水平管道泄爆面開啟壓力對甲烷爆燃壓力的影響*

呂鵬飛，朱澍成，劉開沅，龐 磊，楊 凱

(1.北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 102617;2.北京市安全生產(chǎn)工程技術(shù)研究院，北京 102617)

0 引言

市政排污管線等典型約束空間內(nèi)往往積聚可燃?xì)怏w，極易發(fā)生氣體爆炸事故并造成嚴(yán)重后果，例如，2013年山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故，原油泄入排水暗渠后，現(xiàn)場處置人員采用液壓破碎錘在暗渠蓋板上打孔破碎，產(chǎn)生撞擊火花并引起暗渠內(nèi)油氣爆炸，事故造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失近7.52億元[1]。而泄爆作為常用的1種爆炸災(zāi)害控制措施，通過泄爆面能夠釋放爆炸壓力，進(jìn)而改變約束空間爆炸流場分布及災(zāi)害效應(yīng)。因此，針對泄爆面特征參數(shù)開展約束空間可燃?xì)怏w爆炸特性及災(zāi)害傳播規(guī)律研究尤為必要。

當(dāng)前，研究者圍繞泄爆面特征參數(shù)對受限空間可燃?xì)怏w爆炸過程的影響開展了相關(guān)研究。任少峰等[2]研究了泄壓比對管道內(nèi)爆炸壓力與火焰速度的影響，結(jié)果表明泄壓比不同造成泄壓比與爆炸壓力、火焰速度峰值關(guān)系的差異。胡俊等[3]對柱形容器甲烷/空氣預(yù)混氣的頂端開口泄爆過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明不同的泄爆口面積產(chǎn)生的泄流率不同，并造成容器內(nèi)火焰面的發(fā)展、變形、燃燒速率的差異。王志榮等[4]實(shí)驗(yàn)研究了泄爆口直徑對容器可燃?xì)怏w泄爆過程中外部壓力變化特性的影響，結(jié)果表明隨著泄爆口直徑的增加，容器外部最大壓力上升速率及峰值壓力均相應(yīng)增大。劉斐斐等[5]模擬研究了管道內(nèi)氫氣爆燃轉(zhuǎn)爆轟及其抑制過程，結(jié)果表明泄爆口位于管道中部時能降低管道內(nèi)爆轟超壓，起到較好的泄爆效果。Wan等[6]實(shí)驗(yàn)研究了直管中側(cè)向泄爆口位置對甲烷/空氣混合氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀Y(jié)果表明縮短側(cè)向泄爆口與點(diǎn)火源之間的距離可以顯著增強(qiáng)泄放效果。Chao等[7]實(shí)驗(yàn)研究了圓柱狀泄壓容器內(nèi)點(diǎn)火位置對甲烷爆炸超壓峰值的影響，發(fā)現(xiàn)中部點(diǎn)火時超壓形成“雙峰值”現(xiàn)象。曹勇等[8]研究了不同點(diǎn)火位置及破膜壓力條件下氫氣的泄爆特性，發(fā)現(xiàn)前端、中端、尾端3種點(diǎn)火位置的內(nèi)部壓力峰值均隨破膜壓力的增加而增大。王超強(qiáng)等[9]研究了有泄爆口時點(diǎn)火位置對甲烷/空氣爆炸超壓和火焰形態(tài)的影響，結(jié)果表明中心點(diǎn)火時爆炸超壓峰值最大，尾部次之，前端最小，而且前端點(diǎn)火對火焰的影響遠(yuǎn)小于中心點(diǎn)火和尾部點(diǎn)火。楊凱等[10]研究了大尺度障礙物與泄爆面協(xié)同作用對天然氣爆炸的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)火焰速度呈現(xiàn)明顯的階段性特征，并在泄爆面附近產(chǎn)生波動。喬麗等[11]模擬研究了甲烷/空氣混合氣體在管道內(nèi)的爆炸特性，結(jié)果表明隨著泄爆壓力的增加，管道中甲烷爆炸最大壓力下降趨勢變緩。文虎等[12]模擬研究了泄爆口強(qiáng)度對管道內(nèi)可燃?xì)怏w爆燃特性的影響，結(jié)果表明隨著泄爆口承壓能力的增加，管道內(nèi)壓力峰值、溫度峰值均相應(yīng)增大。王志榮等[13]模擬研究了泄爆壓力對泄爆過程的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)泄爆壓力較低時泄爆后容器內(nèi)壓力存在先增加后下降的現(xiàn)象。Kasmani等[14]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，泄爆面開啟壓力對最大爆炸超壓和火焰速度的影響具有非線性關(guān)系。

綜合目前研究成果發(fā)現(xiàn)，盡管研究者對約束空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆燃過程的泄爆影響開展了相關(guān)研究，但主要集中在泄爆口尺寸、泄爆口位置、點(diǎn)火位置、障礙物、泄爆面開啟壓力等因素對約束空間內(nèi)爆炸流場的影響，未充分結(jié)合實(shí)際泄爆結(jié)構(gòu)及泄爆特點(diǎn)，對泄爆過程中泄爆面及外部流場的研究不足，制約了約束空間爆燃災(zāi)害機(jī)理的揭示及防治技術(shù)的發(fā)展。鑒于此，本文以含有泄爆面的水平管道數(shù)值模型為例，研究泄爆面不同開啟壓力對水平管道內(nèi)部、泄爆面和外部流場的影響，可為約束空間氣體爆炸災(zāi)害防治及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供依據(jù)。

1 數(shù)值方法

1.1 數(shù)值模型

研究水平管道泄爆面不同開啟壓力對甲烷爆燃壓力的影響，借助三維流體動力學(xué)模擬軟件Fluidyn-MP進(jìn)行模擬，該軟件是由法國Fluidyn公司開發(fā)的多物理場仿真軟件，可用于三維受限、半受限和開放空間的爆炸仿真，軟件中假設(shè)可燃?xì)怏w爆炸為單步不可逆化學(xué)反應(yīng)，采用有限體積法對包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程組進(jìn)行求解，解決氣體爆炸過程中的氣體動力學(xué)行為，并通過湍流模型模擬氣體爆炸中的湍流行為。

1.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬結(jié)果與作者開展的水平管道內(nèi)甲烷空氣混合物爆燃壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。在長度為4.4 m，截面尺寸為0.1 m×0.1 m的管道中進(jìn)行，管道左側(cè)封閉且為點(diǎn)火端、右側(cè)開口，點(diǎn)火源距左側(cè)斷面0.1 m，管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)約為9.5%。在管道上安裝3個壓力傳感器，分別為測點(diǎn)1、測點(diǎn)2和測點(diǎn)3，距點(diǎn)火源距離分別為0.7，1.5，3.1 m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，利用流體動力學(xué)軟件Fluidyn-MP建立數(shù)值模型，保持管道尺寸、測點(diǎn)位置、甲烷濃度、環(huán)境參數(shù)與實(shí)驗(yàn)一致，管壁設(shè)置為絕熱光滑。采用邊長為0.01 m的正方體網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分。

將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可知，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)時各測點(diǎn)壓力時程曲線變化趨勢相近，均隨時間的增加整體呈現(xiàn)先增大后減小，而后出現(xiàn)反復(fù)振蕩。3個測點(diǎn)的壓力峰值絕對誤差均值為3.81 kPa，相對誤差均值為3.18%，其原因與實(shí)驗(yàn)管道的粗糙度、壁面散熱、壓力傳感器的精度和靈敏度等因素有關(guān)。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的對比驗(yàn)證，本文的數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的置信度，采用的數(shù)值方法較為可行。

2 研究方案

研究水平管道泄爆面不同開啟壓力對甲烷爆燃壓力的影響，建立數(shù)值分析模型如圖1所示。模型中水平管道長5 m、左端封閉且為點(diǎn)火端、右端開口，并在水平管道右端泄爆面外側(cè)建立長度為2.5 m的空氣域，管道截面尺寸為0.1 m×0.1 m。在模型內(nèi)設(shè)置11個監(jiān)測點(diǎn)，位置均在管道的中軸線上，其中水平管道內(nèi)布置有1～5監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)1和測點(diǎn)5分別距管道左右兩端0.5 m，相鄰測點(diǎn)間距為1 m；測點(diǎn)6布置在泄爆面內(nèi)側(cè)，測點(diǎn)7位于泄爆面中心，測點(diǎn)8布置在泄爆面外側(cè)，相鄰測點(diǎn)間距為0.01 m；空氣域中布置有9～11監(jiān)測點(diǎn)，相鄰測點(diǎn)間距為1 m，測點(diǎn)9距泄爆面0.5 m。

圖1 模型結(jié)構(gòu)示意

模擬過程中點(diǎn)火位置在水平管道內(nèi)距左側(cè)端面0.01 m處，采用層流點(diǎn)火模型。模擬時對氣體成分進(jìn)行簡化處理，假設(shè)甲烷/空氣混合物充滿整個水平管道內(nèi)部，保持甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%。將水平管道右端泄爆面開啟壓力分別設(shè)置為0，20，40，60，80，100 kPa，將管壁設(shè)置為絕熱光滑，采用邊長為0.01 m的正方體網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分，設(shè)置初始壓力為101.325 kPa，初始溫度為298 K。

3 結(jié)果與討論

3.1 水平管道內(nèi)爆燃壓力峰值分析

對水平管道內(nèi)各測點(diǎn)爆燃壓力峰值差異對比分析，得到泄爆面不同開啟壓力條件下水平管道內(nèi)1～5監(jiān)測點(diǎn)爆燃壓力峰值變化如圖2所示。

圖2 泄爆面不同開啟壓力條件下水平管道內(nèi)爆燃壓力峰值曲線

由圖2可知，在泄爆面不同開啟壓力條件下，水平管道內(nèi)各測點(diǎn)爆燃壓力峰值總體趨勢相似，隨著距離的增加整體呈現(xiàn)為逐漸衰減；與泄爆面開啟壓力0 kPa相比，當(dāng)泄爆面開啟壓力分別為20，40，60，80，100 kPa時，測點(diǎn)的爆燃壓力峰值逐漸增大，增幅均值分別為11.7%，24.6%，30.9%，38.6%，44.8%；與測點(diǎn)1相比，隨著泄爆面開啟壓力的增大，測點(diǎn)2～5的爆燃壓力峰值呈減小趨勢，降幅均值分別為4.24%，1.78%，2.6%，1.7%，0.82%，0.68%，由此可知，隨著泄爆面開啟壓力的增加，各測點(diǎn)間的爆燃壓力峰值差異逐漸減小。

由圖2可知，當(dāng)泄爆面開啟壓力為0 kPa時，泄爆面處于開口狀態(tài)，爆炸波傳播到水平管道右端泄爆面時壓力泄放，造成管道內(nèi)鄰近泄爆面的測點(diǎn)5爆燃壓力峰值衰減顯著且為最小值；當(dāng)泄爆面開啟壓力分別為20，40，60，80，100 kPa時，爆炸波傳播到水平管道右端泄爆面時，泄爆面開啟需要積聚一定的能量，隨著泄爆面開啟壓力的增加，所需積聚的能量也隨之增大，水平管道內(nèi)化學(xué)反應(yīng)能夠較為充分的進(jìn)行，造成管道內(nèi)各測點(diǎn)的爆燃壓力峰值相應(yīng)增大并減小了測點(diǎn)間爆燃壓力峰值的差異。整體來看，在泄爆面不同開啟壓力條件下水平管道內(nèi)存在爆燃壓力積聚和泄放的雙重效應(yīng)，與泄爆面開啟壓力為0 kPa時相比，隨著泄爆面開啟壓力的增加，水平管道內(nèi)壓力積聚作用占主導(dǎo)地位。

3.2 泄爆面泄爆特征

由于測點(diǎn)6布置在泄爆面內(nèi)側(cè)，測點(diǎn)7位于在泄爆面中心，測點(diǎn)8布置在泄爆面外側(cè)空氣域，且相鄰測點(diǎn)間距為0.01 m，為進(jìn)一步分析泄爆面泄爆特征，得到水平管道泄爆面不同開啟壓力條件下測點(diǎn)6～8的壓力時程變化曲線如圖3所示。

由圖3(a)可知，當(dāng)泄爆面開啟壓力為0 kPa時，水平管道右端處于開口狀態(tài)，隨著時間的增加各測點(diǎn)爆燃壓力整體呈現(xiàn)先增大后減小，而后出現(xiàn)反復(fù)振蕩，其中泄爆面內(nèi)側(cè)測點(diǎn)6的爆燃壓力峰值為104.592 kPa，泄爆面上測點(diǎn)7的爆燃壓力峰值為104.559 kPa，泄爆面外側(cè)測點(diǎn)8的爆燃壓力峰值為104.527 kPa，三者均大于大氣壓101.325 kPa，表明爆燃壓力正常傳出泄爆面；當(dāng)泄爆面開啟壓力為20 kPa時，爆燃壓力峰值為121.325 kPa時泄爆面將開啟，由圖3(b)可知，隨著時間的增加各測點(diǎn)爆燃壓力先逐漸增大，在某一時刻達(dá)到峰值后急劇下降，而后出現(xiàn)振蕩但振蕩幅值較小，其中泄爆面內(nèi)側(cè)測點(diǎn)6的爆燃壓力峰值為121.346 kPa，泄爆面上測點(diǎn)7的爆燃壓力峰值為116.341 kPa，泄爆面外側(cè)測點(diǎn)8的爆燃壓力峰值為109.543 kPa，表明泄爆面發(fā)生了泄爆現(xiàn)象，而且泄爆后泄壓效應(yīng)造成泄爆面及外部空氣域爆燃壓力的衰減；當(dāng)泄爆面開啟壓力分別為40，60，80，100 kPa時，由圖3(c)～(f)可知，各測點(diǎn)的爆燃壓力時程曲線與圖3(b)相似，而且泄爆面內(nèi)側(cè)測點(diǎn)6的爆燃壓力峰值均大于泄爆面開啟所需的壓力，泄爆面上測點(diǎn)7和泄爆面外側(cè)測點(diǎn)8的爆燃壓力峰值均小于泄爆面開啟所需的壓力，可見，泄爆面均發(fā)生了泄爆現(xiàn)象。得到泄爆面不同開啟壓力條件下泄爆面開啟時間變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，泄爆面開啟時間與泄爆面開啟壓力具有正相關(guān)性，即隨著泄爆面開啟壓力的增加，泄爆面開啟時間近似呈線性增大。隨著泄爆面開啟壓力的增加，發(fā)生泄爆所需積聚的能量隨之增大，水平管道內(nèi)化學(xué)反應(yīng)能夠較為充分的進(jìn)行，延長了泄爆面開啟的時間。

圖4 泄爆面不同開啟壓力條件下泄爆面開啟時間變化曲線

3.3 水平管道外爆燃壓力時程變化

泄爆面發(fā)生泄爆后將對水平管道外部流場產(chǎn)生影響，以水平管道外側(cè)空氣域內(nèi)9～11監(jiān)測點(diǎn)為分析對象，得到泄爆面不同開啟壓力條件下各測點(diǎn)爆燃壓力時程變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，在泄爆面不同開啟壓力條件下，水平管道外側(cè)各測點(diǎn)的爆燃壓力時程變化趨勢相似，隨著時間的增加爆燃壓力整體呈現(xiàn)先增大后減小，而后出現(xiàn)振蕩并逐漸趨于穩(wěn)定，而且隨著泄爆面開啟壓力的增加，各測點(diǎn)的爆燃壓力峰值不斷增大。與水平管道內(nèi)和泄爆面附近測點(diǎn)的爆燃壓力時程變化曲線相比，水平管道外側(cè)測點(diǎn)的爆燃壓力峰值和振蕩幅值均顯著衰減。分析認(rèn)為，當(dāng)水平管道內(nèi)部積聚的壓力大于泄爆面開啟壓力時，泄爆面發(fā)生開啟，管道內(nèi)壓力泄放到外部空氣域并在開敞空間內(nèi)繼續(xù)傳播，與泄爆面開啟前相比，由于缺乏持續(xù)爆炸反應(yīng)釋放的能量補(bǔ)充，在泄爆面外側(cè)隨著傳播距離的增加爆燃壓力急劇衰減，同時由于泄爆面外側(cè)處于開敞空間，氣體流動造成的壓力變化能夠迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，減弱了氣體振蕩，因此造成各測點(diǎn)爆燃壓力峰值和振蕩幅值較小。

圖5 泄爆面不同開啟壓力條件下水平管道外爆燃壓力時程變化曲線

3.4 水平管道外爆燃壓力峰值分析

對水平管道外側(cè)空氣域內(nèi)各測點(diǎn)爆燃壓力峰值差異對比分析，得到泄爆面不同開啟壓力條件下9～11監(jiān)測點(diǎn)爆燃壓力峰值變化如圖6所示。

圖6 泄爆面不同開啟壓力條件下水平管道外爆燃壓力峰值曲線

由圖6可知，在泄爆面不同開啟壓力條件下，水平管道外側(cè)空氣域內(nèi)各測點(diǎn)的爆燃壓力峰值變化總體趨勢相似，隨著與泄爆面距離的增加，爆燃壓力峰值逐漸衰減，而且隨著泄爆面開啟壓力的增加，同一測點(diǎn)的爆燃壓力峰值逐漸增大；與泄爆面開啟壓力0 kPa相比，當(dāng)泄爆面開啟壓力分別為20，40，60，80，100 kPa時，測點(diǎn)爆燃壓力峰值逐漸增大，增幅均值分別為1.2%，1.9%，2.4%，3.9%和5.4%，可見隨著泄爆面開啟壓力的增加，測點(diǎn)的爆燃壓力峰值增幅逐漸增大；與測點(diǎn)9相比，隨著泄爆面開啟壓力的增加，測點(diǎn)10和測點(diǎn)11的爆燃壓力峰值逐漸減小，降幅均值分別為1.08%，1.53%，2.2%，3.1%，3.95%，4.85%，可見測點(diǎn)間的爆燃壓力峰值差異逐漸增大。

4 結(jié)論

1)水平管道內(nèi)存在爆燃壓力積聚和泄放的雙重效應(yīng)，隨著泄爆面開啟壓力的增加，水平管道內(nèi)壓力積聚作用占主導(dǎo)地位，造成測點(diǎn)的爆燃壓力峰值增大而且測點(diǎn)間爆燃壓力峰值差異逐漸減小。

2)在泄爆面不同開啟壓力條件下，泄爆后泄壓效應(yīng)造成泄爆面及外部空氣域爆燃壓力衰減，泄爆面開啟時間與泄爆面開啟壓力具有正相關(guān)性，隨著泄爆面開啟壓力的增加，泄爆面開啟時間近似呈線性增大。

3)與水平管道內(nèi)和泄爆面附近測點(diǎn)相比，水平管道外側(cè)測點(diǎn)的爆燃壓力峰值和振蕩幅值均顯著衰減，而且隨著泄爆面開啟壓力的增加，測點(diǎn)爆燃壓力峰值及測點(diǎn)間爆燃壓力峰值差異均逐漸增大。