細長密閉管道內油氣爆炸特性研究

王 波， 杜 揚， 李國慶， 袁廣強， 王世茂

(后勤工程學院 供油系，重慶 401311)

細長密閉管道內油氣爆炸特性研究

王 波， 杜 揚， 李國慶， 袁廣強， 王世茂

(后勤工程學院 供油系，重慶 401311)

針對長徑比對密閉管道內汽油蒸汽和空氣的混合氣爆炸特性的影響進行實驗。研究表明：細長密閉管道內的油氣爆炸壓力為兩階段上升，而壓力上升速率曲線呈現出“雙峰”結構；最大爆炸壓力和取得最大pmax值的最佳油氣濃度均隨管道長徑比L/D的增加逐漸減小；達到最大爆炸壓力所需時間隨管道長徑比L/D的增加呈線性關系增加，且靠近最佳油氣濃度的油氣受管道長徑比的影響較小，而偏離最佳油氣濃度較遠的油氣受管道長徑比的影響較大；隨著油氣濃度的增大，第二個壓力上升速率峰值先呈指數增長，達到峰值之后呈負指數下降；當油氣濃度低于臨界濃度時，第二個壓力上升速率峰值比第一個壓力上升速率峰值低，而高于臨界濃度時則反之；第一個和第二個壓力上升速率峰值及取得最大(dp/dt)max2值的油氣濃度均隨管道長徑比L/D的增加而降低。這些規律性的結論可為管道的防抑爆設計提供理論依據和重要參考。

細長密閉管道；油氣；爆炸；長徑比；爆炸壓力

可燃氣體已被廣泛地應用于化工、能源和動力等行業，然而在儲存、輸送及使用可燃氣體的各個環節中皆存在爆炸風險，容易發生爆炸事故[1-3]。在密閉空間中，由于爆炸壓力得不到釋放，即使是一個較慢的燃燒過程也會產生壓力[4-5]。常規泄爆裝置是基于長徑比L/D<3的容器中的實驗數據設計的[6]，對這類小長徑比容器中的緩慢爆燃現象比較有效，由于缺乏長管中的爆炸數據，當為大長徑比容器設計防爆裝置時，就無理論依據可依。因此，對細長密閉管道中的油氣爆炸特征參數進行研究，能為防抑爆裝置的研制、配置提供理論依據，對于爆炸災害的早期監測與控制具有重大的實際意義。

國內外學者已對密閉空間中可燃氣體的爆炸特性開展了相關研究。徐景德等[7-8]通過兩種不同尺度巷道內可燃氣體爆炸對比實驗，發現可燃氣體爆炸傳播過程中存在明顯的尺寸效應。崔益清等[9]研究了球形容器接管后接管長度對球形容器內和管道末端甲烷氣體爆炸強度的影響。Razus等[10-12]研究了多種碳氫燃料-空氣混合物在長徑比L/D=1～2.5的密閉圓柱形容器中的爆炸特性，發現爆燃指數KG受到容器的長徑比影響。Phylaktou等[13]研究了乙烯-空氣混合氣在長徑比L/D=21.6的密閉管道中的火焰傳播，得到了火焰各個傳播階段中的壓力上升速率和火焰速度。Bi等[14]數值模擬研究了甲烷-空氣預混氣在長徑比L/D=6～10.35的密閉管道中的爆燃傳播，發現最大火焰速度隨長徑比L/D的增大線性增加。以上研究都證實了管道的尺度、長徑比對爆炸參數有影響，但同時可以看出：一方面，目前國內的研究主要是集中在以煤礦井下巷道為模型的密閉空間內，針對以輸油輸氣管線為模型的研究較少；另一方面，已有研究對象主要是甲烷、乙烯等單一成分氣體，針對成分復雜的油氣混合物研究較少。本文研究的油氣指的是具有復雜組分的93#汽油揮發氣和空氣的混合氣，重點研究長徑比對密閉管道內油氣爆炸特性的影響。

1 實驗裝置與方法

油氣爆炸實驗系統,如圖1所示，由實驗管道、壓力采集系統、油氣霧化循環系統、點火系統、油氣體積分數測試系統等組成。在實驗中使用了5種不同長徑比的鋼制管道和一個球形容器，其尺寸參數,如表1所示，直徑10 cm的圓管有三節，長度分別為86 cm、71 cm、86 cm，可以自由組合成管道C1、C2、C3，在法蘭連接處使用密封墊圈以保證結合部位的氣密性。壓力采集系統采用TST6300動態采集系統，最高采樣率200 ksps，壓力傳感器采用ZXP610型壓阻式壓力傳感器，量程為0～2 MPa，安裝于管端法蘭中心上。點火系統采用WGDH-5型高能無干擾點火器，點火頭安裝于另一端法蘭中心上，點火器點火是通過電容器充電放電實施的，根據W=(CU2)/2可以換算得到點火能量，在實驗中采用1 μF電容、1 500 V電壓，即點火能量為1.125 J。

圖1 實驗系統示意圖

每次實驗前先對管道進行充氣。分壓原理配氣方法主要用于常溫下為氣態的可燃氣體，針對汽油這種特殊介質并不適用，因此設計了專用的配氣系統。圖1所示的油氣霧化循環系統由電磁式空氣泵、球閥、油瓶、三通等組成，空氣泵的流量為50 L/min。配氣時，只開球閥1、球閥4，利用空氣泵產生的高壓氣流使汽油“沸騰”而迅速揮發產生汽油蒸汽，充入管道。待充入一定蒸汽后，關閉球閥1、球閥4，打開球閥2、球閥3，對混合氣進行循環攪拌。為了保證油氣混合均勻，每次循環15 min，循環結束后，關閉氣體入口和出口球閥。在點火之前靜置30 s，保證管道內氣體處于靜止狀態，從而降低循環時產生的湍流對爆炸的影響。

表1 密閉容器的尺寸參數

2 實驗結果及分析

2.1 密閉容器中油氣爆炸壓力的基本特征

為了研究密閉容器中油氣爆炸壓力的變化規律，對三種不同形狀容器中的壓力數據進行了分析。由圖2可知，密閉容器中油氣爆炸壓力呈現出兩種不同的形態：在圓管C0和方管R中，壓力為兩階段上升；而在球形容器S中，壓力卻為單一階段上升。由此可知，爆炸壓力與容器的形狀密切相關。在管道中，初期的火焰以半球面的形狀向前傳播[15]，但由于受到徑向管壁的約束，某一時刻火焰會與管壁接觸，火焰觸壁必然會引起熱損失的增加，導致壓力上升速率下降，壓力上升的第一階段結束。隨后進入壓力上升的第二階段，此階段是爆炸反應釋熱和管壁散熱共同作用的結果。顯然，火焰傳播過程中的第一次觸壁是壓力兩階段上升的內因。而球形容器具有中心對稱性，在容器中心點火后，火焰以球狀向外傳播，球面壁對各個方向上火焰的約束是一致的，球形容器中的爆炸為單純超壓爆炸[16]，壓力為單一階段上升。因此壓力的兩階段上升是細長密閉管道等狹長密閉空間中油氣爆炸的特有規律。通過圖2和表2可知，壓力上升的兩階段持續時間不同，且第一階段的持續時間t1總比第二階段的持續時間t2長。對于圓管C0中的1.35%、1.72%和2.11%等三個濃度，t1、t2之間的差值分別為28.3 ms、15.9 ms、31.3 ms，說明兩階段的持續時間之差與油氣濃度有關。而在方管R中，t1、t2之間的差值為54.85 ms,即t1=2t2。

對應于壓力的兩階段上升，圓管C0和方管R中的壓力上升速率呈現出“雙峰”結構，而球形容器S中為“單峰”結構。為了區別爆炸傳播過程中第一階段和第二階段的壓力上升速率，本文引入了“第一個壓力上升速率(dt/dt)1”和“第二個壓力上升速率(dt/dt)2”兩個術語。由圖2和表2可知，壓力上升速率的雙峰高低與油氣濃度有關。在圓管C0中，油氣濃度<1.35%時，第一個壓力上升速率峰值(dt/dt)max1比第二個壓力上升速率峰值(dt/dt)max2大，而油氣濃度>1.72%時則反之，因此1.35%和1.72%之間必然存在一個濃度使得這兩個值的相對大小發生轉變，對于1.72%和2.11%兩個濃度，(dt/dt)max2分別是(dt/dt)max1的2.09倍、2.15倍，而在方管R中，兩者的差值為36.83 bar/s。

(a) 圓管C0中油氣濃度1.35%

(b) 圓管C0中油氣濃度1.72%

(c) 方管R中油氣濃度1.38%

(d) 球形容器S中油氣濃度1.18%

表2 密閉容器中油氣爆炸的特性參數

Tab.2 Characteristic parameter in closed vessels for explosion of gasoline-air mixture

容器濃度/%第1階段的持續時間t1/ms第2階段的持續時間t2/ms第一個壓力上升速率峰值/(bar·s-1)第二個壓力上升速率峰值/(bar·s-1)C01.3589.661.3135.16101.631.7262.746.8141.63296.582.11124.893.555.68119.85R1.38109.754.8588.2651.43S1.18262.25-58.74-

2.2 細長密閉管道內的pmax、Tmax及(dp/dt)max的變化

密閉容器中氣體爆炸的演變規律常用最大爆炸壓力pmax、達到最大爆炸壓力所需時間Tmax及最大壓力上升速率(dt/dt)max等參數來表征[17]，本文也從這三個參數著手，對汽油蒸汽和空氣的混合氣爆炸特性進行了分析。

2.2.1 最大爆炸壓力pmax

油氣濃度對最大爆炸壓力的影響,如圖3所示，采用了圓管C0和C1中的壓力數據進行繪圖。由圖3可知，最大爆炸壓力受到油氣濃度和長徑比的影響，對于汽油蒸汽和空氣的混合氣，隨著油氣濃度的增大，最大爆炸壓力呈現出先增大后減小的變化規律，Razus等也得到了類似的結論，這是可燃氣體和空氣的混合物爆炸的一個共同特征。Law等[18]研究發現這種變化規律是由反應產物的分解及分解引起的放熱減少引起的，因為低濃度側反應產物的分解程度比高濃度側更高，同時伴隨著較低的熱量釋放，達到峰值之后就會在高濃度側發生轉變。由圖3還知，不同油氣濃度下爆炸產生的峰值壓力差別很大，這與爆炸過程中的反應放熱密不可分。當量比Ф常被用來表示燃料-氧化劑混合物的構成，當量比定義為[19]

(1)

式中:A/F為空氣-燃料比；F/A為燃料-空氣比；下標stoic為化學當量值的英文縮寫。由式(1)可知，當Ф>1時，為富燃料混合物；當Ф<1時，為貧燃料混合物；當Ф=1時，表示化學反應中燃料剛好能耗盡氧氣。根據燃燒學理論，取得最大pmax值的最佳油氣濃度對應的化學當量比略>1，因此油氣濃度越靠近最佳油氣濃度，爆炸反應越充分，放熱量越大，峰值壓力越大，而越靠近油氣的爆炸下限和上限，爆炸反應越不完全，放熱量越小，峰值壓力也就越小。同時，在所有管道中，最佳油氣濃度位于1.5%～2%，隨著管道長徑比的增加，最佳油氣濃度會減小，圓管C0中的最佳油氣濃度為1.87%，而圓管C1中為1.82%。在整個濃度范圍內，圓管C1中的最大爆炸壓力均比圓管C0中的最大爆炸壓力小，這是由增加的熱損失引起的，因為圓管C1比圓管C0長，那么火焰與管壁的接觸時間自然就會更長，引起的熱損失就更多。

圖3 油氣濃度對最大爆炸壓力的影響

長徑比L/D對最大爆炸壓力的影響,如圖4所示。當油氣濃度為一定值時，隨著管道長徑比L/D的增加，最大爆炸壓力逐漸減小，Bi等在數值模擬長密閉管道內甲烷/空氣爆燃時也得到了類似的結果。最大爆炸壓力隨長徑比的增加而減小現象與管壁傳熱密切相關，因為管道的長徑比越大，火焰與管壁之間的接觸時間更長，火焰經過管壁會傳遞更多的熱量到大氣中，因而減少了可用于氣體壓縮和加熱的熱量。

2.2.2 達到最大爆炸壓力所需時間Tmax

油氣濃度對達到最大爆炸壓力所需時間的影響,如圖5所示，采用了圓管C1和C2中的數據進行繪圖。由圖5可知，達到最大爆炸壓力所需時間受到油氣濃度和長徑比的影響，對于汽油蒸汽和空氣的混合氣，隨著油氣濃度的增大，達到最大爆炸壓力所需時間呈現出先減小后增大的變化規律。在整個濃度范圍內，圓管C2中的Tmax值均比圓管C1中的大，這是由管道容積和火焰傳播過程的熱損失大小決定的。同時，在所有管道中，取得最小Tmax值的油氣濃度位于1.5%～1.85%。

圖4 長徑比L/D對最大爆炸壓力的影響

圖5 油氣濃度對達到最大爆炸壓力所需時間的影響

Fig.5 Influence of initial concentration on time to maximum explosion pressure

長徑比L/D對達到最大爆炸壓力所需時間的影響如圖6所示，當油氣濃度為一定值時，隨著管道長徑比L/D的增加，Tmax呈線性關系逐漸增加，Tmax與長徑比之間的線性關系為：濃度為1.97%時，Tmax=0.005 1x+0.141，R2=0.972；濃度為2.1%時，Tmax=0.010 8x+0.194，R2=0.986；濃度為2.35%時，Tmax=0.029 5x+0.321，R2=0.971。由2.2.1節可知，最佳油氣濃度在1.8%左右，由圖6可知，靠近最佳油氣濃度的1.97%和2.1%兩個濃度受管道長徑比的影響較小，而偏離最佳油氣濃度較遠的2.35%受管道長徑比的影響較大。

2.2.3 第一個壓力和第二個壓力上升速率

油氣濃度對第一個壓力上升速率峰值的影響,如圖7所示，采用了圓管C0、C1和C2中的數據進行繪圖。由圖7可知，第一個壓力上升速率峰值受到油氣濃度和長徑比的影響，對于汽油蒸汽和空氣的混合氣，隨著油氣濃度的增大，第一個壓力上升速率峰值呈現出先增大后減小的變化規律。在整個濃度范圍內，較大長徑比管道中的第一個壓力上升速率峰值均比較小長徑比管道中的大，當油氣濃度靠近爆炸上下限時，兩種長徑比管道中的第一個壓力上升速率峰值離得較近，而當油氣濃度在1.25%～2%時，兩種長徑比管道中的峰值差值較大。

圖6 長徑比L/D對達到最大爆炸壓力所需時間的影響

圖7 油氣濃度對第一個壓力上升速率峰值的影響

Fig.7 Influence of initial concentration on the first maximum rate of pressure rise

油氣濃度對第二個壓力上升速率峰值的影響,如圖8～圖10所示，隨著油氣濃度的增大，第二個壓力上升速率峰值先呈指數增長，達到峰值之后呈負指數下降。當油氣濃度低于臨界濃度時，第二個壓力上升速率峰值比第一個壓力上升速率峰值低，而管道C0、C1和C2中的臨界濃度值分別為1.48%、1.3%、1.25%。根據表面燃燒理論可知，火焰面積與質量燃燒速率成正比，因此也與壓力上升速率成正比。在管道中，初期的層流火焰以半球面的形狀向前傳播，由于徑向管壁的約束，火焰在某一時刻會與管壁接觸，火焰觸壁將引起熱損失的增加，同時還會使得大部分火焰面積突然消失，引起質量燃燒速率下降，從而導致熱釋放速率減少，因此壓力上升速率的降低是高熱損失和低熱釋放速率共同作用的結果。陳東梁等[20]研究發現當甲烷含量接近當量值時，預混氣體火焰傳播中會形成Tulip火焰結構。當油氣濃度高于臨界濃度時，第二個壓力上升速率峰值比第一個壓力上升速率峰值高，這是因為當油氣濃度大于臨界值時，預混火焰在向前傳播過程中，火焰陣面逐漸形成了Tulip火焰結構，在Tulip火焰陣面中出現了卷曲、褶皺，火焰面積不斷加大并大于半球形火焰時的面積，燃燒速率大幅提高，熱釋放速率得到加強，壓力上升速率峰值更高。而針對甲烷、乙烯、氫氣等單一成分氣體，Phylaktou等研究發現在整個濃度范圍內第二個壓力上升速率峰值低于第一個壓力上升速率峰值。

圖8 圓管C0(L/D=2)中的最大壓力上升速率

圖9 圓管C1(L/D=8.6)中的最大壓力上升速率

圖10 圓管C2(L/D=15.7)中的最大壓力上升速率

Fig.10 Maximum rate of pressure rise in the tube C2 withL/D=15.7

取得最大(dp/dt)max1值的油氣濃度受管道長徑比的影響較小，維持在1.6%左右，而取得最大(dp/dt)max2值的油氣濃度隨著管道長徑比的增加而降低，管道C0、C1和C2中的值分別為1.84%、1.6%、1.47%，且臨界濃度也會跟著降低。盡管隨著管道長徑比的增加，最大爆炸壓力將減小，也足以破壞大多數結構，但最大(dp/dt)max2值將在更低的油氣濃度下取得，此濃度在儲存、輸送及使用可燃氣體過程中是很容易形成的，因此我們應該重視大長徑比管道的加固和泄爆設計工作。

長徑比L/D對最大壓力上升速率的影響,如圖11所示，當油氣濃度為一定值時，第一個和第二個壓力上升速率峰值均隨著管道長徑比L/D的增加而降低，這是因為當長徑比L/D增加時，火焰和管壁之間的接觸時間變長，熱損失增加，而可用于氣體反應的熱量就相對減少。由圖11可知，存在一個臨界長徑比15.7，當管道長徑比<15.7時，最大壓力上升速率隨長徑比的增加下降較快，而當管道長徑比>15.7時，最大壓力上升速率下降緩慢。

圖11 長徑比L/D對最大壓力上升速率的影響

3 結 論

針對細長密閉管道內汽油蒸汽和空氣的混合氣爆炸特性進行了實驗研究，通過分析爆炸參數得出如下結論：

(1) 細長密閉管道內的油氣爆炸壓力為兩階段上升，火焰傳播過程中的觸壁是壓力兩階段上升的內因，同時壓力上升速率曲線呈現出“雙峰”結構。

(2) 最大爆炸壓力受到油氣濃度和長徑比的影響。隨著管道長徑比L/D的增加，最大爆炸壓力逐漸減小，取得最大pmax值的最佳油氣濃度也逐漸減小。

(3) 隨著管道長徑比L/D的增加，達到最大爆炸壓力所需時間呈線性關系逐漸增加，而且靠近最佳油氣濃度的油氣受管道長徑比的影響較小，偏離最佳油氣濃度較遠的油氣受管道長徑比的影響較大。

(4) 隨著油氣濃度的增大，第二個壓力上升速率峰值先呈指數增長，達到峰值之后呈負指數下降。當油氣濃度低于臨界濃度時，第二個壓力上升速率峰值比第一個壓力上升速率峰值低，而高于臨界濃度時則反之。第一個和第二個壓力上升速率峰值均隨著管道長徑比L/D的增加而降低，同時取得最大(dp/dt)max2值的油氣濃度及臨界濃度也隨著管道長徑比的增加而降低。

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Tests for explosion characteristics of gasoline-air mixture in an elongated closed tube

WANG Bo, DU Yang, LI Guoqing, YUAN Guangqiang, WANG Shimao

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

Tests for effects of aspect ratioL/Don explosion characteristics of gasoline-air mixture in a closed tube were performed. The results showed that explosion pressure of gasoline-air mixture in an elongated closed tube rises in the form of two stages, the pressure rise rate curve presents a double-peak configuration; the maximum explosion pressure and the optimal gasoline-air concentration to get the maximumpmaxvalue decrease gradually with increase inL/Dratio; the time to reach the maximum explosion pressure increases linearly with increase inL/Dratio, and the gasoline-air mixture near the optimal gasoline-air concentration is less affected by the aspect ratioL/Din comparison with those far from the optimal gasoline-air concentration; the second peak of pressure rise rate increases exponentially firstly and decreases in a negative exponential form after reaching the peak with increase in gasoline-air concentration; when the gasoline-air concentration is lower than the critical concentration, the second peak of pressure rise rate is lower than the first peak, while the result is the opposite when the gasoline-air concertration is higher than the critical concentration. All the first and second peaks of pressure rise rate and the gasoline-air concentration to get the maximum (dp/dt)max2value decline with increase inL/Dratio. These conclusions provided a theoretical basis and an important reference for the explosion proof design of pipelines.

elongated closed tube; gasoline-air mixture; explosion; aspect ratioL/D; explosion pressure

國家自然科學基金項目(51276195)

2016-06-23 修改稿收到日期：2016-09-09

王波 男，博士，1988年生

杜揚 男，博士，教授，1958年生

X932

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.09.013