有大孔徑的多孔材料能加速火焰不同形式的轉(zhuǎn)變。Grigory 等[15]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同孔徑聚氨酯泡沫對(duì)爆炸沖擊波的阻隔爆性能，并給出了不同孔徑實(shí)驗(yàn)材料對(duì)爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣茸韪粜Ч淖兓?guī)律。Ousji 等[16]通過自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置研究了聚氨酯材料在爆炸載荷下的受力作用和該材料對(duì)爆炸沖擊波的緩沖效果。周尚勇等[17]通過填充金屬絲網(wǎng)進(jìn)行了密閉性爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)能夠有效抑制可燃?xì)怏w的爆炸，并且不同金屬絲網(wǎng)的抑爆效果也有明顯差異。在眾多多孔材料中，泡沫金屬作為一種新型功能材料，具有密度低、比表面積大和熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，近年因其可靠的阻隔爆性能成為研究的熱點(diǎn)[18-20]。Zhuang 等[21]研究了不同性能參數(shù)泡沫金屬對(duì)可燃?xì)怏w爆炸的抵擋作用，發(fā)現(xiàn)不同厚度和孔徑的泡沫金屬對(duì)氣體爆炸有著不同的阻隔爆效果。Wang 等[22]通過自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置研究了不同泡沫金屬材料的阻隔爆性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)泡沫金屬的體密度較高時(shí)，其阻隔爆性能較好，但在爆炸設(shè)備中加入一定量煤塵會(huì)降低泡沫金屬的抑爆性能。Santosa 等[23]通過改變爆炸載荷與泡沫金屬夾芯板的沖擊距離，研究了不同厚度、材料和體密度的泡沫金屬夾芯板的阻隔爆性能，發(fā)現(xiàn)泡沫金屬夾層結(jié)構(gòu)能更有效地吸收爆炸所傳遞的能量，對(duì)爆炸有更好的防護(hù)效果。魏春榮等[24]利用自行設(shè)計(jì)加工的斷面為30 cm×30 cm 方形爆炸實(shí)驗(yàn)管道，對(duì)不同參數(shù)的金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷和泡沫鐵鎳金屬的阻隔爆效果進(jìn)行了對(duì)比。余明高等[25]通過探究超細(xì)水霧與泡沫金屬在協(xié)同作用下對(duì)爆炸超壓的影響，發(fā)現(xiàn)改變材料孔隙度等參數(shù)可以提升實(shí)驗(yàn)材料的阻隔爆效果。

然而，上述研究均采用平整的迎爆面結(jié)構(gòu)，通過篩選不同材料的強(qiáng)度和相關(guān)參數(shù)來評(píng)價(jià)整體材料的阻隔爆性能，對(duì)材料本身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究較少，但材料結(jié)構(gòu)是控制阻隔爆效果的關(guān)鍵因素。因此，本文中，通過加工泡沫金屬迎爆面來增大泡沫金屬迎爆面與爆炸沖擊波和火焰的接觸面積，利用爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟鹊葏?shù)來研究不同迎爆面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的泡沫金屬的阻隔爆性能，以期為工程防爆設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為泡沫鐵鎳合金，孔隙密度為30 PPI (pores per inch)，體密度為0.4～0.5 g/cm3，拉伸強(qiáng)度不低于50 MPa，抗壓強(qiáng)度不低于250 kPa（材料壓縮應(yīng)變?yōu)?.5 時(shí)的應(yīng)力值）。如圖1 所示，泡沫鐵鎳合金試樣由前后面板兩部分組成，試樣材料整體側(cè)視圖拍攝時(shí)利用臺(tái)鉗進(jìn)行固定。對(duì)前面板，在實(shí)驗(yàn)前通過線切割的方法，將厚度為20 mm 的實(shí)驗(yàn)材料在基礎(chǔ)厚度為15 mm 的前提下，在迎爆面制備成厚度均為5 mm、角度分別為30°、60°、90°的鋸齒形波紋。后面板厚度統(tǒng)一為10 mm，用于比較前面板的防護(hù)性能。實(shí)驗(yàn)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示，實(shí)驗(yàn)1 作為參考實(shí)驗(yàn)，前面板基礎(chǔ)厚度為15 mm 并且未在其迎爆面進(jìn)行處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)材料Fig.1 Experimental materials

表1 實(shí)驗(yàn)材料迎爆面設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of the blast front for the experimental material

1.2 設(shè)備

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示，由點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、爆炸腔體、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和爆炸擴(kuò)散管路5 個(gè)部分組成。爆炸腔體為長(zhǎng)度1 600 mm、外徑300 mm 的空心柱體，容積為109 dm3，用于存儲(chǔ)甲烷混合氣并進(jìn)行點(diǎn)火。爆炸腔體末端由直徑300 mm、厚度40 mm 的圓形鋼板焊接密封，在圓形鋼板中心處留有直徑118 mm 的圓孔與后端擴(kuò)散管路進(jìn)行連接。爆炸腔體末端與擴(kuò)散管路連接處裝有厚度為0.3 mm、破膜壓力為90 kPa 的聚四氟乙烯薄膜封閉，并在夾持器邊緣由橡膠圈進(jìn)行密封，用來確保腔體內(nèi)部的密封性。配氣系統(tǒng)主要設(shè)備為真空泵，在常溫常壓條件下由真空泵將爆炸腔體部分空氣抽出，使腔體形成一個(gè)相對(duì)負(fù)壓狀態(tài)，所需可燃?xì)怏w在此狀態(tài)下被填充到爆炸腔體中，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所需充入純度99.99%的甲烷氣體制備甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣混合氣體。在爆炸腔體前端裝配有點(diǎn)火電壓為220 V、點(diǎn)火能量為440 J 的電火花發(fā)生器，點(diǎn)火電極由末端點(diǎn)火系統(tǒng)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離充能與點(diǎn)火。本實(shí)驗(yàn)爆炸腔體的后端連有擴(kuò)散管路，管路內(nèi)徑為118 mm，由3 段單管長(zhǎng)度為2.2 m 的空心鋼管拼接而成，爆炸擴(kuò)散管路總長(zhǎng)度為6.6 m。

在實(shí)驗(yàn)管道的不同位置上安裝火焰?zhèn)鞲衅鳎‵1～F6）、壓力傳感器（P1～P6）和溫度傳感器（T1～T3），如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)中壓力傳感器型號(hào)為CT100T，量程為0～2 MPa；火焰?zhèn)鞲衅餍吞?hào)為CKG100，響應(yīng)光譜為450～980 nm；溫度傳感器型號(hào)為C2 快響應(yīng)溫度熱電偶，量程為0～2 500 ℃；以上3 種傳感器的響應(yīng)時(shí)間均小于100 μs。泡沫金屬安裝在材料夾持器中，位于火焰?zhèn)鞲衅鱂5～F6 以及壓力傳感器P5～P6 之間，到火焰?zhèn)鞲衅鱂5 的距離為0.15 m。數(shù)據(jù)采集采用TST6300 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集對(duì)象為火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈ǔ瑝汉突鹧鏈囟龋瑪?shù)據(jù)采樣頻率為100 kHz，采集方式為內(nèi)觸發(fā)，記錄時(shí)間從觸發(fā)點(diǎn)火開始，整個(gè)記錄過程小于2 s。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Experimental equipment

1.3 方案

采用圖2 所示的爆炸管網(wǎng)設(shè)備，通過氣體爆炸的方式來測(cè)試不同迎爆面結(jié)構(gòu)材料的阻隔爆性能。

首先，清理爆炸腔體和爆炸管網(wǎng)，將爆炸腔體與隔爆膜夾持器連接處用厚度為0.3 mm 的薄膜密封，并在隔爆膜夾持器周圍用密封膠圈對(duì)夾持器邊緣進(jìn)行封閉。然后，在爆炸腔體中充入一定體積的甲烷氣體，使腔體內(nèi)部充滿甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣混合氣體后進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)。在正式實(shí)驗(yàn)前，需要進(jìn)行無材料阻隔爆的空管實(shí)驗(yàn)。最后，將實(shí)驗(yàn)材料安裝在距爆炸腔體4.4 m 處的管道中進(jìn)行阻隔爆實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各測(cè)點(diǎn)不同傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以便觀察不同實(shí)驗(yàn)材料對(duì)火焰溫度傳播的阻滯變化、實(shí)驗(yàn)材料前后爆炸超壓變化及管道中火焰?zhèn)鞑サ淖兓?，作為判斷材料阻隔爆性能的指?biāo)。

主要通過對(duì)爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟? 個(gè)方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)材料對(duì)爆炸超壓等參數(shù)的抑制作用。關(guān)于爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约盎鹧鏈囟认嚓P(guān)公式[26-27]如式(1)～(5)所示。

實(shí)驗(yàn)材料對(duì)爆炸超壓的阻滯效果可通過超壓下降速率 dp/dt和超壓衰減率 ζ 進(jìn)行對(duì)比：

式中：pmax為實(shí)驗(yàn)材料前端道內(nèi)出現(xiàn)的最大超壓，pi為爆炸條件下實(shí)驗(yàn)材料后端的最大爆炸超壓。

實(shí)驗(yàn)材料對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖铚Ч?，可通過火焰?zhèn)鞑ニ俣人p率μ進(jìn)行對(duì)比：

式中：Δv為實(shí)驗(yàn)材料前后的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔?，vmax為實(shí)驗(yàn)材料迎爆面前端火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲笾怠?/p>

實(shí)驗(yàn)材料對(duì)火焰溫度的阻滯效果，可通過火焰溫度的衰減率η 進(jìn)行對(duì)比：

式中：Tmax為實(shí)驗(yàn)材料前端的最高溫度，Ti為實(shí)驗(yàn)材料后端出現(xiàn)的最高溫度。

實(shí)驗(yàn)材料的整體防護(hù)效果可通過熄爆參數(shù) Θ 進(jìn)行對(duì)比：

2 阻隔效果分析

2.1 爆炸超壓

圖3 給出了不同迎爆面前后爆炸超壓-距離數(shù)據(jù)。由圖3 可知，當(dāng)迎爆面表面為鋸齒波紋時(shí)，實(shí)驗(yàn)材料對(duì)爆炸超壓的阻滯效果要好于平整迎爆面實(shí)驗(yàn)。鋸齒形迎爆面爆炸超壓衰減率分別為74.0%（實(shí)驗(yàn)2）、71.3%（實(shí)驗(yàn)3）、30.4%（實(shí)驗(yàn)4），均高于平整迎爆面的爆炸超壓衰減率（11.2%）。壓力傳感器P5 之前，空管實(shí)驗(yàn)與泡沫金屬實(shí)驗(yàn)體系爆炸超壓差別較小。而壓力傳感器P5～P6 位置處，空管實(shí)驗(yàn)與泡沫金屬實(shí)驗(yàn)體系爆炸超壓差別較大，這是由于泡沫金屬在阻隔爆的過程中起到相對(duì)密封作用，導(dǎo)致了泡沫金屬前后端爆炸超壓波動(dòng)較大。

圖3 爆炸超壓隨傳播距離的變化Fig.3 Explosive overpressure varied with propagation distance

鋸齒角度越小，鋸齒形迎爆面對(duì)爆炸超壓阻隔效果越好。當(dāng)鋸齒角度由90°減小至30°，爆炸超壓衰減率由30.4%升高至74.0%。此外，爆炸實(shí)驗(yàn)之后，僅鋸齒角度最小的實(shí)驗(yàn)2 泡沫金屬未破壞，保持材料完整。分析認(rèn)為，在相同鋸齒厚度條件下，鋸齒角度越小，鋸齒數(shù)量越多，爆炸沖擊波與迎爆面接觸面積越大，爆炸沖擊波經(jīng)過泡沫金屬迎爆面時(shí)衰減越大，鋸齒形迎爆面泡沫金屬對(duì)爆炸超壓阻隔爆效果就越好。

不同結(jié)構(gòu)迎爆面前后爆炸超壓的演化如圖4 所示，由圖數(shù)據(jù)分析可得，實(shí)驗(yàn)1 中（見圖4(a)）爆炸超壓下降速率為4.12 MPa/s，當(dāng)迎爆面鋸齒角度由30°增大到90°時(shí)，實(shí)驗(yàn)2（圖4(b)）～4（圖4(d)）爆炸超壓下降速率依次為30.76、54.53 和26.18 MPa/s。實(shí)驗(yàn)2（圖4(b)）與實(shí)驗(yàn)3（圖4(c)）爆炸超壓下降速率較大，這是由于材料在阻隔爆的過程中出現(xiàn)爆炸超壓在短時(shí)間內(nèi)上升導(dǎo)致的。在實(shí)驗(yàn)過程中，90°鋸齒材料爆炸超壓積聚時(shí)間相較于30°和60°有所增長(zhǎng)，爆炸超壓上升速率減緩，導(dǎo)致迎爆面前端傳感器檢測(cè)到爆炸超壓數(shù)值較小。在爆炸超壓沖擊的過程中90°材料被破壞，材料末端爆炸超壓下降幅度不大，相較于30°和60°而言防護(hù)效果較差。

圖4 不同鋸齒角度對(duì)爆炸超壓的影響Fig.4 Effect of different zigzag angles on explosion overpressure

2.2 火焰?zhèn)鞑?/h3>

火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c傳播距離的關(guān)系如圖5 所示，由圖可知，鋸齒迎爆面實(shí)驗(yàn)材料對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖铚ЧS著鋸齒角度的減小而增大。前期火焰?zhèn)鞑ニ俣染S著傳播距離的增加而上升，這是由于在火焰?zhèn)鞑コ跗谖赐ㄟ^泡沫金屬材料時(shí)火焰速度整體傳播趨勢(shì)與空管實(shí)驗(yàn)相差不大，均隨著傳播距離的增加而遞增。當(dāng)火焰經(jīng)過實(shí)驗(yàn)材料時(shí)傳播速度有所下降，結(jié)合圖6 可知參考實(shí)驗(yàn)對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣纫种菩Ч畈睢Ｔ诹硗? 組實(shí)驗(yàn)中，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆捣热Q于迎爆面鋸齒角度的大小，角度越小，材料整體對(duì)火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч胶谩Ｔ趯?shí)驗(yàn)1～4 中，迎爆面后端傳感器檢測(cè)到的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫来螢?21.15、65.28、105.46 和201.59 m/s，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆捣纫来螢?5.00、216.27、216.01 和67.36 m/s。泡沫金屬由于本身的多孔性結(jié)構(gòu)特征，在爆炸火焰通過材料時(shí)能將其劃分為若干細(xì)小部分，并快速的傳導(dǎo)和吸收火焰熱量，降低火焰?zhèn)鞑ニ俣龋_(dá)到阻滯傳播的效果。通過改變迎爆面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以提高材料與火焰整體的接觸面積，起到更好的阻隔火焰的效果。結(jié)合圖3 和圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，氣體在爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c超壓之間成正關(guān)系，這與林柏泉[28]的研究結(jié)果一致。

通過圖5 中不同迎爆面火焰?zhèn)鞑ニ俣?傳播距離關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，材料前后端火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據(jù)誤差相比于其他位置數(shù)據(jù)誤差較大，說明在材料前后端火焰?zhèn)鞑ニ俣炔环€(wěn)定。這是由于火焰通過實(shí)驗(yàn)材料時(shí)出現(xiàn)阻滯作用而造成的。

圖5 火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c傳播距離的關(guān)系Fig.5 Relation of flame propagation velocity with propagation distance

實(shí)驗(yàn)材料對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч鐖D6 所示，由圖可知，在爆炸發(fā)生過程中實(shí)驗(yàn)材料迎爆面后端火焰?zhèn)鞑ニ俣染兴陆担p率為13.67%～76.18%。其中，實(shí)驗(yàn)1 作為參考實(shí)驗(yàn)迎爆面前后火焰?zhèn)鞑ニ俣人p率為13.67%，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?56.15 m/s，對(duì)爆炸火焰?zhèn)鬟f阻滯效果最差。實(shí)驗(yàn)2 迎爆面前后火焰?zhèn)鞑ニ俣人p率為76.18%，最大火焰?zhèn)鬟f速度為281.56 m/s，對(duì)爆炸火焰?zhèn)鬟f阻滯效果最好。實(shí)驗(yàn)3 的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葘?shí)驗(yàn)4 的更大，分別為321.48 和268.95 m/s，并且實(shí)驗(yàn)3 比實(shí)驗(yàn)4 迎爆面前后火焰?zhèn)鞑ニ俣人p率更高，分別為67.19%和25.04%。這說明，在火焰沖擊作用下實(shí)驗(yàn)2 和實(shí)驗(yàn)3 中實(shí)驗(yàn)材料的防護(hù)效果要優(yōu)于實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)4 中的。

圖6 火焰?zhèn)鞑ニ俣纫种菩Ч鸉ig.6 Flame velocity suppression effect

2.3 火焰溫度

不同結(jié)構(gòu)迎爆面前后火焰溫度隨火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的變化如圖7 所示，火焰溫度傳播趨勢(shì)整體與爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗨?，火焰溫度的下降幅度隨著迎爆面鋸齒角度的減小而增大。實(shí)驗(yàn)1～4 中材料迎爆面后端檢測(cè)的溫度依次為423.52、96.11、235.09 和453.78 ℃，火焰溫度下降幅度依次為643.90、1 094.93、839.67 和560.78 ℃，溫度衰減率依次為60.23%、91.93%、78.13%和55.27%。

圖7 火焰溫度隨火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的變化Fig.7 Relation of flame temperature with flame propagation distance

通過數(shù)據(jù)對(duì)比可知，實(shí)驗(yàn)2 中實(shí)驗(yàn)材料對(duì)火焰溫度的阻隔性能優(yōu)于其他3 組實(shí)驗(yàn)中的，實(shí)驗(yàn)3 和實(shí)驗(yàn)4 中的實(shí)驗(yàn)材料對(duì)火焰溫度的阻隔性能次之，實(shí)驗(yàn)1 中實(shí)驗(yàn)材料對(duì)火焰溫度的阻隔性能最差。分析認(rèn)為，泡沫金屬具有良好的熱傳導(dǎo)及熱吸收性能，可迅速傳導(dǎo)和吸收燃燒釋放的絕大部分熱量?；诖?，通過鋸齒結(jié)構(gòu)來改變材料迎爆面整體結(jié)構(gòu)，使金屬材料在良好導(dǎo)熱性能的基礎(chǔ)上，讓溫度能分布更均勻，并且迎爆面鋸齒角度越小，材料后端溫度傳感器檢測(cè)到的溫度越低、火焰溫度下降幅度越大、衰減率越高和對(duì)爆炸火焰溫度傳播的阻礙效果越好。

圖8 給出了不同迎爆面熄爆參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比，根據(jù)熄爆參數(shù)的定量評(píng)估結(jié)果[29]，當(dāng)爆炸超壓超過0.65 MPa 時(shí)，氣體爆炸會(huì)完全破壞巷道設(shè)備，火焰溫度超過595 ℃時(shí)，瓦斯會(huì)被火源引爆。通過計(jì)算得出，當(dāng)熄爆參數(shù)低于390 MPa·℃時(shí)，人與設(shè)備處于相對(duì)安全界限內(nèi)，并且熄爆參數(shù)越低則表明防護(hù)效果越好。在氣體阻隔爆實(shí)驗(yàn)過程中，鋸齒角度越小，對(duì)氣體爆炸的阻隔效果越好。實(shí)驗(yàn)2 中材料后端熄爆參數(shù)為17.68 MPa·℃，阻隔爆效果最好。實(shí)驗(yàn)1 中材料后端熄爆參數(shù)為174.69 MPa·℃，阻隔爆效果最差。其中，實(shí)驗(yàn)2～4 中材料前后端熄爆參數(shù)分別下降828.77、1 479.01 和334.20 MPa·℃，這表明材料在爆炸過程中均起到保護(hù)作用。

圖8 熄爆參數(shù)Fig.8 Quenching parameters

2.4 不同結(jié)構(gòu)迎爆面

通過實(shí)驗(yàn)研究，得到了不同結(jié)構(gòu)迎爆面的阻隔爆效果，如圖9 所示。當(dāng)爆炸沖擊波和火焰與迎爆面接觸時(shí)，鋸齒形迎爆面會(huì)將火焰分化為多股細(xì)小火焰，使得火焰鋒面不能連續(xù)。此外，由于鋸齒狀迎爆面相較于平整迎爆面，有更大的接觸面積，在爆炸沖擊波和火焰更深入地進(jìn)入泡沫金屬的過程中，泡沫金屬材料本身具有細(xì)小的多孔孔隙結(jié)構(gòu)，因此火焰和沖擊波被不同的孔隙結(jié)構(gòu)弱化成若干的細(xì)小部分。在此期間，爆炸沖擊波和火焰在此區(qū)域內(nèi)大幅集中，并在進(jìn)入泡沫金屬內(nèi)部的過程中造成形變或在壁面處產(chǎn)生能量的反射和散射作用，從而起到材料阻隔爆的效果?；鹧婧蜎_擊波通過材料粗糙孔隙時(shí)造成的阻力以及與孔壁的碰撞和摩擦，導(dǎo)致參加燃燒反應(yīng)的自由基數(shù)量急劇減少，削弱了整體爆炸反應(yīng)強(qiáng)度[30]。

圖9 不同迎爆面的阻隔爆效果Fig.9 Effect of blocking explosion of different surfaces

另外，劉慶剛等[31]研究了不同角度V 形缺口對(duì)集中應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)角度與集中應(yīng)力呈正相關(guān)。爆炸沖擊波和火焰向迎爆面鋸齒內(nèi)部深入，會(huì)在鋸齒深處切點(diǎn)形成應(yīng)力集中區(qū)域。鋸齒形缺口（V 形缺口）在迎爆面底部尖端處的應(yīng)力集中程度較高，并且鋸齒底部角度越大，即在鋸齒邊緣兩端的過渡半徑越大，會(huì)導(dǎo)致在該區(qū)域范圍內(nèi)的應(yīng)力集中系數(shù)也會(huì)相應(yīng)越大。這就會(huì)造成更多的應(yīng)力集中在鋸齒底部。在相同鋸齒切入深度和相同材料厚度的條件下，不同鋸齒形迎爆面實(shí)驗(yàn)材料隨著鋸齒角度的減小和鋸齒齒數(shù)的增多，迎爆面與爆炸沖擊波接觸的面積越大，相同外在應(yīng)力條件下作用在迎爆面和材料內(nèi)部的應(yīng)力越分散，進(jìn)一步促進(jìn)泡沫金屬整體阻隔爆效果的提升。

3 結(jié) 論

通過自主設(shè)計(jì)的爆炸管網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了不同角度的鋸齒形迎爆面泡沫金屬對(duì)氣體爆炸阻隔爆性能的影響，得到如下結(jié)論。

(1)在泡沫金屬外側(cè)添加鋸齒形迎爆面，能有效提高材料的阻隔爆性能。相較于平整迎爆面實(shí)驗(yàn)材料，鋸齒形迎爆面泡沫金屬在爆炸超壓、火焰速度和傳播溫度的衰減率以及熄爆參數(shù)等方面均有不同程度的改善。

(2)隨著鋸齒角度變小，泡沫金屬材料整體的阻隔爆效果會(huì)有所提升。超壓衰減率、火焰?zhèn)鞑ニ俣人p率和火焰溫度衰減率會(huì)隨著鋸齒角度的減小而提高，其中實(shí)驗(yàn)2 中爆炸超壓衰減率、火焰?zhèn)鞑ニ俣人p率和火焰溫度衰減率分別為74.0%、76.18%和91.93%，阻隔爆效果最好。

(3)減小泡沫金屬迎爆面鋸齒角度，可以有效降低材料后端熄爆參數(shù)。實(shí)驗(yàn)2 中材料后端熄爆參數(shù)為17.63 MPa·℃，熄爆參數(shù)最低。