原油管道氮氣抑爆實驗研究*

高建豐，何笑冬，周韶彤

(1.浙江海洋大學 石化與能源工程學院 ，浙江 舟山 316022； 2.臨港石油天然氣儲運技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室 ，浙江 舟山 316022)

0 引言

油氣管道總里程數(shù)是評價各國油氣發(fā)展現(xiàn)狀標準之一，據(jù)估計中國目前已經(jīng)建成和計劃再建的管道里程數(shù)將達到16萬km[1-2]。隨著油氣需求的增加與管道大量參與運輸工作，油氣管道發(fā)生的危害次數(shù)不斷增多。由于長距離油氣管道的封閉性，在管道內(nèi)極易產(chǎn)生易燃易爆的危害氣體，一旦受到外部危害因素影響，若在管道內(nèi)產(chǎn)生誘發(fā)點燃可燃氣體的火源，很有可能在密閉管道內(nèi)發(fā)生爆炸，造成嚴重的管道事故[3-5]。如“8·12”莫斯科輸油管道爆炸事件，由于管道長久失修造成人員傷亡[6]。油氣是國家的戰(zhàn)略物資，研究油氣管道爆炸特性與抑爆技術(shù)對預防油氣管道爆炸具有一定的參考價值。

杜楊、蔣新生等[7-12]以汽油為工質(zhì)，實驗測得了汽油的爆炸特性并通過數(shù)值模擬的方法得以證實；劉振翼、張璇等[13-14]研究了溫度對爆炸極限的影響，但是沒有測出具體的爆炸壓力數(shù)值；蒯念生等[15]研究了不同點火能量的爆炸實驗，得出點火能量越大，爆炸所需時間也會相應縮短；吳松林、王世茂等[16-18]通過建立管道泄漏模型，得出了在開口狀態(tài)下油氣爆炸壓力的變化；曲志明等[19]研究了可燃氣體爆炸實驗，得出了可燃氣體爆炸的壓力峰值，但對惰性氣體抑制爆炸研究還沒有深入。綜合近年來國內(nèi)外對管道油氣爆炸研究發(fā)現(xiàn)，大多研究以替代原料(甲烷等)研究油氣爆炸，對原油油氣管道爆炸研究較少。通過實驗研究結(jié)合理論分析的方法，模擬油氣管道爆炸實驗測得爆炸壓力與火焰?zhèn)鞑ニ俣龋治龅贸霰O限與壓力上升速率等參數(shù)，同時研究充入氮氣對實驗參數(shù)的影響。

1 氮氣抑制原油油氣爆炸實驗研究

1.1 實驗系統(tǒng)設計

實驗系統(tǒng)主要分為實驗裝置與信息收集裝置。具體實驗裝置與布置見圖1。

1.油汾鍋；2.攪拌泵；3.管道；4.點火桿；5.高能點火器；6.壓力傳感器；7.火焰?zhèn)鞲衅鳎?.數(shù)據(jù)采集器；9.計算機；10.氮氣瓶；11.流量計。圖1 油氣管道爆炸實驗系統(tǒng)Fig.1 Oil and gas pipeline explosion experimental system diagram

1.2 狹長管道爆炸裝置

實驗在6.2 m的無縫鋼管實驗管道進行，管道留有傳感器預留孔，具體位置見表1所示。點火系統(tǒng)采用電容器充電放電式可調(diào)式高能點火器(KTGD-B型，能量級為0～22.5 J)；攪拌系統(tǒng)由加熱裝置和攪拌罐2部分組成，加熱裝置采用GSC-20C恒溫循環(huán)槽；泰斯特動態(tài)采集系統(tǒng)(TST6400，采集頻率每通道采樣率20 Msps)，高精度數(shù)字式壓力傳感器(CY301，量程為0～5 MPa)，檢測儀器(POT400-IR-Ex)。圖2為狹長管道爆炸裝置。

圖2 狹長管道爆炸裝置Fig.2 Explosive device for narrow pipes

實驗在常溫常壓的外界環(huán)境下進行。實驗過程按照如下步驟進行：

1)實驗設備調(diào)試與配氣，校準及檢查裝置密閉性，利用油氣濃度檢測儀檢測實驗所需氣體濃度；

2)點火階段，進行能量為20 J點火引爆(出現(xiàn)爆炸反應則進行下一個實驗，若管道壓力未達到升高7%以上時可再進行5次實驗，5次都沒有壓力的明顯變化則判定為油氣濃度未達到爆炸要求)；

3)實驗爆炸數(shù)值采集階段，通過smartsenor軟件對數(shù)據(jù)進行初步成像與提取；

4)廢氣排盡后再進行不同濃度油氣爆炸實驗。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 油氣濃度對爆炸最大壓力的影響

依據(jù)點火階段管道油氣是否爆炸，采用漸近法用較小的濃度變化尋找油氣爆炸極限區(qū)間。可以測得在油氣濃度為4.32%～14.25%時，管道內(nèi)油氣爆炸壓力數(shù)值變化較明顯。具體壓力數(shù)值見表2。

表1 監(jiān)測點位置Table 1 Monitoring points position m

2.2 氮氣抑制原油油氣爆炸實驗

2.2.1 氮氣對油氣爆炸極限的影響

原油管道爆炸應該具備油氣與氧氣在滿足引發(fā)爆炸的條件(爆炸極限)下出現(xiàn)，目前研究抑制原油管道爆炸應從爆炸時化學的鏈式反應與削弱爆炸過程中熱量集聚的2個方面考慮。在爆炸區(qū)間內(nèi)分別充入濃度為0%～ 30%的不同濃度的氮氣，研究氮氣濃度的變化對管道油氣爆炸的抑制作用，具體見圖3所示。

實驗中所分析的原油管道爆炸極限區(qū)間是評判氮氣對原油管道爆炸具備抑制作用的實驗體現(xiàn)。結(jié)合表1與圖3可知，當充入氮氣濃度少于5%時，爆炸區(qū)間變化不明顯；在氮氣濃度在5%～10%時爆炸區(qū)間縮減最明顯，且隨氮氣濃度的增加，爆炸上限較爆炸下限變化更快；氮氣濃度大于27%以后，爆炸上限與下限幾乎重合，很難發(fā)生油氣爆炸。原油管道的氮氣含量所占體積分數(shù)越高時，發(fā)生爆炸的油氣濃度所需要的范圍越窄，當?shù)獨獾捏w積分數(shù)大于27%時管道內(nèi)未出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，實驗結(jié)果符合理論分析的結(jié)果。

表2 管道內(nèi)部最大壓力值Table 2 Maximum pressure inside the pipe kPa

圖3 N2對油氣爆炸極限的影響Fig.3 Curve of the effect of N2 on the explosion limit of oil and gas

2.2.2 氮氣對油氣爆炸壓力的抑制作用

對原油管道采取充入氮氣的主要目的在于抑制管道發(fā)生爆炸時破壞力，其原理一方面是減少助燃氣體(氧氣)，另一方面是減弱爆炸時的化學鏈式反應，研究爆炸時壓力數(shù)據(jù)是體現(xiàn)爆炸威力的直接實驗體現(xiàn)。選取6組不同油氣濃度向管道裝置內(nèi)通入5種不同體積分數(shù)的氮氣，實驗管道具體爆炸壓力見圖4與圖5。

隨著氮氣充入量不斷增加，油氣濃度越高的爆炸壓力下降幅度較油氣濃度低的更大，氮氣的抑制爆炸的效果越明顯。由圖5發(fā)現(xiàn)氮氣濃度的增加不僅降低了爆炸壓力上升的速率，同時延長了爆炸壓力達到峰值的時間，且爆炸壓力降幅更明顯，這是因為油氣濃度較高時，發(fā)生爆炸所需氧氣量更多，當管道充入足量氮氣能夠排除管道內(nèi)的氧氣，濃度越高的油氣濃度發(fā)生爆炸的峰值下降的越明顯。實驗中隨著管道內(nèi)充入氮氣體積分數(shù)不斷上升，管道內(nèi)的氧氣不斷被充入的氮氣所置換，減少了管道內(nèi)油氣分子與氧分子的直接接觸，使本應該非常活躍的活化分子失去能量來源，減弱爆炸所產(chǎn)生的的壓力大小。

圖4 不同油氣體積分數(shù)隨N2增加的上升段爆炸壓力變化曲線Fig.4 Explosion pressure curve of different oil and gas volume fractions with increasing N2

圖5 不同N2濃度下油氣的最大爆炸壓力變化與上升速率曲線Fig.5 Curve of maximum explosion pressure and rising rate of oil and gas under different N2 concentrations

2.2.3 氮氣對火焰?zhèn)鞑ニ俾实囊种谱饔?/p>

影響管道內(nèi)發(fā)生爆炸的另一個因素是管道爆炸時能量的積累，管道內(nèi)能量積累速率越快，產(chǎn)生的爆炸威力越大，因此研究原油管道發(fā)生爆炸時火焰?zhèn)鞑ニ俾誓荛g接評判氮氣的抑爆作用。為了更好地觀察氮氣對油氣爆炸的抑制機理，實驗選取了爆炸壓力最大峰值的濃度與前后2組油氣濃度展開了氮氣對管道內(nèi)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灒瑢嶒灲Y(jié)果如圖6所示。

將不同監(jiān)測點的火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據(jù)擬合為曲線，以便更直觀地觀察不同監(jiān)測點火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓蓤D6可知，管道內(nèi)充入氮氣能有效地抑制爆炸時火焰?zhèn)鞑サ乃俣龋獨鉂舛仍礁弑ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣人苡绊懺酱螅以趯嶒灩芏蔚?.45，3.15和4.85 m距離處爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣纫脖幌鄳獪p弱。結(jié)合圖3與圖4,可知隨氮氣充入量不斷增加，爆炸極限范圍不斷縮短，與此對應，圖6(d)在所測爆炸時火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臄?shù)據(jù)越少，直至所測速度為常量(即管道內(nèi)幾乎無爆炸發(fā)生，傳播速度不變)，火焰的平均傳播速率有所減弱，例如在9.23%油氣濃度時不同氮氣濃度下的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為46.54，40.53和14.12 m/s，爆炸傳播速度降幅較大。因此，在原油管道內(nèi)充入氮氣能有效減弱爆炸所產(chǎn)生的沖擊對管壁的的破壞。充入的氮氣不僅將爆炸時化學鏈式反應中所產(chǎn)生的活化基失去活性，還同時吸收了管道內(nèi)大量積累的能量，減弱了火焰的傳播速度。

圖6 油氣濃度為8.30%，9.23%和10.21%時火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰?zhèn)鞑テ骄俣茸兓€Fig.6 Flame propagation speed at 8.30%, 9.23% and 10.21% and average speed of flame propagation

3 結(jié)論

1)常溫常壓下測得在油氣濃度為4.32%～14.25%時，管道內(nèi)油氣爆炸壓力數(shù)值變化較明顯，即此區(qū)間為實驗管道油氣爆炸極限區(qū)間。在低油氣濃度的爆炸區(qū)間內(nèi)，相近油氣濃度的爆炸壓力等爆炸特性上升較快，高濃度的爆炸區(qū)間內(nèi)，變化較緩慢，在9.23%的油氣濃度時爆炸特性變化最明顯。

2)在氮氣濃度在0%～30%時爆炸區(qū)間范圍不斷縮減，且隨氮氣濃度的增加，爆炸上限較爆炸下限變化更快，當充入的氮氣體積分數(shù)大于27%時爆炸上限與下限接近重合，化學鏈式反應的活化分子失去能量來源，達到了氮氣抑制管道油氣爆炸的效果。

3)隨著氮氣充入量不斷增加，油氣濃度高的爆炸壓力下降幅度較油氣濃度低的更大，氮氣的抑制爆炸的效果越明顯。管道內(nèi)充入氮氣能有效地抑制爆炸時火焰?zhèn)鞑サ乃俣龋獨鉂舛仍礁弑ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣人苡绊懺酱螅艿纼?nèi)能量聚集越困難，且在實驗的不同管段距離點火處爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣纫脖幌鄳臏p弱。