流動(dòng)態(tài)可燃?xì)怏w爆炸極限的試驗(yàn)研究

譚迎新，霍雨江，張華榮，宋錦武

(1.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣東 廣州 510656)

0 引 言

可燃?xì)怏w的燃燒爆炸是各種災(zāi)難性事故的主要形式之一，由此引起的爆炸事故發(fā)生頻率和危害程度呈逐年上升的趨勢(shì)[1-2].由于動(dòng)態(tài)爆炸特性相關(guān)問題復(fù)雜，涉及影響因素較多，研究難度大，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究相對(duì)較少.截止到目前，前人所做的研究工作基本是針對(duì)靜態(tài)(不流動(dòng))的氣體進(jìn)行的.事實(shí)上，在實(shí)際生產(chǎn)、生活中，可燃?xì)怏w多處于流動(dòng)狀態(tài)，研究動(dòng)態(tài)條件下可燃?xì)怏w的爆炸特性與實(shí)際情況更為吻合，也更具有實(shí)際意義[3-4].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于可燃?xì)怏w的爆炸特性研究主要集中在爆炸極限、爆炸壓力、點(diǎn)火能量、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、初始溫度以及初始?jí)毫?duì)其爆炸特性參數(shù)的影響等方面[5].鄧軍等[6]利用20 L球形氣體爆炸裝置測(cè)試了靜止?fàn)顟B(tài)和湍流狀態(tài)下甲烷的爆炸極限和爆炸壓力，結(jié)果表明流動(dòng)狀態(tài)對(duì)甲烷爆炸極限的影響較小，甲烷的爆炸壓力和爆炸壓力上升速率隨湍流程度的增大而增大；謝溢月等[3,7]測(cè)定了湍流條件下甲烷和氫氣的爆炸極限，通過攪拌轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來表征湍流強(qiáng)度.

本文利用自行設(shè)計(jì)的可燃?xì)怏w動(dòng)態(tài)爆炸特性試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)研究了3種可燃?xì)怏w在動(dòng)態(tài)條件下的爆炸極限范圍，以期為其它可燃?xì)怏w動(dòng)態(tài)爆炸極限的測(cè)定提供一套新裝置、新方法，同時(shí)為國(guó)家、企事業(yè)單位設(shè)計(jì)、制定各種科學(xué)而有效的安全措施提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)裝置

測(cè)試所用的試驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)的可燃?xì)怏w動(dòng)態(tài)爆炸極限測(cè)試裝置，由燃爆管、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分構(gòu)成，其核心部分是承載混合氣體發(fā)生爆炸的燃爆管和兩級(jí)氣體混合器.燃爆管的材質(zhì)選用不銹鋼，管長(zhǎng)約 1 400 mm，內(nèi)徑約60 mm.混合氣體的配氣濃度采用分壓法確定，進(jìn)氣量通過流量計(jì)控制.燃爆管內(nèi)相對(duì)放置一對(duì)點(diǎn)火電極用來引爆可燃?xì)怏w，采用高壓互感器為其供電擊穿空氣產(chǎn)生電火花.混合氣體在燃?xì)夤苤斜浑娀鸹ㄒ甲罱K是否發(fā)生爆炸，通過安裝在燃爆管上的壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)和燃爆管端口是否觀察到火焰以及點(diǎn)火電極處的火焰情況綜合判定.為了得到準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須保證混合氣體在燃爆管中分布的均勻性，為此設(shè)計(jì)了二級(jí)氣體混合器.為了保證試驗(yàn)過程的安全，防止爆炸回火倒燃現(xiàn)象的發(fā)生，在系統(tǒng)中安裝了阻火器.試驗(yàn)的配氣采用可燃?xì)怏w和空氣同時(shí)進(jìn)氣的同步式配氣法，通過觀察窗可以判斷點(diǎn)火后點(diǎn)火電極是否放電和判斷混合氣體是否發(fā)生爆炸.為了保證試驗(yàn)過程中可燃?xì)怏w在燃爆管內(nèi)的正常流動(dòng)和避免試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的廢氣對(duì)環(huán)境造成污染，試驗(yàn)中在燃爆管末端增加了一段集氣管.試驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖如圖 1 所示.

圖 1 測(cè)試裝置系統(tǒng)圖Fig.1 Test equipment system diagram

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用漸進(jìn)法，首先通過流量計(jì)控制甲烷和空氣同時(shí)進(jìn)氣[8]，按照所需比例配制試驗(yàn)用混合氣體，用高壓點(diǎn)火器點(diǎn)火，若爆炸，則減小(測(cè)定爆炸下限時(shí))或增大(測(cè)定爆炸上限時(shí))可燃?xì)怏w濃度重復(fù)試驗(yàn)；如果點(diǎn)火后可燃性混合氣體未發(fā)生爆炸，則增大(測(cè)定爆炸下限時(shí))或減小(測(cè)定爆炸上限時(shí))可燃?xì)怏w的濃度重復(fù)試驗(yàn)，最終得到最接近火焰?zhèn)鞑サ臐舛群筒粋鞑サ臐舛?按照GB/T 12474-2008中給出的公式計(jì)算出可燃?xì)怏w爆炸極限值[9].

(1)

式中：φ為可燃?xì)怏w爆炸極限值；φ1為最接近火焰不傳播的濃度；φ2為最接近火焰?zhèn)鞑サ臐舛?

測(cè)試時(shí)可燃?xì)怏w濃度的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為0.1%，在最接近火焰不傳播的濃度處至少重復(fù)測(cè)試5次.為了使混合氣體在燃爆管內(nèi)保持流動(dòng)狀態(tài)，在燃爆管末端增加一段集氣管，當(dāng)混合氣體充滿燃爆管后，在不間斷供氣的情況下實(shí)現(xiàn)混合氣體在燃爆管內(nèi)的正常流動(dòng).

3 動(dòng)態(tài)爆炸極限的測(cè)定

本研究選擇了3種生產(chǎn)生活中的代表性危險(xiǎn)氣體，即甲烷、液化石油氣(含雜質(zhì))和氫氣，進(jìn)行動(dòng)態(tài)條件下的爆炸上限和爆炸下限研究測(cè)定.本研究所用甲烷樣品的純度≥99.9%，氫氣樣品純度≥99.9%，液化石油氣(含雜質(zhì))純度為40%.

3.1 甲烷爆炸極限測(cè)試

甲烷在流動(dòng)狀態(tài)下的在流動(dòng)狀態(tài)下的爆炸下限測(cè)試結(jié)果如表 1 所示.

表 1 甲烷爆炸下限

由表 1 可以看出，甲烷最接近火焰不傳播的濃度為5.2%；最接近火焰?zhèn)鞑サ臐舛葹?.3%，根據(jù)式(1)可計(jì)算出甲烷在流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的爆炸下限為

甲烷在流動(dòng)狀態(tài)下的爆炸上限測(cè)試結(jié)果如表 2 所示.

表 2 甲烷爆炸上限

根據(jù)表 2 可知，甲烷最接近火焰不傳播的濃度為17.1%；最接近火焰?zhèn)鞑サ臐舛葹?7.0%，由式(1)計(jì)算得到甲烷在流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的爆炸上限為 17.05%，因此甲烷在流動(dòng)狀態(tài)下的爆炸極限范圍為5.25%～17.05%.

3.2 液化石油氣(含雜質(zhì))爆炸極限測(cè)試

液化石油氣(含雜質(zhì))在流動(dòng)狀態(tài)下的爆炸下限測(cè)試結(jié)果如表 3 所示.

由表 3 可得，液化石油氣(含雜質(zhì))最接近火焰不傳播的濃度為2.5%；最接近火焰?zhèn)鞑サ臐舛葹?.6%，由式(1)計(jì)算得到液化石油氣(含雜質(zhì))在流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的爆炸下限為2.55%.液化石油氣(含雜質(zhì))在流動(dòng)狀態(tài)下的爆炸上限測(cè)試結(jié)果如表 4 所示.

表 3 液化石油氣(含雜質(zhì))爆炸下限

表 4 液化石油氣(含雜質(zhì))爆炸上限

由表 4 可知，液化石油氣(含雜質(zhì))在流動(dòng)狀態(tài)下最接近火焰不傳播的濃度為12.9%；最接近火焰?zhèn)鞑サ臐舛葹?2.8%，由式(1)計(jì)算得到液化石油氣(含雜質(zhì))在流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的爆炸上限為 12.85%，因此液化石油氣(含雜質(zhì))在流動(dòng)狀態(tài)下的爆炸極限范圍為2.55%～12.85%.

3.3 氫氣爆炸極限測(cè)試

氫氣在流動(dòng)狀態(tài)下的爆炸下限測(cè)試結(jié)果如表 5 所示.

表 5 氫氣爆炸下限

根據(jù)表 5 可知，氫氣最接近火焰不傳播的濃度為4.3%；最接近火焰?zhèn)鞑サ臐舛葹?.4%，由式(1)計(jì)算得到甲烷在流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的爆炸下限為4.35%.氫氣在流動(dòng)狀態(tài)下的爆炸上限測(cè)試結(jié)果如表 6 所示.

根據(jù)表 6 可以看出，氫氣最接近火焰不傳播的濃度為76.1%；最接近火焰?zhèn)鞑サ臐舛葹?6.0%，根據(jù)式(1)計(jì)算出氫氣在流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的爆炸上限為76.05%.由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，氫氣在流動(dòng)狀態(tài)下的爆炸極限范圍為4.35%～76.05%.

表 6 氫氣爆炸上限

3.4 測(cè)試結(jié)果分析

將上述流動(dòng)狀態(tài)下測(cè)得的爆炸極限數(shù)據(jù)與靜態(tài)下的爆炸極限數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見表 7.

表 7 不同狀態(tài)下爆炸范圍比較

由上述數(shù)據(jù)可知，與靜止?fàn)顟B(tài)的爆炸極限相比，流動(dòng)條件下甲烷、液化石油氣(含雜質(zhì))和氫氣的爆炸下限升高，而爆炸上限降低，爆炸危險(xiǎn)性加大.

4 結(jié) 論

1) 試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)甲烷、液化石油氣(含雜質(zhì))及氫氣在動(dòng)態(tài)條件下的爆炸下限值比靜態(tài)條件下的爆炸下限值高，而動(dòng)態(tài)條件下的爆炸上限值比靜態(tài)條件下的爆炸上限值低，說明動(dòng)態(tài)條件下可燃?xì)怏w的爆炸極限范圍比靜態(tài)條件下的爆炸極限范圍小，爆炸危險(xiǎn)性加大.

2) 爆炸極限是評(píng)估可燃?xì)怏w爆炸危險(xiǎn)性的一個(gè)重要參數(shù)，但是用不同試驗(yàn)裝置測(cè)定的可燃?xì)怏w爆炸極限有所區(qū)別，受外界因素影響較大，因此在實(shí)際中采用這些數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)選擇一定的安全系數(shù).在工業(yè)生產(chǎn)等使用可燃?xì)怏w時(shí)，應(yīng)保持一定的通風(fēng)有助于降低可燃?xì)怏w的爆炸危險(xiǎn)性.