高溫高壓條件下可燃氣體爆炸極限測定標準對比研究

任常興 蔣樂章 王玥 張網 張欣 郭歌

摘 要：可燃氣體（蒸氣）爆炸極限是表征其燃燒爆炸可能性的重要參數之一，也是安全預警閾值設定的主要依據，高溫高壓下爆炸極限測定與常溫常壓下有較大差異。本文從測定范圍、測定裝置、測定原理、點火方式、判定依據等方面對比分析了國內外爆炸極限的測定標準，重點比較了高溫高壓條件下爆炸現象的判定標準及方法。該研究對高溫高壓下爆炸極限的測定及相關標準制修訂具有重要意義。

關鍵詞：爆炸極限，可燃氣體，高溫高壓，測定標準，爆炸標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2023.02.012

1 引 言

爆炸極限是表征可燃性氣體（蒸氣）燃燒爆炸特性的重要參數之一，也是爆炸性氣體環境風險預警指標設定的主要依據。國內外相關學者多聚焦在常溫常壓下可燃氣體的爆炸極限研究， 針對高溫高壓條件下可燃氣體的爆炸極限研究相對較少。張欣等[1，2]開展了5L、20L球式和管式爆炸極限測定裝置和判定標準對比研究，張小良等[3]分析了國內外爆炸極限測試裝置的研究現狀，大部分裝置適用于常壓或低壓條件下的爆炸極限， 不能開展高溫高壓條件下可燃性氣體爆炸極限測試，并自行設計了1.5L柱狀耐10.0MPa爆炸極限實驗裝置。劉欣等[4]實驗研究了采油現場可燃氣體混合物在4 0℃～6 0℃和1MPa～10MPa下的爆炸極限，喻健良等[5 ]采用20L球形爆炸實驗裝置研究了高溫高壓下CO2和N2對可燃氣爆炸極限的影響，上述研究均表明高溫高壓試驗條件對可燃氣體的爆炸上限影響較大。CravenA D等[ 6 ]研究了8 0℃、12 0℃和15 0℃溫度條件下0.9MPa～3.5MPa壓力范圍內典型可燃氣體的爆炸極限，B.Vanderstraeten等[7 ]進一步研究了20 0℃以下5.5MPa壓力條件下甲烷混合氣體的爆炸極限。

注空氣采油過程中在地層高溫高壓環境下形成的可燃混合氣易引發火災或爆炸事故[4]，化工生產工藝過程也存在大量高溫高壓條件可燃性氣體（蒸氣）聚集的場所或容器，如：2019年廣西“10·15”樹脂合成反應釜爆炸事故，2018年宜賓“7·12”咪草煙反應釜爆炸等。此外，近年來儲能火災爆炸事故頻發，如：“4.16”北京儲能電站火災爆炸事故，美國UL 9540A《標準電池儲能系統熱失控的測試方法》[8]要求測定高溫高壓條件下的鋰電池熱失控氣體的爆炸極限?？梢姡邷馗邏簵l件下可燃氣體爆炸極限的測定非常必要，對準確識別風險、科學選擇監測監控儀表、合理采用惰化抑爆等安全措施具有重要意義。由于高溫高壓條件下可燃性氣體或蒸氣的爆炸極限測定較常溫常壓下具有相當大的差異，現有常壓下爆炸極限測定裝置及測定方法無法滿足測定要求，且點火方式、判定依據等完全不同，有必要進一步規范高溫高壓條件下爆炸極限的測定裝置、測定方法，尤其是爆炸現象的判定依據。

2 測定方法標準對比

可燃氣體（蒸氣）爆炸極限是表征其爆炸可能性濃度范圍的重要參數，通常是在實驗室標準規定的實驗環境和條件下進行測定，與氣體混合的均勻性、點火方式及能量范圍、爆炸容器的幾何形狀和尺寸等因素有關。按照標準規定的方法引燃可燃氣體（蒸氣）和空氣混合氣后，即使未形成火焰傳播，也不能完全認為該混合氣不會發生爆炸，通常所測定的爆炸極限并非氣體的固有屬性，與實際爆炸環境密切相關。爆炸極限可用于可燃氣體危險性分類，爆炸性環境允許可燃氣體濃度及預警閾值的確定、通風和供熱系統計算以及受限空間作業、動火作業時安全濃度的確定等。可燃氣體爆炸極限是建筑設計防火規范中生產和儲存物品的火災危險性分類的重要依據，也是石油化工可燃氣體檢測報警設計關鍵判定閾值。

關于爆炸極限的術語定義和說法不盡相同。我國GB/ T 12 474《空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法》標準定義可燃氣體和空氣組成的混合氣遇火源即能發生爆炸的可燃氣體最低濃度為爆炸下限（lower explosion limit，LEL），最高濃度為爆炸上限（upper explosion limit，UEL） [9]，爆炸現象的判定以火焰傳播情況判定。GB/ T 27862-2011《化學品危險性分類實驗方法氣體和氣體混合物燃燒潛力和氧化能力》定義與空氣的均勻混合物在火焰剛剛開始傳播時的氣體或氣體混合物的最低濃度為空氣中可燃下限（lower flammability limit，LFL），最大濃度為可燃上限（upper f lammability limit，UFL），可燃低限與高限值之間的濃度范圍稱為“可燃范圍”，也被稱為“爆炸范圍” [10]。GB/ T 218 4 4《化合物（蒸氣和氣體）易燃性濃度限值的標準實驗方法》定義為在測試條件下能使火焰在可燃物和氣態氧化劑的均相混合物中傳播的最小可燃物濃度為燃燒下限濃度（lower limit of flammability orlower f lammable limit，LFL），最大可燃物濃度為燃燒上限濃度（upper limit of flammability or upperf lammable limit，UFL）。筆者認為，廣義上講爆炸上限和爆炸下限測定時混合氣體呈現燃燒狀態，以火焰傳播方式、初始壓力或溫度提升量判定，與可燃范圍、易燃性濃度限值等是一樣的，建議統稱為“爆炸極限”。

對于常溫常壓下可燃氣體爆炸極限測定標準主要有GB/T 12474[9]、EN 1839[10]等，高溫常壓相關標準包括GB/T 21844[9]、ASTM E681[9]和EN 1839[9]等；高溫高壓下爆炸極限測定標準主要是ASTM E918[9]，歐盟標準給出了高溫高壓條件下爆炸極限的測定標準草案prEN 17624[10]，我國相關的標準正在制定中。國內外可燃氣體（蒸氣）爆炸極限的主要測定方法標準件見表1。

2.1 測定范圍

從爆炸極限標準測定范圍來看，常壓下空氣中爆炸極限測定（GB/T 12474、GB/T 27262、USBM、ISO 10156）沒有給出溫度范圍，通?？梢詼y定標準大氣壓條件下室溫至50℃可燃氣體的爆炸極限。歐盟防爆指令2014/34（ATEX）涉及爆炸性氣體環境中可燃氣體和空氣混合物的壓力范圍為0.0008MPa和0.0 011MPa，溫度范圍為-20℃至6 0℃，因此常壓條件下低溫條件爆炸極限測定也十分必要。從初始溫度條件來看，可分為3個范圍：室溫至150℃（GB/T 21844、ASTM E 681）、室溫至200℃（DIN51649、EN 1829、ASTM E 918）和室溫至400℃。目前現行標準初始溫度要求均在20 0℃以下，可滿足大部分工藝條件爆炸性氣體環境測試要求。從初始壓力條件來看，目前現行ASTM E 918標準可達1.38MPa，其余標準均為常壓條件下測定。歐盟標準草案EN 1762 4，初始溫度提升至4 0 0 ℃，初始壓力（pi）提升至10.0MPa且分為0.1MPa≤pi＜0.5Ma、0.5MPa≤pi＜5.0Ma和pi≥5.0MPa，主要是測定表征初始溫度和初始壓力對爆炸上限的顯著影響。

2.2 測定裝置

爆炸極限的測定裝置從容器形狀來看，可以分為管式裝置（T）和球式裝置（B，含圓柱形）。管式測試裝置如：GB/T 12474、GB/T 27262、USBM、DIN 51649等，球式裝置可為球形不銹鋼爆炸罐、圓柱形容器（長徑比1至1. 5）以及短環頸瓶等。從測試裝置容積來看，從1L、3L、5L、10L、12L、16L、20L和1000L不等，GB/T 12474、GB/T 21844、USBM法、ASTM E 681、DIN 51649和prEN 17624等規定了容器容積，GB/T 27262、ASTM E 918、EN1839等給出了最小容積限定，尤其是歐盟EN 1839標準要求球形或圓柱形體積不低于5L。由于爆炸容器表面冷卻和焠熄效應，測試裝置容器不可過?。ㄍǔ２坏陀?L），同時考慮高溫高壓初始條件下爆炸的危險性，初始壓力越高越應避免容器過小。對于高溫高壓初始條件下測定，prEN 1762 4草案對于初始壓力0.5MPa≤pi＜5.0Ma時，測定容器不小于3.0L，初始壓力pi≥5.0MPa時測試容器不小于1.0L，ASTM E 918也要求不小于1.0L。筆者建議采用5L、12L和20L測試裝置，目前國內比較常用，也便于相關測定數據比對。此外，建議測定裝置和安裝在爆炸容器上的附件，如：閥門、點火器、壓力和溫度傳感器等應能夠承受不低于15倍初始壓力的最大超壓；若測定氧化能力高于空氣的氧化劑混合物，則測試容器和設備應能承受不低于30倍于初始壓力的最大超壓。

2.3 測定原理

在給定的初始溫度和初始壓力條件下，將一定體積分數的可燃氣體（蒸氣）與空氣預先混合于爆炸反應容器內，以電火花或電熱絲等點火器引燃，通過判斷是否發生爆炸現象，系統地改變可燃氣體（蒸氣）的濃度直至測得發生爆炸的最低、最高濃度。對于可燃氣體充入通常采用分壓法進行配氣，高溫高壓條件下可燃氣體充入理論上分壓法不適用，通常先測定常溫常壓下的爆炸極限，然后逐步升溫升壓，建議升溫級差應不大于50 ℃，升壓級差應不大于0.1MPa。

2.4 點火方式

高溫高壓條件下的點火裝置通常要求比常溫常壓下的性能高，一些普通點火源在高溫高壓條件下較難引燃可燃氣體混合物，通常采用高能電火花或高溫熱絲引燃，且其引燃能量足夠引燃可燃氣體，并對混合氣體爆炸壓力的提升作用影響不大，以免影響爆炸現象的判定。

點火裝置推薦采用電火花、電熔絲或高溫熱絲等引燃。高溫高壓條件下爆炸極限測定往往出現普通點火花引不燃現象，與電離空氣的密度有關，需要較高的能量。目前點火源能量不好標定，按電點火源電流和電壓等計算確定的能量并非全部貢獻于引燃爆炸性混合氣體，且不確定性較大，不易給出點火源能量范圍，且能量過大對爆炸現象判定有影響。高溫高壓條件下爆炸現象識別通常以初始爆炸壓力提升量來判定，點火源不可對初始壓力提升量貢獻過大，否則在壓力提升量判定中應減去點火源本身的貢獻量。目前涉及高溫或高壓狀態爆炸極限測定的標準，常壓高溫ASTM E 681和GB/T 21844推薦采用電火花（間隙6～10mm）、高壓電弧（6mm間隙，30mA）或化學點火，EN 1839推薦采用高壓電火花（持續0.2s）或電熔絲，ASTM E918推薦N-12Y火花塞，prEN 17624推薦采用電火花、電熔絲、熔爆橋絲等。筆者認為不應限制點火源類型，可對點火源初始壓力貢獻量進行限制，或者初始壓力提升量中減去點火源引起的壓力增量。高溫高壓下點火源的選擇是一個復雜問題，對爆炸現象本身判定又影響比較大，在測試裝置調試過程中需要不斷改進和完善。

2.5 判定依據

爆炸現象判定的重要依據是火焰傳播，常溫常壓下爆炸極限測定方法如：GB/T 12474以目測火焰傳播情況來判定；對于常壓高溫爆炸極限測定，我國GB/T 21844和美國標準ASTM E 681均采用目測或視頻圖像判定火焰傳播角度判定，歐盟標準EN1839管式法采用目測觀察火焰傳播來判定（如圖1所示），球式法采用爆炸壓力增量（初始壓力5%提升）來判定?；鹧娣蛛x傳播至少10 0mm，若形成火焰光環（暈）需要傳播到測定容器頂部或至少傳播至240mm。對于高壓高溫條件下火焰傳播判定不便觀測，通常以爆炸過程壓力增量和溫度增量來判定，ASTM E 918以始壓力提升量不低于7%來判定，歐盟標準草案prEN 17624判定更為詳細，如式（1）所示。

pi≤2時，pex/pi≥1.05+pIS/pi-1

pi＞2時，pex/pi≥1.02+pIS/pi-1

或ΔT≥100℃ （ 1）

式中，pi為測試初始壓力，pex為測試過程的最大爆炸超壓，pI S為點火源本身導致的超壓，ΔT為爆炸過程導致的溫度提升。

筆者建議以爆炸壓力提升量判定為主，輔助爆炸過程溫度提升量，對于一些低可燃氣體，如：氨氣等，壓力提升量不明顯，可采用爆炸溫度提升量來判定，需要大量實驗測試進行數據比對驗證，以確定爆炸現象的判定閾值。文獻測試結果表明，無論采用何種爆炸現象判定標準（如：目測火焰傳播，3%、5%或7%初始壓力提升等），甲烷和丙烷的爆炸極限范圍是一致的，對于高可燃性氣體（如：氫氣）的測試結果差異顯著。

3 結論和建議

（1）可燃氣體（蒸氣）爆炸極限標準測定方法是基于實驗室規定條件下的可燃性濃度范圍測定，對于爆炸性氣體環境實際工況需要進行危險性識別和評估分析。可燃氣體爆炸極限測定應給出依據的測定標準、測定裝置形狀及容積、點火方式等重要影響因素。

（2）爆炸極限測定裝置分為管式裝置和球式裝置，管式裝置以火焰傳播目測為主，球式裝置以爆炸壓力提升量判定為主。對于高溫高壓條件下爆炸極限測定，相關標準均給出了測定裝置的最小容積，情況允許宜采用較大容積進行測定，安全區間壓力越高越應選擇較大容器測定，均不應小于1.0 L。

（3）可燃混合氣體的引燃方式和引燃能量對爆炸極限的測定尤為重要，球式測定裝置現行標準以3%、5%和7%初始爆炸壓力提升量作為判定依據，對于低可燃氣體和無火焰的可燃氣體應采用溫度提升量來判定，需要進行實驗驗證以確定溫度判定閾值。建議針對測定的初始壓力和初始溫度，建立低壓、中壓和高壓爆炸現象判定標準，并考慮點火源對初始壓力的貢獻量。

（4）高溫高壓條件下爆炸極限測定過程中，要識別評估分析化學不穩定性氣體或各組分相互間會發生反應的混合氣體危險性，一些鹵烴類氣體高溫分解可能導致爆炸極限范圍突變。同時，要采取足夠的安全措施并做好個人防護。

參考文獻

張欣， 任常興， 張琰，等. 三種測試裝置與判定標準對比研究可燃氣體爆炸[J]. 消防科學與技術， 2018， 37（7）：863-866.

任常興，張欣，張琰，等.可燃氣體及混合物爆炸極限影響特征研究[J].消防科學與技術.2017，36（11）.1500-1503.

張小良， 劉曉晨， 劉婷婷，等. 可燃氣體爆炸極限測試裝置現狀及探索[J]. 應用技術學報， 2018， 18（3）：224-227.

劉欣， 蘇杭， 屈波，等. 高溫高壓條件下可燃性氣體爆炸極限的試驗研究[J]. 安全與環境學報， 2018， 18（5）：1783-1787.

喻健良， 于小哲， 姚福桐，等. 高溫高壓下惰性氣體對乙烷爆炸極限影響研究[J]. 安全．健康和環境， 2019， 19（10）：1-5.

Craven A D， Foster M G. The limits of flammability of ethylenein oxygen， air and air-nitrogen mixtures at elevated temperaturesand pressures[J]. 1966， 10（2）：95-100.

B. Vanderstraeten， D. Tuerlinckx， J. Berghmans，et al.Experimental study of the pressure and temperature dependenceon the upper flammability limit of methane/air mixtures[J].Journal of Hazardous Materials， 1997，56（3）：237-246.

UL 9540A-2019. Test Method for Evaluating Thermal RunawayFire Propagation in Battery Energy Storage Systems[S].

GB/T 12474-2008.空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法[S].

GB/T 27862-2011. 化學品危險性分類試驗方法 氣體和氣體混合物燃燒潛力和氧化能力[S].

GB/T 21844-2008. 化和物（蒸氣和氣體）易燃性濃度限值的標準試驗方法[S].

EN 1839-2017. Determination of the explosion limits and thelimiting oxygen concentration（LOC） for flammable gases andvapours）[S].

ASTM E681-2009. Standard Test Method for ConcentrationLimits of Flammability of Chemicals （Vapors and Gases）[S].

ASTM E 918-1983. Standard practice for determining limitsof flammability of chemicals at elevated temperature andpressure[S].

prEN 17624. Determination of explosion limits of gases andvapours at elevated pressures， elevated temperatures or withoxidizers other than air[S].

Jaimes， Daniel Jimmy. Determination of lower flammabilitylimits of mixtures of air and gaseous renewable fuels at elevatedtemperatures and pressures. 2017，UC Irvine Electronic Thesesand Dissertations.

Jaimes D J . Determination of lower flammability limitsof mixtures of air and gaseous renewable fuels at elevatedtemperatures and pressures[D]. UC Irvine Electronic Theses andDissertations， 2017.

Holtappels， K. Report on the experimentally determinedexplosion limits ， explosion pressures and rates of explosionpressure rise - Part 1 ： methane ， hydrogen and propylene.Explosion，2006，1（8），1–149.