組合型多孔材料對容器管道系統(tǒng)內(nèi)甲烷/空氣的抑爆效果*

邵繼偉，莊春吉，王志榮，黃予楠，盧雯婷

(1.寧波工程學院安全工程學院,浙江 寧波 315211; 2.南京工業(yè)大學安全科學與工程學院,江蘇 南京 210009)

工業(yè)生產(chǎn)過程中，易燃易爆氣體得到了廣泛的應用。絕大多數(shù)情況下，這些可燃氣體通過容器或管道進行儲存和運輸，一旦遇到負壓、密封失效等原因導致空氣混入，極易發(fā)生爆炸危害事故[1]。多孔材料對爆炸火焰和壓力具有較好的抑制和衰減作用，已在軍用和民用工程中得到了廣泛關注，學者們對多孔材料抑爆方面也陸續(xù)開展了研究[2-3]。Vasil’Ev[4]發(fā)現(xiàn)實驗管道壁面附上多孔材料涂層后，在近臨界區(qū)能夠觀察到明顯的爆轟波衰減現(xiàn)象，并根據(jù)抑爆衰減程度選擇多孔材料的最佳尺寸。Diamantis等[5]采用數(shù)值模擬技術對多孔介質(zhì)燃燒器中浸沒火焰和表面火焰進行了研究，比較了2種燃燒方式下的火焰輻射效率。Joo等[6]對陶瓷泡沫材料的爆炸火焰淬熄性能進行了研究，根據(jù)等效淬熄直徑，認為泡沫陶瓷材料的火焰淬熄效果不如填充球，淬熄直徑受到多個參數(shù)的影響，且無法用一維熱淬熄理論來進行解釋。喻健良等[7]研究了絲網(wǎng)結構對可燃氣體爆炸的抑制作用，建立了臨界淬熄速度、臨界淬熄超壓和熄爆參數(shù)與多層絲網(wǎng)結構抑爆性能之間的關系。Nie等[8]通過實驗研究了Al2O3和SiC泡沫陶瓷在長方形爆炸實驗管中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，發(fā)現(xiàn)泡沫陶瓷能將最大爆炸超壓衰減50%，泡沫陶瓷微觀網(wǎng)絡結構有助于氣體爆炸火焰淬熄和抑制沖擊波超壓。魏春榮等[9]對不同參數(shù)的多孔材料進行了火焰溫度實驗研究，發(fā)現(xiàn)多孔材料的厚度、孔徑、相對密度是影響火焰溫度的重要因素，而且不同多孔材料的抗燒結能力和抗沖擊能力也有很大區(qū)別。

綜上可以看出，多孔材料在可燃氣體抑爆方面能夠起到較好作用，其抑爆效果跟多孔材料的尺寸、厚度、材料以及微觀結構等參數(shù)有關，選用時還要綜合考慮多孔材料的經(jīng)濟性和抗燒結、抗沖擊、抗腐蝕等方面的能力。當前的研究主要集中在單一型多孔材料的抑爆，對于組合型多孔材料的研究未見報道。因此，本工作選取3類6種多孔材料，將其進行組合后嵌入自制的密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)開展抑爆實驗，探索不同組合型多孔材料對容器管道系統(tǒng)內(nèi)甲烷/空氣的抑爆效果。

1 實驗裝置與實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示：球形容器內(nèi)徑為0.60 m，容積約為110 L；水平管道為圓形管道，分別由1節(jié)0.25 m和2節(jié)2 m的管道用法蘭連接而成，內(nèi)徑為0.06 m，管道由壁厚為0.015 m的無縫鋼管制成；管道末端用盲板進行封堵，形成一個密閉的球形容器管道系統(tǒng)。在球形容器管道系統(tǒng)上安裝了高能點火槍、充/抽氣閥和壓力變送器。

1.2 實驗方法

選用泡沫Fe-Ni、泡沫陶瓷Al2O3和泡沫陶瓷SiC等3類多孔材料作為研究對象，每類多孔材料選取2種結構，多孔材料的結構參數(shù)見表1,表中PPI為每平方英寸面積上的孔數(shù)。采用甲烷的體積分數(shù)為10%的甲烷/空氣作為爆炸氣體環(huán)境，初始壓力設定為0 MPa。實驗過程中將多孔材料用26號不銹鋼絲固定在一薄型鐵環(huán)上，固定方式見圖2。薄型鐵環(huán)的內(nèi)徑為55 mm，稍小于管道直徑，將該鐵環(huán)固定在2節(jié)管道之間，記為位置3，多孔材料的直徑與管道直徑相吻合。在多孔材料前、后和管道末端分別設置了壓力變送器，依次記為位置4、5、6,各位置到球形容器左側壁面中心的水平距離記為L。

表1 多孔材料幾何參數(shù)Table 1 Geometrical parameters of porous materials

通過在充/抽氣閥上連接真空泵，將容器管道系統(tǒng)抽真空至-0.09 MPa，在保證氣密性的情況下，用RCS2000-B型自動配氣系統(tǒng)充入預先配好的甲烷體積分數(shù)為10%的甲烷/空氣混合氣至初始壓力0 MPa，靜置3～5 min。由于流體與壁面的接觸部分更容易產(chǎn)生靜電，因此利用XDH-6型高能點火器(點火能量為6 J)在球形容器的上壁面利用點火槍進行點火，引爆容器管道系統(tǒng)內(nèi)的可燃氣體[10-11]。通過HM90-H3-2型高頻壓力變送器(量程0～5 MPa，測量精度±0.25%FS，響應頻率200 kHz)和配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DEWE-43型數(shù)據(jù)采集儀及DEWESoft 7.0配套分析軟件進行數(shù)據(jù)采集。

1.3 實驗方案

將3類6種多孔材料分別進行組合，探討抑爆效果最佳的多孔材料組合模式，實驗方案見表2。

表2 多孔材料抑爆實驗方案Table 2 Experimental scheme of porous materials for suppressing explosion

2 實驗結果與分析

2.1 密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)氣體的爆炸特性

為能清晰比較多孔材料的抑爆效果，在開展多孔材料對密閉容器管道系統(tǒng)抑爆影響研究前，如表2中A組,在無多孔材料情況下進行2組空白實驗。第1組實驗中密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)無任何阻礙物，第2組在位置3處放入用于固定多孔材料的薄型鐵環(huán)，2組實驗的爆炸壓力隨時間變化見圖3。為了對多孔材料的抑爆效果進行綜合定量分析，引入表征爆炸強度指數(shù)的特征參數(shù)K，其定義為最大爆炸壓力pmax和最大爆炸壓力上升速率dp/dtmax的乘積，K值越大，說明爆炸危害越大，抑爆效果越差[12]。2組實驗在位置4和5處的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和爆炸強度指數(shù)見表3。

從圖3和表3可以看出，密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)無任何阻礙物的情況下，位置4和5處的爆炸壓力隨時間變化趨勢基本相同，位置5處的最大爆炸壓力稍微大于位置4處的。加入薄型鐵環(huán)后，位置4和5兩處的爆炸力隨時間變化趨勢有明顯區(qū)別，位置4處的最大爆炸壓力較無任何阻礙物時有明顯減小和滯后，而位置5處的最大爆炸壓力明顯增大，達到了0.580 MPa。從表3可知，無任何阻礙物情況下的K值遠大于加入薄型鐵環(huán)后的K值，位置4處的K值大于位置5處的。在加入薄型鐵環(huán)的情況下，位置4處的K值小于位置5處的。分析上述現(xiàn)象，當密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)無阻礙物的情況下，爆炸火焰從球形容器進入到管道后，能沿著管道進行穩(wěn)定傳播，促使最大爆炸壓力上升速率達到一個較大值。當密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)加入薄型鐵環(huán)，鐵環(huán)的內(nèi)徑小于管道的內(nèi)徑，使鐵環(huán)成了一個障礙物加設在管道中，爆炸火焰在傳播過程中受到了阻礙。因此，位置4處的爆炸壓力有所減小，當火焰躍過鐵環(huán)傳播到位置5處時，被鐵環(huán)壓縮的爆炸氣體被引燃，發(fā)生了強烈的物理/化學耦合作用，增強了混合物的湍流程度，增大了位置5處的最大爆炸壓力，而爆炸火焰和壓力的傳播速度被鐵環(huán)阻礙，使得最大爆炸壓力上升速率增大不明顯[13-14]。

表3 在無多孔材料的情況下密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)氣體爆炸特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of gas explosion in closed vessel piping system without porous materials

2.2 單層型多孔材料對氣體爆炸的抑爆效果

如表2中B組，對6種多孔材料分別進行抑爆效果實驗研究。密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)加入單層型多孔材料后，位置4和5處的爆炸壓力隨時間變化如圖4所示，最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和爆炸強度指數(shù)見表4。

實驗編號pmax/MPa位置4位置5dp/dt()max/(MPa·s-1)位置4位置5K/(MPa2·s-1)位置4位置5B-10.3830.4382.4452.8550.9361.250B-20.3730.4301.9902.8200.7421.213B-30.3680.4241.9451.8100.7160.767B-40.4130.5495.3307.2602.2013.986B-50.3890.4492.4352.8900.9471.298B-60.3540.4031.8351.8400.6500.742

從圖4和表4可以看出，單層型多孔材料對甲烷/空氣預混氣體起到了一定的抑爆作用。加入SiC 20 mm/10 PPI后位置5處的最大爆炸壓力明顯大于位置4處的最大爆炸壓力，其與加入薄型鐵環(huán)時的爆炸效果相似，抑爆效果較差。通過比較位置5處的K值，得知Al2O310 mm/30 PPI的抑爆效果最好，SiC 20 mm/10 PPI的抑爆效果最差。說明單層型多孔材料的抑爆效果受其孔徑影響較大，大孔徑多孔材料無法起到有效的抑爆作用。多孔材料Al2O310 mm/50 PPI的孔徑要小于Al2O310 mm/30 PPI的孔徑，而其抑爆效果卻不如Al2O310 mm/30 PPI的。根據(jù)動量守恒定律可知，當爆炸火焰經(jīng)過多孔介質(zhì)時，造成黏性損失和內(nèi)部損失，表現(xiàn)為火焰淬熄和壓力阻礙，這又與多孔材料的材質(zhì)、厚度、孔徑和組合模式密切相關[15-16]。因此，綜合分析認為Al2O310 mm/30 PPI在火焰抑制和壓力正常傳播方面的綜合效果優(yōu)于其他單層型多孔材料。

圖5為加入單層型多孔材料后在位置4、5和6處的最大爆炸壓力值。與無任何障礙物和加設薄型鐵環(huán)時的最大爆炸壓力值比較可以看出，除SiC 20 mm/10 PPI外，其他單層型多孔材料均實現(xiàn)了一定的抑爆效果，爆炸壓力抑制效果區(qū)間較大。加入SiC 20 mm/10 PPI后，位置5處的最大爆炸壓力要明顯大于無任何障礙時的最大爆炸壓力，但小于加入薄型鐵環(huán)時的最大爆炸壓力，說明SiC 20 mm/10 PPI也能起到抑爆作用，但效果不如其他單層型多孔材料。

2.3 組合型多孔材料對氣體爆炸的抑爆效果

如表2中C組，對6種多孔材料分別進行兩兩組合，研究雙層組合型多孔材料的抑爆效果。其在位置4和5處的爆炸壓力隨時間變化見圖6，最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和爆炸強度指數(shù)見表5。

實驗編號pmax/MPa位置4位置5dp/dt()max/(MPa·s-1)位置4位置5K/(MPa2·s-1)位置4位置5C-10.3860.4362.6852.9951.0361.306C-20.3600.4053.0753.1601.1071.280C-30.3550.3942.4952.2100.8860.871C-40.3770.4261.9252.1850.7260.931C-50.3620.4012.0301.8250.7350.732C-60.3590.4091.7851.9900.6410.814C-70.3520.3931.5001.5900.5280.625C-80.3530.4002.2252.6300.7851.052C-90.3420.3821.5451.6100.6310.615C-100.3450.3861.4601.5100.5040.583C-110.3770.4302.8202.8701.0631.234C-120.3830.4462.8903.3351.1071.487

從圖6和表5可以看出，加入雙層組合型多孔材料后位置5處的最大爆炸壓力均大于位置4處的最大爆炸壓力，位置4和5處的最大爆炸壓力小于無任何障礙物時的最大爆炸壓力，說明雙層組合型多孔材料的抑爆效果較好。比較位置5處的K值，得知Al2O310 mm/30 PPI+SiC 20 mm/20 PPI的抑爆效果最好，Al2O310 mm/30 PPI+SiC 20 mm/10 PPI的效果最差。

圖7為加入雙層組合型多孔材料后密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)位置4、5和6處的最大爆炸壓力值。與加入單層型多孔材料后的爆炸壓力抑制效果區(qū)間比較可以看出，雙層組合型多孔材料的抑爆效果均優(yōu)于單層型多孔材料SiC 20 mm/10 PPI的抑爆效果，爆炸壓力抑制效果區(qū)間較小。Fe-Ni 10 mm/40 PPI+Al2O310 mm/30 PPI、Fe-Ni 10 mm/40 PPI+Al2O310 mm/50 PPI、Al2O310 mm/30 PPI+SiC 20 mm/20 PPI、Al2O310 mm/50 PPI+SiC 20 mm/20 PPI的抑爆效果均優(yōu)于單層型多孔材料中抑爆效果最佳的Al2O310 mm/30 PPI，說明這4種組合型多孔材料的組合結構模式對密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)甲烷/空氣爆炸起到了較好的抑爆效果。

如表2中D組，對三層組合型多孔材料的抑爆效果進行實驗研究，位置4和5處的爆炸壓力隨時間變化如圖8所示，最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和爆炸強度指數(shù)見表6。

實驗編號pmax/MPa位置4位置5dp/dt()max/(MPa·s-1)位置4位置5K/(MPa2·s-1)位置4位置5D-10.3540.3974.0382.2901.4290.909D-20.4010.4584.3402.5001.7401.145D-30.3480.3923.2701.9501.1380.764D-40.3340.3763.0901.9751.0320.743D-50.3530.3863.7201.8301.3130.706D-60.4000.4603.4103.2851.3641.511D-70.3620.4113.9402.1301.4260.875D-80.3690.4192.2952.3850.8470.999

從圖8和表6可以看出，加入三層組合型多孔材料后位置5處的最大爆炸壓力均大于位置4處的最大爆炸壓力，這與加入雙層組合型多孔材料情況下的爆炸特點相似。層數(shù)的增多，導致多孔材料微觀結構更為復雜，且厚度更大，對火焰和壓力正常傳播起到了更大的阻礙作用。通過比較位置5處的K值，得知Al2O310 mm/50 PPI+Fe-Ni 10 mm/40 PPI+SiC 20 mm/20 PPI的抑爆效果最好，Al2O310 mm/30 PPI+Fe-Ni 10 mm/40 PPI+SiC 20 mm/20 PPI的抑爆效果最差。

圖9為加入三層組合型多孔材料后在密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)位置4、5和6處的最大爆炸壓力值。與加入雙層組合型多孔材料時的爆炸壓力抑制效果區(qū)間比較可以看出，三層組合型多孔材料的抑制效果區(qū)間較大，其中Al2O310 mm/30 PPI+Fe-Ni 10 mm/40 PPI+SiC 20 mm/20 PPI和Al2O310 mm/30 PPI+Fe-Ni 10 mm/90 PPI+SiC 20 mm/20 PPI的抑爆效果在雙層型多孔材料爆炸壓力抑制區(qū)間之上，抑爆效果較差，說明多孔材料對爆炸壓力傳播的阻力起到了主導作用。Al2O310 mm/30 PPI+Fe-Ni 10 mm/90 PPI+SiC 20 mm/10 PPI的抑爆效果在雙層型多孔材料爆炸壓力抑制區(qū)間之下，說明抑爆效果最好。

3 結 論

(1)密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)加入薄型鐵環(huán)后，鐵環(huán)前(位置4)爆炸壓力有明顯減小和滯后，鐵環(huán)后(位置5)爆炸壓力明顯增大。

(2)比較爆炸特征參數(shù)K，抑爆效果最佳的組合型多孔材料為Al2O310 mm/30 PPI+SiC 20 mm/20 PPI。比較壓力抑制效果區(qū)間，爆炸壓力抑制效果最佳的組合型多孔材料為Al2O310 mm/30 PPI+Fe-Ni 10 mm/90 PPI+SiC 20 mm/10 PPI。

(3)組合型多孔材料在密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)的抑爆效果明顯。3種組合模式多孔材料中，雙層組合型多孔材料的抑爆效果相比單層型多孔材料和三層組合型多孔材料更穩(wěn)定。

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