ABC干粉抑爆劑在中尺度管道應用效果研究

王理翔，敖燕環，馬吉

（華北科技學院，河北 三河 065201）

甲烷（CH4）是一種無色、無味、可燃和爆炸性氣體，廣泛分布于自然界，是瓦斯、天然氣和礦井巷道中氣體的主要組成部分。我國近年來發生了大量的瓦斯管道泄漏和爆炸事故，造成的經濟損失十分巨大。

為了保證生命和財產的安全，必須選擇適當的抑爆劑和適當的濃度來抑制爆炸。抑爆手段可以減弱和避免因瓦斯爆炸所產生的災害，對于抑制爆炸的機理目前存在的有控制溫度、惰性化阻止反應；常用的抑爆方式有高壓水幕巖粉棚水袋、抑爆水層抑爆技術、干粉滅火劑、二相流抑爆技術。通過研究干粉式抑爆劑對瓦斯爆炸傳播的衰減規律的影響、改進的自動抑爆裝置，對管道的低濃度瓦斯爆炸災害的范圍內控制提供了理論依據，對有效控制瓦斯爆炸、改善安全生產狀況具有重要的現實意義。

1 瓦斯爆炸傳播和抑爆的基本理論

1.1 礦井瓦斯爆炸主要屬于預混氣的爆炸。

因此，對預混氣體的研究和爆炸產生的前驅沖擊波的傳播理論具有重要意義。本章先對瓦斯爆炸的傳播理論進行簡單介紹，了解爆炸產生的火焰以及沖擊波的運動規律。通過爆炸傳播理論提供的依據，建立瓦斯爆炸的理論模型。再通過研究抑爆技術理論，獲得抑爆技術對瓦斯爆炸過程的影響，進而確定實驗的原理和數據采集時的參數。

1.2 瓦斯空氣預混氣爆燃

進行點火引爆后，燃燒波的傳播將從一個源開始，在反應中將儲存在反應物內的能量通過化學反應組成新的燃燒產物釋放，最終成為反應生成物的動能和內能。因為化學反應中的能量變化，燃燒放熱進而導致了顯著的氣體動力學狀態和熱力學狀態的變化。燃燒波的梯度場引發了物理和化學過程，使得燃燒波繼續發生傳播。

1.3 爆炸抑制理論研究

管道自動抑爆設備由傳感器、控制器和抑制器組成，抑制器是爆炸裝置的核心部件。早期的瓦斯爆炸管爆炸信號檢測傳感器，將爆炸信號傳輸到控制單元，控制單元識別確認后，運動命令觸發爆炸抑制，在抑制爆炸裝置內部壓力的作用下，快速均勻噴霧抑爆粉，形成的管道爆炸抑制粉云，使用化學抑制爆炸來抑制粉末爆炸，防止瓦斯爆炸的傳播沿管道繼續。

1.4 粉體抑爆劑的抑爆機理

廣義的抑爆劑主要有抑制劑和惰化劑兩種，兩者在使用時間方面存在直接區別。一般在爆炸發生前使用惰化劑，而在爆炸開始時使用了抑制劑，但惰化劑和抑制劑使用相同的材料制造。粉抑爆材料的抑爆作用機理基本可以分為以下3類：物理機理、化學機理、物理和化學機理，其中物理機理分為吸熱分解、吸熱過程中失去結晶水的作用、分隔熱傳導和氧濃度稀釋的4種情況或混合。化學機理以吸收自由基為主要手段，發揮抑爆劑的作用，消耗了燃燒反應的OH和H自由基，導致自由基的數量驟降，中斷燃燒的鏈式反應，最后將火焰撲滅，停止爆炸，如氯化鈉、氯化鉀等；爆炸抑制材料的物理機制作用，在高溫導致分解時釋放出結晶水，屬于吸熱反應，同時反應產生的惰性氣體又稀釋了當前區域的氧濃度，從而發揮窒息和冷卻的作用，如CaCO3、SiO2、巖粉等。

2 實驗系統及實驗方案

2.1 實驗系統

各分系統簡介如下。

（1）爆炸激波管管體：包含過渡段、泄爆艙以及支架導軌系統。

（2）點火系統采用的5000V電壓由電容產生，甚至更高通過尖端擊穿空氣形成的高壓而產生的高壓電火花，從而形成放電，但由于確保避免人體會因為高壓和大電流產生危險，所以利用220V低壓擊穿部分空氣形成的部分電弧在實驗時以誘導高壓放電，稱為三電極放電方式，分為負極、常壓級和高壓級。電容器采用滑動變阻器進行充電，實時的充電電壓可以通過點火器顯示器讀出，這樣就可以控制高壓的具體電壓。之后通過控制220V火塞進行誘導高壓放電，用產生的電弧或火花來點燃激波管內的預混氣體。測量系統由壓力信號測量和數據采集系統兩部分組成，分別為火焰信號測量和數據采集系統、爆炸流場光學顯示系統。

（3）輔助系統：充配氣系統、真空系統。管道總長度為35m，方截面管道截面尺寸為200×200mm，點火端位于管道前端，激波管位于管道中間，管道末端連接著長為6m、直徑為1.9m的泄爆倉。實驗管道和系統主體圖如圖1所示。

圖1 實驗管道和系統主體圖

2.2 測點布置

在分別距離點火端為20m、22.5m、25m、27.5m、30m處，安置5個火焰傳感器。實驗采用塑料膜片BOPP膜片泄爆。測點布置如圖2所示。

圖2 測點布置示意圖

2.3 實驗工況

在當前工況下，管道內溫度約為292k，壓力約為0.1MPa，甲烷/空氣預混合氣體濃度為9.5%，點火電壓6000kV，實際點火能量為3.03J。抑爆劑采用自動噴粉裝置，干粉抑爆墻的厚度為4cm，噴射臨界面密度40.8kg/m2的ABC干粉抑爆劑，粉劑粒徑95%保持在20μm以下。

3 實驗結果與分析

3.1 火焰速度傳播的變化

火焰信號由示波器采集，并繪制成與時間相關聯的函數圖像，可以發現火焰寬度隨著時間的推移而變小，可以推出火焰的厚度也在隨時間變得稀薄，火焰速度隨時間增加，進而可以推出化學反應區由于受到影響，也在變得稀薄。距離為△L之間的位置和收集數據時存在的△t時差，可以計算火焰面在2個傳感器之間的傳播速度v，即v=△L/△t，未采用抑爆措施時計算得到4個火焰速度分別為60m/s，67m/s，78m/s，100m/s；使用ABC干粉抑爆劑時計算得出4個火焰速度分別為：41m/s，44m/s，54m/s，61m/s。未采取抑爆措施的數據與采用粉體抑爆劑抑爆后的火焰速度見表1。

表1 火焰速度對比表

通過對比兩種工況下的火焰傳播速度，計算得到加裝干粉抑爆帶情況下，火焰速度下降約37.4%。并通過火焰厚度可以得知在通過測點4后，火焰即將熄滅。在原管道中，發生瓦斯爆炸后火焰處于加速狀態將通過4個測點。采用干粉抑爆后，由于在爆炸波陣面后方的一定區段范圍內，抑爆劑與瓦斯爆炸相互作用，兩相間發生動量交換和能量傳遞以及相應的化學反應等，導致壓力波損失部分能量；而火焰速度在抑爆劑作用下逐漸減小，火焰面逐漸脫離壓力波陣面，二者的空間距離也隨之增大，火焰速度在失去了壓力波的壓縮效應后進一步降低，最后爆炸傳播在兩者的相互反饋中迅速衰減。一旦火焰和壓力波的幫合作用機制減小或者被破壞，火焰就不能有效的為壓力波的發展提供能量，而失去能量供給的壓力波通過湍流結構和流場溫度，對火焰加速的作用也就變得微弱了。

3.2 爆炸壓力隨時間的變化

根據無抑爆管道從點火開始后，接近固壁端的壓力隨時間的變化可以看出，點火在140ms以后第1道壓縮波就到達了管道末端的壓力傳感器，隨后在火焰沒到來之前，又有一些壓縮波和經過固壁反射的壓縮波經過該測點，波系很復雜，在1.3s左右時壓力峰值達到了350kPa。如圖 3。

圖3 無抑爆管道壓力隨時間變化的曲線

圖4 抑爆管道壓力隨時間變化的曲線

圖4給出了采用干粉抑爆管道從點火開始后，接近固壁端的壓力隨時間的變化，可以看出，點火在140ms左右第1道壓縮波就到達了管道末端的壓力傳感器，初始壓力并沒有明顯變化，隨后在火焰到來之前，又有一系列的壓縮波和經過固壁反射的壓縮波經過該測點，波系很復雜，在1.4s左右時壓力峰值達到了160kPa，與沒有采用抑爆的管道相比，峰值大幅降低，且壓力的變化幅度趨于穩定。

由于固壁反射的沖擊波與火焰陣面作用，增強了火焰陣面的化學反應，化學反應區產生的火焰又產生了沖擊波，火焰和沖擊波相互耦合，形成正反饋，盡管火焰速度沒有大的提升，但是沖擊波的壓力逐漸升高，隨著火焰區往前傳播。

4 結語

（1）瓦斯爆炸的傳播初期，壓力波與火焰面二者存在相互重疊的部分。隨著傳播的進行，兩個區域會逐漸脫離，爆炸波位于火焰面前方，其傳播速度明顯高于火焰，管道中二者的時間間隔與空間距離都逐漸増大。

（2）實驗管道未加裝抑爆帶時發生瓦斯爆炸，沖擊波與火焰面的間距在傳播過程中呈現先減小、再增大，然后又減小的變化趨勢。加裝抑爆帶時，導致壓力波的能量部分損失，同時使火焰減速，逐漸増大與壓為波的間距，也使火焰失去了部分的點火能量，兩者相互反饋，火焰和壓力波的作用機制被減小或者破壞，爆炸的傳播迅速被抑制。

（3）ABC干粉抑爆劑的物理化學雙重抑制作用對中尺度管道內低濃度瓦斯爆炸火焰傳播的抑制效果非常明顯，在對火焰速度的影響上，抑爆粉劑對火焰的抑制存在一個區間和時間的過程，爆炸火焰在通過抑爆層后，需傳播一定的距離才能被完全撲滅。使用ABC抑爆劑時，較未使用時火焰速度的最大降幅可達40%，可以快速熄滅火焰；壓力較未使用時，峰值大幅降低，且變化的幅度趨于穩定。