泡沫鎳對甲烷-空氣預混氣體爆燃超壓影響的研究*

梁 滔，孫永奪，楊錫軍

(1.中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院,北京 100083；2.拜城縣峰峰煤焦化有限公司,新疆 阿克蘇 842316)

0 引言

水災、火災、瓦斯、頂板和礦塵是煤礦井下的5大自然災害，嚴重威脅著井下工人的人身安全，并制約著煤礦的安全生產，其中又以瓦斯和煤塵爆炸災害最為嚴重。據不完全統計，建國以來發生的25起百人死亡的特大事故中，有22起是因瓦斯爆炸引起的。同時煤礦井下瓦斯氣體的主要成分是甲烷，具有清潔、高效的特點，是應用前景廣闊的新能源，然而由于甲烷具有易泄露、易擴散及易燃易爆的特性，確保其在生產、輸運、儲存及使用過程中的安全是實現工業化的重要前提。因此，從安全生產和能源利用角度來看，有效地阻隔甲烷爆炸傳播過程，降低爆炸造成的損失，已經成為煤礦安全生產和工業燃氣輸運過程中需要迫切解決的課題。

1.高能點火器 ；2.泄壓口； 3.數據采集儀； 4.點火電極； 5.壓力傳感器； 6.同步控制器； 7.計算機； 8.真空泵； 9.混氣瓶； 10.多孔材料。圖1 實驗系統示意Fig.1 Sketch of experimental set-up

為了抑制可燃氣體爆炸，國內外學者對阻隔爆技術進行了大量的研究[1-3]。錢海林等[4]研究了二氧化碳和氮氣對甲烷爆炸極限的影響，實驗結果表明組分中添加的二氧化碳和氮氣，對爆炸極限的影響是線性變化的；J.K.Richmond等[5-6]實驗研究了煤礦巷道內瓦斯爆炸火焰傳播過程，分析了爆炸壓力與火焰傳播速度，結果表明火焰傳播速度及爆炸超壓與巷道的內壁結構和瓦斯濃度分布密切相關；Teodorczyk等[7]利用高速分幅相機記錄了爆轟波經過有泡沫多孔介質管道的情況，結果表明，爆轟波經過鋪設有多孔材料的管道時，其速度衰減了近一半；Borisov等[8]在實驗中將多孔介質襯在管道內壁上，研究了多孔材料對爆轟波的吸收作用，結果發現爆轟波穿過多孔介質后其強度顯著降低，他認為多孔材料對橫波的吸收是導致爆轟波衰減的主要原因；Chen等[9]在實驗管道壁面放置不同孔目數的泡沫金屬材料，研究其對甲烷-空氣爆炸特性的影響，實驗結果發現在管道壁面鋪設泡沫金屬材料后能夠顯著地降低爆炸超壓，并且泡沫金屬的孔目數越大其對爆炸超壓抑制效果越好，最大減壓達到40%；夏昌敬等[10]用鋼絲網材料分析了聲學吸收材料厚度對非穩定爆轟波傳播特性的影響，結果表明，在管道中安裝聲學吸收材料對氣體非穩定爆轟波有明顯的衰減作用，而且隨著聲學吸收材料厚度的增加，氣體非穩定爆轟波強度衰減幅度增大；喻健良等[11-12]研究了多層絲網對氣體爆炸的抑制作用，并且分析了火焰淬熄的臨界速度與絲網層數的線性關系，結果表明絲網的抑爆性能與其層數、目數、絲徑、開口比及體積空間率有關；聶百勝等[13]借助SEM技術，對泡沫陶瓷的微觀結構進行了研究，進而探究了泡沫陶瓷對管內瓦斯爆炸火焰傳播的影響，認為泡沫陶瓷在細觀上具有三維連通網絡結構，這種結構一方面在火焰通過泡沫陶瓷微細通道時發生器壁效應使瓦斯爆炸火焰淬熄，另一方面抑制了爆炸應力峰值和爆炸聲波；溫小萍等[14]實驗研究了在障礙物存在情況下多孔材料對火焰的淬熄機制，實驗結果顯示多孔材料孔隙越小，對火焰的淬熄作用越明顯；魏春榮等[15-16]研究比較了泡沫金屬、泡沫陶瓷以及金屬絲網不同多孔材料對爆炸氣體的抑爆特性，建立了基于熄爆參數的多孔材料阻隔爆效果綜合定量評估數學模型，用于阻隔爆效果評估。在實際生產過程中，煤礦井下巷道以及輸氣管道十分長，為了預防爆炸，由于經濟原因，難以在整個巷道面或管道內壁均鋪設阻爆材料。同時在已有的多孔材料阻隔爆研究中，較少有多孔材料安放位置對氣體爆炸特性影響的研究。因此本文利用自行設計的實驗平臺，研究泡沫鎳多孔材料在管道內不同安放位置對甲烷-空氣爆炸過程超壓的影響，以期能夠為防隔爆研究和設計提供依據。

1 實驗系統

1.1 實驗裝置及工況

本文中采用的實驗系統如圖1所示，該系統由定容燃燒管道、壓力測試系統、混氣系統、高壓點火系統和同步控制系統組成。燃燒管道內部腔體長500 mm，截面尺寸為110 mm×80 mm，實驗時管道固定在高度為1 m的鋼架上。管道上下壁面采用厚度為15 mm的TP304不銹鋼，該型號鋼材具有良好的耐高溫性，管道前后兩側壁由厚度為15 mm的高透光石英玻璃板組成，石英玻璃是一種由二氧化硅單一組分構成的特種工業玻璃，其硬度可以達到達莫氏七級，具有耐高溫、膨脹系數低、耐熱震性、化學穩定等特點，耐壓20 MPa以上。管道前后兩端分別安裝有方形法蘭，一端法蘭中心安裝有點火電極，另一端設有進氣口。在管道的上、下壁面共設計了多個測試點接孔，用以測量管道內甲烷燃燒時不同位置的物理參量。為保證實驗安全，管道上部靠近尾部位置設計了泄壓口，實驗時泄壓口用爆破片密封，當管道內壓力達到一定強度時自動泄壓，在本文實驗中，由于爆炸超壓較小，因此實驗時爆炸管道始終保持密封狀態。實驗中壓力傳感器采用PCB112A05型壓電式石英片傳感器，并將其安裝在管道上端鋼板的測試孔上，測試孔距離點火器的水平距離為360 mm。數據采集儀為HIOKI8847，該款數據采集儀共有8個通道，各通道最高波形采樣率20 MS/s。點火電極安裝在管道左端的法蘭上，高能點火器使用點火能為3 J。實驗中的點火器和數據采集儀由同步控制器進行同步控制。實驗中采用的甲烷的體積分數為9.5%，管道內初始溫度和壓力分別為298 K和0.1 MPa。可燃氣被高能點火器點燃之前，靜置60 s。

為了研究泡沫鎳多孔材料鋪設位置對甲烷-空氣預混氣體爆燃過程的影響，本文設計了表1所示的3種工況進行實驗探究。為了確保實驗數據的可重復性和準確性，每組工況的實驗將重復3次，實驗時2片多孔材料分別固定在距離點火點相同位置的上下壁面，多孔材料在管道中的布置方式如圖2所示。

表1 不同實驗工況

圖2 泡沫鎳在管道內安放位置Fig.2 Position of nickel foam in the closed duct

1.2 材料的選取

在本實驗中，多孔材料選擇價格低廉、質量輕、可塑性強，并且耐高溫的泡沫鎳，泡沫鎳的孔目數為80 ppi(每英寸孔數目)，規格為1 500 mm×80 mm×3 mm，泡沫鎳的孔隙度為96%～98%，密度為0.28～0.3 g/cm3，泡沫鎳外觀及其局部放大20倍如圖3所示。泡沫鎳多孔材料與管道通過螺絲固定，如圖3中所示的2個小孔，與管道壁面預留的對應螺絲孔用螺絲將泡沫鎳固定，選用較小的螺絲避免了對爆燃火焰的影響。

圖3 泡沫鎳及其局部放大20倍Fig.3 Nickel foam and its partial enlargement with 20 times

2 結果與分析

2.1 泡沫鎳對甲烷-空氣預混氣體爆炸超壓的影響

實驗時數據采集儀的采集頻率為200 kHz，即每秒采集20萬個數據，數據量非常龐大。為了降低數據容量，便于后期數據處理，本文中對原始數據進行如下處理：首先采用基于最小二乘多項式的Savitzky-Golay法對原始數據進行光滑處理，除去一些奇異點；隨后通過在Origin軟件中導入計算機程序對平滑處理后的數據進行間隔取點，每200個數據取一個，這樣極大縮小了數據的容量；最后對間隔取點后的數據進行擬合并生成曲線。圖4為利用上述方法進行處理后的數據和原始數據的對比曲線，可以發現，處理后的曲線無論是整體趨勢還是特殊節點值，都與原始曲線吻合較好，這也說明了本文中采用的數據處理方法的有效性。

圖4 封閉管道內壓力曲線Fig.4 Experimental pressure dynamics in the closed duct

表2為不同實驗工況下的壓力測量結果，分別是空管道和泡沫鎳不同安裝位置時的最大爆炸壓力和壓力降低百分數。由結果可知，當管道內沒有安裝多孔材料時，爆燃過程的最大壓力遠大于安裝多孔材料的實驗管道，達到6.58bar。相比于空管道，在管道壁面安裝多孔材料之后，降壓效果非常顯著。當將泡沫鎳安裝在管道前端、中部和后部時，相比于空管道壓力降低分別達到了34.7%，44.5%和40.1%。其中降壓效果最好的是將多孔材料安裝在管道中間部位，其次是管道后端和前端。

表2 不同實驗工況壓力

圖5為3種工況下管道內爆燃過程的動態壓力曲線，可以看出，火焰傳播初期，由于燃燒強度較弱，火焰未受到壁面的限制影響，火焰傳播速度較小，管道內壓力幾乎恒定不變，在t=20 ms以后，壓力曲線上升開始加快，這主要是因為隨著火焰的傳播，火焰與壁面接觸受到其擾動作用，使得火焰湍流化增強燃燒強度提高，在這個階段管道內整體湍流燃燒強度高，壓力曲線快速增大。在這個過程中3種工況下的壓力曲線幾乎完全重合，說明多孔材料安裝位置對爆炸超壓的傳播幾乎沒有影響；隨后壓力曲線開始出現差異，其中將多孔材料放置在管道前部時壓力曲線呈近似直線上升，而將多孔材料放置在管道中部和后部時，壓力曲線呈波浪形增加。多孔材料放置在管道中部時最先達到峰值，其次是放置后部的工況，到達峰值最遲的是將多孔材料放置管道前部的工況。

圖5 泡沫鎳位置對管道內壓力的影響Fig.5 Effect of porous nickel mounted at different place on the pressure in the closed duct

2.2 不同工況下壓力上升速率

在氣體爆炸實驗研究中，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率是反映爆炸猛烈程度的重要參數[17]，也是設施、設備的結構強度設計和防爆泄壓面積計算、爆炸抑制、爆炸隔離和抗爆設計的基礎。其中，最大壓力上升速率)(dp/dt)max是壓力曲線上升段切線的最大斜率。壓力上升速率曲線可通過對壓力曲線進行一階求導而得到，求導后的曲線如圖6所示。

圖6 壓力隨時間的變化曲線Fig.6 Experimental pressure growth rates for various configurations

在30 ms之前，3種工況下壓升速率曲線幾乎一致，之后開始出現差異，多孔材料放置在管道前部時所達到的最大壓升速率最小，放置于最后端時的最大壓升速率最大，隨后壓力上升速率曲線呈波浪狀下降。從爆炸形成演變過程分析，當可燃氣體被點燃后呈球形火焰向外膨脹發展，化學反應強度隨著火焰的發展不斷增強，直到管道內完全湍流化燃燒達到最大強度，此時的壓升速率最快。之后由于管道內燃料的消耗，化學反應強度開始下降，壓升速率也隨之下降，且壓升速率呈現出震蕩的趨勢，這與管道內的湍流燃燒有關。管道內爆燃火焰在點火后向四周發展，在球型火焰接觸到管道壁面后，受到其限制往軸向傳播，火焰開始火焰與多孔材料相互作用，抑制減弱其燃燒強度，吸收爆燃過程產生的壓力波，使得管道內壓力上升速率減慢。火焰在管道內的傳播過程，最先接觸到管道前段鋪設的多孔材料，其次是中部和末端的多孔材料。根據之前實驗結果[9]，管道內爆燃火焰壓升速率最大的時刻對應于爆燃火焰在管道內前半段傳播階段，因此可以得出，在爆燃火焰達到最大壓升速率階段，火焰與管道前端鋪設的泡沫鎳多孔材料作用程度最強，其次是管道中端的多孔材料，因為末端的多孔材料此階段幾乎沒有與爆燃火焰相互接觸，未對火焰造成抑制作用，因此其最大壓升速率最大。

從多孔材料對爆炸火焰的抑制機理來看，多孔材料的結構是由無數個從表到里的三維相互連通的孔隙通道組成。當火焰傳播到多孔材料時，火焰被分叉成無數個小的射流火焰進入多孔材料內部，與內部粗糙的多孔金屬結構相互作用使得部分火焰發生淬熄。其中，金屬材料的冷卻作用使得局部火焰溫度下降，另一方面多孔金屬材料吸收部分參加燃燒反應的自由基，使得燃燒反應的強度下降。多孔材料的這種抑制作用被稱為冷壁效應和器壁效應[18]。當壓力波傳播進入多孔材料內部后，壓力波使得微小空隙通道內的空氣發生震動，從而被轉化、消耗，能夠很好地抑制橫波的產生和發展，以達到吸波減壓的作用。

3 結論

1)在管道內壁面布置泡沫鎳多孔材料后，能夠有效地吸波降壓，對爆燃壓力衰減率最大可達44.5%。

2)從泡沫鎳多孔材料鋪設位置對爆燃壓力峰值影響來看，中端位置的降壓效果最好，其次是放置在管道的末端，效果最差的是放置在管道的前端；而對壓升速率影響來看，前端位置對于降低最大壓升效果最好，其次是中端，末端。

3)在實際阻隔爆應用中，參考泡沫鎳多孔材料鋪設位置對甲烷-空氣爆燃抑制的影響，可為井下巷道或其他存在氣體爆炸的場所提供一種新的思路，對實踐阻隔爆應用具有指導意義。

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