受限空間網(wǎng)狀高分子材料抑制油氣爆炸實(shí)驗(yàn)研究*

謝　威，魏樹(shù)旺，蔣新生，楊　衛(wèi)，何　標(biāo)

(1.后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶 401311；2.深圳市國(guó)志匯富高分子材料股份有限公司,廣東 深圳 518108 )

0　引言

隨著社會(huì)對(duì)能源的日益需求，軍民用油庫(kù)的規(guī)模都不斷擴(kuò)大，其安全問(wèn)題也日益突出。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，安全事故往往多發(fā)在洞庫(kù)、管路系統(tǒng)等受限空間條件下[1-2]。受復(fù)雜約束條件的影響，起初的爆炸可能發(fā)展成為爆轟，引發(fā)更大的破壞。因而，此類(lèi)環(huán)境下對(duì)抑爆技術(shù)的發(fā)展提出了更高要求。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)甲烷[4-6]、氫氣[6-7]、乙烯[8]等單分子可燃?xì)怏w介質(zhì)的爆炸和抑爆過(guò)程的研究較多，而對(duì)油氣這種多組分氣體的研究較少；基于抑爆粉劑干粉[9]、細(xì)水霧[10]、冷氣溶膠[11-13]和惰性氣體等介質(zhì)的抑爆技術(shù)研究較多，對(duì)固體類(lèi)抑爆材料的研究卻較少。雖然有部分針對(duì)多孔材料[14]、網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)[15]材料等的定性研究，但并不能完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要。而且，將抑爆材料應(yīng)用于油庫(kù)油氣防爆和抑爆設(shè)施、設(shè)計(jì)中的定量研究和論證的更是少之又少。而近年來(lái)，抑爆固體介質(zhì)憑借其本身的安全性、高效性等優(yōu)點(diǎn)在眾多抑爆技術(shù)中脫穎而出，由于其獨(dú)特的阻燃、抑爆、抗沖擊和防靜電等性能而被推薦應(yīng)用于易燃易爆設(shè)備設(shè)施和相應(yīng)儲(chǔ)存場(chǎng)所，是目前已經(jīng)被普遍認(rèn)可的一種抑爆技術(shù)。抑爆固體材料主要分為金屬(鋁合金、銅、黃銅等)和非金屬材料(高分子材料、聚氨酯材料、聚醚材料等)。抑爆方式主要是將抑爆材料通過(guò)機(jī)械加工、拉伸或注塑成型等特殊工藝形成厚度小于0.2 mm的蜂窩狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[16]，填充在易發(fā)生爆炸的受限空間，從而達(dá)到抑制爆炸的目的。這2種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)將其性能進(jìn)行對(duì)比如下：

表1　金屬材料跟非金屬材料的性能對(duì)比Table 1　Comparison of properties betweenmetallic materials and nonmetallic materials

相較金屬材料而言，非金屬材料因其質(zhì)輕、緩沖作用、抗壓縮性好的優(yōu)點(diǎn)，更具有發(fā)展前景和研究?jī)r(jià)值。但與此同時(shí)，非金屬材料在油品儲(chǔ)存過(guò)程也存在著滯留率較高的問(wèn)題，需要充分論證其對(duì)油品性能的影響[17]。目前主要的解決辦法是增大孔隙率和材料的光順性，并通過(guò)對(duì)比不同材料、不同孔隙率對(duì)油品的影響，選取影響較小的材料。此處對(duì)材料的本身的物性不作詳細(xì)論證，只考慮新型非金屬高分子抑爆材料的抑爆性能，采用在狹長(zhǎng)金屬管道中填充抑爆材料的方式組成實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)新型網(wǎng)狀高分子材料的油氣抑爆效果進(jìn)行了研究，為更好滿(mǎn)足油庫(kù)呼吸管路、阻火設(shè)備設(shè)施安全設(shè)計(jì)的需要，提供理論和技術(shù)支持。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方案

1.1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，分為實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、油氣循環(huán)系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)4個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架為一段內(nèi)徑150 mm的長(zhǎng)直鋼制管道，兩端蓋用法蘭與管道連接，長(zhǎng)4.8 m，壁厚5 mm，耐壓6 MPa。管道一側(cè)有5個(gè)螺紋孔，可以安裝壓力傳感器和火焰強(qiáng)度傳感器。壓力傳感器采用ZXP610型壓阻式壓力傳感器，測(cè)試量程為2 MPa，采樣頻率為10 Hz，精度等級(jí)為0.2級(jí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為T(mén)ST6300動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀，采集分析軟件為DAP7.10。火焰強(qiáng)度傳感器基于紅外火焰探測(cè)技術(shù)，可以探測(cè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線(xiàn)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，對(duì)其他頻譜范圍的光線(xiàn)不敏感，使系統(tǒng)避開(kāi)了太陽(yáng)的干擾。實(shí)驗(yàn)中先用UNI-T381型照度計(jì)對(duì)火焰強(qiáng)度電壓信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，使電壓信號(hào)(單位為mV)與光強(qiáng)信號(hào)(單位為L(zhǎng)ux)一一對(duì)應(yīng)，以便于分析。油氣濃度檢測(cè)系統(tǒng)采用北京均方理化科技研究所研制的GXH-1050碳?xì)浞治鰞x，用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的油氣體積分?jǐn)?shù)。油氣循環(huán)系統(tǒng)采用真空泵，形成油氣回路，進(jìn)出口接入端分別距臺(tái)架兩側(cè)端蓋340±1 mm。采用智能點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火位置在右側(cè)法蘭端蓋中心，點(diǎn)火頭頂端距右側(cè)端蓋72.0±0.1 mm。如圖所示，Ai表示i號(hào)壓力傳感器，B表示火焰強(qiáng)度傳感器。為對(duì)比中間段填充抑爆材料時(shí)近點(diǎn)火端和遠(yuǎn)點(diǎn)火端的壓力值以及爆炸傳播受抑前后的火焰強(qiáng)度值，將A1測(cè)點(diǎn)設(shè)置于距右端蓋880±1 mm的近點(diǎn)火端、A2測(cè)點(diǎn)置于距A1測(cè)點(diǎn)2 500±1 mm的遠(yuǎn)點(diǎn)火端，B測(cè)點(diǎn)置于距A2測(cè)點(diǎn)540±1 mm的遠(yuǎn)點(diǎn)火端。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1　Experiment system

1.2　抑爆材料

實(shí)驗(yàn)所選用的高分子抑爆材料為深圳市國(guó)志匯富公司研發(fā)的一種新型網(wǎng)狀高分子聚氨酯材料，實(shí)物圖如圖2所示，每段長(zhǎng)250mm，直徑160mm，表觀(guān)密度22～23 kg/m3，網(wǎng)孔平均尺寸2.27～2.35 mm，拉伸強(qiáng)度100～107 kPa，孔隙率為70%～85%，不水解，抗腐蝕，滿(mǎn)足指標(biāo)值要求，其熱傳導(dǎo)性一般、阻尼系數(shù)較小。填充材料時(shí)，由于材料的直徑比管徑稍大，需借助外力將材料壓縮后推入管道中，利用材料本身的彈性及網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)特性與管壁形成較大的摩擦力來(lái)固定材料。

圖2　新型高分子抑爆材料Fig.2　New grid-likepolymer material

1.3　實(shí)驗(yàn)方案

在已有的狹長(zhǎng)受限空間油氣爆炸實(shí)驗(yàn)[18]中，爆炸強(qiáng)度最大的初始油氣(以正庚烷、異辛烷等C5～C9烷烴為主要組分的混合物)體積分?jǐn)?shù)為1.75%左右，本實(shí)驗(yàn)利用碳?xì)浼t外分析儀測(cè)得油氣體積分?jǐn)?shù)為1.75%，點(diǎn)火能量為1.5 J。首先進(jìn)行無(wú)填充的爆炸實(shí)驗(yàn)；然后將一段高分子抑爆材料填充在中間位置(2.4 m處)，進(jìn)行不滿(mǎn)足填充規(guī)范[19]的爆炸抑制實(shí)驗(yàn)；最后在點(diǎn)火端另一端向前進(jìn)行填充抑爆材料，共填充18段，點(diǎn)火端有0.3 m的留空，留空率為6.25%，符合相關(guān)規(guī)范[19]要求。每組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行5次，保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

具體實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：首先連接好傳感器線(xiàn)路，檢測(cè)可行性，然后向油氣霧化裝置內(nèi)倒入一定量的汽油，使用2X-8旋片式真空泵在霧化裝置內(nèi)形成真空，將汽油霧化噴入管道，利用循環(huán)管路系統(tǒng)循環(huán)約20 min，然后使用油氣濃度檢測(cè)系統(tǒng)在管道的兩端、中部分別測(cè)量油氣濃度，如果3點(diǎn)油氣濃度差小于0.3%，則可認(rèn)為管道內(nèi)各處油氣混合均勻。關(guān)閉循環(huán)管路進(jìn)出口球閥，利用點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)特性參數(shù)進(jìn)行采集。

圖3　不同工況爆炸超壓變化曲線(xiàn)Fig.3　Changing curve of explosion overpressure in different situations

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　對(duì)爆炸超壓的影響

圖3為不同工況下2個(gè)壓力傳感器采集的爆炸超壓變化曲線(xiàn)，圖3(a)為沒(méi)有抑爆材料抑爆的工況，圖3(b)為單個(gè)抑爆材料放置在管道中間進(jìn)行抑爆的工況，圖3(c)為抑爆材料按規(guī)范填充管道進(jìn)行抑爆的工況。

圖3(b)與圖3(a)相比，壓力上升明顯減緩，在0.45 s以前，爆炸超壓持續(xù)上升，但0.45 s以后，A1點(diǎn)爆炸超壓上升突然減緩，這是因?yàn)榇藭r(shí)火焰陣面到達(dá)抑爆材料所在位置，而抑爆材料是多孔材料，火焰通過(guò)時(shí)，狹小的孔道使孔道壁與自由基碰撞幾率增大，導(dǎo)致自由基數(shù)量的減少，同時(shí)細(xì)小的孔道將火焰分成許多小火焰團(tuán)，增加了與火焰的接觸面積，使傳熱得以強(qiáng)化，降低了火焰溫度[20]，另外進(jìn)入抑爆材料后火焰被分成不連續(xù)的火焰團(tuán)，并且抑爆材料的孔隙度造成的阻力也是阻止火焰?zhèn)鞑サ囊蛩豙21]。

而位于抑爆材料后的A2點(diǎn)在0.45 s后爆炸超壓下降明顯，這是因?yàn)闆_擊波到達(dá)抑爆材料表面并反射消耗了部分沖擊波能量，并且抑爆材料中的孔隙被壓縮使沖擊波能量轉(zhuǎn)化為塑性能和彈性能；另外抑爆材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沖擊波進(jìn)入后不斷發(fā)生反射和散射，能量被進(jìn)一步消耗[22]。此后2個(gè)測(cè)點(diǎn)的爆炸超壓均震蕩上升，這是因?yàn)橐直牧蠜](méi)有完全熄滅火焰，火焰陣面通過(guò)抑爆材料后繼續(xù)點(diǎn)燃未燃油氣發(fā)生反應(yīng)，使爆炸超壓持續(xù)上升。

圖3中的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2　不同工況下壓力參數(shù)Table 1　Pressure parameters in different situations

由表2可以看出，A1和A2壓力傳感器在沒(méi)有抑爆材料情況(工況(a))下采集到最大爆炸超壓值分別為331.26 kPa和360.05 kPa，而在管道中間位置添加抑爆材料(工況(b))后最大爆炸超壓值為202.32 kPa和199.90 kPa，分別下降了38.92%和44.48%，說(shuō)明抑爆材料抑爆效果良好，對(duì)爆炸壓力的發(fā)展有明顯的抑制作用，特別是抑爆材料后的爆炸超壓。另外在工況(c)中，A1和A2壓力傳感器所在位置填充有抑爆材料，采集到的最大爆炸超壓值為51.81 kPa和32.63 kPa，分別下降了84.36%和90.93%，并且升壓速率分別下降了39.18%和70.26%。可以看出當(dāng)填充抑爆材料符合規(guī)范要求時(shí)，抑爆材料對(duì)爆炸超壓和升壓速率的抑制作用特別明顯，并且距離點(diǎn)火端越遠(yuǎn)，抑制作用越顯著。

2.2　對(duì)火焰強(qiáng)度的影響

圖4為3種不同工況火焰強(qiáng)度傳感器所采集的火焰強(qiáng)度變化曲線(xiàn)，可以看出，在沒(méi)有抑爆情況下，火焰強(qiáng)度值很大，達(dá)到933.54 mV，而在管道中間填充抑爆材料后，火焰強(qiáng)度值下降至737.58 mV，下降了20.99%。并且初期火焰強(qiáng)度值不大，說(shuō)明抑爆材料對(duì)火焰的傳播起到了抑制作用，但是僅一段抑爆材料難以阻止火焰的向前傳播。而工況(c)則完全采集不到火焰信號(hào)，說(shuō)明在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的條件下，抑爆材料能夠完全阻止油氣爆炸火焰的通過(guò)。

圖4　不同工況下火焰強(qiáng)度變化曲線(xiàn)Fig. 4　Changing curve of flame intensity in different situations

以工況(a)為例，定義火焰強(qiáng)度開(kāi)始增大的時(shí)刻為起始時(shí)刻，火焰強(qiáng)度值大于0的時(shí)間為火焰持續(xù)時(shí)間，將火焰參數(shù)進(jìn)行整理，如表3所示。

表3　不同工況下火焰參數(shù)Table 3　Flame parameters in different situations

由表3可以看出，在管道中間填充抑爆材料后，不僅火焰強(qiáng)度有明顯減小，而且火焰起始時(shí)刻由0.311 s延后至0.705 s，說(shuō)明抑爆材料的存在顯著延緩了火焰的傳播，降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣取；鹧娉掷m(xù)時(shí)間也由0.724 s縮小至0.682 s，弱化程度小于火焰起始時(shí)刻是因?yàn)榛鹧娉掷m(xù)時(shí)間不僅與火焰燃燒劇烈程度有關(guān)，還與火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嘘P(guān)，油氣爆炸燃燒時(shí)，火焰并不是一個(gè)平面，而是具有一定長(zhǎng)度的圓柱體，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小時(shí)，火焰通過(guò)傳感器的時(shí)間增大，造成火焰持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在此情況下，工況(b)火焰持續(xù)時(shí)間仍小于工況(a)，說(shuō)明抑爆材料對(duì)油氣爆炸的抑制作用十分顯著。

3　結(jié)論

1)抑爆材料對(duì)油氣爆炸產(chǎn)生的最大爆炸超壓值和升壓速率起到明顯的抑制作用，特別是當(dāng)抑爆材料按照規(guī)范填充時(shí)，抑爆效果顯著。

2)抑爆材料對(duì)于油氣爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ哂忻黠@的抑制作用，不僅可以降低火焰強(qiáng)度值，也減緩了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋貏e是當(dāng)抑爆材料按照規(guī)范填充時(shí)，火焰被完全熄滅。

3)按照規(guī)范填充后，抑爆材料抑爆效果良好，距離點(diǎn)火端越遠(yuǎn)，抑爆效果越明顯，可以達(dá)到抑制爆炸發(fā)生、發(fā)展的目的，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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