大尺寸密閉容器內天然氣的爆炸超壓場*

樊保龍,白春華,王 博,高康華,李 斌,4

(1.北方爆破科技有限公司,北京 100089; 2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081；3.陸軍工程大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室,江蘇 南京 210007；4.南京理工大學化工學院,江蘇 南京 210094)

當可燃氣體、可燃液體的蒸氣(或可燃粉塵)與空氣混合并達到一定濃度時，遇到火源就會發生爆炸。這個能夠發生爆炸的濃度范圍，叫做爆炸極限，通常用可燃氣體、蒸氣或粉塵在空氣中的體積分數來表示。可燃氣體在空氣(氧氣)中的爆炸極限范圍是眾多學者關心的焦點，但關于作為描述可燃氣體爆炸后毀傷效果的典型參數，如爆壓、爆溫、爆速等的報道較少[1-4]。這是因為目前對爆炸極限的研究多局限于兩個方面：一方面是因為偏于實際生產應用的緣故，多數測試中只需知道可燃氣體在空氣中的爆炸極限范圍、臨界氧含量或者獲得爆炸三角形圖即可，而對具體的燃燒爆炸過程及其結果并不關心；另一方面是由于測試儀器的局限性，多采用小尺寸容器，如小型激波管、20 L球、圓柱形爆炸罐等，其測試手段較單一，多數只在耐壓容器壁面安置一個壓力傳感器或溫度傳感器，所得數據有限[5-7]。正因為如此，目前對于氣體爆炸的研究多采用放寬條件，改變初始溫度、初始壓力、當量體積分數等手段，以獲得某種可燃氣體或氣體混合物較全面的爆炸特性參數[8-10]。大尺寸密閉空間內可燃氣體爆炸過程更貼合于實際。但由于爆炸容器尺寸大，操作復雜，開展相關研究難度較大。本文中，通過在大尺寸密閉容器中開展天然氣爆炸超壓場的研究，以期獲得大尺寸密閉空間內天然氣爆炸超壓的發展規律，豐富目前天然氣燃爆威力的測試數據，為密閉空間內天然氣爆炸危害的預防及毀傷能力評估提供數據支持。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

天然氣-空氣混合物的燃爆過程在容積為10 m3的爆炸罐內進行，爆炸罐示意圖見圖1。為更清楚地記錄爆炸罐內天然氣-空氣混合物爆炸后超壓的發展過程，在爆炸罐內沿罐體軸向典型位置布置4個壓力傳感器，沿罐體徑向典型位置布置3個壓力傳感器，以獲得天然氣-空氣混合物燃爆后，爆炸罐內部的超壓場狀態，傳感器布置見圖2。點火裝置選用高能放電器，單次點火，點火能量為40 J；超壓測試系統包括壓力傳感器、信號調理器、數據采集系統、信號線等。壓力傳感器為PCB公司的113B系列；信號調理器為PCB公司的信號調理器；數據采集系統為南匯科技虛擬儀器系統；高速攝像系統為Photron公司的NX100相機，實驗中采樣頻率為1 000 s-1。

1.2 實驗樣品

選用華北地區的工業天然氣為實驗樣品，其密度為728.9 g/m3,高位發熱量為40.38 MJ/m3。該工業天然氣的組分及其體積分數分別為：氧氣，0.05%；氮氣，1.28%；天然氣，92.40%；二氧化碳，1.72%；乙烷，3.62%；丙烷，0.65%；異丁烷，0.11%；正丁烷，0.11%；異戊烷，0.04%；正戊烷，0.02%。

1.3 實驗方法

將不同量的天然氣在容積為10 m3的爆炸罐內與空氣進行均勻混合，測量各點天然氣的體積分數，達到罐體內各位置處天然氣體積分數相對均勻時，進行點火操作，混合過程見文獻[11]，利用壓力測試系統記錄相關測試點的壓力數據。

2 實驗結果分析

2.1 近爆炸下限處天然氣-空氣混合物的爆炸超壓場狀態

超壓狀態場通常被用來評估受限空間內可燃氣體點爆過程中的爆炸效果。對大尺寸密閉空間來說，其超壓狀態場與可燃氣體的體積分數存在對應關系[11]。本次研究主要從近爆炸下限(5.4%)的天然氣點爆過程入手，分析不同體積分數下的天然氣爆炸超壓狀態場。

經過系列實驗測試后發現，在實際天然氣體積分數接近天然氣爆炸下限(5.4%)處，開展天然氣點爆實驗時，能夠獲得3種超壓曲線，且曲線狀態隨天然氣實際體積分數的不斷升高發生一系列的變化。在天然氣爆炸下限附近選取5.5%、5.8%和6.5%等3種天然氣體積分數進行實驗，以軸向第一個傳感器的信號為典型信號，來研究不同體積分數條件下壓力傳感器獲取的不同超壓曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，圖3(a)是天然氣-空氣混合物點火后典型的沖擊波壓力曲線，由于點火位置處天然氣的體積分數較低，在40 J點火能量的作用下，天然氣中可燃組分與空氣發生化學反應的速率較低，從時間坐標可以看出整個反應持續了十多秒，是典型的緩慢燃燒反應。當點火位置處天然氣體積分數上升至5.8%時，由圖3(b)可以看出，測得的壓力-時間曲線分成兩部分：藍色橢球框內的初始沖擊波壓力突躍以及后續的持續燃燒過程。藍色橢球框內的壓力曲線對應著圖3(a)中壓力曲線的發展狀態，不同的是，當初始沖擊波過去后的一個豫馳時間后(約4 s)，圖3(a)中的壓力曲線并無繼續增長趨勢，而是持續下降，而圖3(b)中的反應被進一步加速，造成了后續大范圍持續燃燒的過程。

當天然氣體積分數進一步升高，達到6.5%時，超壓時程曲線如圖3(c)所示。此時，從作用初期，已無法捕捉到初始沖擊波的作用曲線，也無法觀察到一個明顯的豫馳時間，天然氣爆炸后壓力直接上升至最高值，前期的沖擊波作用和后期的燃燒波發展已形成一個整體。產生這種現象的主要原因是：氣體的爆燃過程也是一種化學反應過程，在初始環境參數不變的情況下，可燃氣體體積分數越高，單位空間內的可燃氣體分子越多，可燃氣體分子發生有效碰撞的幾率越大，反應速率越高。在點火的瞬間，當可燃氣體體積分數較低時，點火源周圍局部的可燃氣體分子在外界能量的輸入下發生反應，但由于可燃氣體分子少，反應沒有完全傳播下去，造成了圖3(a)所示的現象，在宏觀上表現為點火后產生了前導沖擊波，但前導沖擊波沒有得到能量支持繼續發展；當可燃氣體體積分數較高時，化學反應速率很高，使得點火瞬間氣體分子的反應從局部很快發展到整個空間，宏觀上表現為前導沖擊波波后氣體產物運動速度追上或超過前導沖擊波發展速度，使二者形成一個整體，表現為圖3(c)所示的形式。而在這二者之間，存在前導沖擊波緩慢發展最終形成燃燒波的過程，如圖3(b)所示，即存在一定的豫馳時間[11]。

2.2 近爆炸下限處天然氣-空氣混合物的爆炸超壓發展過程

以容積為10 m3的爆炸罐為研究對象，對其軸向的4個壓力傳感器(距爆源由近至遠分別命名為OP1～OP4)的壓力數據進行分析，典型結果如圖4(a)所示。當天然氣體積分數為5.5%時，接近實驗測得的爆炸下限(5.4%)，因此，此爆炸超壓發展曲線圖為近爆炸極限時的臨界壓力發展趨勢圖。由圖4(a)可看出，經過濾波處理后，軸向上的壓力傳感器隨著距離點火位置的遠近，其超壓峰值分別為82.5、32.9、23.4和15.1 kPa。距爆源最近的傳感器測得的壓力曲線較接近典型的沖擊波超壓曲線，其他3個傳感器所測得的壓力曲線都接近于燃燒波的壓力曲線。這主要是由于點火點處天然氣的體積分數較低，接近爆炸下限，點火初期，點火位置處的天然氣-空氣混合物被點燃，初始沖擊波產生，但由于能量支持不夠，未繼續發展，使得后續的軸向傳感器測得的壓力信號較弱且隨距離呈遞減趨勢。

仍以容積為10 m3的爆炸罐為研究對象，對其徑向的3個壓力傳感器(距軸線由近至遠分別為OP4～OP6)的壓力數據進行分析，典型結果如圖4(b)所示。由圖4(b)可以看出，傳感器距離爆源中心軸線越遠時，爆炸超壓峰值越大，但增幅不大。這是由于天然氣-空氣燃爆發生并沿爆炸罐體軸向傳播的同時，也沿爆炸罐體徑向傳播，呈體積性發展趨勢，距爆源一定距離后，整個燃爆體系傳播過程已成整體化趨勢，同一波陣面的壓力數據基本相當，但由于壁面反射的影響，偏離軸線處壓力可能略有升高。

在對天然氣體積分數為5.5%的天然氣-空氣混合物燃爆超壓曲線分析后，針對3種天然氣體積分數情況下的天然氣-空氣混合物燃爆發展進行研究，得到其燃爆參數隨軸向和徑向的發展規律，如圖5所示。由圖5可以看出：當天然氣體積分數接近爆炸下限時，天然氣-空氣混合物燃爆的最高壓力即為前導沖擊波的超壓峰值，其值相對較低；隨著天然氣體積分數的升高，天然氣燃爆的最高壓力為前導沖擊波過后燃燒波的峰值壓力，且此壓力值隨著初始天然氣體積分數的升高而增大。從空間發展角度來看，距爆源距離對天然氣爆炸超壓峰值影響不大。而對于豫馳時間來說，與超壓發展規律類似，燃爆豫馳時間與距爆源距離關系不大，初始天然氣體積分數是決定性因素。

3 結 論

天然氣爆炸下限附近存在3種典型的超壓狀態：(1)當可燃氣體的體積分數接近爆炸下限時，點火后只存在點火點周邊氣體燃燒產生的前導沖擊波；(2)當可燃氣體體積分數略高于爆炸下限時，點火后前導沖擊波和后續燃燒波共存；(3)當可燃氣體體積分數高于爆炸下限一定程度后，前導沖擊波與后續燃燒波重疊。

經過系統實驗發現，爆炸下限附近的爆炸超壓峰值及燃爆豫馳時間主要取決于初始天然氣體積分數，而與距爆源距離關系不大，這主要是由于大尺寸密閉容器內氣體燃爆過程的體積性效果。

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