填充多孔材料后狹長空間內火焰傳播特性的試驗分析

員亞龍，杜一村，張宏，馮憲周

(中國船舶集團有限公司第七一三研究所 鄭州市特種場所火災防護技術重點實驗室，鄭州 450015)

在艦艇中，可燃氣體主要是石油、柴油、煤油等油類物質揮發的可燃蒸氣，近些年LNG船的發展也極其迅速，其中也存在天然氣泄露的風險，這些氣體一旦進入狹長空間中，濃度達到氣體爆炸的極限范圍內，遇到火源后，極易發生爆燃事故。

學者們對受限空間內可燃氣體的燃燒爆炸特性進行了大量研究，也對其爆燃防治方法進行了探討。現階段對多孔材料在阻隔防爆方面的研究多集中在網狀鋁合金、硅酸鋁棉和泡沫陶瓷等材料，對多孔非金屬復合材料的研究報道較少。為此，考慮采用多孔聚丙烯復合材料，在20 L爆炸球和水平管道組成的氣體爆炸測試平臺中，探究其對狹長空間內可燃氣體爆燃火焰傳播特性的影響。

1 試驗系統和試驗方案

1.1 試驗系統

氣體爆炸測試平臺包含5個部分：爆炸測試管道系統(①～⑥)、配氣及點火系統、數據采集儀器、高速攝影儀、同步控制器，見圖1。

圖1 試驗平臺組成示意

爆炸測試管道由1個20 L爆炸球，3節長度均為2 000 mm、直徑60 mm的圓管道和1節長度為500 mm、內邊長60 mm的方管道組成，氣密性良好，其中3節圓管道劃分為6段區域(用于填充多孔材料)，并給每段區域編上序號(見圖1)，每段區域500 mm。20 L爆炸球和圓管道上分別安裝3個微型壓力傳感器，連接到數據采集儀上，用于采集管道內的壓力數據參數，傳感器編號由左到右為1#、2#和3#，分別位于20 L爆炸球、④號管道和⑥管道上方；方管道兩側有可視窗，可視窗長度為400 mm，高速攝影儀可通過可視窗拍攝管道內火焰傳播的圖像，并根據圖像計算出火焰鋒面的傳播速度。

本試驗采用的可燃氣體是體積分數約為9.5%的甲烷與空氣的預混氣體，將其充滿在試驗管道中，在20 L爆炸球內引爆點火藥頭，將其作為起爆容器，從而點燃整個管道內的預混氣體。

試驗材料是以聚丙烯為基體，添加適量成分的阻燃劑、協效劑、增韌劑和相容劑制備而成的多孔聚丙烯復合材料，其直徑為50 mm，長度為1 000 mm，實物見圖2。

圖2 多孔聚丙烯復合材料實物

1.2 試驗方案

首先分析甲烷-空氣預混氣體在狹長空間內的爆燃傳播特性，即未填充多孔材料時，獲得試驗過程中相應的火焰圖像、火焰速度和爆炸壓力等參數。

最后，探究填充多孔聚丙烯復合材料對甲烷-空氣預混氣體在狹長空間內爆燃傳播特性的影響。具體試驗方案：分別在圓管道的6個不同位置區域填充1節1 000 mm的多孔聚丙烯復合材料，獲得試驗過程中相應的火焰圖像、火焰速度和爆炸壓力等參數。

2 結果與分析

2.1 甲烷-空氣爆燃傳播特性分析

未填充多孔材料時，甲烷-空氣預混氣體火焰傳播情況見圖3。

圖3 甲烷-空氣預混火焰傳播情況

可視窗內出現火焰開始計時，火焰充滿可視窗結束計時，在相同間隔時間截取部分火焰圖片。觀察圖3可知，在0～1.8 ms之間，火焰處于傳播的初期階段，火焰亮度較低，這是由于狹長空間內的溫度較低，氣體燃燒不充分，前端火焰不斷對周圍的可燃氣體進行預熱，導致火焰亮度較低且火焰較為離散；在1.8～4.2 ms之間，狹長空間內的氣體溫度不斷上升，在高溫作用下，可燃氣體的燃燒反應越來越劇烈，燃燒產生的熱量也越來越多，火焰較為明亮且火焰形狀的離散現象明顯減少。由圖3可知，火焰在狹長空間內傳播時，中部火焰的傳播速度要明顯高于上下兩側火焰的傳播速度，這是由于管道上下壁面對火焰的摩擦效應和傳熱效應，導致了傳播速度的差異；火焰在傳播過程中有上浮的趨勢，這是由于甲烷空氣密度較小，導致管道上方的可燃氣體濃度略高，火焰燃燒較為充分，預熱也最先完成，所以傳播初期火焰會浮于上方，當空間內溫度升高時，火焰燃燒更為充分，溫度效應的影響逐漸降低，該現象逐漸消失。

火焰速度與鋒面位置情況的關系見圖4，可視窗出現火焰前鋒開始計時，火焰前鋒穿出可視窗結束計時，以火焰鋒面水平方向傳播的速度為火焰傳播速度，火焰鋒面距離可視窗左端的位置作為鋒面位置。如圖所示，在火焰傳播初期，火焰速度處于加速階段，隨著狹長空間內溫度逐漸升高，預混氣體的燃燒越來越劇烈，使得火焰鋒面速度逐漸加快；隨著爆燃火焰的繼續傳播，火焰鋒面的速度不斷震蕩，這是由于火焰的傳播速度要遠低于爆炸沖擊波的傳播速度，沖擊波傳播到狹長空間末端的壁面后會發生反射，當反射波的傳播與火焰的傳播方向相反時，會產生抑制作用，降低火焰的傳播速度；當反射波與火焰的傳播方向相同時，會產生耦合作用，加速火焰的傳播速度，因此抑制作用和耦合作用會造成火焰傳播速度處于震蕩階段。在2.0 ms左右時，火焰鋒面的傳播速度最快，達到了243.43 m/s，表明這個階段沖擊波與火焰的耦合作用最大，最利于火焰的傳播。對火焰在可視窗內的傳播過程進行計算，得出火焰鋒面傳播的平均速度為153.85 m/s，表明甲烷-空氣預混氣體的爆燃火焰在狹長空間內的傳播速度極快，需要采取相應的措施抑制火焰的傳播。

圖4 火焰鋒面位置與傳播速度的關系

甲烷-空氣預混氣體在狹長空間傳播過程中，不同位置傳感器采集到的壓力見圖5。

由圖5可知，1#、2#和3#傳感器監測到的最大壓力分別為285、231和301 kPa，產生該現象的原因：20 L爆炸球內的可燃氣體總量多于管道④，因此1#傳感器采集的最大爆炸壓力要高于2#傳感器采集的壓力；隨著爆炸沖擊波的傳播，會不斷壓縮狹長管道內的可燃氣體，因此管道末端會聚集大量的可燃氣體，且燃燒反應也越來越劇烈，使得末端的最大爆炸壓力值最高。管道末端的最大爆炸壓力上升速率為8.15 MPa，也明顯高于另外兩個傳感器采集到的最大爆炸壓力上升速率，這是由于爆燃火焰在傳播過程中，化學反應越來越充分，釋放的能量越來越多，因此導致最大爆炸壓力上升速率達到最高。

圖5 管道爆炸壓力柱狀圖

2.2 多孔材料的影響

將多孔聚丙烯復合材料分別填充至狹長空間內的不同位置，拍攝火焰傳播圖像，計算火焰傳播速度，采集傳播過程中的爆炸壓力等參數。當材料填充在①、②、③和④位置時，未拍攝到火焰傳播圖像，表明火焰沒有穿過多孔材料繼續傳播，因此多孔聚丙烯復合材料對甲烷-空氣預混氣體爆燃火焰在狹長空間內的傳播有明顯的抑制作用。

將多孔材料填充至⑤和⑥位置時，甲烷-空氣預混氣體火焰傳播情況見圖6。

圖6 填充至不同位置火焰傳播情況

觀察圖6可知，與未填充多孔材料相比，火焰亮度明顯降低，火焰形狀的離散現象也更加嚴重，火焰通過可視窗所需要的時間也明顯增加，表明填充多孔聚丙烯復合材料對火焰的傳播有抑制作用。

對比圖6a)和b)發現，左圖中火焰的亮度更低，火焰形狀的離散程度也更為明顯，甚至出現了火焰回流現象，且火焰鋒面穿過可視窗消耗的時間更長。產生這種現象的原因是由于多孔材料填充在位置⑤，與可視窗位置相鄰，火焰在可視窗傳播過程中，更快接觸到多孔材料，多孔材料因其結構的特殊性，有分散火焰的作用，降低了火焰的亮度；其次，沖擊波接觸到多孔材料后，產生的反射波也較為凌亂，其與火焰接觸后，造成了火焰形狀的離散現象更為明顯，甚至產生了回流現象，導致火焰的傳播速度更慢。

將多孔聚丙烯復合材料填充至a)⑤和b)⑥位置時，火焰鋒面位置與傳播速度情況見圖7。

圖7 填充至不同位置火焰鋒面位置與傳播的速度變化

由圖7可知，在傳播初期，火焰鋒面速度均不斷加速，達到速度的最高值，此階段，反射波對火焰的抑制作用不明顯；隨后火焰鋒面速度不斷下降，直至處于震蕩階段；圖7a)和b)兩圖中，火焰鋒面速度出現了負值，結合鋒面位置的變化，表明火焰在傳播過程中出現了回流，即當火焰與沖擊波的耦合作用小于抑制作用時，會導致火焰出現回流現象，當火焰與沖擊波的耦合作用大于抑制作用時，火焰會沿著正方向傳播，但火焰鋒面速度整體處于震蕩趨勢。圖7a)中火焰鋒面的平均速度為42.55 m/s，最大速度為85.46 m/s，圖7b)中火焰鋒面的平均速度為47.62 m/s，最大速度為99.72 m/s，與未填充多孔材料時火焰傳播速度相比，火焰鋒面的平均速度和最大速度降低的最大幅度分別為72.34%和了64.89%，表明該材料對甲烷-空氣預混氣體爆燃火焰在狹長空間內的傳播有明顯的抑制作用。

將多孔材料填充至不同位置時最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率見圖8。

圖8 不同填充位置的壓力變化

觀察圖8可知，隨著多孔材料的填充位置距離起爆位置越來越遠，管道內的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的整體趨勢也逐漸上升；與圖5相比，填充多孔材料后管道末端的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的最大抑制效果分別85.38%和79.63%，表明多孔材料距離起爆位置越近，對爆炸沖擊波傳播的抑制作用越明顯，管道中的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率也就越低。

2.3 多孔材料對爆燃傳播特性抑制機制分析

多孔聚丙烯復合材料的結構特殊，類似于三維網絡結構，可通過聚丙烯復合材料的細絲將內部空間分割成若干個小空間，當火焰經過多孔材料時，會被分散進入這些小空間，火焰在內部傳播的時候不斷與壁面碰撞，該過程會加速空間內部熱量與外界的傳遞，降低熱量的集聚，到達一定程度后，導致火焰發生淬熄現象；此外，多孔材料的壁面會消耗大量鏈式反應所需的自由基，導致火焰傳播中的化學反應被抑制，從而達到阻隔火焰在多孔材料內的傳播過程。當沖擊波進入多孔材料的小空間后，會跟材料內部的壁面進行碰撞和反射，在不斷的碰撞和反射過程中，沖擊波會消耗大量的能量；此外，由于多孔聚丙烯復合材料有一定的韌性，具有吸波減震的作用，會抑制沖擊波的發展和傳播，降低其帶來的爆炸壓力。

多孔聚丙烯復合材料對甲烷-空氣預混氣體爆燃火焰在狹長空間內傳播的抑制主要分為“冷壁效應”和“器壁效應”，“冷壁效應”通過加快內部熱量的流失來抑制火焰的傳播；“器壁效應”通過消耗鏈式反應的自由基來抑制其傳播。這兩種機制在耦合作用下，共同抑制了甲烷-空氣預混氣體爆燃火焰在狹長空間內的傳播。

3 結論

1)甲烷-空氣預混氣體爆燃火焰在狹長空間內的傳播速度迅速，也會產生較大爆炸壓力。

2)填充多孔材料后，火焰在狹長空間內的傳播速度和產生的爆炸壓力有明顯下降趨勢，表明多孔材料對爆燃火焰在狹長空間內的傳播有明顯的抑制作用。

3)多孔聚丙烯復合材料通過加快熱量與外界的傳遞和消耗鏈式反應所需的自由基達到對爆燃火焰傳播的抑制作用。