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ABC干粉對爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种茖嶒?/h1>
2012-06-23 07:45:32張宇明鄒高萬郜冶董惠霍巖
哈爾濱工程大學學報 2012年4期
關鍵詞:實驗

張宇明,鄒高萬,郜冶,董惠,霍巖

(哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院,黑龍江哈爾濱150001)

管內可燃氣體爆炸與煤礦瓦斯爆炸是工業(yè)生產領域爆炸災害的2種主要形式.在有限狹長空間內發(fā)生爆炸對周圍環(huán)境同時產生沖擊波和高溫灼燒的雙重破壞.研究表明,抑爆介質的種類、粒度、質量濃度和噴射方式等都是影響抑爆效果的重要因素[1-3].其中,針對不同介質的抑爆性能研究成為熱點之一,如惰性氣體[4]、水[5-6]、鹵代烴[3,7]、化學干粉[8-9]和礦巖粉[9-10]對爆炸都有一定的抑制效果.惰性氣體、水和礦巖粉依靠降溫緩燃的物理機理進行抑爆,而鹵代烴和化學干粉同時具備物理和化學雙重抑爆機理[1],并且化學干粉的應用更加廣泛.

抑爆介質的有效性在于抑制初期爆炸,而初期爆炸的形式為爆燃,抑制爆燃及其向爆轟發(fā)展的關鍵在于減小火焰?zhèn)鞑ニ俣龋罱K撲滅爆炸火焰,抑制爆炸火焰?zhèn)鞑ィ蚤_展ABC(磷酸銨鹽)干粉對爆燃傳播的抑制研究具有工程應用價值.

1 ABC干粉

ABC干粉是以磷酸二氫銨為主要原料,經硅化防潮處理制成的能夠撲滅A類、B類和C類火災的滅火劑.由于磷酸二氫銨在滅火過程中起主導作用,所以其質量分數?越高,干粉的滅火效能越好.實驗選用江西進賢消防化工實業(yè)有限公司生產的4種ABC干粉.ABC超細干粉的磷酸二氫銨質量分數為75%、90%以上的顆粒,粒徑小于0.02 mm;ABC90#、75#和50#分別代表磷酸二氫銨質量分數為90%、75%和50%的普通ABC干粉,這3種干粉的顆粒粒徑指標為 0.25~0.125 mm(3 ±3%)、0.125~0.063 mm(26 ±6%)、0.063~0.04 mm(20 ±6%),0.04~0.02 mm(≥50%).

通過電子顯微鏡掃描圖像(圖1),證實了超細ABC干粉的粒徑更小,均勻性更好.

圖1 2種ABC干粉的電鏡圖像Fig.1 Two kinds of ABC powder electron microscope image

2 實驗系統(tǒng)

抑爆實驗系統(tǒng)構成如圖2所示.系統(tǒng)由爆炸管道、配氣裝置、抑爆粉劑噴射裝置和數據采集設備組成.

圖2 抑爆實驗系統(tǒng)Fig.2 Explosion suppression experiment system

2.1 爆炸管道

爆炸管道內徑為488 mm,由10節(jié)直管段和1節(jié)90°彎管段以外法蘭方式連接而成,每節(jié)直管段長1.6 m,管道兩端以盲板密封,形成定容爆炸空間.90°彎管段一側構成14.4 m長的直管,爆炸管道照片如圖3所示.爆炸管道配有弱點火和強點火兩種引爆方式.弱點火引爆采用高壓電火花,電點火器固定在爆炸管道一端的盲板中心位置;強點火引爆采用電雷管和黑火藥(5 g),懸于管道中軸線高度,與電點火器位置相同.

圖3 爆炸管道Fig.3 Explosion tube photograph

2.2 配氣裝置

配氣裝置主要由可燃氣體儲罐、流量計、可燃氣體傳感器和氣體循環(huán)泵組成.選用液化石油氣(LPG)作為營造爆炸環(huán)境的可燃氣體,采用流量配氣法緩慢地向爆炸管道注入LPG,并通過可燃氣體傳感器監(jiān)測管道內LPG體積分數變化,可燃氣體傳感器為深圳華瑞祥科技有限公司生產的HR100LGAS管道固定式可燃氣體傳感器.注氣口設置在90°彎管段上,注氣結束后,先循環(huán)30 min以上保證管道內氣體充分均勻混合.

2.3 抑爆粉劑噴射裝置

抑爆粉劑噴射裝置主要由空氣壓縮機、儲粉罐和電磁閥組成.空氣壓縮機為抑爆粉劑噴射提供動力,實驗時使用的噴射壓力為2.0 MPa.儲粉罐用于盛裝抑爆粉劑.電磁閥通過時間繼電器控制開啟和關閉,實現(xiàn)與點火器、數據采集儀的聯(lián)動控制.抑爆粉劑噴射口設置在編號為4和5的傳感器之間,粉劑迎著爆燃火焰?zhèn)鞑シ较驀娚洌軌蛟诠艿垒S向方向上形成約1.6 m的抑爆云帶(圖4).由于儲罐容積的限制,實驗中ABC干粉的用量為200 g,所形成的1.6 m抑爆云帶范圍內的干粉密度約為668.67 g/m3.

圖4 管內形成的抑爆云帶Fig.4 Explosion suppression bound formed in the tube

2.4 測量設備

測量設備主要包括壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蛿祿杉瘍x.壓力傳感器為寶雞傳感器研究所生產的CYG1145型壓阻式壓力傳感器,量程0~1.0 MPa.火焰?zhèn)鞲衅鳛樽灾圃O備,主要由光敏二極管、干電池(2節(jié))、電阻、導線和鋼制外殼組成,工作電路如圖5所示.

圖5 火傳感器電路Fig.5 Flame front transducer circuit diagram

在沒有光照時,采集的數據為2節(jié)干電池串聯(lián)的電壓值(3.0~3.3 V);當受到光照時,光敏二極管形成光電流,其兩端的電壓急劇降低.由于光電流的大小與入射光強度成正比,所以入射光強度越大,光敏二極管越趨于導通狀態(tài),兩端電壓越接近0.數據采集設備為美國生產的DAQBOOK數據采集儀,裝配臺灣研華公司生產的PCL-816模塊化數據采集卡,采集時間為 0.1 ms.

壓力傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鲗ΨQ布置在爆炸直管道中軸線高度的兩側.在90°彎管段一側的直管段上各布置7個壓力傳感器(P1~P7)和7個火焰?zhèn)鞲衅?F1~F7),第一個壓力和火焰?zhèn)鞲衅骶帱c火端3.8 m,傳感器等距間隔 1.6 m.

3 實驗結果與分析

3.1 預混氣體體積分數的確定

用體積分數表示的LPG空氣混合物的爆炸極限為1.5%~9.5%.由于組分比例略有不同和使用條件的差別,最大爆炸威力對應的體積分數并不確定.通過對5種不同體積分數(4.15%、5.18%、6.22%、7.26%、8.3%)條件下的爆炸實驗,每種體積分數下至少重復3次,以各測點最大壓力Pmax的算術平均值和火焰?zhèn)鞑ニ俣茸鳛榕袛啾ㄍΦ膮颠M行對比.火焰?zhèn)鞑ニ俣葹楦鳒y點間的平均速度,計算式為

式中:v為火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺/s;t為火焰?zhèn)鞲衅麟妷盒盘栂陆禃r刻,s.

圖6表明,在當前實驗條件下,LPG體積分數為6.22%的預混氣體爆炸的Pmax相對較高,火焰?zhèn)鞑ニ俣雀欤ㄍ^大.該實驗值與文獻[8]中使用的6%接近.由此,以下的實驗都使用體積分數為6.22%的預混氣體.

圖6 不同體積分數LPG的爆燃程度Fig.6 Deflagration severity with different LPG concentrations

3.2 不同ABC干粉對爆燃火焰?zhèn)鞑サ囊种?/h3>

在同等實驗條件下,無抑爆實驗和每種ABC干粉的抑爆實驗至少重復3次,并以至少2次重復性好的實驗結果作為有效數據.

圖7為弱點火條件下不同ABC干粉對爆燃火焰速度的抑制.

圖7 弱點火條件下對火焰速度的抑制Fig.7 Suppression of flame velocity by electronic sparks ignition

圖7中的陰影表示初始抑爆云帶形成的位置和范圍.ABC干粉在爆燃火焰抑制過程中,兩者共同運動,持續(xù)發(fā)揮消焰作用,減小爆燃火焰的傳播速度,所以與無抑爆實驗數據相比,火焰陣面在通過抑爆云帶后其運動速度仍有不同幅度的下降.相比而言,ABC超細干粉和ABC90#干粉對爆燃火焰速度的抑制效果更明顯,而且二者的抑制作用起效快,作用條件下火焰速度的下降幅值都在25%以上.ABC75#干粉和ABC50#干粉也具有減小火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊男Ч谝种瞥潭群推鹦r間方面都要低于ABC超細干粉和ABC90#干粉.

圖8為強點火條件下ABC超細干粉和ABC90#干粉對爆燃火焰速度的抑制.強點火條件下,爆燃火焰的速度更快,抑制的難度更大.數據表明,ABC超細干粉和ABC90#干粉對較高運動速度的爆燃火焰同樣具有良好的減速作用,而且速度降低程度比弱點火條件下更明顯.這可能是因為在強點火條件下的爆燃火焰能夠形成較強的前驅沖擊波,對未燃氣體產生顯著的壓縮擾動,抑爆云帶的覆蓋范圍縮小了,而抑爆云帶內的ABC干粉密度增加了,消焰作用得到強化,獲得了更好的抑制效果.

圖8 對火焰速度的抑制Fig.8 Suppression of flame velocity by detonator ignition

4 結論

通過對4種ABC干粉抑制爆燃火焰?zhèn)鞑サ膶嶒炑芯浚贸鲆韵陆Y論:

1)ABC干粉作為抑制爆燃火焰?zhèn)鞑サ慕橘|,能夠對火焰起到持續(xù)的消焰作用,減緩火焰?zhèn)鞑ニ俣龋行Э刂票枷虮Z的發(fā)展,最終撲滅火焰,達到抑爆的目的.

2)ABC干粉的粒徑和磷酸二氫銨質量分數不同,其對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种颇芰Υ嬖诓顒e.同等磷酸二氫銨質量分數的ABC干粉,粒徑越小、均勻程度越好,抑制火焰速度的效果越好;同等粒度的ABC干粉,磷酸二氫銨質量分數越高,抑制火焰速度的效果越好.

3)減小ABC干粉的粒徑和增加磷酸二氫銨的含量都可以提升其抑爆效能.通過增加ABC干粉的磷酸二氫銨質量分數可以在一定程度上彌補粉劑粒徑和均勻度上的不足.

以上結論可為有效減災防護和相關抑爆產品的研發(fā)提供技術支撐和基礎數據.

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