方形容器爆燃泄放過程中的壓力特性實驗研究

趙天輝， 高康華， 王明洋， 李斌， 孫松， 郭強

(1.解放軍理工大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室, 江蘇 南京 210007； 2.南京理工大學 化工學院， 江蘇 南京 210094)

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方形容器爆燃泄放過程中的壓力特性實驗研究

趙天輝1， 高康華1， 王明洋1， 李斌2， 孫松1， 郭強1

(1.解放軍理工大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室, 江蘇 南京 210007； 2.南京理工大學 化工學院， 江蘇 南京 210094)

對乙烯- 空氣預混氣體在一端開口的方形容器內泄爆過程進行了實驗研究，分析了泄爆面積、泄爆壓力和氣體濃度對泄爆過程中壓力發展和分布特性的影響，結合容器內壓力峰值的變化對現有經驗公式進行了討論。結果表明：小面積泄爆時容器內壓力出現明顯的雙峰值現象，且氣體濃度主要影響第2個峰值的大小；大面積泄爆時氣體濃度對壓力峰值影響較小；泄爆面積較小且容器內預混氣體接近最佳濃度時方形容器內壓力分布梯度明顯，遠離最佳濃度或泄爆面積較大時容器內壓力分布均勻；經驗公式計算值與實驗值之間的誤差隨工況變化很大。研究結論為方形容器和建筑物泄爆安全設計提供參考。

爆炸力學； 爆燃泄放； 泄爆面積； 壓力分布； 氣體濃度

0 引言

可燃氣體由于其清潔、高能、可再生等優勢已經成為工業生產和生活中最為重要的能源之一。相應的，燃氣爆炸事故也成為人民生命財產安全的重要威脅。泄爆是一種通過預先設計的結構，將密閉容器、建筑物內等因燃燒爆炸導致的內部高壓迅速釋放，降低事故破壞程度的有效措施[1-2]。文獻[3-4]基于大量實驗研究與結果分析，先后提出了相應的爆燃泄放設計規范，但由于氣體爆燃是復雜的化學反應過程，爆燃超壓受到氣體種類、點火位置、氣體濃度、點火能量、空間形狀、尺寸、泄爆面積、泄爆壓力等諸多因素的影響[5-7]，相關規范的通用性和適用性都不能令人滿意[8]。

目前國內外相關的研究主要集中在球體、柱體、立方體等典型形狀容器。胡俊等[9]對底部中心點火的柱形容器內爆燃泄放的壓力發展與火焰傳播特性進行了實驗研究，利用等容燃燒壓力上升曲線與泄爆容器內壓力下降速率曲線的比較分析泄爆過程中容器內壓力變化的原因。Rasbash[10]通過體積介于0.009 m3和0.9 m3之間的長方體和圓柱體容器內的爆燃實驗結果得到了壓力與泄爆面積、泄爆壓力等因素的關聯公式，在文獻[11]中又對此公式進行了修正，考慮了可燃混合物的層流燃燒速度和慣性泄爆裝置的效應；Molkov[12]利用修正系數表征流出的氣體與內部燃燒氣體之間的相互作用，并將其結果與美國消防協會NFPA68《爆燃泄壓防爆標準》進行了比較。但由于這些經驗公式都是基于不同的實驗數據擬合得到的，考慮的因素不盡相同，因此在應用于不同形狀的容器時，其效果不能令人滿意，文獻[8]中詳盡的比較結果證明了這一點，部分公式的結果偏差甚至達到幾百倍。Bradley等[5]基于質量守恒、理想氣體狀態方程等建立了一種比較簡單、實用的數學模型，該模型根據噴嘴的等熵公式計算泄放氣體通過泄放口的流速，但由于真實泄放過程還要考慮燃燒不穩定性以及泄放擾動等因素，理論結果與實驗數據相差較大。目前的實驗觀測成果及理論研究方法并不能準確預測大體積方形容器爆燃泄放過程中的壓力變化特點，因此基本的實驗研究是非常必要的。

本文針對方形容器內乙烯- 空氣預混氣體爆燃泄放壓力發展規律進行了實驗研究。主要內容包括：為方形容器內爆燃泄放提供基本實驗數據；研究泄爆面積、泄爆壓力、氣體濃度對爆燃泄放過程中荷載形式、壓力峰值的影響，分析容器內不同位置處的壓力差異及可能的機理，以期為相似形狀的容器或建筑物泄爆研究提供合理的模型。

1 實驗裝置與實驗步驟

泄爆實驗系統由配氣系統、方形爆炸容器、點火控制系統、監測與數據采集系統構成，如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

方形泄爆容器設計壓力1 MPa，尺寸為2 m×1.2 m×0.6 m，壁厚10 mm. 爆炸容器一端為敞開的用于安裝泄爆結構的卡箍式法蘭盤，通過密封設計保證泄爆結構安裝后密封性良好。泄爆口根據需要用塑料膜或易碎泄爆板封閉。通過改變泄爆板厚度改變泄爆壓力，表1中泄爆壓力均為化學計量比濃度下該泄爆板實際斷裂時刻容器內壓力，通過板跨中粘貼應變片觀測電路變化得到。泄爆口為長方形，通過改變擋板的孔口面積來改變泄爆面積。另一端安裝有點火系統。實驗介質為乙烯- 空氣混合物，利用進出氣系統和真空壓力表采用先抽空氣形成負壓，再進乙烯調節壓力至0 MPa的方法控制氣體濃度；通過24 V直流電源供電達到電阻絲加熱，引燃容器內部氣體混合物的方法進行點火。1號、2號測點采用壓電式壓力傳感器，置于容器上壁，分別距左側端口1.2 m、0.1 m，采樣頻率200 kHz；高速攝影拍攝速度為1 000幀/s.

實驗內容及條件見表1.

表1 實驗內容及條件

2 實驗結果與分析

2.1 不同泄爆面積條件下的容器內壓力變化

圖2為濃度8.0%的乙烯- 空氣混合氣點火之后容器內爆燃泄放壓力曲線。A表示泄爆面積，為0.18 m2. 泄爆壓力7.5 kPa，采用塑料膜封堵，模擬容器或者建筑物窗玻璃快速打開的過程。泄爆口打開之前容器內為定容燃燒，兩個測點在泄爆過程開始之前的壓力曲線幾乎完全相同，容器內壓力較為均勻。隨著壓力的上升，容器泄爆口打開，壓力上升速率變緩，在第1個小峰值p1附近，兩個測點壓力出現差異，測點2壓力小于測點1，此時泄爆口已經完全打開，壓力下降速率大于壓力上升速率，容器內壓力開始下降，在60 ms左右形成一個小平臺，壓力上升與下降趨于平衡。隨著反應的繼續進行，壓力再次開始上升，并在80 ms時達到峰值。在壓力第2次上升的過程中，測點2壓力逐漸大于測點1，并在第2個峰值p2處差異最大。圖3為高速攝影觀察到的泄爆過程。

圖2 容器內壓力時程曲線(A=0.18 m2)Fig.2 Overpressure-time history in vessel (A=0.18 m2)

圖3 泄爆過程(A=0.18 m2)Fig.3 Deflagration venting process (A=0.18 m2)

乙烯- 空氣混合氣濃度在8.0%附近的3次實驗均出現了相同現象：小面積泄爆時壓力峰值較大，靠近泄爆口處壓力在p2峰值時刻大于容器腔體內部壓力。在實際工程設計中，小面積泄爆的這種現象需要尤其注意，可以對口部附近進行加固設計。

圖4為濃度8.0%的乙烯- 空氣混合氣點火之后容器內爆燃泄放壓力曲線，泄爆壓力7.5 kPa，泄爆面積0.55 m2，采用泄爆板封堵，模擬建筑物一側泄爆墻打開的過程。泄爆板斷裂(40 ms左右)后壓力有短暫小幅下降然后開始上升，50 ms左右壓力達到峰值11 kPa. 泄爆口在60 ms左右完全打開，容器內壓力開始快速下降，在壓力0點附近有微小震蕩，一度上升到5 kPa左右再次下降，應是容器內產生負壓之后空氣進入再度混合燃燒產生的較小峰值。大面積泄爆板封堵泄爆口的壓力發展過程中，各個測點壓力較為一致，容器內壓力變化始終比較均勻。泄爆面積在泄爆板逐漸打開的過程中漸漸增大。此過程中一方面氣體排出量不斷增大，降壓速率漸漸增大；另一方面隨著氣體再度混合，以及泄爆口打開造成的湍流增強火焰加速等原因，容器內氣體反應造成的升壓速率不斷變化，二者差值也不斷變化，因此該階段容器內壓力呈震蕩狀態[13]。雖然泄爆板打開需要一定的時間，一定程度上增大了壓力峰值，但與泄爆面積0.18 m2時相比，壓力峰值仍然下降近一半。

圖4 容器內壓力時程曲線(A=0.55 m2)Fig.4 Overpressure-time history in vessel (A=0.55 m2)

2.2 泄爆壓力對泄爆過程容器內壓力變化的影響

采用6.5%乙烯- 空氣預混氣，泄爆壓力Pdyn分別為4.5 kPa、7.5 kPa、13.0 kPa，泄爆面積0.55 m2時容器內壓力特征值如表2所示，表2中pred為爆燃泄放過程中容器內產生的最大壓力[4]。泄爆口全部采用泄爆板封堵。泄爆過程開始之前為等容燃燒階段，隨著壓力的發展，泄爆口在不同壓力下打開。因為泄爆板是逐漸打開的，容器內壓力在泄爆板斷裂后均有不同程度的上升。泄爆壓力為4.5 kPa和7.5 kPa時，壓力上升幅度較小，應是容器內仍處于層流燃燒階段，氣體并未充分反應，壓力上升速率較慢時即開始泄放。泄爆壓力為13.0 kPa時，反應已經比較充分，火焰面觸及容器壁產生氣流擾動，燃燒加速，升壓速率相對較大，泄爆板打開需要一定時間，因此壓力上升幅度相對較大。容器內峰值壓力隨泄爆壓力的增加而增加，在工程設計中，要尤其注意泄爆壓力的選取，既要兼顧工程構件的安裝、施工、使用等強度要求，又要達到良好的泄爆效果。

表2 改變泄爆壓力時容器內壓力特征值

2.3 氣體濃度對泄爆過程中的容器內壓力影響

圖5 不同濃度下容器內壓力時程曲線(A=0.18 m2)Fig.5 Overpressure-time histories in vessel under different concentrations(A=0.18 m2)

氣體濃度是影響爆燃壓力的重要因素。圖5為泄爆壓力7.5 kPa，泄爆面積0.18 m2，改變濃度時容器內2號測點的壓力曲線。從圖5中可知，濃度在8.0%時的爆炸明顯升壓時間更短，反應更為劇烈。這與文獻[14]中給出的乙烯最佳濃度8.0%相吻合。同時，發現小面積泄爆時，在各個濃度的荷載曲線均有比較明顯的峰值p2. 濃度變化時，p1變化很小，改變的主要是p2的大小。低濃度時p2很小，隨著濃度增大，在濃度6.0%時p2與p1大小幾乎相等。濃度為8.0%時，p2已經遠大于p1. 表3為小面積泄爆時各工況下壓力特征值。圖6為實驗得到的乙烯濃度對容器內p1和p2影響示意圖。

表3 容器內壓力特征值(A=0.18 m2)

圖6 p1和p2與濃度曲線(A=0.18 m2，pdyn=7.5 kPa)Fig.6 p1 and p2 vs. concentration (A=0.18 m2,pdyn=7.5 kPa)

圖7為泄爆壓力7.5 kPa，泄爆面積0.55 m2，改變濃度時容器內的壓力曲線。大面積泄爆時各濃度條件下壓力均為泄爆口打開后不久立即下降并逐漸趨近于0，容器內最大壓力隨濃度趨近8.0%略有增加，但幅度較小。隨著濃度趨于8.0%，升壓時間逐漸縮短。

圖7 不同濃度下容器內壓力時程曲線(A=0.55 m2)Fig.7 Overpressure-time histories in vessel under different concentrations (A=0.55 m2)

實驗中發現，大面積泄爆時容器內各測點壓力在本實驗濃度范圍內均較為一致；小面積泄爆在低濃度時各測點壓力比較一致，如圖8所示(乙烯濃度c=4.0%)。但是隨著濃度趨近8.0%，各測點壓力差異開始出現并逐漸變大，并在濃度8.0%時p2處達到差異最大值，如圖2所示。因此容器內壓力分布不均勻的現象只在小面積泄爆且濃度趨近最佳濃度時較為明顯。它應是靠近最佳濃度時，氣體燃燒反應劇烈，火焰速度較快，小面積泄爆造成的湍流增強結合容器壁的限制作用產生強烈的氣流擾動和不規則的火焰面變形，使得靠近泄爆口處可燃氣體得到充分有氧燃燒，容器內產生一定的壓力梯度；采用泄爆板大面積泄爆時，一方面泄爆口逐漸打開，湍流增強和火焰加速的效果并不明顯，另一方面泄爆口完全打開后氣體流量較大，容器內可燃氣體沒有充分再次混合燃燒即泄放出去，因此容器內壓力較為均勻。

圖8 容器內壓力時程曲線(A=0.18 m2,c=4.0%)Fig.8 Overpressure-time histories in vessel (A=0.18 m2,c=4.0%)

2.4 討論

壓力峰值是工業泄爆設計與事故破壞效應評估的重要指標。文獻[15]中通過建筑物開口泄爆實驗得到了泄爆壓力與內部壓力峰值的關系。本文通過實驗得到了氣體濃度與壓力峰值的關系。但是，由于容器體積形狀等因素對壓力峰值同樣影響很大，在實際工程中快速簡便地估算壓力峰值或者進行泄爆面積的設計，需要選取符合條件的經驗公式。本文使用3個比較有代表性的公式進行計算并比較。表4為壓力峰值計算結果。

表4 經驗公式及計算結果

表4中(1)式為NFPA68中關于泄爆面積設計的推薦公式，結果明顯偏于保守。(2)式和(3)式均為實驗數據擬合得到的公式，相比(1)式與實驗值更為接近。因此，在實際應用中，設計泄爆面積時可以采用NFPA68等設計標準適當加大安全系數；在進行壓力峰值或者破壞效應評估時應該選取實驗數據擬合的公式進行計算。同時發現，公式計算結果的誤差隨工況變化很大，本實驗中泄爆面積較大時誤差相對較小。對于方形容器，在實際工程中要想快速簡便的估算壓力峰值或者進行泄爆面積的設計，需要對現有經驗公式進行一定的修正,或者提出更符合實際條件的壓力計算方法。

3 結論

通過方形容器氣體爆燃泄放實驗研究，得到以下結論：

1)小面積泄爆時，容器內壓力均有兩個峰值，乙烯濃度主要影響第2個峰值p2的大小；大面積泄爆時濃度主要影響升壓時間，對容器內壓力峰值影響較小。

2)乙烯接近最佳濃度且泄爆面積較小時，容器內兩測點產生較為明顯的壓力差異，出現p1的時刻泄爆口處壓力小于容器內部壓力，出現p2的時刻泄爆口處壓力大于容器內部壓力。

3)經驗公式計算值與實驗值之間的誤差隨工況變化很大，目前依然缺乏較為準確的壓力峰值計算方法，更多的實驗數據是非常必要的。

考慮氣體爆炸的實際條件，要正確描述爆燃泄放的復雜過程，需要借助高速光學記錄系統以及合理運用數值模擬等手段深入研究容器內流場變化、氣體燃燒、火焰面變形等與壓力特性變化之間的關聯，以期為工程爆燃泄放防護提供更多的理論基礎與數據支撐。

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Experimental Study of Pressure Characteristics during Deflagration Venting in a Square Vessel

ZHAO Tian-hui1, GAO Kang-hua1, WANG Ming-yang1, LI Bin2, SUN Song1, GUO Qiang1

(1.State Key Laboratory for Explosion & Impact and Disaster Prevention & Mitigation, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, Jiangsu, China; 2.School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094, Jiangsu, China)

Experiments were conducted to study the explosion venting process of the ethylene-air mixtures in a square vessel with an open at one end. The influences of venting area,venting pressure and gas concentration on the development and distribution characteristics of pressure in the explosion venting process are studied, and some empirical formulas are discussed with the change of peak pressure in the vessel. Results show that, for small venting area, the pressure shows obvious double peak phenomenon in the vessel, and the gas concentration mainly influences the second peak value; for large venting area, the gas concentration has little influence on the peak pressure; for small venting area and premixed gases closed to optimum concentration, the distribution of gas pressure in the vessel has remarkable gradient, and the distribution of pressure in the vessel is uniform; the error between the calculated value and experimental value varies greatly under different operating conditions.

explosion mechanics; explosion venting; venting area; pressure distribution; gas concentration

2016-07-26

國家自然科學基金青年科學基金項目(51308542)

趙天輝(1993—)，男，碩士研究生。E-mail:zth0210@163.com

王明洋(1966—),男，教授，博士生導師。E-mail：wmyrf@163.com

O389

A

1000-1093(2017)04-0722-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.013