等泄壓比條件下連通容器泄爆實驗研究*

尤明偉，蔣軍成，喻 源，王志榮

(1.南京工業大學城市建設與安全工程學院，江蘇 南京 210009;2.福建消防總隊，福建 福州 350003)

在化工生產過程中，存有可燃氣體的各類容器通過管道相連接，由于靜電、操作不當等原因會導致容器中的可燃氣體爆炸，產生的火焰可以通過管道在容器中傳播。當火焰從一個容器(簡稱起爆容器)進入管道時，幾何結構的改變將導致火焰前沿的加速［1-3］。在噴射火焰和壓力預壓縮作用下，相鄰容器(簡稱傳爆容器)將產生比單容器爆炸更大的壓力峰值［4-6］。當前的各種估算安全泄爆面積的經驗公式和規范都只適用于單個容器［7］，如果簡單采用單容器氣體爆炸超壓泄放的標準對連通容器進行防爆泄放設計，就有可能失效。因此，開展連通容器泄爆實驗，研究連通容器泄爆過程中的火焰傳播和容器內壓力變化規律，對連通容器泄爆設計具有重要意義。

1 實驗裝置與方法

實驗使用的連通容器結構如圖1所示。2個球形容器的內徑分別為0.6、0.35 m，體積分別為0.113、0.022 m3，以下均簡稱為大、小球容器。管道由3段連接組成，可根據需要拆裝組成管長為2.45、4.45、6.45 m 的連通容器。

圖1 連通容器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the linked spherical vessels

選用工業上常用的甲烷和空氣預混氣體開展實驗，甲烷濃度為10%。點火裝置采用高能點火器，點火能量為6 J，點火位置位于容器中心。實驗中，通過在泄爆導管口添加圓環孔板改變泄爆面積，泄爆壓力為 0.13 MPa。

2 實驗結果分析

2.1 單容器泄爆的壓力變化

W.Barktnehct［1］認為:無論是密閉爆炸或是泄爆，在相同初始條件下，燃燒物質的爆炸強度都可以用立方根定律來說明，即 dp/d( )tmV1/3=KG，dp/d( )tm為壓力最大上升率，KG為混合氣體爆炸特征值。由此得出，當大小容積不同的容器的泄爆片破膜壓力相同時，若容器的量綱一有效泄爆面積(泄壓比)A/V2/3，滿足，則2個容器的壓力曲線接近一致。其中，A為泄爆面積，V為容器體積，下標1、2表示小球容器和大球容器。

圖2給出了單個泄爆直徑分別為0.05、0.03 m的大、小球容器泄爆實驗中壓力隨時間變化規律。從圖2中可知，2個容器的泄壓比基本相等;破膜泄爆后(圖中虛線位置)，2個容器的壓力繼續上升，屬非平衡泄爆。壓力的變化基本一致，說明了實驗的單容器泄爆滿足三次方定律。為便于比較研究，在連通容器泄爆實驗中，大球容器的泄爆口直徑均設為0.05 m，小球容器的泄爆口直徑均設為0.03 m，即2個容器的泄壓比相等。表1給出了等泄壓比條件下，單個容器泄爆的壓力特性值，其中，ps為靜態破膜壓力，pm為最大泄爆壓力。

圖2 等泄壓比條件下單容器的泄爆壓力曲線Fig.2 Pressure history of explosion venting of single vessel

表1等泄壓比條件下，單容器泄爆的壓力特性值

Table 1 Explosive characteristic value of single vessel w ith the same effective vent area

V/m3 d/m p s/MPa A/V 2 3( )t m/(MPa/s) p m/MPa K G/(MPa·m/s)d p/d 0.022 0.03 0.13 0.027 7.5 0.43 21.2 0.113 0.05 0.13 0.029 4.3 0.42 20.6

2.2 等泄壓比下，連通容器泄爆的壓力變化

圖3 不同容器點火時連通容器的泄爆壓力曲線Fig.3 Pressure histories of explosion vented in linked vessels

圖3為經過6.45 m管道，大球容器向小球容器傳爆和小球往大球傳爆時，2個容器的泄爆壓力曲線，其中虛線為破膜壓力。由圖3可知，盡管2個容器的量綱一有效泄爆面積相等，但2個容器泄爆的壓力變化情況完全不同，火焰傳播方向也不同。

當大球容器點火向小球容器傳爆時，初始時刻大球層流燃燒，產生的壓力波通過管道先于火焰由大球容器傳遞到小球容器，大球容器壓力(圖中曲線2)與小球容器壓力(圖中曲線1)基本同時達到破膜壓力;隨后，火焰到達小球容器，在噴射火焰和壓力預壓縮的作用下，小球容器產生湍流燃燒，壓力急劇上升并達到峰值，受小球容器湍流燃燒和壓力波回流的影響，大球容器燃燒加快，壓力也加速上升達到峰值;最后，2個容器壓力振蕩下降到破膜壓力以下。

當小球點火向大球傳爆時，首先小球容器(圖中曲線4)發生層流燃燒，產生壓力波向大球容器(圖中曲線3)傳遞，但由于小球容器的體積小，產生的壓力波對整個連通容器的作用較弱。因此，雖然2個容器的壓力均上升，但都低于破膜壓力;當火焰到達大球容器后，大球容器發生湍流燃燒，壓力迅速上升超過破膜壓力，并達到峰值;在大球湍流燃燒壓力波的作用下，小球燃燒加快，壓力也迅速上升超過破膜壓力，達到峰值，最后與大球壓力一起下降。

2.3 不同管長條件下，連通容器泄爆的壓力變化

表2、表3給出了不同管長條件時，大球容器向小球容器傳爆和小球容器向大球容器傳爆時，2個容器等泄壓比泄爆的最大壓力和最大壓力上升速率。從表2和表3中可知，連通條件下，容器泄爆的最大壓力和最大壓力上升速率均超過單個容器，尤其是最大壓力上升速率差別明顯，說明連通條件下爆炸產生的壓力振蕩劇烈，爆炸強度更高;傳爆容器的最大壓力和最大壓力上升速率均大于起爆容器，特別是小球容器作為傳爆容器時，泄爆的最大壓力和最大壓力上升速率更高;隨著管長的增加，傳爆容器的泄爆最大壓力不斷增加，起爆容器的泄爆最大壓力差別不大;泄爆的壓力上升速率受管道固有振蕩頻率及泄爆過程流場擾動等影響較多，隨管長的變化還有待進一步的分析。

表2 由小球容器向大球容器傳爆，不同管道長度傳爆時泄爆的壓力特性值Table 2 Explosive characteristics of explosion transferred from a small vessel to a large vessel at different pipe lengths

表3 由大球容器向小球容器傳爆，不同管道長度傳爆時泄爆的壓力特性值Table 3 Explosive characteristics of explosion transferred from a large vessel to a small vessel at different pipe lengths

2.4 不同管長條件下，連通容器泄爆過程的火焰傳播

表4給出了不同管長條件下，在不同傳播方向上，火焰平均傳播速率。從表4中可知，隨著管長的增加，火焰的平均傳播速率增加，說明在連通容器泄爆過程中火焰在管道中加速傳播;在相同管長條件下，小球容器向大球容器傳爆的火焰傳播速率高于大球容器向小球容器傳爆的火焰傳播速率，這主要是由于小球體積較小，作為傳爆容器時，受大球爆炸燃燒壓力波的預壓縮作用使小球容器內的壓力較高，對火焰傳播的阻滯作用明顯，因此大球容器向小球容器傳爆時，火焰平均傳播速率較小。

3結論

表4 不同管長條件下火焰平均傳播速率Table 4 Average flame propagation speeds at different pipe lengths

(1)連通容器內氣體爆炸湍流燃燒，容器的最大泄爆壓力和最大壓力上升速率均超過單容器，特別是最大壓力上升速率更高，差別更大。(2)等泄壓比條件下，連通容器中傳爆容器的最大泄爆壓力比起爆容器高，且當小容器作為傳爆容器時，最大泄爆壓力更高;隨管長的增加，傳爆容器的最大泄爆壓力增加，起爆容器的最大泄爆壓力變化不大。(3)連通容器泄爆過程，火焰在管道中加速傳播。在相同管長條件時，小球容器往大球容器傳爆的火焰傳播速率高于大球容器往小球容器傳爆的火焰速率。

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