有無泄壓條件下的管道油氣爆轟實驗研究

蔣新生， 謝 威， 魏樹旺， 徐建楠， 周 毅

(1.陸軍勤務學院 油料系，重慶 401311； 2.95809部隊，河北 滄州 061000)

現代石油化工行業的迅速發展，但是由于行業化工類產品的易燃易爆等性質，導致其安全事故頻發，其中火災爆炸事故的占比較大，同時往往產生嚴重損失和破壞后果，影響惡劣。因此，石油化工行業的安全建設和事故預防日益重要[1]。尤其是像輸油管道、排油溝、油庫呼吸管路[2]等此類狹長結構的受限空間，一旦引發油氣爆炸，即使是弱點火能量，也將因為層流火焰的加速和火焰面的褶皺而產生激波，使得層流火焰轉變成湍流火焰，最終形成爆轟，造成破壞，釀成大型油氣爆炸安全事故[3-4]。現階段，國內外專家針對甲烷[5]、氫氣[6-7]等單一可燃氣體與氧氣混合物以及瓦斯[8-9]等混合物在狹長受限空間條件下的爆炸及泄壓[10-12]的研究較多，而針對油氣一類的混合物的爆炸及泄壓研究并不廣泛。由于油氣混合物組分的復雜性及危險性，一般采用模擬管道對狹長空間的油氣爆炸特性進行研究[13-14]，而對產生爆轟的管道油氣爆炸強度規律研究則更少。

因此，為探究長距離狹長受限空間在有無泄壓條件下的油氣爆轟超壓及火焰傳播規律，以實際油庫呼吸管路為背景，將23.3 m細長管路作為實驗臺架，對細長管路的爆炸進行模擬實驗。并以文獻[13]中提及的油氣爆炸超壓最大體積分數1.75%作為初始油氣體積分數，進行密閉和泄壓管內油氣爆炸兩組對比實驗。同時，為力求實驗的可視化，采取在泄壓管道末端架設高速攝影儀的方式對油氣泄爆產生的火焰畫面進行捕捉，以便分析在泄壓條件下產生的油氣爆轟火焰。通過對實驗數據及關鍵現象的合理分析，研究密閉和泄壓條件下油氣爆轟波發展規律的區別，以期為石油安全工程及防護設計提供參考。

1 實驗系統和方案

1.1 實驗系統

如圖1所示，依托于油庫呼吸管路系統，搭建了細長實驗管道，由2根長管和5根短管組合而成，總長23.3 m，直徑150 mm，壁厚10 mm，這在。密閉工況下在管道末端用法蘭密封，有泄壓工況則采用薄膜替代法蘭作密封，一旦壓力上升到較大值，薄膜將被破壞形成泄壓條件。在做泄壓管道爆炸實驗時，利用FASTCAM-ultima512型高速攝影儀記錄噴出火焰情況，拍攝速度為1 000幀/秒。壓力傳感器量程為5 MPa。壓力傳感器、火焰速度傳感器、火焰強度傳感器以及點火器安裝位置已在圖中進行了標注，Pi表示i號壓力傳感器，Vi表示i號火焰速度傳感器，Fi表示火焰強度傳感器。其中，P1-P6壓力傳感器分別距離點火端4.7 m，11.2 m，13.7 m，17.25 m，19.5 m，22.3 m，V1-V8火焰速度傳感器分別距離點火端1.5 m，3.2 m，6.2 m，9.2 m，12.2 m，14.2 m，16.75 m，20 m，F1和F2火焰強度傳感器分別距離點火端13.2 m和21.8 m。

圖1 實驗管道示意圖Fig.1 Sketch map of experiment pipe

1.2 實驗方案

本實驗采用文獻[13]中的油氣爆炸超壓最大時的體積分數1.75%作為初始油氣體積分數，進行密閉管道和泄壓管道的油氣爆炸對比實驗研究，點火能量為1.5 J，每組實驗進行三次，以保證實驗數據的可靠性。在實驗之前，先對密閉管道的氣密性進行檢驗，通過真空泵的抽吸作用，使管道內形成一定真空度，在一定時間內壓力計測得壓力基本保持穩定則說明管道的氣密性良好。然后，待管道的初始壓力恢復至1 bar后，利用配氣系統將油氣霧化蒸發后循環通入管道內，直至油氣體積分數測試儀的示數穩定在1.75%，再進行高能點火操作。整個實驗過程利用高頻壓力傳感器采集管道內的瞬態壓力值并記錄其超壓變化過程，以及火焰速度傳感器的數據求得各段的火焰傳播平均速度，用火焰強度傳感器來采集火焰的持續時間。

2 結果與討論

2.1 超壓變化規律

經三次實驗測得管道各測點的最大爆炸超壓值的平均值，如表1所示。

表1 不同工況管道沿線最大超壓值

為更好分析管道的油氣爆燃轉爆轟超壓規律，對密閉和泄壓狀況下采集到的管道沿線的最大超壓值進行多項式擬合分析，得到了一個較好的擬合關系式。

密閉管道最大超壓沿程分布擬合函數為：

Pmax(x)=400+487.5x-108x2+7.5x3-0.15x4

泄壓管道最大超壓沿程分布擬合函數為：

分別對擬合出來的管道最大超壓沿程分布函數進行求導，得到密閉管道的一個極小值點出現在x=10.4 m處；而泄壓管道的一個極小值點出現在x=10.04 m處。依據擬合結果可以預測，不論密閉還是泄壓，在該長直管道中的爆炸距起爆點10～14 m為爆燃轉爆轟區間。將表1數據及擬合曲線繪制成圖，如圖2所示。

圖2 不同管道沿線最大超壓變化擬合曲線Fig.2 Fitting curves of maximum overpressure in different pipes

由圖2可以看出，管道不管是泄壓還是密閉，管道沿線的最大超壓值都達到3.4 MPa，但在起始階段的爆炸超壓值會有一個下降，其原因一方面是由于之前較高的前驅波壓力前鋒推動燃料向管道中后部運動，增大了燃燒反應的距離，使前半段油氣體積分數有所降低，因此單位體積內補充的能量相應減少，從而出現最大超壓值隨傳播距離增大而下降的現象[15]；另一方面，起始階段距離較長，受管道鋼壁結構限制及散熱抑制的影響，內部產生的沖擊振蕩會部分抵消。

此外，從圖2中可以很明顯地看出，在長度達到11.2 m之前，最大爆炸超壓值基本在1 MPa以下，但是在此之后，最大爆炸超壓值發生突變，上升趨勢明顯，最大超過了3 MPa，此時已經達到爆轟狀態。同時，還可以看出在11.2 m之前的起始階段，相同位置上有泄壓時的最大爆炸超壓要小于密閉管道，這是因為有泄壓管道中爆炸產生的壓力波將隨著管道開口端泄放到外部環境中，爆炸超壓變化曲線只是記錄了前驅沖擊波的經過，而閉口管道由于存在反射波的往復振蕩疊加激勵效應，因此最大超壓值將會大于開口管道相同位置上的最大超壓值。但是在11.2 m之后，泄壓管道超壓上升速率高于密閉管道，特別是在17.25 m的位置，開口管道最大超壓值達到3 414.02 kPa，而閉口管道相同位置的最大超壓值只有1 825.92 kPa，這是因為閉口管道存在反射壓力波，對火焰傳播造成阻滯作用，延緩了爆轟波的形成，油氣燃燒提供給壓力波的能量小于開口管道，因此最大超壓上升趨勢明顯小于開口管道。但是，在靠近端部的19.5 m和22.3 m兩個位置，開口管道最大超壓值逐漸減小，而閉口管道逐漸增大，上升到3 638.96 kPa，這是因為這兩個位置靠近管道末端，開口管道對油氣爆炸產生的壓力波起到泄壓作用，因此最大超壓值有了明顯的下降趨勢，而閉口管道最大超壓值則持續增大。

當密閉管道某一處被破壞產生泄壓時，管道內的狀態將發生躍遷，處于圖2兩條擬合曲線的中間態。可以看出，破壞產生在兩曲線交叉點A之前時對管道爆炸的防護是有利的；破壞產生在交叉點A和B之間時，將導致管道爆炸的增強；破壞點在交叉點B之后時，就是所謂的末端泄放，雖然能夠達到最終降壓目的，但是其對體系的保護作用是后發性的，而且要求體系的整體承壓設計必須大于管道產生爆轟的最大超壓。

圖3 密閉和泄壓管道超壓變化曲線Fig.3 Changing curve of overpressure in closed and open pipes

為更好對比密閉和有泄壓兩種工況下管道超壓變化規律，選取管道末端17.25 m處P4壓力傳感器所測超壓變化曲線(圖3)進行分析。

可以看出，在密閉工況下，超壓變化趨勢存在4個階段：點火延遲、前驅超壓、壓力波反射、振蕩衰減。油氣被點燃后，燃燒都比較緩慢，火焰以層流狀態進行傳播，末端產生的超壓值很小，此為點火延遲階段；而當前驅沖擊波到達壓力傳感器位置，爆炸超壓值迅速上升，過后爆炸超壓值迅速下降，此為前驅超壓階段；油氣爆炸產生的壓力波達到管道末端然后反射回來引起的爆炸超壓回升或者振蕩加強，此為壓力波反射階段；之后，可以很明顯地看出有兩組波峰，每一組就是正向和反向的壓力波，但是兩個方向的壓力波到達傳感器的時間間隔在延長，由2、3階段的7.7 ms延長到4階段的23.3 ms和28.5 ms，并且同一方向的壓力波到達傳感器的時間也在延長，同時超壓峰值也在降低，此時為振蕩衰減階段。

而在有泄壓的工況下，超壓變化趨勢分為：點火延遲、前驅超壓、負壓回流、平穩恢復四個階段。由于沒有反射波的激勵作用，所以不僅管道初始階段的最大爆炸超壓值小于密閉管道，升壓反應時間也會滯后于密閉管道，從而點火延遲階段的時間要長一些, 如表2。對于有泄壓的前驅超壓階段，前驅沖擊波到達壓力傳感器位置，爆炸超壓值迅速上升，達到了3 414.02 kPa，并且上升速率遠遠大于閉口管道，已經處于爆轟階段，其持續時間比密閉管道要短。而且不同于密閉管道，由于管道末端開口，油氣爆炸產生的壓力波會通過末端進入到外界開敞空間，噴出時會產生膨脹波，膨脹波回流經過壓力傳感器時會產生一定強度的負壓。而且由于管道末端開口，所以不會產生壓力波往復振蕩衰減的現象，而是由負壓逐漸平穩恢復到外界大氣壓。

表2 不同工況管道各階段的持續時間

2.2 火焰傳播速度變化規律

圖4為三次實驗不同管道火焰傳播速度隨距離的變化關系擬合曲線圖。可以看出，由于管道中的波前未燃氣體已經經過壓縮，點燃后產生很大的能量，管道中的火焰傳播速度不斷增大，與此同時，管道長度的增加也使得火焰不斷加速，最終壓力波和火焰陣面重合，發展為爆轟。對比兩種工況，油氣爆炸超壓在管道前段基本趨于一致，但是隨著距離的增加，密閉管道后段的火焰傳播速度明顯小于泄壓管道，這是因為密閉管道的后段由于密閉而形成的反射壓力波對火焰陣面推進的阻礙作用越來越明顯，影響了火焰陣面與前驅沖擊波的重合，所以達到爆轟的時間要晚于泄壓管道，使得火焰傳播速度小于相同位置的開口管道。

圖4 不同管道火焰傳播速度擬合曲線及表達式Fig.4 Fitting curves and expressions of flamepropagation in different pipes

2.3 火焰強度變化規律

圖5為三個管道不同位置火焰強度傳感器采集的火焰強度變化曲線，為將圖上數據清晰呈現，將其重要參數匯總在表3，其中耗時指的是火焰從F1傳至F2所需的時間。

圖5 不同管道不同位置火焰強度變化曲線Fig.5 Changing curve of flame intensity in differentpositions of different pipes

傳感器火焰強度/mV火焰持續時間/s到達時刻/s耗時/s密閉管道F11 235.700.0380.166密閉管道F21 473.130.0090.1790.013泄壓管道F11 518.730.0280.176泄壓管道F21 477.580.0060.1830.007

由表3可以看出，隨著火焰傳播距離的增大，管道火焰強度從1 235.70 mV增大到1 473.13 mV，而泄壓管道的火焰強度從1 518.73 mV減小到1 477.58 mV，這與圖3爆炸超壓變化趨勢相一致，說明了火焰陣面與壓力波的相互作用。此外，由火焰強度的波動和持續情況，也表明了該位置火焰形態變化是否劇烈，由圖5可以看出，F1處的火焰變化比F2劇烈，密閉管道比泄壓管道劇烈。

火焰持續時間也能看出火焰傳播速度的相對大小，兩種管道中F2的火焰持續時間均小于F1，說明火焰傳播速度在增大，而且有泄壓管道的火焰持續時間均小于密閉管道，說明泄壓管道火焰傳播速度均大于相同位置上的閉口管道；此外，密閉管道中火焰從F1傳播到F2耗時0.013 s，而泄壓管道僅用時0.007 s，也說明了這個問題。

2.4 泄壓管道的可視化研究

由于管道爆轟產生的超壓較大，出于對安全的考慮，沒有設置透明管段，所以只能在泄壓管道末端利用高速攝影儀進行火焰拍攝來實現細長管道油氣爆炸泄爆實驗的可視化研究。本實驗開口部分點火前用鋁箔紙封口進行油氣循環，采用高速攝影儀對管道開口部分影像進行采集，采集頻率為1 000幀/秒。

為將所拍攝圖片的時間節點與壓力變化時間相對應，截取泄壓工況下末端P6壓力傳感器壓力躍升(0.181 s)前(圖3)的一段曲線，如圖7所示。

在圖6中可以很明顯地看到爆炸超壓變化曲線存在2個壓力波峰，第1個波峰是由于管道中油氣不斷燃燒爆炸產生的前驅沖擊波而持續上升，而導致下降的原因是在壓力作用下鋁箔紙被破壞導致了壓力泄放，第2個波峰則是反射波，所以可以判斷破膜時間為第1個波峰時間，為0.106 s。

圖6 P6爆炸超壓部分變化曲線Fig.6 Part changing curve of overpressure of P6

圖7 部分高速攝影儀圖片Fig.7 Part of pictures photographed by high speed camera

圖7為高速攝影儀拍攝的開口管道油氣爆炸的部分圖片。鋁箔膜在0.106 s在初始微弱前驅沖擊波的作用下破裂；而后在0.184 s開始有火焰噴出；在0.189 s時火焰完全噴出，經測量，火焰長度為3 m左右，火焰呈橢球型，寬度為1.5 m左右，大部分火焰區域為高亮白色，此時氧氣充足，油氣完全劇烈燃燒；在0.196 s時火焰基本噴射完畢，此時火焰為橙紅色，這是因為局部氧氣不足，油氣未能完全燃燒。在圖7中可以看出，之前先行破裂噴出的鋁箔膜被高速高壓的爆轟波追趕并被沖擊粉碎，從火焰噴出到熄滅的整個過程僅持續90 ms，可見呼吸管路油氣爆炸在形成爆轟之后的火焰傳播速度極快，爆炸超壓值較高，具有很強的破壞力。若在泄壓后方存在發生二次爆炸或者重新起燃的條件，則將引發新一輪的破壞，因此，需要對存在泄壓口、通風口等管道出口處設置一定安全泄放距離，最低應不得少于3 m。

3 結 論

本文以實際油庫呼吸管路為背景，利用23.3 m細長管道實驗臺架在密閉和泄壓條件進行了油氣爆炸模擬對比實驗，并分析和擬合了兩種工況下的細長管道油氣爆炸超壓和火焰速度發展規律，對泄壓條件下的泄爆口火焰進行了可視化研究。

研究結果表明：

(1)密閉和泄壓兩種工況下的細長直管道發生爆轟時，最大超壓值都在3 MPa以上，甚至有繼續增大的趨勢。密閉管道的沿程最大超壓先略有下降，后持續快速上升，其壓力變化趨勢分為點火延遲、前驅超壓、壓力波反射、振蕩衰減四個階段；泄壓管道的沿程最大超壓先略有下降，后快速上升再下降，最大超壓產生距末端的一定距離處，其超壓變化趨勢分為點火延遲、前驅超壓、負壓回流、平穩恢復四個階段。在起始階段的爆炸超壓值，兩種工況都會有一個下降過程，且泄壓管道發生爆轟的時間早于密閉管道。

(2)不管是泄壓還是密閉管道，管道長度的增加使火焰不斷加速，最終導致爆燃轉爆轟。在該細長管道中，距起爆點10 m～14 m為爆燃轉爆轟區間，對設置合理的泄放位置具有參考意義。一旦管道的弱約束處被破壞產生泄壓，則將使火焰進一步加速，爆燃賺爆轟的過程將提前。不同長度管道所處的超壓狀態依據破壞點所處的位置而定，本文僅考慮了單個泄壓點的狀況，多個破壞點及不同破壞程度等情況的具體規律還有待進一步研究。

(3)火焰傳播速度從發生爆轟后開始急劇增大，而且泄壓管道的增大速率比密閉管道更大。泄壓條件下的油氣爆炸管口噴射火焰長約3 m，寬約1.5 m，呈橢球型，對實際工程中的泄壓安全距離具有參考價值，避免發生二次破壞。