絲網結構對連通容器氣體爆炸的二次抑制效果

崔洋洋，王志榮，劉明翰，張锎，馬龍生，蔣軍成（南京工業大學安全科學與工程學院江蘇省危險化學品本質安全與控制技術重點實驗室，江蘇 南京210009）

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絲網結構對連通容器氣體爆炸的二次抑制效果

崔洋洋，王志榮，劉明翰，張锎，馬龍生，蔣軍成
（南京工業大學安全科學與工程學院江蘇省危險化學品本質安全與控制技術重點實驗室，江蘇 南京210009）

摘要：實際生產中大多數儲罐、反應器的進料口和卸料口都是與管道相連而形成連通結構，為考查絲網結構對連通容器內氣體爆炸的二次抑制作用，以甲烷-空氣混合物為研究對象，利用球形容器與管道構成的連通容器進行了抑爆實驗，對比分析了單次抑爆與二次抑爆效果，并分析了不同目數和層數的絲網結構對連通容器的二次抑爆效果的影響。結果表明：絲網結構二次抑爆效果優于單次抑爆。當單次抑爆失效時加入40目5層絲網結構進行二次抑爆效果最好；加入60目1層、3層絲網結構無抑爆效果，加入5層、7層、9層絲網結構抑爆效果明顯，而且抑爆作用隨絲網層數增加而增強。因此，在工程設計中應根據實際情況綜合考慮，選用合適的抑爆次數及抑爆結構。關鍵詞：爆炸；連通容器；單次抑爆；二次抑爆；絲網結構；抑爆影響；甲烷；混合物

2015-07-29收到初稿，2015-11-05收到修改稿。

聯系人：王志榮。第一作者：崔洋洋（1990—），男，碩士研究生。

Received date: 2015-07-29.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51376088，21436006) and the Natural Science Foundation for Colleges and Universities in Jiangsu Province (11KJA620001，10KJB620001).

引　言

在工業生產過程中，儲存各種可燃氣體的容器、裝置往往與管道相連，形成連通容器。與單容器相比，連通容器可能會發生更加猛烈的爆炸[1-3]。Gvozdeva[4]通過實驗發現正激波在一定條件下經過壓縮多孔材料上的反射后會顯著衰減。Robert[5]在裝置中添加聚合泡沫和鋁合金絲網進行抑爆研究，結果顯示多孔材料壁面具有削弱橫波的作用，但不一定都能抑爆。Zhang等[6-7]研究了氮氣、氬氣對天然氣/空氣混合物爆炸特性的影響，發現氮氣對爆炸的抑制效果比氬氣更好，混合氣體的最大爆炸壓力對天然氣濃度的增加先增大后減小，初始壓力越小，最大爆炸壓力越小。郭長銘等[8-9]采用有限速率燃燒模型對管道內甲烷預混氣體爆炸后被惰性氣體熄滅的過程進行了數值模擬研究，發現二氧化碳噴入量低于12 kg·s-1時不能使管內火焰熄 滅，二氧化碳噴入量大于16 kg·s-1時能大大降低管道內混合氣體溫度，同時降低甲烷和氧氣濃度，導致火焰在二氧化碳噴入口所在管道截面處熄滅。祝釗等[10-11]通過實驗證實多孔鋼板等吸收材料既有吸收橫波、削弱爆轟波的作用，又能夠加強湍流、恢復爆轟波。Hojo等[12-14]對管道內多層絲網結構的淬熄性能做了系統的研究，得出臨界淬熄速度與絲網結構幾何參數之間具有一定的關系的結論，還發現絲網的淬熄性能與其材質無關。鄧軍等[15]采用自主改進的20 L近球形抑爆實驗系統進行了Mg(OH)2、CO2氣體及兩者同時添加抑制瓦斯爆炸的實驗，發現Mg(OH)2和CO2氣體均對瓦斯爆炸具有一定的抑制作用。張巨峰等[16]研究了抑爆材料對可燃氣體爆炸火焰傳播的影響，發現多層金屬絲網對預混可燃氣體爆炸火焰傳播具有很大的影響，可以完全淬熄較弱的爆炸火焰。喻健良等[17-20]研究了多層絲網結構對混合氣體燃燒爆炸的抑制作用，實驗研究了臨界淬熄速度、臨界淬熄超壓和熄爆參數與多層絲網抑爆結構幾何參數之間的關系，并得出該關系的經驗公式。

這些研究主要是針對簡單結構的單一管道或單次抑爆結構進行的，在單管道和單容器爆炸中爆炸傳播過程較為簡單。與單容器或單管道相比，連通容器會形成不同的爆炸傳播過程，事故造成的后果也比單容器或單管道事故造成的后果嚴重。與單次抑爆相比，二次抑爆的原理更加復雜，并不是簡單的疊加效果。但目前國內外對于結構相對復雜的連通裝置的二次抑爆研究較少。因此，本工作將絲網目數和層數進行不同組合，在連通容器的不同位置處嵌入絲網，采用對比實驗和數據處理的方法分析研究了二次抑爆與單次抑爆的抑爆效果，并進一步探索了絲網目數、層數和抑爆位置等影響因素對絲網結構二次抑爆的影響。

圖1　連通容器結構示意圖Fig.1　Schematic diagram of linked spherical vessels1—ignition position; 3—gas inlet/outlet; 2,4—pressure transducer; ①②③—wire mesh position

1　實驗裝置與方法

1.1實驗裝置

連通容器由球形容器和3段管道組成，如圖1所示。球形容器的尺寸為：直徑350 mm，體積22 L。管道為圓形管道，每段長度均為2000 mm，內徑為60 mm。球形容器和管道通過法蘭連接，而且均安裝壓力變送器。球形容器上安裝點火器和真空壓力表，并留有充、抽氣口。

1.2實驗方法

由于甲烷的化學計量濃度為9.46%，本實驗環境下甲烷的濃度為10%。絲網結構的參數見表1。實驗采用不銹鋼金屬絲網，將絲網結構安裝于連通容器法蘭連接處。首先用真空泵將連通容器抽真空，再充入事先用SY-9506型配氣儀配好的10%的甲烷-空氣混合氣體至常壓，靜止一段時間，然后在球內用點火能量為6 J的高能電子點火器點火引爆容器內的混合氣體，利用安裝在連通容器上的高頻壓力變送器采集數據，并通過USB總線數據采集儀及配套分析軟件進行數據的記錄和處理。

表1　3種絲網的幾何參數值Table 1　Geometrical parameters of three kinds of wire mesh

1.3實驗方案

本工作開展的絲網結構對連通容器二次抑爆效果的研究，主要研究了單次抑爆與二次抑爆的效果，并通過改變二次抑爆時絲網結構研究絲網結構對二次抑爆效果的影響。實驗均在密閉條件下進行。起爆位置位于球形容器中心，并根據實驗要求在1號位、2號位、3號位嵌入絲網。程長德等[21]用管道將兩球相連進行試驗研究，并得出40目5層與60目7層為該系統臨界抑爆層數的結論。本工作針對球接管連通容器系統進行實驗，得到相似結論，即單次抑爆時40目3層與60目5層對球接管連通容器的抑爆作用不明顯，而40目5層與60目7層對球接管連通容器有明顯的抑爆效果。本工作分別采用40目3層與60目5層進行二次抑爆實驗，發現40目3層無明顯二次抑爆效果，因此本工作均采用60目5層為主要研究對象研究二次抑爆作用。表2為連通容器內絲網結構二次抑爆的實驗方案，每組實驗進行3次平行實驗。

2　實驗結果與分析

2.1二次抑爆效果的研究

如表2中A組，采用60目5層絲網結構，研究無絲網、單次抑爆與二次抑爆的不同抑爆效果。無絲網、單次抑爆與二次抑爆時爆炸壓力隨時間的變化如圖2所示。為了進一步研究絲網結構對連通容器氣體爆炸抑爆效果的綜合影響，結合沖擊波超壓-沖量傷害準則概念，引入爆炸強度指數K，用于表示爆炸強度，定義其為最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率的乘積，單位為MPa2·s-1。K越大，說明爆炸的危險性越大，抑爆的效果越差。最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率及爆炸強度指數見表3。

表2　連通容器二次抑爆的實驗方案Table 2　Experiment scheme of explosion double-suppression in linked vessels

圖2　不同抑爆次數時爆炸壓力隨時間的變化Fig.2　Explosion pressure history under set of different times of explosion suppression

表3　不同抑爆次數時的爆炸特征值Table 3　Explosion characteristic value under set of different times of explosion suppression

通過圖2可以看出，絲網結構的單次抑爆效果不明顯，而二次抑爆效果非常顯著。二次抑爆時管道末端的壓力波動明顯變小。根據表3所示，單次抑爆時最大爆炸壓力小幅減小，而爆炸強度指數則有所降低。二次抑爆時，最大爆炸壓力和爆炸強度指數都有明顯的減小。在單次抑爆與二次抑爆的比較中發現，60目5層絲網結構作為單次抑爆材料時并沒有顯著的抑爆效果。根據程長德等[21]的研究可知，在單次抑爆失效時，若要系統達到理想的抑爆效果，必須使用60目7層或9層甚至更厚的絲網結構。而實驗結果發現單次抑爆失效的情況下60目5層作為二次抑爆材料時系統最大壓力卻出現了大幅下降。這主要是因為，單次抑爆時，當火焰和爆炸波到達絲網結構時，絲網結構對爆炸沖擊波進行阻隔，吸收了部分爆炸熱能，但不足以對爆炸產生抑制作用。二次抑爆時，第二處絲網結構對爆炸沖擊波進行二次阻隔，并且再一次吸收爆炸熱能，由于絲網結構的存在，火焰在管道內的加速現象也被抑制，壓力波和火焰不能夠通過絲網，抑爆效果明顯。管道末端壓力波動減小的主要原因在于二次抑爆時壓力反射波經過絲網的過濾及削減，波動明顯減小。

研究發現，在二次抑爆時可采用60目5層作為二次抑爆材料，減少物料輸送的阻礙，從而減小輸送物料所需動力，節省能源。因此，在工業生產中可根據實際情況采用二次抑爆或多次抑爆的方法，在增強連通容器安全性能的同時減少抑爆材料對物料輸送的阻礙作用。

2.2目數對連通容器二次抑爆效果的影響

如表2中B組，采用5層絲網結構研究絲網目數對連通容器二次抑爆效果的影響。1號位絲網目數不同時爆炸壓力隨時間的變化如圖3所示，最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率及爆炸強度指數見表4。2號位絲網目數不同時爆炸壓力隨時間的變化如圖4所示，最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率及爆炸強度指數見表5。

通過圖3、圖4及表4和表5可以看出：當1號位絲網結構固定為60目時，2號位為40目時的抑爆效果最好；當2號位絲網結構固定為60目時，1號位為40目時的抑爆效果最好。這主要是因為，20目絲網結構孔隙率較大，金屬體積分數小，對爆炸沖擊波的阻隔作用以及對熱量的吸收有限，爆炸壓力波及火焰能輕易穿過。40目與60目絲網結構孔隙率較小，金屬體積分數較大，能夠有效地吸收爆炸能量，因此對爆炸有較好的抑制作用。而40目絲網結構與60目相比，其金屬體積分數大于60目絲網結構，40目絲網結構具有更好的抑爆作用。因此，在不阻礙物料運輸的情況下，可選用金屬體積分數較大的絲網結構作為工業中連通容器的抑爆材料。

圖3　1號位絲網目數不同時爆炸壓力隨時間的變化Fig.3　Explosion pressure history under set of different mesh number at position 1

表4　1號位絲網目數不同時的爆炸特征值Table 4　Explosion characteristic value under set of different mesh number at position 1

圖4　2號位絲網目數不同時爆炸壓力隨時間的變化Fig.4　Explosion pressure history under set of different mesh number at position 2

2.3絲網層數對連通容器二次抑爆效果的影響

如表2中C組，采用60目絲網結構研究絲網層數對連通容器二次抑爆的影響。絲網嵌于1、2號位時爆炸壓力隨時間的變化如圖5所示，最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率及爆炸強度指數見表6。絲網嵌于1、3號位時爆炸壓力隨時間的變化如圖6所示，最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率及爆炸強度指數見表7。

通過圖5、圖6及表6和表7可以看出：當絲網結構放于1、2號位（或1、3號位），而且1號位絲網層數固定為5層、2號位（或3號位）絲網層數為1層或3層時，系統無明顯的抑爆效果；當2號位（或3號位）絲網層數為5層、7層、9層時，系統具有明顯的抑爆效果，并且隨2號位（或3號位）絲網層數增加抑爆效果愈好。通過表6和表7可以看出，當絲網層數為3層時，系統最大爆炸壓力雖無明顯下降，但爆炸強度指數卻有所減小，這說明3層已經開始對系統有抑爆效果，但效果不明顯。以上現象主要是因為，當系統爆炸波傳至1號位時，雖然爆炸壓力并未下降，但部分爆炸熱量被絲網結構吸收，爆炸沖擊波一定程度上也受到絲網結構的阻隔。當2號位（或3號位）的絲網層數為1層或3層時，由于絲網結構網孔率較大，金屬體積分數較小，對爆炸沖擊波的阻隔作用以及對熱量的吸收較弱，壓力波和火焰能正常穿過絲網結構，系統無明顯抑爆效果。當二次抑爆位置的絲網層數為5層、7層或9層時，絲網厚度變大，網孔率變小，金屬體積分數增大，吸收的能量較多，阻隔作用增強，絲網結構抑爆效果明顯。因此，在實際應用中可根據需要適當增加絲網層數，以達到更好的抑爆效果。

表5　2號位絲網目數不同時的爆炸特征值Table 5　Explosion characteristic values under set of different mesh number at position 2

圖5　2號位絲網層數不同時爆炸壓力隨時間的變化Fig.5　Explosion pressure history under set of different wire-mesh layers at position 2

圖6　3號位絲網層數不同時的爆炸壓力隨時間的變化Fig.6　Explosion pressure history under set of different wire-mesh layers at position 3

表6　2號位絲網層數不同時的爆炸特征值Table 6　Explosion characteristic values under set of different wire-mesh layers at position 2

表7　3號位絲網層數不同時的爆炸特征值Table 7　Explosion characteristic values under set of different wire-mesh layers at position 3

3　結　論

（1）與單次抑爆相比，二次抑爆的效果優于單次抑爆。首次抑爆失效后進行二次抑爆時，可選用目數或層數小于單次抑爆臨界值的絲網結構。

（2）用60目5層絲網結構模擬單次抑爆失效時，采用40目5層作為二次抑爆絲網結構進行抑爆時的抑爆效果最好。由此可見二次抑爆效果隨絲網結構金屬體積分數的增大而變好。

（3）用60目5層絲網結構模擬單次抑爆失效時，二次抑爆絲網結構為60目1層或3層時無明顯抑爆作用，5層、7層、9層抑爆效果顯著。

（4）二次抑爆作用隨絲網層數增加而增強。當系統最大爆炸壓力下降到一定程度后，下降幅度減小，因此在工業生產中可優先選用比臨界抑爆層數略厚的絲網作為抑爆結構。

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Double-suppression effect of wire mesh on gas explosion in linked vessels

CUI Yangyang，WANG Zhirong，LIU Minghan，ZHANG Kai，MA Longsheng，JIANG Juncheng
(Jiangsu Key Laboratory of Hazardous Chemicals Safety and Control，College of Safety and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，Jiangsu，China)

Abstract:A series of experiments were conducted to study double-suppression effect of multi-layer wire-mesh structure on methane-air mixture explosion in a spherical vessel connected with pipelines. Explosion double-suppression effect was analyzed for explosion suppression structures with different layers and meshes. The most reasonable multi-layer wire-mesh structure was obtained. The combination of different layer number and mesh number had different explosion suppression effect on the linked vessels. Compared with single-suppression effect，the double-suppression effect was much better. Based on 5-layer 60-mesh，which had little single-suppression effect，the double-suppression effect was more effective while the 5-layer 40-mesh was adopted as doublesuppression structure. 1-layer 60-mesh or 3-layer 60-mesh had little suppression effect，but 5-layer was different. When the layer of wire-mesh was more than five，the effect was significant，and the more the number of layers was，the better the explosion suppression effect was. Thus，in actual explosion protection design，the best explosion suppression structure should be decided by taking into account of the comprehensive effect of the times of suppression and layer number and mesh number of wire-mesh structure.

Key words:explosions; linked vessels; single-suppression; double-suppression; wire-mesh; explosion suppression; methane; mixtures

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151216

中圖分類號：TE 687；TQ 086

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）04—1618—08

基金項目：國家自然科學基金項目（51376088，21436006）；江蘇省高校自然科學基金項目（11KJA620001，10KJB620001）。

Corresponding author:WANG Zhirong，wangzhirong@njtech.edu.cn