不同彎型管道內(nèi)粉塵爆炸傳播規(guī)律

李 剛， 胡 朋， 張洋洋， 倪 磊

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

近年來(lái)粉塵爆炸事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)過(guò)程工業(yè)和社會(huì)的安全造成了嚴(yán)重威脅[1].事故統(tǒng)計(jì)表明，除塵系統(tǒng)是發(fā)生初始爆炸的主要工藝設(shè)備.該系統(tǒng)由除塵器和不同類(lèi)型的管道相連而成[2].除塵器內(nèi)發(fā)生的爆炸可以通過(guò)管道傳播，且管道形狀對(duì)爆炸的傳播有著較大的影響，甚至?xí)鞑ブ疗渌麉^(qū)域引起二次爆炸[3-4].彎管內(nèi)的爆炸傳播過(guò)程較為復(fù)雜，其傳播特性不同于長(zhǎng)直管[5-7].2014年江蘇昆山發(fā)生了嚴(yán)重的金屬粉塵爆炸事故，從事故調(diào)查報(bào)告看出，現(xiàn)場(chǎng)除塵管道損壞嚴(yán)重，尤其是彎管損壞較多[8].因此對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行粉塵爆炸研究具有現(xiàn)實(shí)意義.

對(duì)粉塵爆炸在管道內(nèi)的傳播規(guī)律已有較多研究.Pineau等[9]利用1 m3爆炸容器，研究了粉塵爆炸在長(zhǎng)直管道內(nèi)的傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在直徑為250 mm長(zhǎng)為10 m的直管中，管道末端開(kāi)口，其火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_(dá)到340～565 m/s.Han等[10]在高為1 800 mm的方形垂直管道中觀察了火焰在粉塵云中的傳播行為，發(fā)現(xiàn)錐形火焰在管內(nèi)以恒定速度向上傳播，厚度約為20 mm，最大速度為0.5 m/s，但火焰在粉塵云中的傳播是不連續(xù)不平滑的.Taveau等[11]在小尺寸管徑的管道中進(jìn)行了火焰?zhèn)鞑パ芯浚l(fā)現(xiàn)隨著管徑的減小火焰?zhèn)鞑プ兊美щy，但即使在直徑25 mm的管道中，火焰仍可以傳播7 m左右.王健等[12]在相連容器中進(jìn)行了粉塵爆炸的研究，發(fā)現(xiàn)即使管道內(nèi)沒(méi)有布粉，爆炸也可沿管道傳播達(dá)30 m左右，易引起二次爆炸.

目前，雖然國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于粉塵爆炸在管道內(nèi)的傳播規(guī)律進(jìn)行了廣泛的研究，但大多數(shù)的研究集中在對(duì)長(zhǎng)直管道中傳播規(guī)律的研究，對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的管道，尤其是與大型爆炸容器相連的彎型管道傳播規(guī)律的研究較少.因此，筆者在1 m3爆炸測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了S型、U型管道及90°彎管道，模擬工業(yè)除塵器內(nèi)發(fā)生爆炸在風(fēng)管內(nèi)的傳播，目的是更好地理解粉塵爆炸在彎管中的傳播規(guī)律，以期為粉塵爆炸的防治工作提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在東北大學(xué)火災(zāi)&爆炸防治實(shí)驗(yàn)室1 m3爆炸容器的基礎(chǔ)上搭建.該爆炸容器依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)NFPA68設(shè)計(jì)，總體為圓柱形，長(zhǎng)徑比近似為1，壁厚12 mm，設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa.5 L的儲(chǔ)氣噴粉罐與氣動(dòng)電磁閥相連安裝在爆炸容器外側(cè)，通過(guò)球形多孔噴嘴將粉塵均勻噴入容器內(nèi).實(shí)驗(yàn)利用10 kJ的化學(xué)點(diǎn)火頭，安裝在爆炸倉(cāng)中間部位，由PLC控制系統(tǒng)引爆.本文設(shè)計(jì)的不同形狀的彎管道連接在1 m3爆炸容器上，如圖1所示.5套Dytran壓電式瞬態(tài)壓力傳感器和8套紅外火焰探測(cè)器分別沿管道安裝在不同位置，其中壓力傳感器最高頻率可達(dá)500 kHz，上升響應(yīng)時(shí)間1 μs；爆炸超壓及火焰?zhèn)鞑ニ俣扔蓪Ｓ脭?shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄,壓力采集系統(tǒng)使用PCI-1712L多通道高頻采集卡，最高采樣頻率可達(dá)1 MHz.圖2為該系統(tǒng)采集到的壓力波形圖.

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的三類(lèi)彎管的公稱直徑均為DN200 mm，由兩段弧長(zhǎng)800 mm、90°的彎頭及多段直管管道分別組裝成S形、U形和90°彎管系統(tǒng)，管道總長(zhǎng)度為5.6 m左右.圖3為實(shí)驗(yàn)管道的現(xiàn)場(chǎng)布置.壓力與火焰?zhèn)鞲衅鞑键c(diǎn)位置如圖4所示，P1～P5為壓力傳感器，F(xiàn)1～F8為火焰?zhèn)鞲衅?90°彎管只使用了一支彎頭，但彎頭安裝的位置不同，傳感器的布置如圖5所示.

實(shí)驗(yàn)材料為食用玉米淀粉.實(shí)驗(yàn)前清掃1 m3爆炸罐并更換點(diǎn)火藥頭，將玉米淀粉裝入儲(chǔ)粉罐內(nèi)，充壓至1.5 MPa，點(diǎn)火延遲設(shè)置為1 000 ms.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 彎管內(nèi)爆炸超壓峰值的變化規(guī)律

超壓峰值是研究粉塵爆炸在管道內(nèi)傳播規(guī)律的重要參數(shù).圖6為粉塵質(zhì)量濃度為300 g/m3時(shí)直管與彎管內(nèi)測(cè)點(diǎn)處超壓峰值隨距離的變化規(guī)律曲線.可以看出，爆炸罐內(nèi)超壓峰值p1按S型管道—U型管道—90°彎管—直管依次降低，這說(shuō)明彎管對(duì)爆炸泄壓有一定的阻礙作用，但低粉塵濃度爆炸強(qiáng)度較弱時(shí)不太明顯；管道內(nèi)超壓峰值隨傳播距離增加總體呈快速下降趨勢(shì).在爆炸發(fā)展初期，即從爆炸罐內(nèi)傳播到管道上第一個(gè)測(cè)點(diǎn)之間，四類(lèi)彎管和直管內(nèi)超壓峰值下降趨勢(shì)大致相同.但當(dāng)爆炸傳播到3～5.5 m之間，即經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)，彎管與直管表現(xiàn)出較明顯的差異.S型和U型超壓峰值分別由0.029 3,0.019 8 MPa經(jīng)彎管下降為0.021 8,0.017 1 MPa，分別衰減了25.72%和13.66%；2種90°彎管分別衰減了34.56%與36.33%，但在相同位置的直管衰減速率為40.51%.可見(jiàn)，在相同位置處的彎管內(nèi)超壓峰值衰減速率明顯小于長(zhǎng)直管道.在經(jīng)過(guò)彎頭后，四類(lèi)彎管內(nèi)超壓峰值迅速下降，在管道末端處基本衰減殆盡，為0.01 MPa左右.

圖7和圖8分別為粉塵質(zhì)量濃度為500 g/m3和750 g/m3時(shí)管道內(nèi)各點(diǎn)處超壓峰值隨爆炸傳播距離的變化規(guī)律曲線.可以看出，爆炸罐內(nèi)超壓峰值p1仍然存在按S型管道—U型管道—90°彎管—直管依次降低的規(guī)律，且比300 g/m3時(shí)更加明顯，這說(shuō)明彎管對(duì)爆炸泄壓的阻礙作用隨著爆炸強(qiáng)度的增加而增大；同樣在爆炸發(fā)展初期，彎管與直管超壓峰值下降趨勢(shì)大致相同.當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度500 g/m3爆炸經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)，S型彎管和U型彎管超壓衰減速率相近，分別為19.46%和 16.87%，兩種90°彎管衰減速率為37.91%與31.29%，而直管衰減速率為41.64%，衰減速度最快.以上規(guī)律在質(zhì)量濃度750 g/m3時(shí)同樣存在.

當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度為750 g/m3時(shí)爆炸罐內(nèi)最高壓力達(dá)0.15 MPa，管道內(nèi)各點(diǎn)超壓峰值均高于其他兩種濃度，且S型彎管末端爆炸超壓峰值近0.04 MPa，仍然具有較大的破壞作用.

從以上分析可以看出，粉塵爆炸在管道內(nèi)傳播時(shí)，管道上各點(diǎn)處的超壓峰值均小于爆炸罐內(nèi)的初始爆炸壓力，且隨著到點(diǎn)火源的距離越遠(yuǎn)，爆炸超壓峰值不斷下降，其主要原因是管道末端開(kāi)口泄壓導(dǎo)致的.當(dāng)粉塵爆炸在直管段即彎管前傳播時(shí)，由于管道內(nèi)未設(shè)定障礙物且與彎管直徑相同，所以彎管對(duì)其影響甚微，變化趨勢(shì)與直管大致相同.但當(dāng)爆炸經(jīng)過(guò)彎管時(shí)，彎管會(huì)阻礙沖擊波的傳播，沖擊波在凹壁面上會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的反射、繞射等，彎管內(nèi)的湍流度大幅增加，壓力在彎管內(nèi)積聚導(dǎo)致超壓峰值衰減速率下降.在經(jīng)過(guò)彎管之后，理論上凸壁面反射的分壓力與管道內(nèi)的原有壓力相互疊加，會(huì)使超壓峰值上升，但本實(shí)驗(yàn)管道末端開(kāi)口且長(zhǎng)度較短，爆炸迅速泄放到大氣環(huán)境中，使后段超壓峰值快速下降.

2.2 彎管內(nèi)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律

本實(shí)驗(yàn)利用英國(guó)D749系列高速紅外光電管測(cè)試火焰?zhèn)鞑ニ俣龋憫?yīng)時(shí)間小于0.1 ms.火焰?zhèn)鞑ニ俣葀的測(cè)試方法為：v=ΔL/t，其中ΔL為兩火焰?zhèn)鞲衅髦g的距離，t為火焰前沿經(jīng)過(guò)的時(shí)間.

圖9為3種濃度下管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣入S傳播距離變化曲線，由于3種濃度條件下測(cè)得的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓厔?shì)大致相同，本文以500 g/m3時(shí)的測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行分析.由圖9b可以看出，在所有不同形狀的彎管的彎頭前，彎管與直管內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)加速趨勢(shì)；但在3～5.5 m之間，即火焰經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)，U型彎管與S型彎管在該距離內(nèi)的火焰上升幅度分別為42.8%和46.5%，二者相差不大，但在相同位置的直管增加了109%；而帶有一節(jié)彎頭的兩種90°彎管，其火焰速度上升幅度相比直管也明顯減弱，甚至在彎頭處出現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，很明顯彎管對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣绕鹱璧K作用.這是由于火焰經(jīng)過(guò)彎管時(shí)，穩(wěn)定向前傳播的沖擊波會(huì)遭到破壞，火焰?zhèn)鞑シ较驎?huì)發(fā)生改變，同時(shí)會(huì)遇到不同于直管的反射波，反射波與向前傳播的火焰鋒面相遇，對(duì)火焰起阻滯作用，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?當(dāng)火焰在經(jīng)過(guò)彎管后，原本球形火焰鋒面發(fā)生褶皺和卷曲，火焰表面積增大，可能會(huì)重新點(diǎn)燃管道中未點(diǎn)燃的粉塵，此時(shí)的燃燒更猛烈，反應(yīng)速度更快，會(huì)形成二次加速.觀察90°彎頭近這條曲線，發(fā)現(xiàn)火焰在經(jīng)過(guò)彎管后，火焰速度快速上升，在末端接近600 m/s左右，而其他管道，由于彎管后的管道較短且開(kāi)口，導(dǎo)致管道末端火焰速度并沒(méi)有快速的上升且不穩(wěn)定.

3 結(jié) 論

1) 爆炸罐體連接不同形狀的管道時(shí)，內(nèi)部爆炸壓力不一致，對(duì)于4種管道，超壓峰值由高到低排序依次為：直管>90°彎管>U型彎管>S型彎管，說(shuō)明直管、90°彎管、U型彎管、S型彎管引起爆炸超壓作用依次加強(qiáng).

2) 粉塵爆炸在彎管內(nèi)傳播時(shí)，壓力發(fā)展與火焰速度變化規(guī)律不同于長(zhǎng)直管.管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤傮w呈持續(xù)加速上升趨勢(shì)，雖然管道末端壓力降至最低，但火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s達(dá)到最大，接近600 m/s，超過(guò)聲速；彎管和直管相比，在經(jīng)過(guò)彎管時(shí)，彎管對(duì)火焰起阻礙作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙让黠@小于直管；管道內(nèi)超壓峰值隨傳播距離呈下降趨勢(shì)，但在彎管處的超壓峰值衰減速率顯著降低，在彎管處易形成壓力疊加；因此，除塵系統(tǒng)彎管處設(shè)置泄爆措施是必要的.

3) 粉塵濃度對(duì)爆炸傳播有著重要影響.在本實(shí)驗(yàn)測(cè)定的3種粉塵濃度范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)粉塵濃度越大，各點(diǎn)處超壓峰值與火焰速度越大.在粉塵質(zhì)量濃度750 g/m3時(shí)，爆炸罐內(nèi)最大壓力達(dá)0.15 MPa，即使在管道內(nèi)未布粉情況下，管道末端最快火焰?zhèn)鞑ニ俣冉?00 m/s.在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)按照規(guī)范定時(shí)清理除塵器和管道中的粉塵，避免粉塵堆積.