含弱約束結構受限空間甲烷爆炸及傳播特征實驗研究

王亞軍，蔣曙光，王 磊，邵 昊，吳征艷，王 凱

(1.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116; 2.黑龍江科技大學 安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022; 3.深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001; 4.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

氣體爆炸是工業(yè)領域常見的事故類型之一，尤其是以甲烷爆炸為代表的烷烴類氣體爆炸最為嚴重。隨著我國煤礦瓦斯抽采率的逐漸提高，瓦斯調壓及儲存氣罐逐年增多。此外，我國的LNG、CNG使用率也逐年快速增長，儲存和輸運天然氣的罐體和長輸管道也越來越大型化。一旦這些罐體和長輸管道在檢修過程中違章動火極易造成爆炸。而在爆炸過程中，由于設備的腐蝕、閥門、安全附件失效等原因，這些部位較罐體本身強度有較大幅度下降，因此形成弱面結構，在發(fā)生爆炸時在這些弱面結構造成泄爆燃燒。在之前的眾多研究中，通常是在柱形[1-6]、球形[7-11]或連通結構[12]研究可燃物質爆炸的壓力、火焰及壓力升高速率，采用的通常是最佳工況下的爆炸濃度，得到了很多有益的結論。但對于不同體積分數(shù)下，以及有擴散管路狀態(tài)下含弱約束結構的腔體內甲烷爆炸特征及擴散特征研究較少。筆者在前人研究的基礎上，研究了一定約束條件下，不同濃度瓦斯爆炸時腔體內的壓力升高特征，分析其火焰、壓力沿一定擴散管路的傳播特征，以期為甲烷爆炸防治提供借鑒。

1 實驗系統(tǒng)

含弱約束受限空間甲烷爆炸實驗系統(tǒng)主要由爆炸腔及擴散管路、配氣系統(tǒng)、高能點火系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、處理終端等組成。實驗系統(tǒng)示意如圖1所示。

實驗所用的爆炸腔體為鋼制，規(guī)格為DN300×1 500，長徑比為5。腔體容量為109 L，設計耐爆壓力為4 MPa。爆炸腔為開口容器，開口端位于爆炸腔一側中央，直徑為120 mm。為了實現(xiàn)爆炸管內因配氣抽真空的需要，用膜夾持器及塑料膜將爆炸管與擴散管隔開且實現(xiàn)密封。塑料膜材質為聚四氟乙烯，厚度為0.3 mm，設計破膜壓力為0.09 MPa。圖2為膜夾持器及薄膜，圖2(a)為安裝在膜夾持器中的聚四氟乙烯薄膜，圖2(b)為爆炸完成后的薄膜。實驗中的擴散管內徑為120 mm，外徑為125 mm，設計耐爆壓力4 MPa。擴散管是由一段長6.1 m的直管和一段長4.65 m的呈90°彎管組成，擴散管路長徑比為80.4。單管長2.2 m，中間由法蘭、密封O型圈及螺栓連接。點火系統(tǒng)為東北大學設計的高能靜電點火控制柜，實際點火能量為404.8 J。閥門遲滯時間設置為1 s，靜電點火延時設置為60 ms，即按下點火按鈕之后由控制程序控制高壓繼電器進行延遲點火的時間。實驗中的壓力及火焰?zhèn)鞲衅鳛槌啥继┧固毓旧a，如圖3所示。壓力傳感器為壓阻式，量程為0～2 MPa，精度為0.25%，典型的壓力采樣曲線如圖3(b)所示;火焰?zhèn)鞲衅鳛楣饷羰剑砍虨?～500 mV，響應時間小于100 μs，典型的火焰?zhèn)鞲衅鞑蓸忧€如圖3(d)所示。在爆炸腔體上設置1個壓力傳感器，距離點火極為50 cm。其余傳感器成對設置在擴散管上，其中4對設置在直管上，2對設置在彎管上，共設置7個壓力傳感器和6個火焰?zhèn)鞲衅鳌鞲衅髟O置位置見表1。數(shù)據(jù)采集采用成都泰斯特公司的TST6300高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集軟件為DAP7.1，采集對象為壓力值和火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑪?shù)據(jù)采樣頻率為100 kHz，采樣長度為200 K。

圖2 膜夾持器及薄膜Fig.2 Film holder and film

圖3 傳感器及典型采樣曲線Fig.3 Sensor and typical sampling curve

壓力測點編號距起爆點位置/cm火焰測點編號距起爆點位置/cm150——228012803355235544253425557545756765576579856985

實驗在常溫常壓下進行。首先利用壓縮氣體清理爆炸腔體內的廢氣及粉塵，仔細挑選表面光潔無損傷的塑料膜，安裝在夾持器上，并整體安裝在爆炸管與擴散管之間。之后利用真空泵將爆炸腔抽真空至-50 kPa，如能迅速達到預定壓力并緩慢下降，則證明腔體密封完好。之后進行配氣工作，待配氣完成等待約一段時間后，甲烷與空氣混合均勻后，插上高壓點火線，開啟采集系統(tǒng)進行點火實驗。

2 實驗結果及分析

2.1 含弱約束封閉空間爆炸特征

圖4 含弱約束結構腔體內壓力升高曲線Fig.4 Curves of increase pressure in cavity with weak constraint

為研究不同濃度下含弱約束結構的受限空間內甲烷爆炸的特征。共進行了甲烷體積分數(shù)分別為5.8%，6.5%，7.0%，7.4%，9.5%和11.0%六組實驗。為了保證實驗數(shù)據(jù)的準確性，每組實驗進行了3次平行實驗，取其平均值作為最終結果。由于爆炸腔體含弱約束結構，且與擴散管是變徑連接，爆炸腔體內的壓力值呈現(xiàn)出與文獻[11,13]不同的結果。圖4是3組典型的爆炸腔體壓力升高曲線，圖中曲線采樣長度均為0～1 s。圖4(a)為體積分數(shù)5.8%的甲烷在腔體內的爆炸壓力升高曲線，從圖中可以看出，在點火電極觸發(fā)后，經(jīng)過835 ms腔體內壓力達到最大值，最大壓力為0.122 MPa(相對壓力，下同)。之后封閉薄膜破裂，破膜之后壓力曲線持續(xù)下降，在948 ms下降到-0.1 MPa。之后發(fā)生小幅壓力震蕩，逐漸恢復至常壓。圖4(b)為體積分數(shù)7.4%的甲烷在腔體內的爆炸壓力升高曲線，從圖中可以看出，在點火電極觸發(fā)后，經(jīng)過40.460 ms腔體內壓力達到0.114 MPa，之后封閉薄膜破裂，腔體內壓力迅速下降。在此過程中，由于封閉腔體內甲烷在膨脹壓力作用下，一部分甲烷沖出腔體繼續(xù)燃燒，一部分甲烷留在爆炸腔體內燃燒。且留在腔體內的甲烷由于湍流增強，加劇了氣體的燃燒，所以腔體內的壓力在下降后，經(jīng)31.490 ms后又增大，最大壓力為0.155 MPa。之后發(fā)生壓力震蕩，逐漸恢復至常壓。圖4(c)為體積分數(shù)9.5%的甲烷在腔體內的爆炸壓力升高曲線，在38.150 ms破膜后，沒有明顯的壓力下降趨勢，反而腔體內壓力持續(xù)升高和震蕩，在88.420 ms達到了0.324 MPa，破膜后腔體內的高壓持續(xù)時間約40 ms。體積分數(shù)11.0%的甲烷爆炸壓力升高曲線與7.4%的基本相同，限于篇幅關系不再列出。

從系列實驗結果分析，含弱約束結構的封閉空間內，甲烷爆炸壓力升高曲線與甲烷濃度有密切的關系。當腔體內甲烷體積分數(shù)為5.8%以下時，腔體內甲烷量較小，當被大容量靜電點火極觸發(fā)后，腔體內的甲烷能夠以較慢的速度燃燒，壓力逐漸緩慢升高，達到理論破膜壓力時并不易實現(xiàn)破膜。這是由于腔體內壓力升高較慢，壓力上升速率不高，爆炸造成的破壞力不足引起的。同時，由于甲烷量不足，在腔體內達到破膜壓力時基本燃燒殆盡，在破膜后甲烷不能或較少沖出腔體形成持續(xù)燃燒，所以導致其壓力在破膜后持續(xù)下降。在甲烷體積分數(shù)高于6.5%時，腔體內甲烷量增大，當達到0.10～0.11 MPa時實現(xiàn)破膜，之后壓力迅速下降，但此時腔體仍殘留未爆炸的一部分甲烷。因此，此部分的甲烷在腔體內繼續(xù)燃燒升壓，形成比破膜壓力更高的超壓值。特別是體積分數(shù)為9.5%的甲烷，由于正處于其化學當量范圍，甲烷容易引燃，壓力升高速率大，在破膜后沒有明顯的壓力下降現(xiàn)象，反而在腔體內形成持續(xù)約40 ms的高壓震蕩，待其中甲烷反應完畢后才快速下降。整理6組不同體積分數(shù)的甲烷在腔體內超壓值后，得到了如圖5的最大壓力值曲線。從圖中可以看出，隨著甲烷體積分數(shù)的升高，腔體內的爆炸超壓值持續(xù)上升，到甲烷體積分數(shù)9.5%時達到了最大值。結合圖4可以得出，含弱約束結構的受限腔體內，爆炸后的甲烷一部分留在腔體內繼續(xù)燃燒，另一部分會因膨脹作用沖出腔體，在擴散管或空氣中繼續(xù)燃燒。

圖5中壓力與甲烷爆炸濃度的關系可大致表示為y=-0.012 8x2+0.232 6x-0.832(6%～15%，R2=0.954 7)，表2分別為不同濃度的甲烷氣體在爆炸腔體內的實測值，計算值1及根據(jù)參考文獻[14]所得計算值2。從表中可以看出，在破膜壓力為0.09 MPa，開口比為0.4的情況下，含弱約束結構的受限空間最高爆炸壓力遠小于全封閉腔體，全封閉腔體的最大爆炸壓力約為含弱約束結構的3.2倍。

圖5 腔體內最大壓力曲線Fig.5 Maximum pressure in the cavity

序號體積分數(shù)/%實測壓力1/MPa計算壓力1/MPa計算壓力2/MPa16.50.1450.1390.41227.00.1630.1690.48337.40.1810.1880.53349.50.2270.2230.684511.00.1720.1780.681

2.2 管道中爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑ヌ卣?/h3>

2.2.1 不同體積分數(shù)甲烷爆炸壓力峰值特征

在弱約束結構被破壞后，部分甲烷會進入到擴散管中繼續(xù)燃燒。此時由于甲烷量的不同，擴散管中爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑ヌ卣饔泻艽蟮膮^(qū)別。圖6是體積分數(shù)5.8%和7.4%甲烷爆炸壓力的采樣曲線。在圖6可以清晰的看到，壓力波可以劃分為前驅波和爆炸波兩部分。但由于低濃度時擴散管中無持續(xù)的甲烷源存在，管道內爆炸壓力波峰值出現(xiàn)在前驅波處;而當甲烷濃度較高時，壓力峰值則出現(xiàn)在后續(xù)的爆炸波處。這是由于較低濃度的甲烷在點火后大部分在腔體內燃燒，很少或沒有甲烷進入到擴散管內，當管內沒有甲烷進行持續(xù)的能量供給后，前驅波就成為其超壓峰值。而濃度較高時則有較多量的未燃甲烷進入到擴散管中，在前驅波后有持續(xù)的甲烷火焰存在，壓力不斷上升，最后達到峰值。

2.2.2 爆炸壓力分布規(guī)律

圖7是擴散管中爆炸最大壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆植紙D。從圖7(a)可以得出，不同體積分數(shù)的甲烷在爆炸后，其爆炸壓力在擴散管中的分布呈現(xiàn)明顯的3種形態(tài)。當甲烷體積分數(shù)在7.0%以下時，從擴散管端頭開始，其最大爆炸壓力基本上呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。雖然在5號和6號壓力傳感器之間有一個90°的彎管，并沒有像全充滿甲烷的管道一樣存在壓力階躍現(xiàn)象。原因是當濃度較小時，進入管道中的甲烷較少，當傳播到90°彎管處時，傳播的火焰遇到固體壁面時形成的反射波導致火焰熄滅，壓力不再升高所致。值得注意的是，在這一組中，甲烷體積分數(shù)為5.8%的分組在管道中的壓力比6.5%和7.0%的大。造成這一反常現(xiàn)象的原因是，體積分數(shù)為5.8%的甲烷在爆炸腔體內幾乎全部反應完成，燃燒速率慢，壓力升高到0.122 MPa時才實現(xiàn)了破膜。因此進入到擴散管時的壓力初始值較高，因此造成了體積分數(shù)5.8%的甲烷在管路中壓力較高。而甲烷體積分數(shù)為7.4%和11.0%時，管中爆炸壓力呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。這主要是由于進入到擴散管中甲烷較多，在壓力波后有持續(xù)的火焰存在，導致壓力波得以持續(xù)升高。在壓力測點6處壓力的升高是由于固體壁面的反射波造成的二次加速作用。測點7處由于距管道開口1.1 m，沖擊波突然釋放到空氣中，壓力迅速下降。而體積分數(shù)為9.5%的甲烷則壓力升高較快，且壓力分布呈現(xiàn)鋸齒形狀態(tài)。進入擴散管的甲烷爆炸壓力在測點3處增大，之后在測點5處減小到最小值，后在測點6處達到最大。造成的原因一方面是由于9.5%的甲烷處于完全反應狀態(tài)，在進入擴散管后繼續(xù)燃燒，但由于管壁的散熱和摩擦，能量下降而導致壓力下降，之后遇到90°的彎管時，固體壁面反射波造成5號測點壓力值達到最低。在經(jīng)過彎管的突變后，火焰湍流加強，在6號測點壓力又激劇的升高。

圖6 不同體積分數(shù)甲烷爆炸壓力采樣曲線Fig.6 Sampling curves of gas explosion pressure in different concentrations

圖7 擴散管中爆炸最大壓力和火焰速度分布Fig.7 Distribution of maximum explosion pressure and flame velocity in diffusion tube

2.2.3 爆炸火焰速度分布規(guī)律

從圖7(b)中的火焰速度分布可以更清楚的看出進入擴散管中的甲烷燃燒狀態(tài)。在甲烷體積分數(shù)低于7.0%時，管中的火焰無法傳遞到管外。5.8%的甲烷在火焰?zhèn)鞲衅鳒y點4處就已經(jīng)熄滅，甚至在平行實驗中，管道中無法檢測到火焰信號，證明甲烷在爆炸腔體內已大部完全反應。而6.5%和7.0%的甲烷則在測點5處熄滅，證明了固體壁面反射波對甲烷火焰的抑制作用[15]。從圖中可以看出，5.8%～7.0%的甲烷爆炸火焰在測點2處達到最大后，持續(xù)的下降，說明此時由于進入擴散管中的甲烷量小，管道壁面的散熱和摩擦損耗占據(jù)主導地位，導致其火焰速度不斷下降。而7.4%～11.0%的甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣葎t呈現(xiàn)截然不同的狀況。在測點2達到極值后，火焰速度開始下降，但在經(jīng)過彎管對火焰湍流的加強作用后，火焰速度激劇的升高，甚至達到了581 m/s(9.5%)。火焰可以一直存續(xù)，直到?jīng)_出管外。

2.2.4 前驅壓力-火焰耦合分布規(guī)律

在以往的研究中，由于大多數(shù)的研究者關注的是爆炸壓力峰值和火焰的傳播速度，對壓力和火焰耦合的時間關系研究的較少，或者僅從理論上加以推導。尤其對于含弱約束結構時甲烷爆炸壓力與火焰?zhèn)鞑サ臅r間關系研究較少。筆者以前驅壓力波的出現(xiàn)時間和火焰信號出現(xiàn)的初始時間(5 mV)為研究對象，研究了不同濃度甲烷爆炸其壓力波和火焰波的耦合關系，如圖8所示。從圖8可以看出，由于進入擴散管中甲烷量的差異，壓力信號和火焰信號的時間差有很大的差異。在甲烷體積分數(shù)小于7.0%時，壓力波的出現(xiàn)和火焰波的出現(xiàn)時間相差較小，兩者最大的時間差為5.255 ms;而甲烷體積分數(shù)大于7.4%時，壓力波的出現(xiàn)時間和火焰波的出現(xiàn)時間相差大約在28～40 ms之間，并且大體上時間差是隨距爆源點距離增大而逐漸變大。這與管道中充滿甲烷的爆炸壓力和火焰時間差關系是相反的。造成這一差異的主要原因是，在甲烷濃度較低時，管道中的火焰主要是由于爆炸破膜后，腔體內火焰在傳播截面突然收縮過程中加速形成膨脹火焰，拉伸火焰與破膜激波同時進入管道，因此二者的時間差較小;而當甲烷濃度較高時，弱約束結構破壞時，有較多的甲烷進入管道中，而大量甲烷的涌入阻斷了膨脹火焰進入到管道中，管道中的甲烷由于二次爆炸形成新的湍流火焰。此時，管道中火焰速度為湍流火焰速度，其與前驅波的時間差自然相差較大。而時間差的逐漸增大，則主要是由于進入擴散管中的甲烷量隨距離增大逐漸減小，湍流火焰無法得到持續(xù)的能量補給，且在管道壁的摩擦和散熱作用下，火焰速度不斷減小所致。

圖8 爆炸前驅波與火焰時間差Fig.8 Time gap between the precursor blast and the flame

3 結 論

(1)含弱約束結構的封閉腔體內爆炸壓力升高趨勢隨甲烷含量不同有較大差異，甲烷體積分數(shù)低于5.8%時，腔體內壓力呈現(xiàn)單峰值;甲烷體積分數(shù)高于7.4%時腔體內壓力呈現(xiàn)多峰值，甲烷濃度在9.5%時達到最大。

(2)含弱約束結構的封閉腔體內最大爆炸壓力遠低于20 L封閉腔體的最大爆炸壓力，在實驗條件下，同濃度甲烷爆炸在封閉腔體內的壓力峰值約為在含弱約束結構受限腔體內下的3.2倍。

(3)不同濃度的甲烷爆炸后，擴散管中的壓力傳播特征隨甲烷濃度不同可分為3種，甲烷體積分數(shù)小于7.0%時擴散管中壓力隨傳播距離增大而減小;甲烷體積分數(shù)為7.4%和11.0%時，壓力隨傳播距離增大而增大;而甲烷體積分數(shù)為9.5%時，壓力呈鋸齒形形態(tài)，接近全管道充滿甲烷的傳播特性。

(4)不同濃度的甲烷爆炸后，擴散管中的火焰?zhèn)鞑ヌ卣麟S甲烷濃度不同可分為兩種，甲烷體積分數(shù)小于7.0%時擴散管中火焰以膨脹火焰為主，大于7.4%時擴散管中火焰以湍流火焰為主。