稀土金屬材料填充方式對(duì)預(yù)混氣體爆炸特性抑制研究*

趙 齊，陳先鋒，代華明，尹姝慧，王曉彤，張洪銘，黃楚原

（武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)體系日趨完善，高效能的易燃易爆物的應(yīng)用愈加廣泛，但隨之而來的安全問題同樣不可忽視。易燃易爆氣體（液體）的泄漏[1]，或是其儲(chǔ)存容器受到外在因素（明火、撞擊、雷擊、靜電等）而導(dǎo)致的爆炸事故屢見不鮮，造成了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失和社會(huì)影響[2-4]。因此，預(yù)防爆炸事故的發(fā)生，確保易燃易爆氣體（液體）儲(chǔ)存器的安全，對(duì)工業(yè)安全生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)具有重要的實(shí)際意義。

易燃易爆氣體（液體）的爆炸特性受諸多因素的影響，許多學(xué)者為探究其爆炸反應(yīng)過程及爆炸特性已進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Li 等[5]研究了H2/CH4/空氣和CH4/煤塵/空氣混合物的爆炸特性以及爆炸產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)煤自燃產(chǎn)生的氫分子顯著增強(qiáng)了爆炸強(qiáng)度。Wang 等[6]采用WENO 方法和兩步化學(xué)反應(yīng)模型，證明了障礙物的存在使爆燃波多次反射且爆炸強(qiáng)度提高。Huo 等[7]對(duì)液化石油氣爆炸過程進(jìn)行了研究并提出了一種簡(jiǎn)單的火焰?zhèn)鞑ツＰ停Y(jié)果表明火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于湍流燃燒速度和膨脹比。Ciccarelli 等[8]確定了在火焰?zhèn)鞑ミ^程中障礙物對(duì)沖擊波的影響及其與沖擊波的相互作用。Yu 等[9]研究了不同空心形狀障礙物對(duì)甲烷爆炸特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在三角形空心方形障礙物下火焰的湍流強(qiáng)度最高，傳播速度最快，而圓形下的最低。

多孔介質(zhì)對(duì)易燃易爆危險(xiǎn)品的燃燒和爆炸同樣具有重要影響。Dai 等[10]探究了多孔介質(zhì)燃燒器中低濃度瓦斯的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)可使低濃度瓦斯燃燒更高效。喻健良等[11]確定了多孔絲網(wǎng)對(duì)乙炔/空氣和丙烷/空氣混合氣的燃爆具有一定的抑制作用。Babkin 等[12]研究了4 種多孔介質(zhì)對(duì)甲烷/空氣和丙烷/空氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀l(fā)現(xiàn)火焰受到抑制并發(fā)生淬熄。Nie 等[13]研究了泡沫陶瓷對(duì)瓦斯爆炸的影響，并分析了泡沫陶瓷影響瓦斯爆炸傳播的機(jī)理，結(jié)果表明泡沫陶瓷的特殊結(jié)構(gòu)有助于抑制瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ゲ⒁种票_擊波超壓。Pang 等[14]將網(wǎng)狀鋁合金材料應(yīng)用于氫氣/空氣混合氣的爆燃特性研究，結(jié)果表明傳統(tǒng)的網(wǎng)狀鋁合金材料不僅不能有效抑制氫氣的爆燃，而且提高了其最大爆炸壓力。Lv 等[15]研究了網(wǎng)狀鋁合金材料對(duì)不同氫氣濃度的氫氣/甲烷/空氣預(yù)混氣體的抑爆效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀鋁合金無法作為高氫氣含量的碳?xì)浠旌蠚獾囊直牧稀?/p>

為預(yù)防爆炸事故的發(fā)生，減弱爆炸威力，學(xué)者們探究了不同特征的障礙物對(duì)氣體爆炸特性的影響，研究結(jié)果對(duì)可燃性油氣的防火防爆具有一定的指導(dǎo)意義。工業(yè)中儲(chǔ)存易燃易爆物的容器形狀各有特點(diǎn)，容器內(nèi)爆炸障礙物單一的填充方式有時(shí)無法實(shí)現(xiàn)最佳的抑爆效果，同時(shí)抑爆材料形狀的改變也會(huì)對(duì)易燃易爆物的爆炸威力產(chǎn)生重要影響。為此，本文中利用20 L 球形爆炸裝置，開展實(shí)驗(yàn)，探究新型多孔稀土金屬材料的不同填充方式對(duì)預(yù)混氣體爆炸特性的影響，旨在為易燃易爆物質(zhì)的貯存和輸運(yùn)設(shè)備提供更多種抑爆材料填充方式的選擇，進(jìn)而提高設(shè)備的安全性。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

傳統(tǒng)的鋁合金網(wǎng)狀材料的強(qiáng)度、延伸率有限，在使用過程中容易產(chǎn)生碎片且在高溫高壓的燃爆環(huán)境中耐高溫、抗熱裂性能較差，加入稀土金屬后，材料的力學(xué)性能可得到大幅度的增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中采用的稀土金屬多孔材料，由下列化學(xué)成分按質(zhì)量百分比制成：Mg，（0.8～1.8）%；Fe，（0.3～0.5）%；Si，（0.3～0.6）%；Mn，（0.8～1.8）%；Cu，（0.1～0.2）%；Zn，（0.1～0.2）%；稀土金屬（Y、Ce、La、Sc）（0.45～1.0）%；余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)。通過對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，將鋁鎂合金經(jīng)過稀土金屬改性后，使得鋁鎂合金材料具有強(qiáng)度高、韌性好，耐腐蝕、抗熱裂能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[16]。多孔材料多應(yīng)用于易燃易爆氣體（液體）容器的填充，用于預(yù)防爆炸事故的發(fā)生。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，將實(shí)驗(yàn)材料分為球狀和片狀，用于爆炸球內(nèi)的填充，如圖1 所示。

圖 1 實(shí)驗(yàn)材料及填充方式Fig. 1 Experimental materials and filling patterns

球狀材料是由片狀材料卷制成小圓柱體后等距離切割揉制而成，其半徑為1.0～1.5 cm；片狀材料是厚度為0.01～0.05 mm 的稀土鋁鎂合金箔，利用切縫機(jī)切縫后拉制成網(wǎng)格形，其剪切口長度為1 cm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中采用容積為20 L 的標(biāo)準(zhǔn)爆炸球，主要包括爆炸球體、點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、可編程邏輯控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如圖2 所示。可編程邏輯控制系統(tǒng)使數(shù)據(jù)采集儀和點(diǎn)火系統(tǒng)保持邏輯同步，觸發(fā)點(diǎn)火開關(guān)后立即啟動(dòng)采集系統(tǒng)，壓力傳感器量程為0～2 MPa，測(cè)量誤差小于±1% FS。壓力傳感器產(chǎn)生的壓力信號(hào)，通過電荷放大器轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)后，傳輸至數(shù)據(jù)采集儀。采用能量為5 J 的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火藥頭，中心式點(diǎn)火。在實(shí)驗(yàn)開關(guān)觸發(fā)后點(diǎn)火藥頭瞬間爆炸產(chǎn)生火花，從而引燃預(yù)混氣體。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，采用控制變量法，在留空率和填充密度的基礎(chǔ)上探究多孔材料的不同填充方式對(duì)甲烷爆炸的影響。其中，留空率是指阻隔防爆材料填充罐體時(shí)，未填充空間的容積與罐體容積之比；填充密度是指阻隔防爆材料填充罐體時(shí)，單位容積內(nèi)阻隔防爆材料的質(zhì)量，如圖3 所示。針對(duì)球狀材料的填充，為保證罐體內(nèi)材料均勻分布，在材料填充之前，先把所需填充的材料分成若干等份，再將材料逐份均勻加入罐體，并盡可能使每份材料填充結(jié)束之后罐體內(nèi)材料保持同一水平面。片狀材料的填充是通過固定中心圓柱，將片狀材料逐層纏繞成空心圓柱形，以保證其對(duì)稱均勻性。

圖 2 20 L 球形爆炸裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram for the 20 L spherical explosive device

圖 3 填充示意俯視圖Fig. 3 Schematic top view of filling

實(shí)驗(yàn)開始前，按照?qǐng)D2 將設(shè)備連接并進(jìn)行調(diào)試，確保設(shè)備正常運(yùn)行。按照實(shí)驗(yàn)方案的要求將多孔稀土金屬材料填充到球體中，安裝點(diǎn)火藥頭并封閉球體，然后進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)球體內(nèi)壓力為-0.098 MPa 時(shí)關(guān)閉真空泵。隨后，通過配氣系統(tǒng)將已預(yù)先混合均勻的、甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5 %的甲烷-空氣預(yù)混氣體導(dǎo)入球體內(nèi)，直至真空表指示壓力為0，關(guān)閉閥門，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，為保證實(shí)驗(yàn)的精確度，每組實(shí)驗(yàn)至少進(jìn)行3 次，且在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后都要對(duì)球體內(nèi)進(jìn)行氣體清洗。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同留空率下填充方式對(duì)甲烷爆炸壓力的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案要求，在保持填充密度為15 kg/m3的條件下，選取留空率為5%、10%、20%及50%填充多孔材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不同留空率下球狀材料對(duì)甲烷爆炸壓力的影響，如圖4（a）所示。從圖4（a）可知，在留空率為100%時(shí)，即空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，其甲烷最大爆炸壓力為0.983 MPa。在爆炸前期，爆炸壓力曲線出現(xiàn)了小的波峰，這是因?yàn)樵邳c(diǎn)火初期，點(diǎn)火藥頭的小范圍爆炸對(duì)周圍氣體壓力擾動(dòng)的影響。隨著時(shí)間的推移，甲烷被完全引燃，爆炸壓力先升高后降低。球狀多孔材料的存在，使得容器內(nèi)部被分割成許多小的單元，火焰在傳播過程中被分割成無數(shù)的微小的火焰團(tuán)，火焰團(tuán)與多孔材料發(fā)生作用，其大量熱量被吸收，最終發(fā)生淬熄，無法引燃剩余燃料，導(dǎo)致爆炸波傳播迅速減弱，爆炸壓力降低[17]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，甲烷爆炸壓力隨著留空率的降低而降低。

為比較球狀和片狀兩種不同填充方式下材料的阻隔防爆性能，研究了不同留空率下片狀材料對(duì)甲烷爆炸壓力的影響，如圖4（b）所示。從圖4 可以看出，片狀和球狀兩種不同填充方式下，甲烷爆炸壓力的變化規(guī)律基本一致，隨著留空率的降低，最大爆炸壓力逐漸降低。這是因?yàn)椋瑺畈牧系南嗷ゲ灰?guī)則貼合的特點(diǎn)且外部呈現(xiàn)圓柱形網(wǎng)狀墻可近似為阻塞率較大的障礙物，對(duì)爆炸壓力的傳播具有較強(qiáng)的阻礙作用[18]，火焰在通過片狀材料時(shí)，大量火焰被阻隔而發(fā)生熄滅。此外，片狀材料內(nèi)部表現(xiàn)為狹小空間且錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)火焰?zhèn)鞑ゾ哂忻黠@的抑制作用，同時(shí)器壁效應(yīng)的存在使得火焰燃燒強(qiáng)度不斷被削弱，火焰最終發(fā)生淬熄，因此爆炸壓力衰減更明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在填充密度不變的條件下，片狀材料對(duì)甲烷最大爆炸壓力的抑制效果優(yōu)于球狀材料的。

圖 4 不同留空率下甲烷爆炸壓力曲線Fig. 4 Pressure-time curves of methane explosion at different blank rates for two filling patterns

2.2 不同填充密度下填充方式對(duì)甲烷爆炸壓力的影響

在保持留空率為5%的條件下，對(duì)不同填充密度的多孔材料下甲烷爆炸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中填充質(zhì)量隨著填充密度的增大而增大。圖5（a）所示為球狀材料在不同填充密度下的爆炸壓力曲線。由圖5（a）可知，當(dāng)填充密度為10、15、20、25 kg/m3時(shí)，甲烷最大爆炸壓力分別為0.241、0.178、0.131、0.091 MPa。其中，當(dāng)填充密度為25 kg/m3時(shí)，壓力較低，此工況下甲烷預(yù)混氣已不算發(fā)生爆炸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著填充密度的增大，甲烷爆炸壓力降低。

圖5(b)所示為片狀材料在不同填充密度下的爆炸壓力曲線，從圖5(b)可以看出，當(dāng)片狀材料的填充密度為10、15、20、25 kg/m3時(shí)，甲烷最大爆炸壓力分別為0.110、0.097、0.084、0.076 MPa，爆炸壓力隨著填充密度的增大而降低。在留空率一定的條件下，填充密度的不同意味著填充材料的質(zhì)量的不同，填充質(zhì)量隨著填充密度的增大而增加。在材料的填充區(qū)域內(nèi))圖3 中陰影部分)，多孔材料填充質(zhì)量越大，其多孔材料的個(gè)體之間的距離就越小，擠壓程度越大且內(nèi)部空間越小，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中更多火焰與多孔材料發(fā)生碰撞而導(dǎo)致熄滅，爆炸壓力減弱更明顯，由圖5 可知填充密度越大，對(duì)甲烷抑爆效果越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)填充密度一定時(shí)，片狀材料抑爆性能更佳。

圖 5 不同填充密度下甲烷爆炸壓力隨時(shí)間的變化曲線Fig. 5 Pressure-time curves of methane explosion at different packed densities

2.3 稀土金屬材料對(duì)最大壓力下降幅度、最大壓力上升速率和爆炸指數(shù)的影響

為進(jìn)一步比較片狀和球狀材料的阻爆性能，綜合分析多孔材料對(duì)最大壓力下降幅度（drop rate of maximum explosion pressure，DMEP） ηdmep、甲烷爆炸最大壓力上升速率（dp/dt）max以及爆炸指數(shù)Kst的影響，其中，最大壓力下降幅度：

爆炸指數(shù)[19]：

圖6 所示為不同留空率下，最大壓力下降幅度、最大壓力上升速率、爆炸指數(shù)的變化曲線。在保持填充密度不變的條件下，留空率的增大，間接地減少了材料的填充質(zhì)量。由于未填充材料區(qū)域（圖3中空白部分）的逐漸增大，爆炸反應(yīng)初期可以參與完全燃燒的甲烷的量增加。爆炸發(fā)生時(shí)，留空率越大，更有利于爆炸過程的發(fā)展，從而甲烷爆炸最大壓力上升速率以及爆炸指數(shù)均隨留空率的增大而增大，但最大壓力下降幅度逐漸減小。在球狀材料下，當(dāng)留空率從10%增大至20%，最大壓力上升速率和爆炸指數(shù)增幅較大；當(dāng)留空率為5%時(shí)，最大壓力上升速率和爆炸指數(shù)最小，分別為2.93 MPa/s、0.79 MPa·m/s。片狀材料下，留空率為5%時(shí)，壓力上升速率和爆炸指數(shù)分別為1.44 MPa/s、0.39 MPa·m/s。從圖7 可以看出，在片狀材料下，最大壓力下降幅度高達(dá)90.2%，對(duì)甲烷的抑爆效果俱佳。

圖7 所示為不同填充密度下甲烷最大爆炸壓力上升速率以及爆炸指數(shù)曲線，由圖7 可知最大壓力上升速率和爆炸指數(shù)都與填充密度呈反比例關(guān)系。在保持留空率不變的條件下，多孔材料填充密度的不同對(duì)甲烷爆炸的發(fā)展過程影響也不同，在發(fā)生爆炸時(shí)，由于材料填充密度不斷增大，提供爆炸反應(yīng)的自由基更多地吸附在多孔材料中而無法繼續(xù)維持剩余燃料的燃燒，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)中斷，爆炸過程被阻斷，因此甲烷最大壓力上升速率和爆炸指數(shù)不斷減小。但片狀材料下，隨著填充密度的增大，最大壓力下降幅度增大，而最大壓力上升速率及爆炸指數(shù)不斷減小，但三者變化幅度均較小。與圖6 比較發(fā)現(xiàn)，片狀材料下，填充密度的增大對(duì)甲烷抑爆的效果更佳，最大壓力下降幅度可達(dá)92.2%，最大壓力上升速率和爆炸指數(shù)均低于球狀材料條件下的實(shí)驗(yàn)值，進(jìn)一步說明片狀材料的作用效果優(yōu)于球狀材料的。

圖 6 不同留空率下甲烷爆炸特性參數(shù)Fig. 6 Parameters for methane explosion characteristics at different blank rates

圖 7 不同填充密度下甲烷爆炸特性參數(shù)Fig. 7 Parameters for methane explosion characteristics at different packed densities

2.4 不同填充方式下多孔材料對(duì)甲烷爆炸的阻火抑爆機(jī)理

圖8 所示為不同填充方式下多孔材料的阻火抑爆機(jī)理，并結(jié)合其他學(xué)者的相關(guān)研究進(jìn)行分析。其中，圖8（a）展示了填充球狀材料后甲烷燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的自由基、爆炸壓力波及爆炸火焰所受到的影響。一方面，甲烷燃燒初期所產(chǎn)生的自由基與多孔材料接觸，部分自由基被吸附，從而導(dǎo)致燃燒反應(yīng)鏈中斷；另一方面，火焰與多孔材料碰撞發(fā)生熱傳遞，熱量被吸收，且火焰由于多孔結(jié)構(gòu)被撕裂成眾多小的火焰團(tuán)，加之自由基的減少，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)無法繼續(xù)進(jìn)行，從而使爆炸反應(yīng)終止。此外，爆炸壓力波在球狀材料之間以及球狀材料內(nèi)狹小的孔隙中傳播，導(dǎo)致壓力逐層被削弱，爆炸壓力逐漸減小。圖8（b）為片狀材料的阻火抑爆機(jī)理，與球狀材料不同的是：片狀材料層層的相互疊加，且錯(cuò)綜復(fù)雜的貼合，使得多孔材料形成極大阻塞率的障礙物，其中多孔材料本身特性與障礙物阻隔的雙重作用對(duì)爆炸壓力、火焰及自由基吸附的影響更甚，且每層片狀材料之間相距較小，已穿過火焰無足夠空間用于引燃未燃混合氣，火焰的存在量逐級(jí)減少，從而導(dǎo)致爆炸威力減弱。綜上可知，片狀材料抑爆性能更佳于球狀材料。

圖 8 不同填充方式下多孔材料的阻火抑爆機(jī)理Fig. 8 Mechanism of fire retardation and explosion suppression by porous materials in different filling patterns

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)在留空率和填充密度2 個(gè)影響因素條件下，探究了球狀和片狀2 種不同填充方式下多孔稀土金屬材料對(duì)甲烷爆炸特性的影響，得到以下結(jié)論：

（1）甲烷爆炸壓力、最大壓力上升速率和爆炸指數(shù)均與留空率呈正比例關(guān)系，與填充密度呈反比例關(guān)系，片狀材料下的最大壓力下降幅度大于球狀材料下的。

（2）片狀材料抑爆性能優(yōu)于球狀材料，片狀材料層與層的相互疊加、錯(cuò)綜復(fù)雜的貼合，使得多孔材料形成阻塞率極小的障礙物，加之多孔材料本身的特性與障礙物阻隔的雙重作用對(duì)爆炸威力的影響更甚。

（3）片狀和球狀材料對(duì)甲烷爆炸的主要抑爆機(jī)理存在差異，前者主要是通過阻礙火焰?zhèn)鞑ヒ赃_(dá)到火焰淬熄并減弱爆炸威力，后者主要是通過材料良好的導(dǎo)熱性能吸收熱量以及吸附燃燒反應(yīng)自由基，破壞燃燒反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，減弱爆炸威力。