多孔金屬抑制管道燃氣爆炸特性的實驗研究

肖記軍 李同卓 溫小萍 王耀萱

摘 ?要：針對管道燃氣爆炸進行多孔金屬抑爆特性的實驗研究，重點分析了多孔金屬對管道燃氣爆炸火焰傳播和爆炸壓力等特征參數的影響規律。實驗結果表明，當管道中放置多孔金屬時，管道燃氣爆炸火焰無法穿過多孔金屬，即管道燃氣爆炸火焰發生了淬熄抑爆效果;隨著多孔金屬孔隙率增大，上游爆炸壓力上升趨勢十分緩慢，下游爆炸壓力有明顯上升趨勢。

關鍵詞：管道燃氣;爆炸;多孔金屬

中圖分類號：TQ560 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0061-02

Abstract： Based on the experimental study on the explosion suppression characteristics of porous metal in pipeline gas explosion， this paper focuses on the influence of porous metal on the characteristic parameters such as flame propagation and explosion pressure of pipeline gas explosion. The experimental results show that when the porous metal is placed in the pipeline， the pipeline gas explosion flame can not pass through the porous metal， that is， the pipeline gas explosion flame has the quenching and explosion suppression effect， and with the increase of the porosity of the porous metal， the upstream explosion pressure rises very slowly， and the downstream explosion pressure has an obvious upward trend.

Keywords： pipeline gas; explosion; porous metal

管道燃氣是化工、煤礦、油氣田及城市生活中重要的組成部分[1-2]，經常受到氣體爆炸事故的威脅，嚴重影響工業設備和人身的安全，因此深入開展管道燃氣爆炸特性及其抑爆技術研究是非常必要的[3-4]。王信群等[5]采用改性BC干粉開展了抑制甲烷/空氣預混氣爆炸的實驗研究;羅振敏等[6]通過實驗證明了與微米級粉體相比，納米粉體的抑爆效果更優。張鵬鵬等[7]研究了不同濃度超細水霧抑制瓦斯爆炸的作用規律。

本文利用自行搭建的半密閉透明爆炸容器，實驗研究了多孔泡沫金屬對甲烷-空氣預混氣爆炸抑制作用，著重分析了多孔金屬對管道燃氣爆炸火焰傳播和爆炸壓力等特征參數的影響。

1 實驗系統

本文采用的實驗系統如圖1所示。

爆炸實驗管道由厚度為20mm的透明有機玻璃管道構成，最大耐壓極限為2.0MPa，有利于使用高速攝像機進行火焰拍攝，管道內部橫截面為80mm×80mm，長為1000mm，其長寬比為12.5：1。管道右端定義為末端，使用鋼板夾持0.1mm厚聚乙烯薄膜進行密封，以保證預混氣體停留在管道中，燃氣爆炸時薄膜破裂及時泄壓，管道左端由10mm厚鋼板密封，鋼板上裝有3個接口，分別為：點火器、壓力傳感器以及進氣口。管道內距點火端680mm處放置多孔金屬。

預混氣配送系統由甲烷儲存氣瓶、空壓機、質量流量裝置、輸氣管路、閥門等組成。實驗中所需預混氣體由兩個高精度質量流量控制器提供，通入化學當量比為1.0的甲烷/空氣預混氣。混合氣體通過實驗進氣口充入實驗管道，實驗采用排空法，即通過向管道內充入4倍管道體積的預混氣體以排出管道內殘留空氣，排氣口設置管道右末端附近的一側管壁上。圖像采集系統主要由高速攝像機、電腦主機、圖片采集控制和儲存裝置組成。高速攝像機選用美國Phantom公司的MIRO M310高速攝像機，主要用于記錄管道燃氣爆炸火焰的傳播過程，由Phantom-Pcc軟件控制高速攝像機進行圖片采集。實驗中高速攝像機圖像采集頻率為2000 幀/秒，采集到的圖像最大分辨率可達到1024像素×1024像素。壓力采集系統主要由RL-1型光電傳感器、兩個Keller公司的PR-23壓力傳感器和NI USB-6210型數據采集卡組成。壓力傳感器的最大數據采集頻率為25 kHz，測壓范圍為0～100kPa，誤差為0.25%，一個安裝在實驗管道點火端鋼板上，另一個安裝在排氣口一側管壁附近。

2 實驗結果與分析

圖2（a）、（b）分別表示為無、有多孔金屬兩種工況下管道燃氣爆炸火焰的傳播過程。可以看出，可燃氣體爆炸火焰在管道內傳播形狀將火焰傳播可分為四個階段，即球形火焰、指形火焰、觸及管壁的細長火焰和郁金香火焰。其中，郁金香火焰是一種流體力學現象，這種現象是由側向火焰裙擴張的偏轉燃燒氣體的向后運動與手指形火焰階段加速的未燃燒氣體向前運動之間競爭導致的。從圖2（a）可以觀察到，在管道中未放置多孔金屬時，火焰傳播后期郁金香火焰明顯，未燃氣體區域出現渦團，火焰陣面變形出現褶皺，湍流加劇。圖2（b）顯示在管道中放置多孔金屬的火焰傳播過程，可以看出在郁金香火焰形成初期，火焰無法穿過多孔金屬，即爆炸火焰發生了明顯的淬熄抑爆效果。

圖3表示在不同的孔隙率條件下，多孔金屬對其上下游爆炸壓力的影響。從圖中可以看出，多孔金屬孔隙率分別為85%、87%、90%時，上游爆炸壓力上升趨勢十分緩慢，其上升斜率接近于0，分別為6.73kPa、6.84kPa、7.02kPa;下游爆炸壓力有明顯上升，分別為4.95kPa、4.98kPa、5.31kPa，爆炸壓力的衰減率分別為26.49%、27.22%、24.35%。可見孔隙率對多孔金屬減壓性能影響較為明顯，孔隙率越大的材料，內部通道縱橫交錯，被吸收的前驅壓力波和爆炸壓力波有一部分可能會穿過多孔金屬。

3 結論

（1）搭建了半密閉透明管道燃氣爆炸實驗系統，研究了多孔金屬對甲烷-空氣預混氣爆炸抑制作用，著重分析了多孔金屬對管道燃氣爆炸火焰傳播和爆炸壓力等特征參數的影響規律。

（2）當管道中放置多孔金屬時，管道燃氣爆炸火焰無法穿過多孔金屬，即爆炸火焰發生了明顯的淬熄抑爆效果。隨著孔隙率增加，上游爆炸壓力上升趨勢十分緩慢，下游爆炸壓力有明顯上升，說明孔隙率越大的材料，內部通道縱橫交錯，被吸收的前驅壓力波和爆炸壓力波有一部分可能會穿過多孔金屬。

參考文獻：

[1]高建豐，何笑冬，邱云欽，等.原油管道油氣爆炸實驗與數值模擬[J].油氣儲運，2019，38（1）：71-75.

[2]馬世海.城區天然氣管道泄漏數值模擬與爆炸危害分析[J].中國安全生產科學技術，2011，7（7）：26-30.

[3]溫小萍，余明高，鄧浩鑫，等.小尺度受限空間內瓦斯湍流爆燃大渦模擬[J].化工學報，2016，67（5）：1837-1843.

[4]程浩力，李睿，劉德俊.管道燃氣爆炸特性實驗研究[J].中國安全生產科學技術，2010，6（4）：23-27.

[5]王信群，王婷，徐海順，等.BC粉體抑爆劑改性及抑制甲烷/空氣混合物爆炸[J].化工學報，2015，66（12）：5171-5178.

[6]羅振敏，鄧軍，文虎，等.納米粉體抑制礦井瓦斯爆炸的實驗研究[J].中國安全科學學報，2008，18（12）：84.

[7]張鵬鵬.超細水霧增強與抑制瓦斯爆炸的實驗研究[D].大連理工大學，2013.