管道末端存在障礙物時的丙烷燃爆實驗研究

陳國鑫，王 正

中國石化安全工程研究院，青島 266071

管道末端存在障礙物時的丙烷燃爆實驗研究

陳國鑫*，王 正

中國石化安全工程研究院，青島 266071

2013年11月22日發(fā)生的黃島管道爆炸事故共造成62人死亡，136人受傷。調(diào)查顯示，在排水管道內(nèi)部存在多處混凝土柵欄障礙物，油氣在排水管道內(nèi)聚集爆炸產(chǎn)生的超壓和物體碎片是造成傷害的主要原因。為了定量探究障礙物對管道內(nèi)油氣燃爆破壞效應(yīng)的影響，本文搭建了長3 m、內(nèi)徑100 mm的油氣管道燃爆測試裝置，在管道后半段可根據(jù)需要安置各類障礙物。在常溫常壓下以丙烷與空氣的混合氣為燃爆介質(zhì)，采用弱點火方式進(jìn)行了燃爆試驗，研究了在不同障礙物阻塞率、數(shù)量和間距條件下管道內(nèi)部的超壓分布和變化。

丙烷；爆炸；超壓；障礙物

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，城區(qū)地下管網(wǎng)包含了供水、排水、燃?xì)狻崃?、電力、通信、廣播電視、工業(yè)、油品運輸?shù)裙芫€，各管線交錯分布難免存在交匯。由于腐蝕、人為等因素，一旦油品管道破損泄漏進(jìn)入市政管網(wǎng)，在市政管網(wǎng)中揮發(fā)積聚，遇到火源就可能引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和社會損害。黃島11·22爆炸事故就是典型的輸油管道泄漏引發(fā)的市政管道受限空間燃爆事故。近年來，國內(nèi)外的專家學(xué)者通過自建測試管道，布局燃爆監(jiān)測裝置，對不同點火能、氣體類型和燃?xì)鉂舛鹊葪l件下，管道內(nèi)的可燃?xì)饣鹧鎮(zhèn)鞑ヒ?guī)律、壓力變化等爆炸特性進(jìn)行了大量實驗研究[1-9]。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在黃島發(fā)生燃爆事故的排水暗渠內(nèi)存在各種混凝土障礙物；黃島爆炸原油的可燃?xì)饨M分的主要成分為丙烷。綜合以上兩點因素本文采用丙烷與空氣的混合氣，通過搭建管道爆炸測試裝置，研究管道末端存在障礙物時對丙烷燃爆的影響。

1 實驗系統(tǒng)

整個管道爆炸測試系統(tǒng)主要由點火器、真空泵、燃?xì)庠础討B(tài)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。管道總長3.0 m，由兩節(jié)1.5 m長的不銹鋼材質(zhì)子管道通過法蘭連接，子管道為套管結(jié)構(gòu)，外管外徑168 mm、內(nèi)徑118 mm；內(nèi)管外徑118 mm、內(nèi)徑100 mm，耐壓22 MPa。在管道首部中央位置連接電爐絲打火器，電壓為40 V；管道尾部采用開口，動態(tài)采集器采用TST6400，采集器共有16個高速數(shù)據(jù)采集通道，可實時采集壓力、火焰、溫度等傳感器信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速存儲、處理與分析；壓力傳感器采用壓阻式，量程1 MPa。

管道軸向方向上共開設(shè)10個傳感器接口，全部位于第二節(jié)子管道上，各接口位置如圖2所示，分別距離管道首部160.0、175.0、190.0、202.5、220.0、230.0、247.5、260.0、275.0、290.0 cm，可根據(jù)實驗需要選擇合適接口安裝傳感器。

在第二節(jié)子管道上可安裝不同物性參數(shù)的障礙物。在本文中障礙物主要采用圓柱結(jié)構(gòu)，通過截面圓柱個數(shù)差異控制障礙物的阻塞率。圖3為三種不同阻塞率的障礙物截面示意圖，圓柱直徑1.2 cm，分別由1、3、5根圓柱構(gòu)成。圖4為障礙物實物及卡槽結(jié)構(gòu)示意圖。圓柱采用焊接形式固定在與子管道內(nèi)管尺寸相同的圓環(huán)上，障礙物圓環(huán)采用卡槽結(jié)構(gòu)固定在子管道內(nèi)管上。通過組合不同尺寸內(nèi)管可以控制障礙物的間距和數(shù)量。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig. 1 The experimental system schematic diagram

圖2 軸向壓力傳感器接口示意圖Fig. 2 The axial distribution of pressure sensor

圖3 障礙物截面示意圖Fig. 3 Obstacles cross section diagram

實驗采用分壓法進(jìn)行配氣作業(yè)，先將管道尾部端面用法蘭封閉，利用真空泵對管路進(jìn)行抽真空，再根據(jù)所需丙烷氣體體積濃度打開進(jìn)氣閥進(jìn)行充氣，之后關(guān)閉進(jìn)氣閥開啟吸氣閥，利用大氣壓把空氣沖入管道，再利用循環(huán)系統(tǒng)將管內(nèi)氣體混合均勻，最后卸掉尾部法蘭進(jìn)行點火，采集壓力數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果與討論

丙烷爆炸極限為2.1％～9.5％，本文采用丙烷體積濃度2.5％、0.1 MPa常壓為基礎(chǔ)實驗條件，在本實驗中選擇1、3、5、7、10接口作為動態(tài)壓力監(jiān)測點，距離管道點火端距離分別為160.0、190.0、220.0、247.5、290.0 cm。

2.1 障礙物阻塞率實驗

如圖3所示，利用圓柱個數(shù)可以改變障礙物的阻塞率。在該實驗中，障礙物均勻分布在第二節(jié)子管道中，障礙物數(shù)量為4個，間距30 cm，1、3、5根圓柱的阻塞率分別為15.3％、34.0％、62.1％，4個障礙物分別處于1、3、5、7、10五個測點之間，如圖5所示。

圖4 障礙物實物及卡槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Obstacles and card slot structure diagram

圖5 障礙物阻塞率布局Fig. 5 The layout of obstacle blocking rate

以障礙物阻塞率34.0％為例，各測點的超壓-時間曲線如圖6所示。從圖中可以看出，測點1、3、5、7、10的曲線趨勢一致，符合兩波三區(qū)理論。丙烷-空氣混合氣被電爐絲點火后發(fā)生燃燒反應(yīng)發(fā)出大量熱量，使鄰近的氣體膨脹，溫度上升，形成朝開口端傳播的前驅(qū)壓力波，推動未燃混合氣壓縮，并向開口端移動。同時生成了靠自身反應(yīng)傳播的火焰，先燃燒的混合氣放出的能量引燃鄰近的未燃混合氣，放出更多能量。以測點3為例，前驅(qū)壓力波通過測點3后，測點3處的超壓開始上升，由于燃燒反應(yīng)一直持續(xù)，反應(yīng)區(qū)持續(xù)發(fā)出壓力波，壓縮未燃區(qū)域的氣體，另一方面隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，其放出的熱量通過傳導(dǎo)與輻射方式加熱未燃區(qū)的混合氣，致使未燃區(qū)的氣體壓力和溫度升高，隨著未燃區(qū)的推進(jìn)，測點3處的超壓緩慢提高。當(dāng)火焰陣面到達(dá)測點3時，在很短的時間內(nèi)混合氣燃燒速率達(dá)到極值，放出大量的熱量，超壓達(dá)到最大。之后隨著反應(yīng)區(qū)的推進(jìn)，反應(yīng)物逐漸消耗完畢，由于缺乏能量補(bǔ)充，測點3處的溫度和超壓逐漸下降。又因為反應(yīng)區(qū)氣體膨脹和壓力波對未燃混合氣的推動，大量未燃混合氣從管道開口端溢出，殘存氣體的燃燒無法補(bǔ)充爆炸傳播過程中的能量損耗，進(jìn)一步導(dǎo)致溫度和超壓下降并形成負(fù)壓。此時由于管道開口端處于常壓，在壓差作用下，空氣從開口端涌入管內(nèi)，管內(nèi)壓力上升回到正壓，又造成管內(nèi)壓力高于外部壓力，管內(nèi)氣體又經(jīng)由開口端流出管外，如此反復(fù)，測點3處的超壓值出現(xiàn)小幅度震蕩，超壓極值越來越小。

圖6 阻塞率34％下的各測點超壓—時間曲線Fig. 6 The overpressure - time curve(BR, 34％)

管道末端不同障礙物阻塞率下的測點超壓如圖7所示。從圖中可以看出，障礙物對管道內(nèi)的超壓發(fā)展具有重要影響。隨著障礙物阻塞率提高，各測點的超壓值逐漸增大，但超壓與阻塞率呈非線性關(guān)系，在15.3％～34.0％阻塞率下，超壓變化明顯。

圖7 不同障礙物阻塞率下的測點超壓值Fig. 7 The overpressure of different obstacle BR

由于管道末端障礙物的存在，火焰經(jīng)過時發(fā)生褶皺、畸變，成大小不同的漏斗狀，增大了燃燒接觸面積和速率，導(dǎo)致大量能量釋放，致使火焰加速和超壓增大。隨著管道阻塞率的增加，這種畸變和擾動更為明顯，造成超壓進(jìn)一步的增大。

2.2 障礙物間距實驗

在該實驗中，障礙物阻塞率統(tǒng)一為34.0％，數(shù)量均為4個，間距分別為20 cm、30 cm、40 cm，以管道中心為參考點對稱分布，如圖8所示。

圖8 障礙物間距布局Fig. 8 The layout of obstacle spacing

管道末端不同障礙物間距下的測點超壓如圖9所示。從圖中可以看出，障礙物對管道內(nèi)的超壓發(fā)展影響不是十分明顯，隨著間距增大超壓逐漸減小，呈非線性關(guān)系。間距從20 cm擴(kuò)展到30 cm的超壓下降幅度大于間距從30 cm擴(kuò)展到40 cm。這是因為當(dāng)障礙物集中放置時，火焰通過障礙物時湍流強(qiáng)度大幅度提升，有效促進(jìn)燃燒反應(yīng)釋放大量能量，提高超壓。而當(dāng)障礙物疏松放置時，由于間距增大，湍流強(qiáng)度不能在極短的時間和距離內(nèi)產(chǎn)生疊加，降低了能量利用率，相比集中放置對超壓的提升作用較弱。

圖9 不同障礙物間距下的測點超壓值Fig. 9 The overpressure of different obstacle spacing

2.3 障礙物數(shù)量實驗

在該實驗中，障礙物阻塞率統(tǒng)一為34.0％，間距30 cm，數(shù)量分別為4、2、1、0，以管道中心為參考點對稱分布，示意圖如圖10所示

管道末端不同障礙物數(shù)量下的測點超壓如圖11所示。從圖中可以看出，隨著障礙物數(shù)量的增加，超壓逐漸增大。這主要是由于障礙物數(shù)量越多，對管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑_動越明顯，釋放的能量越多。

圖10 障礙物數(shù)量布局Fig. 10 The layout of obstacle quantity

圖11 不同障礙物數(shù)量下的測點超壓值Fig. 11 The overpressure of different obstacle quantity

3 結(jié)論

通過在受限管道末端安置不同阻塞率、間距、數(shù)量的障礙物，研究了障礙物對管道內(nèi)丙烷—空氣混合氣爆炸的超壓影響，結(jié)論如下：

(1)障礙物阻塞率對管道內(nèi)的超壓具有重要影響，障礙物在15.3％～34.0％阻塞率區(qū)間內(nèi)，超壓變化最為明顯；

(2)障礙物間距對管道內(nèi)的超壓影響不明顯。通過縮短障礙物間距，集中放置，能在一定程度上提高管道內(nèi)的超壓；

(3)障礙物數(shù)量對管道內(nèi)的超壓具有一定影響，增設(shè)障礙物，可以提高管道內(nèi)的超壓。

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Experimental study of propane explosions with obstacles in the pipelines

CHEN Guoxin, WANG Zheng
SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Qingdao 266071, China

On November 22th 2013, in Qingdao, the Huangdao, pipeline exploded. In this accident 62 people died and 136 people were injured. The survey shows that the drainage pipe explosion overpressure and object debris were the main reasons for the huge damage. There are many concrete fence obstacles in the pipelines that may increase the explosion overpressure. In order to study the effect of obstacles on pipeline explosion, a 3m-long, 100mm-diameter device was built for oil and gas pipelines explosion tests. The device consists of 2 short pipelines and all kinds of obstacles can be installed in the second one. In the experiments weak ignition was used to ignite the mixtures of propane and air. The distribution and variation of overpressure in the pipeline were investigated with obstacles at different blocking rates, quantities and spacing.

propane; explosion; overpressure; obstacle

2016-11-15

國家科技支撐計劃課題(2015BAK37B03)和國家自然科學(xué)基金項目(51574210)聯(lián)合資助

10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.044

(編輯 馬桂霞)

陳國鑫, 王正. 管道末端存在障礙物時的丙烷燃爆實驗研究. 石油科學(xué)通報, 2016, 03: 477-483

CHEN Guoxin, WANG Zheng. Experimental study of propane explosions with obstacles in the pipelines. Petroleum Science Bulletin, 2016, 03: 477-483. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.044

*通信作者, chengx.qday@sinopec.com