高溫高壓條件下可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比研究

任常興 蔣樂章 王玥 張網(wǎng) 張欣 郭歌

摘 要：可燃?xì)怏w（蒸氣）爆炸極限是表征其燃燒爆炸可能性的重要參數(shù)之一，也是安全預(yù)警閾值設(shè)定的主要依據(jù)，高溫高壓下爆炸極限測(cè)定與常溫常壓下有較大差異。本文從測(cè)定范圍、測(cè)定裝置、測(cè)定原理、點(diǎn)火方式、判定依據(jù)等方面對(duì)比分析了國內(nèi)外爆炸極限的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)比較了高溫高壓條件下爆炸現(xiàn)象的判定標(biāo)準(zhǔn)及方法。該研究對(duì)高溫高壓下爆炸極限的測(cè)定及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制修訂具有重要意義。

關(guān)鍵詞：爆炸極限，可燃?xì)怏w，高溫高壓，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，爆炸標(biāo)準(zhǔn)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2023.02.012

1 引 言

爆炸極限是表征可燃性氣體（蒸氣）燃燒爆炸特性的重要參數(shù)之一，也是爆炸性氣體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)設(shè)定的主要依據(jù)。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者多聚焦在常溫常壓下可燃?xì)怏w的爆炸極限研究， 針對(duì)高溫高壓條件下可燃?xì)怏w的爆炸極限研究相對(duì)較少。張欣等[1，2]開展了5L、20L球式和管式爆炸極限測(cè)定裝置和判定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比研究，張小良等[3]分析了國內(nèi)外爆炸極限測(cè)試裝置的研究現(xiàn)狀，大部分裝置適用于常壓或低壓條件下的爆炸極限， 不能開展高溫高壓條件下可燃性氣體爆炸極限測(cè)試，并自行設(shè)計(jì)了1.5L柱狀耐10.0MPa爆炸極限實(shí)驗(yàn)裝置。劉欣等[4]實(shí)驗(yàn)研究了采油現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w混合物在4 0℃～6 0℃和1MPa～10MPa下的爆炸極限，喻健良等[5 ]采用20L球形爆炸實(shí)驗(yàn)裝置研究了高溫高壓下CO2和N2對(duì)可燃?xì)獗O限的影響，上述研究均表明高溫高壓試驗(yàn)條件對(duì)可燃?xì)怏w的爆炸上限影響較大。CravenA D等[ 6 ]研究了8 0℃、12 0℃和15 0℃溫度條件下0.9MPa～3.5MPa壓力范圍內(nèi)典型可燃?xì)怏w的爆炸極限，B.Vanderstraeten等[7 ]進(jìn)一步研究了20 0℃以下5.5MPa壓力條件下甲烷混合氣體的爆炸極限。

注空氣采油過程中在地層高溫高壓環(huán)境下形成的可燃混合氣易引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故[4]，化工生產(chǎn)工藝過程也存在大量高溫高壓條件可燃性氣體（蒸氣）聚集的場(chǎng)所或容器，如：2019年廣西“10·15”樹脂合成反應(yīng)釜爆炸事故，2018年宜賓“7·12”咪草煙反應(yīng)釜爆炸等。此外，近年來儲(chǔ)能火災(zāi)爆炸事故頻發(fā)，如：“4.16”北京儲(chǔ)能電站火災(zāi)爆炸事故，美國UL 9540A《標(biāo)準(zhǔn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控的測(cè)試方法》[8]要求測(cè)定高溫高壓條件下的鋰電池?zé)崾Э貧怏w的爆炸極限?？梢?，高溫高壓條件下可燃?xì)怏w爆炸極限的測(cè)定非常必要，對(duì)準(zhǔn)確識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)、科學(xué)選擇監(jiān)測(cè)監(jiān)控儀表、合理采用惰化抑爆等安全措施具有重要意義。由于高溫高壓條件下可燃性氣體或蒸氣的爆炸極限測(cè)定較常溫常壓下具有相當(dāng)大的差異，現(xiàn)有常壓下爆炸極限測(cè)定裝置及測(cè)定方法無法滿足測(cè)定要求，且點(diǎn)火方式、判定依據(jù)等完全不同，有必要進(jìn)一步規(guī)范高溫高壓條件下爆炸極限的測(cè)定裝置、測(cè)定方法，尤其是爆炸現(xiàn)象的判定依據(jù)。

2 測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

可燃?xì)怏w（蒸氣）爆炸極限是表征其爆炸可能性濃度范圍的重要參數(shù)，通常是在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件下進(jìn)行測(cè)定，與氣體混合的均勻性、點(diǎn)火方式及能量范圍、爆炸容器的幾何形狀和尺寸等因素有關(guān)。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法引燃可燃?xì)怏w（蒸氣）和空氣混合氣后，即使未形成火焰?zhèn)鞑?，也不能完全認(rèn)為該混合氣不會(huì)發(fā)生爆炸，通常所測(cè)定的爆炸極限并非氣體的固有屬性，與實(shí)際爆炸環(huán)境密切相關(guān)。爆炸極限可用于可燃?xì)怏w危險(xiǎn)性分類，爆炸性環(huán)境允許可燃?xì)怏w濃度及預(yù)警閾值的確定、通風(fēng)和供熱系統(tǒng)計(jì)算以及受限空間作業(yè)、動(dòng)火作業(yè)時(shí)安全濃度的確定等。可燃?xì)怏w爆炸極限是建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范中生產(chǎn)和儲(chǔ)存物品的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類的重要依據(jù)，也是石油化工可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)關(guān)鍵判定閾值。

關(guān)于爆炸極限的術(shù)語定義和說法不盡相同。我國GB/ T 12 474《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)定義可燃?xì)怏w和空氣組成的混合氣遇火源即能發(fā)生爆炸的可燃?xì)怏w最低濃度為爆炸下限（lower explosion limit，LEL），最高濃度為爆炸上限（upper explosion limit，UEL） [9]，爆炸現(xiàn)象的判定以火焰?zhèn)鞑デ闆r判定。GB/ T 27862-2011《化學(xué)品危險(xiǎn)性分類實(shí)驗(yàn)方法氣體和氣體混合物燃燒潛力和氧化能力》定義與空氣的均勻混合物在火焰剛剛開始傳播時(shí)的氣體或氣體混合物的最低濃度為空氣中可燃下限（lower flammability limit，LFL），最大濃度為可燃上限（upper f lammability limit，UFL），可燃低限與高限值之間的濃度范圍稱為“可燃范圍”，也被稱為“爆炸范圍” [10]。GB/ T 218 4 4《化合物（蒸氣和氣體）易燃性濃度限值的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法》定義為在測(cè)試條件下能使火焰在可燃物和氣態(tài)氧化劑的均相混合物中傳播的最小可燃物濃度為燃燒下限濃度（lower limit of flammability orlower f lammable limit，LFL），最大可燃物濃度為燃燒上限濃度（upper limit of flammability or upperf lammable limit，UFL）。筆者認(rèn)為，廣義上講爆炸上限和爆炸下限測(cè)定時(shí)混合氣體呈現(xiàn)燃燒狀態(tài)，以火焰?zhèn)鞑シ绞?、初始?jí)毫驕囟忍嵘颗卸ǎc可燃范圍、易燃性濃度限值等是一樣的，建議統(tǒng)稱為“爆炸極限”。

對(duì)于常溫常壓下可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 12474[9]、EN 1839[10]等，高溫常壓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 21844[9]、ASTM E681[9]和EN 1839[9]等；高溫高壓下爆炸極限測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)主要是ASTM E918[9]，歐盟標(biāo)準(zhǔn)給出了高溫高壓條件下爆炸極限的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)草案prEN 17624[10]，我國相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)正在制定中。國內(nèi)外可燃?xì)怏w（蒸氣）爆炸極限的主要測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)件見表1。

2.1 測(cè)定范圍

從爆炸極限標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定范圍來看，常壓下空氣中爆炸極限測(cè)定（GB/T 12474、GB/T 27262、USBM、ISO 10156）沒有給出溫度范圍，通常可以測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下室溫至50℃可燃?xì)怏w的爆炸極限。歐盟防爆指令2014/34（ATEX）涉及爆炸性氣體環(huán)境中可燃?xì)怏w和空氣混合物的壓力范圍為0.0008MPa和0.0 011MPa，溫度范圍為-20℃至6 0℃，因此常壓條件下低溫條件爆炸極限測(cè)定也十分必要。從初始溫度條件來看，可分為3個(gè)范圍：室溫至150℃（GB/T 21844、ASTM E 681）、室溫至200℃（DIN51649、EN 1829、ASTM E 918）和室溫至400℃。目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)初始溫度要求均在20 0℃以下，可滿足大部分工藝條件爆炸性氣體環(huán)境測(cè)試要求。從初始?jí)毫l件來看，目前現(xiàn)行ASTM E 918標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)1.38MPa，其余標(biāo)準(zhǔn)均為常壓條件下測(cè)定。歐盟標(biāo)準(zhǔn)草案EN 1762 4，初始溫度提升至4 0 0 ℃，初始?jí)毫Γ╬i）提升至10.0MPa且分為0.1MPa≤pi＜0.5Ma、0.5MPa≤pi＜5.0Ma和pi≥5.0MPa，主要是測(cè)定表征初始溫度和初始?jí)毫?duì)爆炸上限的顯著影響。

2.2 測(cè)定裝置

爆炸極限的測(cè)定裝置從容器形狀來看，可以分為管式裝置（T）和球式裝置（B，含圓柱形）。管式測(cè)試裝置如：GB/T 12474、GB/T 27262、USBM、DIN 51649等，球式裝置可為球形不銹鋼爆炸罐、圓柱形容器（長徑比1至1. 5）以及短環(huán)頸瓶等。從測(cè)試裝置容積來看，從1L、3L、5L、10L、12L、16L、20L和1000L不等，GB/T 12474、GB/T 21844、USBM法、ASTM E 681、DIN 51649和prEN 17624等規(guī)定了容器容積，GB/T 27262、ASTM E 918、EN1839等給出了最小容積限定，尤其是歐盟EN 1839標(biāo)準(zhǔn)要求球形或圓柱形體積不低于5L。由于爆炸容器表面冷卻和焠熄效應(yīng)，測(cè)試裝置容器不可過?。ㄍǔ２坏陀?L），同時(shí)考慮高溫高壓初始條件下爆炸的危險(xiǎn)性，初始?jí)毫υ礁咴綉?yīng)避免容器過小。對(duì)于高溫高壓初始條件下測(cè)定，prEN 1762 4草案對(duì)于初始?jí)毫?.5MPa≤pi＜5.0Ma時(shí)，測(cè)定容器不小于3.0L，初始?jí)毫i≥5.0MPa時(shí)測(cè)試容器不小于1.0L，ASTM E 918也要求不小于1.0L。筆者建議采用5L、12L和20L測(cè)試裝置，目前國內(nèi)比較常用，也便于相關(guān)測(cè)定數(shù)據(jù)比對(duì)。此外，建議測(cè)定裝置和安裝在爆炸容器上的附件，如：閥門、點(diǎn)火器、壓力和溫度傳感器等應(yīng)能夠承受不低于15倍初始?jí)毫Φ淖畲蟪瑝?；若測(cè)定氧化能力高于空氣的氧化劑混合物，則測(cè)試容器和設(shè)備應(yīng)能承受不低于30倍于初始?jí)毫Φ淖畲蟪瑝骸?/p>

2.3 測(cè)定原理

在給定的初始溫度和初始?jí)毫l件下，將一定體積分?jǐn)?shù)的可燃?xì)怏w（蒸氣）與空氣預(yù)先混合于爆炸反應(yīng)容器內(nèi)，以電火花或電熱絲等點(diǎn)火器引燃，通過判斷是否發(fā)生爆炸現(xiàn)象，系統(tǒng)地改變可燃?xì)怏w（蒸氣）的濃度直至測(cè)得發(fā)生爆炸的最低、最高濃度。對(duì)于可燃?xì)怏w充入通常采用分壓法進(jìn)行配氣，高溫高壓條件下可燃?xì)怏w充入理論上分壓法不適用，通常先測(cè)定常溫常壓下的爆炸極限，然后逐步升溫升壓，建議升溫級(jí)差應(yīng)不大于50 ℃，升壓級(jí)差應(yīng)不大于0.1MPa。

2.4 點(diǎn)火方式

高溫高壓條件下的點(diǎn)火裝置通常要求比常溫常壓下的性能高，一些普通點(diǎn)火源在高溫高壓條件下較難引燃可燃?xì)怏w混合物，通常采用高能電火花或高溫?zé)峤z引燃，且其引燃能量足夠引燃可燃?xì)怏w，并對(duì)混合氣體爆炸壓力的提升作用影響不大，以免影響爆炸現(xiàn)象的判定。

點(diǎn)火裝置推薦采用電火花、電熔絲或高溫?zé)峤z等引燃。高溫高壓條件下爆炸極限測(cè)定往往出現(xiàn)普通點(diǎn)火花引不燃現(xiàn)象，與電離空氣的密度有關(guān)，需要較高的能量。目前點(diǎn)火源能量不好標(biāo)定，按電點(diǎn)火源電流和電壓等計(jì)算確定的能量并非全部貢獻(xiàn)于引燃爆炸性混合氣體，且不確定性較大，不易給出點(diǎn)火源能量范圍，且能量過大對(duì)爆炸現(xiàn)象判定有影響。高溫高壓條件下爆炸現(xiàn)象識(shí)別通常以初始爆炸壓力提升量來判定，點(diǎn)火源不可對(duì)初始?jí)毫μ嵘控暙I(xiàn)過大，否則在壓力提升量判定中應(yīng)減去點(diǎn)火源本身的貢獻(xiàn)量。目前涉及高溫或高壓狀態(tài)爆炸極限測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)，常壓高溫ASTM E 681和GB/T 21844推薦采用電火花（間隙6～10mm）、高壓電弧（6mm間隙，30mA）或化學(xué)點(diǎn)火，EN 1839推薦采用高壓電火花（持續(xù)0.2s）或電熔絲，ASTM E918推薦N-12Y火花塞，prEN 17624推薦采用電火花、電熔絲、熔爆橋絲等。筆者認(rèn)為不應(yīng)限制點(diǎn)火源類型，可對(duì)點(diǎn)火源初始?jí)毫ω暙I(xiàn)量進(jìn)行限制，或者初始?jí)毫μ嵘恐袦p去點(diǎn)火源引起的壓力增量。高溫高壓下點(diǎn)火源的選擇是一個(gè)復(fù)雜問題，對(duì)爆炸現(xiàn)象本身判定又影響比較大，在測(cè)試裝置調(diào)試過程中需要不斷改進(jìn)和完善。

2.5 判定依據(jù)

爆炸現(xiàn)象判定的重要依據(jù)是火焰?zhèn)鞑?，常溫常壓下爆炸極限測(cè)定方法如：GB/T 12474以目測(cè)火焰?zhèn)鞑デ闆r來判定；對(duì)于常壓高溫爆炸極限測(cè)定，我國GB/T 21844和美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 681均采用目測(cè)或視頻圖像判定火焰?zhèn)鞑ソ嵌扰卸?，歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN1839管式法采用目測(cè)觀察火焰?zhèn)鞑砼卸ǎㄈ鐖D1所示），球式法采用爆炸壓力增量（初始?jí)毫?%提升）來判定。火焰分離傳播至少10 0mm，若形成火焰光環(huán)（暈）需要傳播到測(cè)定容器頂部或至少傳播至240mm。對(duì)于高壓高溫條件下火焰?zhèn)鞑ヅ卸ú槐阌^測(cè)，通常以爆炸過程壓力增量和溫度增量來判定，ASTM E 918以始?jí)毫μ嵘坎坏陀?%來判定，歐盟標(biāo)準(zhǔn)草案prEN 17624判定更為詳細(xì)，如式（1）所示。

pi≤2時(shí)，pex/pi≥1.05+pIS/pi-1

pi＞2時(shí)，pex/pi≥1.02+pIS/pi-1

或ΔT≥100℃ （ 1）

式中，pi為測(cè)試初始?jí)毫?，pex為測(cè)試過程的最大爆炸超壓，pI S為點(diǎn)火源本身導(dǎo)致的超壓，ΔT為爆炸過程導(dǎo)致的溫度提升。

筆者建議以爆炸壓力提升量判定為主，輔助爆炸過程溫度提升量，對(duì)于一些低可燃?xì)怏w，如：氨氣等，壓力提升量不明顯，可采用爆炸溫度提升量來判定，需要大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)驗(yàn)證，以確定爆炸現(xiàn)象的判定閾值。文獻(xiàn)測(cè)試結(jié)果表明，無論采用何種爆炸現(xiàn)象判定標(biāo)準(zhǔn)（如：目測(cè)火焰?zhèn)鞑ィ?%、5%或7%初始?jí)毫μ嵘龋?，甲烷和丙烷的爆炸極限范圍是一致的，對(duì)于高可燃性氣體（如：氫氣）的測(cè)試結(jié)果差異顯著。

3 結(jié)論和建議

（1）可燃?xì)怏w（蒸氣）爆炸極限標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法是基于實(shí)驗(yàn)室規(guī)定條件下的可燃性濃度范圍測(cè)定，對(duì)于爆炸性氣體環(huán)境實(shí)際工況需要進(jìn)行危險(xiǎn)性識(shí)別和評(píng)估分析?？扇?xì)怏w爆炸極限測(cè)定應(yīng)給出依據(jù)的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)定裝置形狀及容積、點(diǎn)火方式等重要影響因素。

（2）爆炸極限測(cè)定裝置分為管式裝置和球式裝置，管式裝置以火焰?zhèn)鞑ツ繙y(cè)為主，球式裝置以爆炸壓力提升量判定為主。對(duì)于高溫高壓條件下爆炸極限測(cè)定，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均給出了測(cè)定裝置的最小容積，情況允許宜采用較大容積進(jìn)行測(cè)定，安全區(qū)間壓力越高越應(yīng)選擇較大容器測(cè)定，均不應(yīng)小于1.0 L。

（3）可燃混合氣體的引燃方式和引燃能量對(duì)爆炸極限的測(cè)定尤為重要，球式測(cè)定裝置現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)以3%、5%和7%初始爆炸壓力提升量作為判定依據(jù)，對(duì)于低可燃?xì)怏w和無火焰的可燃?xì)怏w應(yīng)采用溫度提升量來判定，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以確定溫度判定閾值。建議針對(duì)測(cè)定的初始?jí)毫统跏紲囟?，建立低壓、中壓和高壓爆炸現(xiàn)象判定標(biāo)準(zhǔn)，并考慮點(diǎn)火源對(duì)初始?jí)毫Φ呢暙I(xiàn)量。

（4）高溫高壓條件下爆炸極限測(cè)定過程中，要識(shí)別評(píng)估分析化學(xué)不穩(wěn)定性氣體或各組分相互間會(huì)發(fā)生反應(yīng)的混合氣體危險(xiǎn)性，一些鹵烴類氣體高溫分解可能導(dǎo)致爆炸極限范圍突變。同時(shí)，要采取足夠的安全措施并做好個(gè)人防護(hù)。

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