封閉體系內(nèi)丁烷-空氣預(yù)混氣體爆炸的試驗(yàn)研究?

張宇庭 徐振洋 閆祎然 宋家威 秦 濤

遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院(遼寧鞍山，114051)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的推進(jìn)與城市范圍的擴(kuò)大，規(guī)模龐大的油氣管道與城鎮(zhèn)給排水、供配電的涵洞、暗渠等鄰近或交錯(cuò)布置等問題非常突出。 油氣長途運(yùn)輸管道在城市地下管線中廣泛存在。 然而，當(dāng)管線泄露，油氣涌入這些排水管道、暗渠等密閉空間中，極易達(dá)到氣體爆炸極限且難以及時(shí)被檢測(cè)，從而增加了封閉空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸的可能性。

為了保證可燃性氣體在可控范圍內(nèi)高效地釋放能量，并且能夠預(yù)防或減少運(yùn)送過程中的事故損失，學(xué)者們對(duì)封閉空間內(nèi)的可燃性氣體爆炸參數(shù)以及機(jī)理進(jìn)行了大量研究。

關(guān)于單相多組分爆炸，多集中于對(duì)甲烷-空氣混合物爆炸的影響因素和機(jī)理的研究。 李哲等[1]對(duì)不同濃度梯度的甲烷-空氣預(yù)混氣體進(jìn)行了爆炸試驗(yàn)，結(jié)果表明，爆炸壓力上升速率以及爆炸溫度都隨濃度梯度的增大而呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)。Huang 等[2]利用高壓爆炸室進(jìn)行了乙烷/丙烷-空氣混合物的點(diǎn)火爆炸試驗(yàn)，研究了壓力的變化對(duì)爆炸以及氣體易燃性的影響。

關(guān)于密閉空間中的兩相爆炸，多集中于氣、固及氣、液兩相的耦合作用及機(jī)理研究。 Garcia-Agreda等[3]利用標(biāo)準(zhǔn)的20 L 爆炸球?qū)淄?煙塵中不同濃度的粉塵與氣體進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，測(cè)量了不同工況下的動(dòng)態(tài)壓力、爆燃指數(shù)和可燃性極限，為氣、固兩相爆炸研究提供了依據(jù)。 Song 等[4]模擬了當(dāng)惰性巖塵與煤塵沉積于管道底部時(shí)預(yù)混甲烷氣體局部點(diǎn)燃后的爆炸情況，獲得了兩相燃燒機(jī)制，并定量地評(píng)價(jià)了巖塵對(duì)爆炸能量的惰性影響。 Wang 等[5]在封閉管道中進(jìn)行了一系列不同的液體類型和液體高度的試驗(yàn)，研究了多相條件下氣體爆炸模式分類標(biāo)準(zhǔn)、易燃性極限、最大爆炸壓力的傳播和爆炸波能量分布標(biāo)準(zhǔn)。 Thomas 等[6]在圓筒形密閉容器底部蓄水的條件下，開展了乙炔-空氣爆燃和乙炔-氧氣爆轟試驗(yàn)，結(jié)果表明，爆炸的峰值壓力在液相和氣相差別不大，而液相峰值壓力的持續(xù)時(shí)間明顯延長。 由此可見，單一利用氣體爆炸傳播機(jī)理研究連續(xù)流體與氣體兩相爆炸的過程是不合適的。 因此，如何預(yù)測(cè)底部蓄水的暗渠氣體爆炸動(dòng)態(tài)壓力過程有待于研究。

針對(duì)封閉管道內(nèi)丁烷-空氣預(yù)混氣體的爆炸特性進(jìn)行研究。 通過對(duì)含水管道與無水管道進(jìn)行試驗(yàn)，分析了濃度變化對(duì)丁烷-空氣預(yù)混氣體爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣忍卣鞯挠绊憽?基于非穩(wěn)態(tài)壓力場(chǎng)、火焰?zhèn)鞑ヌ卣鳎芯康湫鸵蛩貙?duì)氣體爆炸壓力和爆炸指數(shù)的影響。 為耐壓裝置可能發(fā)生失效情況提供參考依據(jù)，對(duì)可燃?xì)怏w爆炸的控制措施和防護(hù)技術(shù)、減小氣體爆炸事故損失提供基礎(chǔ)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由不銹鋼方形管道、點(diǎn)火電極、壓力傳感器、光電傳感器、真空泵、循環(huán)泵以及多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。 爆炸系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the explosion test system

爆炸試驗(yàn)管道全長約為2 m，方形管道橫截面尺寸為168 mm ×138 mm。 點(diǎn)火系統(tǒng)主要由BYR-300 型高能電火花點(diǎn)火裝置、點(diǎn)火控制線、電極針和電源線組成，點(diǎn)火方式為脈沖點(diǎn)火，保證為氣體爆炸提供足夠點(diǎn)火能量。 在距離點(diǎn)火端350 mm 與1 350 mm 處，各放置2 個(gè)BYR-1706P 型壓力傳感器，位于管道正上方與底部，測(cè)量范圍為-0.1 ～2.0 MPa。BYR-1706G 型光電傳感器布置在正上方壓力傳感器的兩側(cè)，每?jī)蓚€(gè)間隔100 mm，測(cè)量范圍為0～5 000 KLD(kullback-leibler dirergence， KL 散度)，輸出信號(hào)為0～5 V，供電范圍為DC 5～24 A。 BYR-029A 型多通道數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要由傳感器、控制面板、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)接收器組成，系統(tǒng)采樣間隔為0.2 ms。

1.2 試驗(yàn)方案

首先，用真空泵機(jī)將管內(nèi)抽至負(fù)壓，利用集氣袋將氣瓶?jī)?nèi)的丁烷通過數(shù)顯壓力傳感器定量地通入管內(nèi)。 之后，打開空氣閥門，使管內(nèi)壓力達(dá)到平衡狀態(tài)，并利用循環(huán)泵機(jī)使管道內(nèi)的氣體預(yù)混至少5 min。 設(shè)置點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火時(shí)間和數(shù)據(jù)采集時(shí)間。 確定系統(tǒng)閥門全部處于閉合狀態(tài)后，開啟點(diǎn)火控制系統(tǒng)。 引爆后，對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。 對(duì)于含水管道爆炸試驗(yàn)，首先，將一定體積(500、1 000、1 500 mL)的水注入密閉管道內(nèi)，其余步驟與無水管道試驗(yàn)相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 丁烷-空氣預(yù)混氣體爆炸壓力變化特征

通過試驗(yàn)系統(tǒng)中距離點(diǎn)火源最近的壓力傳感器5 采集不同體積分?jǐn)?shù)丁烷引爆后的管內(nèi)壓力變化數(shù)據(jù)，得到了當(dāng)丁烷體積分?jǐn)?shù)分別為4%、5%、6%、7%、8%時(shí)丁烷-空氣預(yù)混氣體的爆炸壓力隨時(shí)間的變化曲線，如圖2 所示。 當(dāng)預(yù)混氣體中的丁烷體積分?jǐn)?shù)不同時(shí)，無論是最大爆炸壓力還是最大爆炸壓力出現(xiàn)的時(shí)間都存在一定的差異，但所有濃度曲線都呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢(shì)。 不同體積分?jǐn)?shù)丁烷-空氣預(yù)混氣體爆炸的壓力變化曲線可主要?jiǎng)澐譃閴毫ι仙谝浑A段、壓力上升第二階段、壓力下降階段3 個(gè)階段[7-8]。

圖2 不同體積分?jǐn)?shù)丁烷爆炸壓力隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 Explosion pressure-time curves of butane with different volume fractions

以體積分?jǐn)?shù)5%的丁烷為例:在第21.6 ms以前，管道內(nèi)處于短暫恒定狀態(tài)。直到封閉管道內(nèi)預(yù)混氣體被點(diǎn)燃后，火焰從點(diǎn)火源附近開始向四周擴(kuò)散，此時(shí)，爆炸壓力進(jìn)入壓力上升的第一階段。 由于反應(yīng)初期參與燃燒反應(yīng)的丁烷氣體量較少，所以在壓力上升的第一階段中，升壓速率較低，火焰?zhèn)鞑ケ憩F(xiàn)為層流燃燒[9]。 由圖2 可以看出，不同體積分?jǐn)?shù)的丁烷預(yù)混氣體壓力上升第一階段持續(xù)時(shí)間存在一定差異。 其中，丁烷體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，持續(xù)時(shí)間最短，直到爆炸發(fā)生后91.6 ms 才結(jié)束。 在這一階段中，燃燒生成的熱量導(dǎo)致預(yù)混氣體中活性分子的化學(xué)鍵斷裂，化學(xué)鍵的斷裂會(huì)產(chǎn)生有催化燃燒反應(yīng)的自由基，并且這些自由基會(huì)循環(huán)地參與反應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)熱量不斷增多，且產(chǎn)熱速率加快[10]。 理想氣體狀態(tài)方程[11]

式中:p為壓強(qiáng)；V為體積；n為物質(zhì)的量；T為溫度；R為氣體常數(shù)，取(8.314 41 ±0.000 26) J/(mol·K) 。

由式1 可知，由于系統(tǒng)熱量的積累，封閉管道內(nèi)的受熱氣體膨脹，導(dǎo)致管內(nèi)壓力指數(shù)型上升，直到壓力上升的第一階段結(jié)束都處于增長的趨勢(shì)。

圖3 為體積分?jǐn)?shù)5%的丁烷預(yù)混氣體燃燒壓力時(shí)序圖。 由圖3 可知，壓力上升第一階段結(jié)束在爆炸發(fā)生后第91. 6 ms，結(jié)束時(shí)壓力達(dá)到了0. 207 MPa。 此階段結(jié)束后，壓力經(jīng)歷了短暫的平緩后再持續(xù)升高，壓力上升速率先變慢、后變快，此時(shí)為壓力上升第二階段。

圖3 體積分?jǐn)?shù)為5%的丁烷預(yù)混氣體燃燒壓力時(shí)序圖Fig.3 Combustion pressure sequence diagram of butane premixed gas with a volume fraction of 5%

該階段的爆炸壓力升高趨勢(shì)持續(xù)了239.8 ms，達(dá)到最大爆炸壓力0.532 MPa 后才結(jié)束，而在壓力上升階段出現(xiàn)了升壓速率升高、降低、再升高的現(xiàn)象。 這是由于開始時(shí)火焰燃燒的劇烈程度加大，且火焰面積不斷增大，使得火焰在接觸管道壁面之前升壓速率持續(xù)升高[12]。 之后，隨著火焰與管道壁面的接觸面積不斷增大，由于管道壁面的溫度低于火焰溫度而產(chǎn)生導(dǎo)熱作用；同時(shí)，火焰的縱向傳播受阻導(dǎo)致爆炸能量的損失，兩者的作用阻礙了管道內(nèi)的爆炸壓力的增長，致使在一段時(shí)間內(nèi)壓力上升趨勢(shì)變得較為緩慢。 在這之后，爆炸壓力上升速率加快，該情景可參照可燃?xì)怏w升壓速率的三次方定律進(jìn)行考慮[13]。 火焰沿管道橫向持續(xù)傳播，丁烷燃燒產(chǎn)生的增壓效果逐漸增大；其次，管道壁面的導(dǎo)熱作用對(duì)火焰?zhèn)鞑毫Φ挠绊戦_始變?nèi)酰煌瑫r(shí)，火焰發(fā)展受到空間限制的影響也逐漸變?nèi)酰瑑烧咝Ч饔檬沟蒙龎核俾试龃螅钡较到y(tǒng)壓力達(dá)到最大爆壓時(shí)，壓力上升第二階段才結(jié)束。

對(duì)于體積分?jǐn)?shù)5%的丁烷預(yù)混氣體，在爆炸發(fā)生的331.4 ms 以后，進(jìn)入壓力下降階段。 封閉管道內(nèi)的丁烷與氧氣被大量消耗后，爆炸能量開始降低，已燃燒區(qū)域的溫度開始下降。 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知，靠近點(diǎn)火源附近的已燃區(qū)域氣壓降低，此時(shí)燃燒產(chǎn)生的水蒸氣開始凝結(jié)，并且管壁導(dǎo)熱現(xiàn)象依然存在，導(dǎo)致氣體爆炸壓力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

對(duì)各濃度的丁烷預(yù)混氣體爆炸壓力進(jìn)行分析，繪制出爆炸過程中的最大升壓速率隨丁烷氣體濃度變化的特征曲線，如圖4 所示。 從圖4 中可以看出:丁烷體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)的升壓速率最大；并且隨著丁烷濃度增大，最大升壓速率的變化梯度逐漸減小。根據(jù)圖4 中升壓速率由大到小對(duì)應(yīng)的丁烷體積分?jǐn)?shù)為:5%、4%、6%、7%、8%。 在圖4 中，曲線表現(xiàn)為中間高、向兩側(cè)遞減的趨勢(shì)，表明爆炸壓力上升速率隨丁烷在預(yù)混氣體中的體積分?jǐn)?shù)變化呈近似線性的關(guān)系，同時(shí)也反映出最大升壓速率可作為評(píng)估丁烷氣體爆炸強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，可較為直觀地分析丁烷-空氣預(yù)混氣體爆炸威力的強(qiáng)弱。

圖4 不同體積分?jǐn)?shù)丁烷-空氣預(yù)混氣體燃燒的最大升壓速率Fig.4 Maximum pressure rise rate in combustion of butane premixed gas with different volume fractions

2.2 丁烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰速度變化特征

通過對(duì)系統(tǒng)中光電傳感器捕捉的火焰信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得出不同濃度丁烷與空氣預(yù)混氣體爆炸時(shí)火焰最大速度、平均速度以及加速度曲線，如圖5所示。 由圖5 可知，當(dāng)丁烷體積分?jǐn)?shù)在4%～7%時(shí)，無論是火焰最大速度、平均速度還是火焰加速度都呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)，并且在體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)達(dá)到峰值。

圖5 不同體積分?jǐn)?shù)丁烷-空氣預(yù)混氣體燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣葏?shù)Fig.5 Flame propagation speed parameters in combustion of butane premixed gas with different volume fractions

火焰的加速與燃燒物的熱膨脹、系統(tǒng)產(chǎn)熱量、邊界層效應(yīng)等相關(guān)。 在燃燒初期，即火焰接觸管道壁面之前，火焰的加速主要因?yàn)槿紵锏臒崤蛎浭沟萌紵龤怏w的體積增加，燃燒物體積隨時(shí)間增加量為

式中:Vb為丁烷氣體體積；σ為體積膨脹系數(shù)，σ ＝ρa(bǔ)/ρb；ρa(bǔ)為未燃燒氣體的密度；ρb為已燃燒氣體的密度；A為火焰的總表面積；SL為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

根據(jù)Arrhenius 方程可知[14-15]，氣體反應(yīng)速率常數(shù)為

式中:Ea為表觀活化能；R為摩爾氣體常量；T為熱力學(xué)溫度；A為引入的頻率因子，與反應(yīng)物分子間相互碰撞的概率相關(guān)。

由式(3)可知，在其他試驗(yàn)條件相同的情況下，對(duì)于不同體積分?jǐn)?shù)的丁烷預(yù)混氣體燃燒，燃燒反應(yīng)速率與頻率因子呈線性關(guān)系，且與反應(yīng)溫度呈指數(shù)關(guān)系，表現(xiàn)為在接近當(dāng)量濃度下燃燒反應(yīng)最為劇烈，氣體分子間碰撞概率最高[16]。 由此可見，在最接近丁烷濃度當(dāng)量，即丁烷體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，氣體燃燒反應(yīng)速率最大。 在單位時(shí)間內(nèi)，丁烷-空氣預(yù)混氣體的放熱量

式中:k為氣體反應(yīng)速率常數(shù)；Q為單位體積內(nèi)預(yù)混氣體反應(yīng)放熱量；V為密閉管道總體積。

由式(4)可知，預(yù)混氣體在單位時(shí)間內(nèi)的放熱量與氣體反應(yīng)速率k呈線性關(guān)系。 結(jié)合式(3)可知，單位時(shí)間放熱量受到反應(yīng)物分子間的碰撞概率影響，當(dāng)預(yù)混氣體中的丁烷體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，由于接近當(dāng)量爆炸，分子碰撞概率較大，使得單位時(shí)間內(nèi)放熱量較其他濃度時(shí)大，燃燒物的熱膨脹與熱量的突增促使火焰向前發(fā)展。 所以，丁烷體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃凹铀俣茸畲骩17]。 由于試驗(yàn)系統(tǒng)中氧氣與丁烷所占體積比約為4∶1，并且在相同的濃度梯度下進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)丁烷體積分?jǐn)?shù)在6%或以上，即富燃料燃燒時(shí)，火焰速度相較于丁烷體積分?jǐn)?shù)在4%或以下的貧燃料燃燒要大。 這是因?yàn)椋蝗剂先紵龝r(shí)可燃物分子與助燃物分子間的碰撞概率要比貧燃料燃燒時(shí)高，使得氣體反應(yīng)速率較大[18-19]。 對(duì)比圖5 中的3 條曲線可知，火焰?zhèn)鞑ゼ铀俣惹€的變化幅度較大，相比之下，最大火焰速度與平均速度曲線較為平緩。 因此，火焰?zhèn)鞑サ募铀俣瓤勺鳛榕卸怏w爆炸強(qiáng)度的重要指標(biāo)。

2.3 含水管道爆炸壓力變化特征

根據(jù)分別布置在管道上、下部的壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)，繪制出在丁烷體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)含水管道與無水管道內(nèi)爆炸壓力的變化曲線，如圖6 所示。

圖6 含水管道與無水管道中體積分?jǐn)?shù)5%的丁烷預(yù)混氣體爆炸壓力的變化曲線Fig.6 Variation curves of explosion pressure of butane premixed gas with a volume fraction of 5% in water containing pipelines and anhydrous pipelines

壓力記錄表明，在底部蓄水的情況下，氣相與液相的壓力變化趨勢(shì)基本相同，并且在保證預(yù)混氣體被順利點(diǎn)燃、管道內(nèi)產(chǎn)生轟鳴聲、各傳感器成功記錄數(shù)據(jù)并傳輸至計(jì)算機(jī)(即試驗(yàn)成功進(jìn)行)的前提下，發(fā)現(xiàn)含水量的多少對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響并不明顯。

但是對(duì)比無水情況下的爆炸壓力曲線，可以明顯看出，含水管道內(nèi)爆炸壓力變化趨勢(shì)較為平緩，不僅最大爆炸壓力較小，而且達(dá)到最大爆壓的時(shí)間以及最大爆壓的持續(xù)時(shí)間都較長于無水管道中的爆炸。 出現(xiàn)這一類現(xiàn)象是因?yàn)轭A(yù)混氣體在被點(diǎn)燃后火焰面與連續(xù)的水體的接觸面積逐漸增大，可燃?xì)怏w分子與水分子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致大量可燃?xì)怏w分子未能參與燃燒反應(yīng)，使得氣體反應(yīng)速率降低，熱量和熱膨脹的傳遞受到阻礙[20]。 此外，水體作為冷卻劑在氣體燃燒的過程中起到了一定的抑制與緩沖作用，使得爆炸壓力波傳播受限，這共同導(dǎo)致了爆炸壓力變化平緩。

3 結(jié)論

利用方形密閉試驗(yàn)管道研究了丁烷體積分?jǐn)?shù)的改變對(duì)丁烷-空氣預(yù)混氣體爆燃特性的影響，并在底部蓄水的管道內(nèi)對(duì)體積分?jǐn)?shù)5%的丁烷預(yù)混氣體進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，得出以下結(jié)論:

1)在相同濃度梯度下，丁烷體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，燃燒最為激烈。 丁烷-空氣預(yù)混氣體的燃燒壓力發(fā)展過程大致可以分為3 個(gè)階段:壓力上升第一階段、壓力上升第二階段、壓力下降階段。 壓力上升第一階段開始于燃燒初始時(shí)期，在燃燒壓力變化曲線第一次到達(dá)拐點(diǎn)并出現(xiàn)短暫平緩時(shí)結(jié)束。 此階段中，管道內(nèi)升壓速率呈持續(xù)上升趨勢(shì)。 之后，升壓速率開始下降，燃燒壓力變化趨于平緩。 進(jìn)入壓力上升第二階段后，丁烷燃燒的增壓效果逐漸變大，升壓速率再次升高，并且在結(jié)束時(shí)達(dá)到最大爆炸壓力。 最后，管內(nèi)水蒸氣凝結(jié)，且可燃?xì)怏w含量減少，進(jìn)入壓力進(jìn)入下降階段。

2)燃燒火焰最大速度、加速度、最大升壓速率都是丁烷-空氣預(yù)混氣體在不同濃度下燃燒的敏感影響因素。 而加速度和最大壓升速率可作為有效的指標(biāo)參考，評(píng)判丁烷氣體爆炸強(qiáng)度的大小。

3)在含水管道內(nèi)進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)5%的丁烷-空氣預(yù)混氣體爆炸試驗(yàn)。 壓力記錄結(jié)果顯示，氣相與液相壓力變化趨勢(shì)基本一致。 但對(duì)比無水管道的爆炸壓力變化曲線可知，無論是氣相壓力或液相壓力，含水管道的壓力曲線都較為平緩，并且到達(dá)最大壓力的時(shí)間有所延后。