球形抑爆材料抑制中尺度密閉空間油氣爆炸研究

趙亞東　蔣新生　謝威　何東海

摘????? 要： 為了研究球形抑爆材料對油氣爆炸超壓的抑制作用和阻止火焰傳播的性能，搭建了Φ700 mm×? 3 300 mm中尺度圓管密閉空間試驗臺架。測定在裝有非金屬球形抑爆材料時92#汽油蒸氣與空氣混合氣體中的爆炸超壓及火焰傳播速度，并與空爆和裝有金屬網架下的試驗結果進行對比。結果表明：在該試驗條件下，球形抑爆材料可以使油氣爆炸最大超壓下降68.28%，削弱湍流發展和震蕩加強過程;雖然沒有完全阻止火焰傳播，但球形抑爆材料可以使火焰持續時間縮短70.13%，減小火焰強度;抑爆試驗后少量球形抑爆材料發生局部失穩、變形，大體上狀態良好。

關? 鍵? 詞：球形抑爆材料;中尺度密閉空間;油氣爆炸;抑爆

中圖分類號：X932??????? 文獻標識碼： A ???????文章編號： 1671-0460（2020）06-1017-06

Experimental Study on Suppression of Gasoline-Air Mixture Explosion

in Narrow-confined Space Using Non-metallic Spherical Anti-explosion Material

ZHAO Ya-dong¹， JIANG Xin-sheng¹， XIE Wei²， HE Dong-hai¹

（1. Department of Petroleum Supply Engineering， Logistical Engineering University， Chongqing401331， China;

2. PLA Military Representative Office to Daqing Petrochemical Company， Daqing Heilongjiang 163000， China）

Abstract： In order to study the inhibitory effect of non-metallic spherical anti-explosion material on the overpressure of gasoline-air mixture explosion and the performance of preventing flame propagation， a ?700 mm×3 300 mm mesoscale circular tube confined space experimental bench was set up. The explosion overpressure and flame propagation speed in a mixture of 92# gasoline vapor and air when non-metallic spherical anti-explosion materials were installed were measured and compared with the experimental results under air explosion and with a metal grid. The results showed that，under this experimental condition， the spherical anti-explosion material reduced the maximum overpressure of gasoline-air mixture explosion by 68.28%， and weakened the turbulence development and oscillating strengthening process; although the flame propagation was not completely prevented， the spherical anti-explosion material shortened the flame duration by 70.13%， reduced the flame intensity; after the explosion suppression experiment， a small amount of spherical anti-explosion materials were locally unstable and deformed， and generally in good condition.

Key words： Spherical anti-explosion material; Mesoscale confined space; Gasoline-air mixture explosion; Explosion suppression

油料作為一種重要的能源和原料，對經濟發展、社會穩定和國家安全都起著重要作用。然而油料揮發、泄漏產生的油氣遇到明火、高熱能等容易發生火災爆炸事故，對油庫安全事故分析顯示，著火爆炸事故占事故總數的42.4%^[1]。隨著我國國防石油儲備戰略的建立，各類軍用油料儲運工程設備設施大型化、信息化、智能化建設加快，對油料的供應與儲藏量加大，導致大型油罐數量增加，對油料的輸運、周轉和儲存過程提出了新的挑戰，同時也對油料儲運工程安全防護能力建設提出了更高要求。

為了預防此類安全事故，提高油料儲運安全防護能力，阻隔防抑爆材料被大量研究。阻隔防抑爆材料是具有特殊的阻燃、抑爆、抗沖擊和防靜電等性能的金屬或非金屬材料，既可以應用于防爆，又可以用來抑爆，它的功能性質取決于所處的應用場所，非常具有應用和研究價值。

早在20世紀60年代，美國、加拿大等國就開始了阻隔防抑爆材料的研究。為了減少各類用油裝備的油箱發生火災爆炸事故，在油箱中填充網狀金屬材料，最常見的是網狀鋁合金材料^[2]。最初主要在軍事上應用，經過大量試驗，美軍于1982年頒布了用于飛機燃油箱防爆的網狀鋁合金防護材料的美國軍用規范MIL-B-87162^[3]。我國民用方面也有多家公司研究和生產鋁合金抑爆材料。

非金屬防抑爆技術常用聚酯或聚醚作為防抑爆材料，在高分子抑爆材料領域，美國研制的高分子抑爆材料在武器裝備上已經大量應用，并制定了軍用標準，現已更新到第三代抑爆材料。俄羅斯研制的材料與美國第一代抑爆材料相當，并制定了俄標，一直沿用至今。

國內高分子抑爆材料的研制起步較晚。20世紀90年代，由引進俄裝備所帶動，開展了聚酯型抑爆材料的國產化研究工作。田宏^[4]等對燃油箱填充用防火抑爆網狀泡沫材料進行了研究，曲芳^[5]等進行了填充俄制網狀聚氨酯泡沫油箱的燃油沖刷靜電試驗研究，蔣新生^[6]等、謝威^[7]等對中尺度受限空間和狹長受限空間內網狀材料抑制油氣爆炸進行了研究。

目前國內正在研發一種新型具有薄壁骨架結構的球形非金屬阻隔防爆材料，相較網狀金屬材料和網狀聚氨酯，球狀外形對各種管線、異型油箱的裝填更加容易并且方便清洗。周友杰^[8]等對鋁合金、聚氨酯泡沫、球形非金屬等3大類阻隔防爆材料的基本性能進行了測試，認為球形非金屬抑爆材料可以安全地在油箱油罐中填充使用。魯長波^[9]等對不同起爆能量的激波管、等效靜爆試驗和30 mm 殺爆燃彈炮擊試驗模擬實際應用中球形阻隔抑爆材料的防爆性能。但是現有研究一般都針對油箱類的密閉空間，對于中尺度的儲油密閉空間球形非金屬阻隔防爆的性能研究較少。因此，本文以92#汽油蒸氣為介質，對比空爆和抑爆條件下的超壓和火焰傳播情況，研究了球形抑爆材料對中尺度密閉空間油氣爆炸的抑制作用，為該材料的應用提供試驗和理論依據。

1 ?試驗

1.1? 試驗系統

試驗系統主要包括試驗臺架、測試系統（HC體積分數測試系統、瞬態數據采集系統、壓力傳感器、火焰強度傳感器）以及輔助系統（油氣霧化系統、高能無干擾點火器）。

1.1.1 ?試驗臺架

搭建F700 mm×3 300 mm的中尺度圓形密閉管道試驗臺架，管道壁厚為10 mm，可耐壓6 MPa。一側設置為點火端，另一側為用鐵絲網架裝填球形抑爆材料的抑爆段，P1、P2、P3、P4為4個壓力測點，其間隔為650 mm，F1、F2、F3、F4為4個火焰強度測點，其間隔為650 mm，如圖1所示。

1.1.2? 測試系統

試驗初始油氣體積分數的測量采用北京均方理化科技研究所生產的GXH-1050分析儀。壓力傳感器采用寶雞秦明傳感器有限公司生產的CYG1163型擴散硅高頻動態壓力傳感器，用其對爆炸超壓進行測量;火焰傳感器選用CKG100光電型火焰傳感器，其能準確地測量火焰強度變化以及火焰持續時間。動態數據采集系統采用江蘇東華測試技術有限公司生產的DH8301型高性能動態信號測試分析系統，壓力與火焰傳感器均連接至該系統。

1.1.3? 輔助系統

配氣循環單元采用油氣霧化裝置與2X-8旋片式真空泵組成循環配氣系統。

高能無干擾點火單元采用成都新辰光電研究所生產的WGDH-5型高能無干擾點火器，點火能量設置為與實際油氣爆炸事故點火源能量相近的1.5 J。

1.2? 材料及測試依據

1.2.1 ?材料

單個球形抑爆材料的相關參數如下。

體積：平均約1.111×10³ mm³;

重量：平均約1.836 5 g;

材料密度：約1 653 kg·m^-3;

體積質量：438.431 kg·m^-3;

孔隙率：約73.5%。

其單個球形抑爆材料的形狀如圖2所示。

將球形抑爆材料塞滿提前加工好的3 m長的金屬網架組成抑爆段，約27.6萬個球形抑爆材料。球形抑爆材料在網架內部的朝向完全是任意的，無規律可循。

1.2.2? 測試依據

（1）《道路運輸車輛油箱及液體燃料運輸罐體阻隔防爆安全技術要求》（JT/T 1406-2016）^[10];

（2）《油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用規范》（GJB 8455-2015）^[11]。

1.3? 方案

試驗設定初始油氣體積分數為1.81%，點火能量為1.5 J。填充材料為塑料球形抑爆材料，裝入3 m長的鐵絲網架中，其留空率為3.2%，滿足AQ 3001—2005^[12]指標要求。

3個試驗分別為燃爆試驗、金屬網架燃爆試驗、爆炸抑制試驗。為了保證單一變量，在同樣的試驗條件下，做了單獨針對金屬網架的爆燃試驗，減小網架對抑爆試驗數據的影響。為了保證試驗的可重復性，抑爆試驗做3組，記為a、b、c組。

試驗時，首先配制油氣體積分數為1.81%的預混氣體。霧化后的汽油經油氣循環系統進入試驗管道，當油氣濃度達到試驗濃度時，關閉霧化裝置停止供油，繼續循環10 min使氣體充分混合均勻，然后靜置2 min。當各測點的油氣濃度差保持在0.3%以內視為試驗管道中的油氣混合均勻，可以進行試驗。

1.3.1 ?爆燃試驗

（1）按照圖1進行油氣燃爆試驗布置，點火位置在左側法蘭端蓋中心;

（2）利用真空泵往密閉管道中噴入油氣，使油氣體積分數達到1.9%～2.0%范圍，并靜置30 min;

（3）關閉管道各個閥門，點火并通過數據采集系統采集壓力及火焰參數;

（4）在數據采集完畢儲存好之后，等待安全等候時間，再打開閥門進行排除尾氣操作。

1.3.2 ?金屬網架爆燃試驗

文獻^[13-14]表明金屬絲網對火焰也有一定的淬息作用，對爆炸產生的壓力也有一定的影響^[15-16]，故針對金屬網架對爆炸的影響進行了研究，采用在只填充金屬網架的工況下進行了爆炸試驗。將金屬網架從右端填入管道，安裝好法蘭蓋，其余操作步驟同爆燃試驗。

1.3.3 ?爆炸抑制試驗

在完成好油氣燃爆試驗和金屬網架燃爆試驗后，將金屬網架直立，然后往其內部加入球形抑爆材料直至裝滿，末端用金屬端蓋封裝，如圖3。

從右端往管道內填充金屬網架，圖4為填充過程，安裝好法蘭端蓋，其后步驟同燃爆試驗，得到3組數據。

2? 結果與分析

2.1? 爆炸壓力結果對比與分析

2.1.1 ?對比

對DHDAS動態信號采集分析系統采集的壓力數據進行處理和分析，得到了整個爆炸過程中壓力隨時間的變化過程曲線圖，如圖5、圖6。

2.1.2 ?爆炸壓力結果分析

從圖5中可以看出，空爆試驗和金屬網架爆炸試驗中P1、P2、P3、P4號壓力的時變趨勢較為一致，大致可分為爆炸升壓、湍流加強、爆炸衰減3個階段，加強到燃燒結束時超壓達到最大值。對比圖6，4個測點的超壓值大大減小，可以認為球形抑爆材料對爆炸壓力波具有抑制作用。因為材料本身具有一定彈性，而且網格結構也對壓力波和振動有一定抑制作用。在圖6（c）中，P3、P4壓力測點最大壓力值明顯升高，推測是在燃燒進行到管道末端時壓力波震蕩加劇，并影響到P3，但由于球形抑爆材料對壓力波的抑制作用并未傳回P1、P2。

從得到的數據可以看出，該密閉試驗管道的最大燃爆超壓值約585.75 kPa，只填充金屬網架時的最大爆炸超壓為537.2 kPa，下降了8.29%，說明金屬網架對爆炸存在抑制作用，但是對本次試驗結果影響不大。而加入球形抑爆材料之后，前兩組試驗的平均最大超壓值為124.115 kPa，平均約下降了78.81%，抑爆效果較好。但是，第3組抑爆試驗的最大超壓出現在P4，且達到了309.15 kPa，遠大于前3個測量點（P1、P2、P3）的最大超壓，按規范抑爆成功最大超壓應低于140 kPa。

為了分析第3次抑爆試驗超壓大于140 kPa的具體原因，將試驗裝置進行拆解分析，如圖8。

其原因一方面可能是隨著試驗次數的增加，部分球形抑爆材料由于受到多次強沖擊作用而出現了結構性失穩，如圖9;另一方面可能是爆炸使得金屬網架的密封端出現了斷裂，增加了末端的燃燒空間，如圖8。

2.2? 爆炸火焰結果對比與分析

2.2.1? 對比

空爆及金屬網架爆炸火焰強度見圖10。

3組抑爆試驗的火焰強度見圖11。

2.2.2 ?分析

圖10、圖11中，均用電壓值代替火焰強度。圖10可以看出，添加金屬網架后火焰強度有所減小，這說明金屬網架對火焰也有抑制作用，不可完全忽略。對比圖11，火焰持續時間大大縮短，且a、b兩組F4測點火焰強度降低明顯;c組中F3、F4測點火焰強度值較高，與空爆最大火焰強度值相當。

由數據可以看出，金屬網架對火焰的確存在抑制作用，通過金屬網的火焰強度大幅降低，而后又逐漸上升，最終約為空爆的54.8%;球形抑爆材料雖然沒有完全阻止火焰的通過，但是火焰的持續時間極短，縮短了70.13%，抑爆成功的情況下，末端的火焰強度很小，約為空爆最大火焰強度值的18.39%。

3? 結 論

按照《道路運輸車輛油箱及液體燃料運輸罐體阻隔防爆安全技術要求》（JT/T 1406-2016）和《油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用規范》（GJB 8455-2015）的基本試驗要求，對填裝有球形抑爆材料的密閉空間在介質為92#汽油的條件下，進行了爆炸抑制對比試驗，結果表明：

1）加入金屬網架對球形抑爆材料抑制爆炸的影響不大，不影響最終結果的評判;

2）球形抑爆材料在該試驗條件下按規范的要求填充可以使油氣爆炸最大超壓下降68.28%，削弱湍流發展和震蕩加強過程縮短火焰持續時間70.13%，減小火焰強度;

3）在進行不同工況的3組抑爆試驗后，部分球形抑爆材料發生了局部失穩;

4）當安裝時末端若留有較大空隙，抑爆效果會降低，油氣爆炸最大超壓僅下降47.22%，末端火焰強度下降不明顯。

參考文獻：

[1] 范繼義.油庫1050例安全事故數據的統計分析[J].石油庫與加油站，2003（6）：19-21.

[2]田宏，吳穹，左哲，等.防火防爆用網狀金屬材料[J].工業安全與環保，2004（3）：38-40.