采用泄爆管的粉塵爆炸在泄放過程中的壓力特性＊

喻健良，閆興清，李 迪

（大連理工大學化工機械學院，遼寧 大連116024）

爆炸泄放技術廣泛應用在氣體及粉塵爆炸防護領域。相比敞口泄放，采用泄爆管能將可燃介質、燃燒產物及沖擊波排放至安全區域，故被國內外泄放設計標準所推薦。但是由于泄爆管的存在，爆炸泄放過程的壓力特性比敞口泄放復雜很多。研究表明，使用泄爆管時容器內最大爆炸超壓要高于敞口泄放［1－3］。W.Bartknecht［2］基于一系列實驗結果提出了泄爆管泄放設計關系式。文獻［3］采用該關系式，在獲得敞口泄放最大爆炸超壓的基礎上，依據泄爆管長度對超壓進行修正。R.M.Kasmani［4］認為泄爆管的存在增大了泄放物壓力損失，導致爆炸超壓變高，并指出W.Bartknecht的計算方法過于保守。

相比敞口泄爆，下列因素對泄爆管內泄放過程中超壓有影響：二次爆炸現象、介質摩擦損失、泄放介質慣性和Helmholtz振動。B.Ponizy［5－6］對氣體爆炸時采用泄爆管泄放的火焰及壓力特性進行了實驗，發現火焰在進入泄爆管后會出現類似爆炸的燃燒，導致容器與泄爆管壓差為負，介質由泄爆管向容器逆流，增強了容器內擾動，使殘余可燃介質反應，從而使容器內最大爆炸超壓增大。G.Ferrara等［7］通過CFD方法對采用泄爆管的氣體爆炸進行了數值模擬，探討了二次爆炸引起的機械效應和化學效應、介質慣性及摩擦損失等因素，認為二次爆炸是影響容器內超壓的關鍵。A.D.Benedetto等［8］、R.Lautkaski［9］依據氣體爆炸時泄爆管泄放實驗結果，建立了泄放設計半經驗關系式。目前，泄爆管泄放過程中上述各因素的作用機理還未完全清楚，針對粉塵爆炸泄放過程各因素研究開展較少。

本文中擬進行泄爆管內粉塵爆炸泄放過程壓力特性實驗，通過改變泄爆管長度、粉塵質量濃度探討二次爆炸發生規律及對爆炸超壓的影響。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1，實驗容器為內徑68mm，高305mm的鋼制圓筒，頂端通過法蘭連接內徑25mm的鋼制泄爆管，管長LT可變，末端敞口。采用2層聚酯薄膜作為泄爆膜，置于容器及泄爆管間，其破膜壓力pv通過壓力曲線得到。采用高壓電極放電點火，電極距容器底部100mm。采用4個壓電式壓力傳感器測量系統壓力：傳感器Pc布置在容器內，距泄爆膜66mm；傳感器P1、P2布置在泄爆管內，分別距泄爆膜120和450mm；傳感器P3布置在泄爆管末端。底端通過法蘭蓋封閉，法蘭蓋加工成碗狀，中間焊接蘑菇狀噴嘴，如圖2所示。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental device

圖2 底端碗狀法蘭蓋及蘑菇狀噴嘴Fig.2 Bottom blank flange and nozzle

2 結果分析與討論

實驗發現，當泄爆管長度LT＜1 500mm時，容器及泄爆管內壓力特性類似。圖3所示為LT＝900mm，質量濃度ρ＝300g／m3，pv＝0.262MPa時，容器內測點pc及泄爆管內測點P1、P2和P3的典型壓力時程曲線。

圖3 容器及泄爆管內壓力隨時間變化Fig.3 Pressure time profile in vessel and relief pipe

圖3中，t0＝6.92ms，容器壓力達到破膜壓力pv，膜破，容器壓力降低。壓力波傳至P1、P2和P3的時間分別為7.39、8.11和9.3ms。測點P1、P2、P3測得的峰值壓力在9.3ms時為0.156MPa，在10.02ms時為0.127MPa，在10.97ms時為0.109MPa。說明壓力波在泄爆管中的傳播逐漸衰弱。各測點壓力增到峰值后迅速降低至0。

然而，當泄爆管長度LT≥1 500mm，質量濃度ρ≥500g／m3時，泄放過程的壓力特性與圖3不同。圖4所示為LT＝1 500mm，ρ＝500g／m3，pv＝0.252MPa時各測點的壓力時程曲線。

圖4 容器及泄爆管內壓力隨時間變化Fig.4 Pressure time profile in vessel and relief pipe

圖4中，t0＝8.35ms，容器壓力達到破膜壓力pv，膜破，容器壓力降低。t1＝8.82ms，壓力波傳至測點P1，P1處壓力陡增至峰值p1（k）。在t2＝9.54ms時，壓力波傳至測點P2，P2處壓力陡增至峰值p2（k）。p2（k）低于p1（k），說明壓力波在衰減。測點P1和P2處的壓力在達到各自峰值后下降，但在t＝11.45ms時幾乎同時再次上升，出現二次峰值，其值高于一次峰值。同時，容器內也出現二次峰值ps＝0.267 MPa，高于破膜壓力pv。在t3＝11.45ms時，壓力波傳至測點P3。P3處也出現二次峰值現

實驗流程如下：依據所需質量濃度稱量鋁粉，將其均勻鋪在碗狀法蘭蓋內，組裝容器、泄爆膜及泄爆管。打開控制系統控制電磁閥開啟，使儲氣室內0.4MPa空氣流經噴嘴后揚起鋁粉。延遲50ms后，點火電極放電，同時壓力傳感器采集數據。當容器內壓力達到破膜壓力時，泄爆膜破裂，壓力及火焰經泄爆管泄放至大氣。

開展2μm鋁粉在表觀質量濃度ρ＝300、500、800、1000和1200g／m3，泄爆管長度LT＝600、900、1 200、1 500和1 800mm下的爆炸泄放實驗，分析容器及泄爆管內壓力變化特性。每組實驗均進行多次。象。

分析認為，容器及泄爆管內二次壓力峰值的出現，與泄爆管泄放過程中的二次爆炸有關。圖5所示為泄爆管泄放過程中二次爆炸現象示意圖。

圖5 泄爆管泄放過程中的二次爆炸現象Fig.5 Secondary explosion in dust explosion vented through relief pipe

圖5（a）為泄爆膜破裂前火焰的傳播情況。因火焰較壓力波有所滯后，因此泄爆膜打開時火焰未傳播至泄放口。火焰進入泄爆管時，通道幾何形狀的變化對火焰面起到強烈的擾動作用致使火焰前端形成一突前的尖端，火焰面因強烈擾動而變形及褶皺，分為許多細小火焰流，熱量極易通過管壁釋放出去，使火焰在入口處被淬熄。

若火焰最終熄滅，如圖5（b），則容器及泄爆管內各點壓力達到峰值壓力后持續降低至常壓，壓力特性如圖3所示。但是，若火焰最終未被熄滅，則在管內傳播一定距離后引燃未燃粉塵，如圖5（c），反應釋放的熱量及介質膨脹導致泄爆管內處于下降過程的壓力波再次上升，管內形成如圖4所示的二次壓力峰值，即為二次爆炸。管內二次爆炸產生的壓力波將向兩側傳播。向外側傳播的壓力波將使介質更快泄放至大氣。但向內傳播的壓力波與泄放方向相反，導致泄放被阻礙及擾動，使容器內殘余未燃粉塵反應，在容器內產生二次壓力峰值。

根據上文描述，能否發生二次爆炸主要受到以下因素影響：未燃粉塵在泄爆管內的質量濃度；火焰進入泄爆管后能否引燃粉塵。前者主要與粉塵質量濃度和泄爆管長度有關，后者主要與泄爆管徑和進入泄爆管的火焰速度有關。在泄爆管徑和進入泄爆管的火焰速度確定時，對不同泄爆管長度、不同粉塵質量濃度的爆炸泄放進行了大量實驗，每組實驗均重復6次。

實驗發現，當LT≥1 500mm，粉塵質量濃度ρ≥500g／m3時，泄放過程出現二次爆炸的頻率在50%以上。因此，在本實驗條件下，LT＝1 500mm、ρ＝500g／m3為二次爆炸發生的閾值。二次爆炸發生時，容器內二次壓力峰值ps與破膜壓力pv（一次峰值）的關系較為復雜，目前規律性尚未得出。

分析認為，影響粉塵爆炸泄放的因素較多，如放置粉塵的均勻程度、揚塵的均勻程度、反應的均勻性、泄爆膜破膜形狀等等，導致實驗中二次爆炸以概率方式出現。因此，進一步提高實驗穩定性，研究泄爆管內二次爆炸機理及規律，明確二次峰值與一次峰值的關系，以充分評估泄爆過程中的壓力特性，是亟待解決的問題。

3 結 論

泄爆管泄爆過程中存在二次爆炸現象。二次爆炸發生后，產生的壓力波將向泄爆管出口及容器內傳播，使泄放過程出現阻礙及擾動，導致容器內殘余的未燃粉塵燃燒，出現二次壓力峰值。在本實驗條件下，當泄爆管長度LT＝1 500mm、粉塵質量濃度ρ＝500g／m3時，二次爆炸出現的概率超過50%。對二次爆炸現象機理及規律性（如影響二次爆炸發生的其他因素，是否存在發生二次爆炸的泄爆管長度閾值或粉塵質量濃度閾值等）必須進一步關注。

［1］Siwek R.Explosion venting technology［J］.Journal of Loss Prevention in Process Industries，1996，9（1）：81－90.

［2］Bartknecht W.Explosion protection－Fundamentals and applications［M］.Berlin：Springer－Verlag，1993：89－105.

［3］Swift I.NFPA 68guide for venting of deflagrations：What’s new and how it affects you［J］.Journal of Loss Pre－vention in the Process Industries，1989，2（1）：5－15.

［4］Kasmani R M，Andrews G E，Phylaktou H N，et al.Vented gas explosion in a cylindrical vessel with a vent duct［C］∥Proceedings of the third European Combustion Meeting.Conference Center Bureau of MAICH.Greece，2007：1－6.

［5］Ponizy B，Leyer J C.Flame dynamics in a vented vessel connected to a duct：1.mechanism of vessel－duct interaction［J］.Combustion and Flame，1999，116（1）：259－271.

［6］Ponizy B，Leyer J C.Flame dynamics in a vented vessel connected to a duct：2.mechanism of vessel－duct interaction［J］.Combustion and Flame，1999，116（2）：272－283.

［7］Ferrara G，Benedetto A D，Salzano E，et al.CFD analysis of gas explosions vented through relief pipes［J］.Journal of Hazardous Materials，2006，137（2）：654－665.

［8］Benedetto A D，Russo P，Salzano E.The design of duct venting of gas explosions［J］.Process Safety Process，2008，27（2）：164－172.

［9］Lautkaski R.Duct venting of gas explosions：Revision of two proposed engineering correlations［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012，25（2）：400－413.