石化裝置工業尺度管道爆轟傳播實驗研究*

鮑 磊，王 鵬，黨 茜，李厚達，鄺 辰，于安峰

（1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266101；2.中國石油化工股份有限公司化學品安全控制國家重點實驗室，山東 青島 266101；3.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

隨著國家對環保的日益重視，相關法規標準日益嚴格。為滿足國家法律法規的要求，各煉化企業開始大面積實施或改造油品儲存系統揮發性有機物（volatile organic compounds，VOCs）收集與治理工程，涉及到中間原料與產品、石腦油、成品油等罐組。罐組連通后，一旦某一儲罐發生閃爆或火災時，火焰可沿連通管線傳播到其它儲罐，引發群罐火災。近年來，氣相連通罐組事故頻發，如某石化企業6號罐爆炸后，由于各罐氣相管線連通，導致7、8號罐相繼發生閃爆；某化工廠焚燒爐引風機故障，生產裝置可燃氣體通過罐區廢氣收集管向各儲罐倒灌，引發火災[1]。

國內外學者針對小尺度管道內預混氣體火焰傳播加速、火焰抑制等已開展了大量研究[2-8]，但對大尺度管道內火焰傳播行為的研究較少，司榮軍[9]采用管徑DN500（長度66.5 m）和DN700（長度93.1 m）的實驗裝置，研究了瓦斯爆炸的峰值壓力和火焰到達時間，認為管道直徑的大小明顯影響了瓦斯的爆炸傳播過程，DN700管道的壓力波峰值和火焰傳播速度均要大于DN500的管道，但根據實驗結果，管道內最大火焰傳播速度約為500～700 m/s，尚未形成爆轟傳播。Zuraiji等[10]采用內徑為500 mm、長為30 m的管道對不同體積分數的甲烷空氣混合物火焰傳播開展了研究，在28.5 m處得到最大速度133.1 m/s。白春華等[11]采用內徑為0.199 m、長徑比為163的水平長直管道研究了甲烷空氣爆轟傳播，得到在強點火條件下，甲烷體積分數為9.13%時，經過14.35 m（長徑比約72）形成穩態爆轟，爆速維持在1 700 m/s。蔣新生等[12]采用直徑為0.15 m，長徑比分別為69.3和155.3的實驗管道研究了油氣在不同長徑比管道內的火焰傳播行為，得出最大爆炸超壓值和火焰傳播速度隨長徑比增大而顯著增大，當長徑比達到一定程度后，發生了爆轟現象，最大爆炸超壓值均達到3 MPa 以上，火焰傳播速度最快達到3 000 m/s 以上；而當長徑比足夠大時，管道內沿程的最大超壓值會出現隨傳播距離增大而下降再迅速升高的現象。孫少辰等[13]采用DN80和DN400管道研究了管道爆轟傳播特性，實驗發現DN80管道爆轟壓力峰值大于DN400爆轟壓力峰值。上述研究更多地集中在瓦斯爆炸傳播領域，且更多的為爆燃傳播，對于石化裝置典型介質氣體（丙烷、乙烯等）在工業級管道（管徑以DN50～DN500為主）內的爆轟傳播行為研究較少。

本文中針對石化裝置常用管道規格（DN50～DN500）搭建9種規格管道火焰傳播行為研究實驗裝置，研究了典型介質氣體（丙烷、乙烯等）在不同規格管徑的管道內火焰傳播速度及壓力關鍵參數，以期為指導石化裝置連通管線設計及阻火器選型等提供數據。

1 實驗裝置與實驗過程

1.1 實驗裝置

實驗裝置主要由以下幾部分組成：實驗管道系統、自動配氣系統、點火系統、測量與采集系統以及安全控制系統等，如圖1所示。實驗管道系統包括50～500 mm等9種不同管徑規格不銹鋼材質管道，管道內未做特殊加工處理，內壁平滑無銹斑等。管道長度如表1所示。其中，50 mm管道實驗裝置中火焰速度、壓力傳感器以管徑D整數倍作為單位進行布置，具體如表2～3所示。

表1 各實驗管道長度Table1 Length of each experimental pipeline

表2 50 mm管道實驗裝置火焰速度傳感器布置位置Table2 Location of flame speed sensors in 50-mm-pipeline experimental apparatus

圖1 實驗系統組成Fig.1 Schematic representation of the experimental apparatus

自動配氣系統采用動態法配氣，通過實時自反饋調節可燃氣與空氣的流量實現氣體的混合。可根據實驗需要配置丙烷、乙烯等與空氣的混合可燃氣體，可燃氣體積分數精度為±0.2%；點火系統采用高壓放電點火，點火能量可調，范圍為1 mJ～30 J，為保證實驗中可燃氣被點燃，實驗中點火能量采用1 J。測量與采集系統包括火焰速度測量、壓力測量等。

火焰速度測量采用光電二極管原理的火焰傳感器，當管道內有火焰傳播時，其火焰的可見光傳至火焰傳感器時，火焰傳感器中的光電二極管將輸出0～3 000 mV的電信號并記錄下可見光出現的時間點，通過相鄰測試點的間距與時間差可求得其間的平均速度；間距越小，計算得到的平均速度值越真實反映火焰的瞬間速度，可根據火焰傳播的不同形態設計火焰傳感器間距值，火焰傳感器響應時間≤0.5 μs。

火焰壓力測量采用壓電式動態壓力傳感器，其量程為0～100 MPa，測量精度：響應時間小于0.4 μs，采樣頻率大于500 kHz。由于爆轟壓力的峰值壓力（pmax）通常具有一定的隨機性，加之當爆轟產生時，爆轟對管道或者其他設備的破壞需要一定的作用時間，根據ISO16852[14]（國際阻火器測試標準）規定，采用爆轟平均圧力pm表征爆炸壓力，其計算方法如下：

表3 50 mm管道實驗裝置火焰壓力傳感器布置位置Table3 Location of flame pressure sensors in 50-mm-pipeline experimental apparatus

式中：pm為爆轟平均圧力，MPa；tp為爆轟峰值壓力時間點，μs。

安全控制系統包括遠程控制進、出氣閥，阻火器以及管道末端的爆破片等，遠程控制進、出氣閥實現實驗過程的配氣與吹掃操作，避免實驗人員進入實驗管道區域，配氣完成后，遠程控制關閉進、出氣閥，保證實驗時管道內可燃氣體處于獨立狀態，與配氣系統等物理隔離；阻火器用于防止火焰傳播至非實驗管道區域；由于實驗基于常壓、微正壓開展，在管道末端安裝爆破片以保護實驗儀器等。

實驗采用石化裝置典型可燃氣體乙烯、丙烷等與空氣的混合氣體開展。

1.2 實驗過程

為保證實驗過程的安全，在管道末端安裝爆破片，管道進出口設置遠程控制開關閥。實驗開始前開展氣密性檢查，確保實驗管道無泄漏；配氣采用動態配氣，通過置換5～10倍實驗管道體積的實驗氣體來確保實驗氣體滿足對體積分數的要求。點火前關閉進出氣閥，通過高壓放電點火裝置遠程點火，點火同步觸發火焰速度和壓力采集系統。當開展正壓實驗時，通過管道上的靜壓表來確定實驗壓力。

2 實驗結果與討論

管道內火焰傳播由爆燃、爆燃轉爆轟、最后發展為爆轟已經有很多學者研究，這里不做贅述。本文中主要關注可燃氣體積分數、管徑等對火焰傳播的影響。

2.1 體積分數影響

圖2～3給出了C2H4體積分數不同的C2H4/空氣混合物在爆轟段（146D～228D）的火焰傳播壓力和火焰傳播速度。每組工況開展5次重復實驗，其中誤差定義為測量值與平均值的最大差值（包括正誤差與負誤差，下同）

圖2 不同C2H4體積分數下C2H4/空氣爆轟傳播壓力Fig.2 Detonation pressure of different C2H4concentrations in air

圖3 不同C2H4體積分數下C2H4/空氣混合物爆轟傳播速度Fig.3 Detonation flame speed of different C2H4concentrations in air

由圖2～3可以看到，當C2H4/空氣混合氣體中C2H4體積分數為5.93%，6.6%和7.15%時，火焰傳播速度和壓力均呈現出較為穩定的特性，多次實驗的數據重復性較好，當火焰傳播至150D以后即形成了穩態爆轟，速度約為1 800 m/s，與CJ理論爆轟速度接近。而當C2H4體積分數為5.6%（貧燃工況）時，火焰速度和爆炸壓力波動均較大，且隨著火焰的進一步傳播呈現逐漸降低的規律，并在190D以后逐漸形成穩態爆轟；這主要是由于該體積分數下，相對過量的空氣吸收了燃燒產生的熱量，一定程度上削弱爆轟反應，使得需要更長的火焰傳播距離發展成為穩態爆轟，同時穩態爆轟火焰速度略低于C2H4體積分數為6.6%時穩態爆轟速度。而當C2H4體積分數為8%（富燃工況）時，火焰速度和爆炸壓力與貧燃工況類似，均呈現較大的波動，這主要是由于隨著C2H4體積分數的增加，導致在非穩態爆轟區的反應速率增大，支持非穩態爆轟波傳播所需要的化學反應熱能釋放率也相應升高，進而增高了非穩態爆轟波傳播的速度和壓力，導致爆轟加速距離增長，這一現象與夏昌敬等[15]實驗觀察到的比較一致。

有趣的是，由圖2～3可以看出，隨著C2H4體積分數的提高，爆轟速度呈現微弱的提高，而爆轟壓力卻未呈現相同的規律，特別是C2H4體積分數為5.6%時，其爆轟壓力要高于C2H4體積分數為5.93%，6.6%和7.15%對應的爆轟壓力值，這主要是由于當C2H4體積分數為5.6%時，爆轟還處于一定的過驅狀態，并未完全穩態，這可從圖2可以看出，其壓力值還存在一定的下降趨勢，并未實現相對穩態。

對于石化裝置連通管道，可燃氣體積分數多處于貧燃或富燃工況，在阻火器選用安裝時，應當選用爆轟阻火器，安裝位置距離可能點火點在標準[16]建議（大于120倍管徑）的基礎上可適當增加安全裕量。

2.2 管徑影響

考慮到實驗的穩定性及可操作性，本節研究中分別采用C2H4體積分數為6.6%的C2H4/空氣混合氣與C3H8體積分數為4.2%的C3H8/空氣混合氣開展實驗。

圖4給出了50～500 mm等9種不同管徑下兩種可燃氣/空氣混合氣的管道火焰爆轟傳播速度，由圖4可以看出，從可燃氣種類來看，體積分數為6.6%的C2H4/空氣混合氣體的爆轟速度要大于體積分數4.2%的C3H8/空氣混合氣體，這主要是由于C2H4化學反應活性高于C3H8，火焰燃燒反應強度更高所致；從管徑來看，隨著管徑的增加，爆轟速度并未呈現明顯的變化，這說明爆轟速度與管徑基本無關。

圖4 不同管徑下管道火焰爆轟速度Fig.4 Detonation speed of different pipe diameters

由于火焰處于爆轟傳播狀態時，其速度與管徑基本無關，采用3個特征點速度偏差值對速度進行表征。ISO16852標準[14]中提出采用火焰速度偏差來判斷是否達到穩態爆轟狀態，即3個速度的最大偏差不超過10%即認為是爆轟狀態。其火焰速度傳感器布置如圖5所示。其中，L1≥3D，且L1≥100 mm，L2≥500 mm，2L1+L2＞30D，其中D為管道內徑，單位mm。

圖5 ISO16852標準關于爆轟速度的位置設置Fig.5 Location settings of detonation speed in ISO16852

定義無量綱量速度偏差δ為最大速度vmax相較最小速度vmin的偏差，即 δ =(vmax?vmin)/vmin。

最大速度偏差 δmax定義為多組重復實驗中的速度偏差最大值。

為了更好地反映不同尺寸管徑內火焰的傳播特性，壓力采用無量綱化處理，即采用爆轟壓力pm與初始壓力p0的比值（pm/p0）作為比較爆轟壓力的參數。

圖6給出了50～500 mm等9種不同管徑下爆轟圧力與初始壓力（pm/p0）的關系。其中實線分別為不同管徑下對應的pm/p0值，虛線分別為pm/p0值的偏差范圍，即±20%上下限值。從圖6中可以看出，管徑從50 mm增大到500 mm，pm/p0相對穩定，均在12～19之間。ISO16852標準[14]將管徑與pm/p0的關系進一步分為4個區間，如表4所示，并認為20%以內的偏差都可以認為是穩態爆轟。由表4可以看出，pm/p0值隨著管徑的增大而逐漸增大，呈現正相關性。而圖6中，pm/p0值并未隨管徑增大而呈現明顯增大趨勢，9種規格管道內pm/p0平均值為15.17，相對偏差為（?11.27%～12.13%）

圖6 爆轟火焰無量綱壓力pm/p0值與管徑關系（6.6% C2H4/空氣）Fig.6 Relationship between pm/p0 and pipe diameters (6.6% C2H4/air)

表4 ISO16852標準的pm/p0參考值Table4pm/p0 given by ISO16852

根據圖5所示測得的3個位置點速度的δmax與管徑的關系如圖7所示。其中，虛線為ISO16852給出的管道直徑分界值，分別為80和150 mm；下同圖10，不再贅述。由圖7可以看出，對于50～500 mm等9種管徑下測得的 δmax最大為8.9%，均不超過10%，且管徑越大，其 δmax越 小。圖10同樣呈現相近的規律。 δmax與管徑呈現負相關性，這主要是當管徑增加后，可燃氣體積增大導致反應能量增加，管道邊界層對爆轟火焰影響相對減小，進而使得爆轟火焰更為穩定。

圖7 不同管徑下火焰 δmax值（6.6% C2H4/空氣）Fig.7 δmax in different pipes(6.6% C2H4/air)

特別的，這里以50 mm管徑為例，其3個測點的速度及速度偏差如圖8所示，共開展4組重復實驗，在4組重復實驗中， δmax值 為8.52%， δmin值為4.02%，符合ISO16852標準[14]中通過速度判定穩態爆轟的準則。

圖8 50 mm管道不同位置處火焰速度（6.6% C2H4/空氣）Fig.8 Flame speed at different positions in 50 mm pipeline(6.6% C2H4/air)

進一步采用C3H8/空氣混合氣作為實驗介質，其結果如C2H4/空氣混合氣類似，具體如圖9～10所示。圖9中，pm/p0值并未隨管徑增大而呈現明顯增大趨勢，9種管徑下pm/p0平均值為14.47，相對偏差為（?6.37%～+6.21%）。Christoph等[17]提到ISO16852標準[14]中pm/p0值的確定是依據Lietze通過可燃氣直接起爆得到的，而在文中Christoph等[17]測得的pm/p0也未能與標準值對應，這可能是由于直接起爆的爆轟壓力與火焰逐漸發展成為穩態爆轟的壓力并不完全一致。在火焰傳播逐漸發展成為爆轟的過程中，火焰與管道壁面熱交換、管道邊界層的影響等均會造成火焰能量的損失，進而導致穩態爆轟壓力與直接起爆的壓力不同。進一步可以看出，當管徑增大到100 mm以上時，實驗測得的pm/p0值與表4中的值吻合度較高，這主要是由于管徑增大后，邊界層對火焰爆轟壓力的影響相對減小導致。對比圖6和圖9，當采用C2H4/空氣混合氣時，即便管徑增大后，實驗測得的pm/p0值與表4中的值也存在一定的偏差，這說明pm/p0與氣體介質有關系，需要進一步研究。

圖9 管徑與爆轟火焰pm/p0關系（4.2%C3H8/空氣）Fig.9 Relationship betweenpm/p0and pipe specifications(4.2%C3H8/Air)

圖10 不同管徑下火焰 δmax值（4.2% C3H8/空氣）Fig.10 δmax in different pipes(4.2% C3H8/Air)

由圖6、圖9可以看出，管道爆轟壓力并未隨管道管徑的增大而呈現明顯的增大過程，而是與氣體的種類有一定的關系，對于C2H4/空氣混合氣（C2H4體積分數為6.6%），其爆轟壓力是初始壓力的15.17倍，而對于C3H8/空氣混合氣（C3H8體積分數為4.2%），其爆轟壓力是初始壓力的14.47倍。在設計連通管道承受爆轟沖擊時，特別是對于小管徑管道（如DN150以下），應適當提高壓力。

3 結 論

本文中搭建了罐區連通管道典型尺寸（50～500 mm）的管道火焰傳播行為實驗裝置，并開展一系列實驗研究，主要得到以下結論。

（1）可燃氣體積分數對火焰傳播及爆轟有一定影響，當可燃氣處于或接近化學計量濃度時，爆轟加速距離更短，更易形成穩態爆轟，而當可燃氣/空氣混合氣為貧燃或富燃狀況時，爆轟加速距離則會延長，爆轟速度與可燃氣濃度呈現正相關性。在阻火器選用、安裝時應考慮爆轟影響。

（2）火焰爆轟傳播速度、爆轟壓力與管道管徑基本無關，受可燃氣種類影響更大；特別是中小管道（150 mm以下）爆轟壓力要遠高于ISO16852標準[14]給出的參考值，在管道設計時應特別注意。