強點火作用下C3HF7對甲烷-空氣爆炸的抑制

蔡 闖，陳先鋒，員亞龍，黃楚原，袁必和,2，代華明

（1.武漢理工大學安全科學與應急管理學院，湖北 武漢 430070；2.武漢科技大學冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081）

在石化、煤化及天然氣行業中，可燃氣體輸送管道爆炸火災已經成為主要災害事故[1-2]。氣體爆炸會破壞管道的結構、周圍各類建筑及儀器設備，造成重大人員傷亡和經濟損失，所以亟需尋找新型綠色環保、阻火抑爆性能優越的抑爆劑。目前，國內外許多研究機構對于鹵烴類物質抑制甲烷[3-5]、氫氣[5-6]、乙烯[7]爆炸的阻火抑爆機理進行了大量的實驗研究和理論分析，以降低爆炸事故造成的嚴重危害。七氟丙烷（C3HF7）是一種新型滅火劑，由于不含Br、Cl元素，對大氣臭氧層不造成危害，且具有優良的阻火抑爆效果，已經成為當今抑爆劑研究的熱點。

針對七氟丙烷濃度、可燃氣體濃度對容器內的壓力變化及火焰傳播特征的影響，相關學者已開展了一些實驗研究。朱熹[8]發現在20 L球內，8%甲烷-空氣預混氣體在不同濃度的七氟丙烷作用下，最大爆炸壓力呈現出先增大后減小的趨勢，當七氟丙烷的體積分數為3%時達到峰值。薛少謙[9]發現在20 L爆炸特性測試系統中，利用高壓氣瓶向達到常壓的20 L球充入七氟丙烷對球內部的9.5%甲烷-空氣預混氣體進行惰化，當七氟丙烷的體積分數為17.4%時，20 L球內的混合氣體無法被點燃。任常興等[10]發現利用分壓法配置丙烷和七氟丙烷混合氣體，對于4%丙烷-空氣預混氣體，其爆炸火焰傳播速度會隨著七氟丙烷濃度的增加而逐漸減小，但低濃度的七氟丙烷會使可燃預混氣的最大爆炸壓力呈略微上升趨勢。李一鳴[11]發現在可視化豎管道中充入七氟丙烷惰化甲烷-空氣預混氣體，當七氟丙烷的體積分數在5%以下時，會加速當量比為0.6的甲烷-空氣預混氣體爆炸火焰的傳播，且最大爆炸壓力大于對照組；當七氟丙烷的體積分數在3%以下時，會加速當量比為0.8的甲烷-空氣預混氣體爆炸火焰的傳播。Li等[12]發現七氟丙烷能有效減弱E10（10%乙醇和90% 92號無鉛汽油的預混物）爆炸，當七氟丙烷的體積分數從1%增加到10%時，1.0 mL E10爆炸的最大爆炸壓力降幅從30%變為60%。魏樹旺等[13]發現在21 m長的油氣爆炸管道實驗系統中，提前向抑爆區噴入3 、4和5 kg七氟丙烷作為抑爆介質時，管道內的最大爆炸壓力隨著七氟丙烷質量的增加逐漸減小，火焰強度逐漸減弱。

上述針對七氟丙烷抑爆效果的研究中，將七氟丙烷與可燃氣體在一個狹小封閉空間內完全預混來分析七氟丙烷的抑爆效果[8-11]。但在實際的可燃氣管道運輸過程中，發生爆炸的管段不存在七氟丙烷，管道爆炸的防治是利用抑爆裝置在爆炸火焰還未到達前噴撒出抑爆介質，在抑爆范圍內形成一定濃度的抑爆屏障來阻斷爆炸火焰的傳播。因此有必要開展在固定管段充入七氟丙烷阻斷爆炸火焰傳播的實驗研究。本工作將系統研究在強點火條件下[14]不同濃度七氟丙烷對甲烷-空氣預混氣體爆炸的抑制效果，分析爆炸火焰在抑爆區的傳播過程和各管段爆炸壓力參數的變化，找到七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預混氣體爆炸火焰傳播的臨界濃度，為氣體爆炸的防治技術和抑制手段提供改進思路和指導依據。

1 七氟丙烷的抑爆原理

七氟丙烷（C3HF7），英文名為Heptafluoropropane，能從物理、化學兩方面對爆炸火焰進行抑制。七氟丙烷的物理特性：臨界溫度高（101.7 ℃），臨界壓力低（2.912 MPa），標準大氣壓下的沸點低（-16.4 ℃），所以在常溫下可液化儲存。在密閉可視化氣體爆炸實驗平臺中，當爆炸火焰傳播至抑爆區時，七氟丙烷分子可以隔斷部分甲烷與氧氣分子的接觸，起到窒息作用，減弱爆炸火焰強度及爆炸反應鏈的形成，七氟丙烷濃度越高，氧窒息作用越明顯。另外，七氟丙烷對爆炸火焰的化學抑制作用占主導地位，這也是它優于二氧化碳、氮氣等抑爆劑的原因。七氟丙烷屬于大分子，分子量為170，化學鍵會在爆炸高溫條件下斷裂，產生含氟的自由基，并與燃燒反應過程中產生鏈反應的O·、H·、OH·等活性自由基發生化學反應，從而中斷燃燒過程中化學鏈反應的傳遞[15]。故可使用七氟丙烷作為抑爆劑抑制爆炸火焰傳播。

2 實驗系統及方法

2.1 實驗系統

圖1 水平管道爆炸特性測試系統Fig.1 Horizontal pipeline explosion characteristic test system

實驗系統如圖1所示，由水平管道爆炸傳播測試管道系統、配氣系統、點火系統、高速攝影系統、數據采集系統及同步控制系統組成。水平氣體爆炸傳播測試管道系統由20 L爆炸球（頂部設有引爆保險絲頭）和組合管道構成，組合管道包括3段內徑60 mm、管長2.00 m、壁厚10 mm的圓管道和1段管道尺寸為0.5 m × 60 mm × 60 mm（壁厚20 mm）的方管道，通過法蘭、螺栓連接，總長6.50 m，總長徑比L/D= 108。方管道設有尺寸為420 mm × 72 mm的觀察窗，用以觀察火焰傳播形態。圓管道設有8個螺紋孔，方管道設置4個螺紋孔，以便安裝探測器及充裝氣體。在尾部端面法蘭上安裝實心圓盤，使爆炸在密閉空間內進行。選取實驗管道中間2.5 m長的管段為七氟丙烷抑爆區。管道系統內設置3個CYG1508型壓力傳感器（量程為0～4 MPa，測量誤差小于20 kPa），分別設置在20 L爆炸球內、距20 L球3.3 m處的抑爆區內和5.8 m處的管道末端。點火系統由延時點火器、起爆線、引爆保險絲頭等組成。本次實驗所使用的起爆源為5 J標準點火藥頭加20 L球內甲烷-空氣預混氣體，其爆炸能量遠高于本次實驗對象9.5%甲烷-空氣預混氣體的最小點火能0.391 5 mJ[16]，可在20 L球所形成的相對受限空間中產生較強的起爆能量，形成強點火[14]，然后向組合管道傳播。實驗采用HIOKI 8861-50型存儲記錄儀記錄和存儲爆炸壓力數據，采樣速率為10 kHz。采用Fastcam SA1.1高速攝像機記錄火焰傳播圖像，拍攝速率為 1 000 s?1。

2.2 實驗方法

實驗中所用的9.5%甲烷-空氣預混氣體的配制由配氣儀完成。根據實驗設計方案，計算出需要的甲烷及空氣的體積，通過電腦控制配氣儀，可得到體積分數為9.5%的甲烷-空氣預混氣體。配氣前先用真空泵將管道抽至真空狀態，隨后利用配氣儀控制通入甲烷-空氣預混氣體的體積至常壓。然后利用Alicat質量流量計控制流量（量程為0～20 L/min，精度為 ± 0.4%讀數 ± 0.2%滿量程），在七氟丙烷抑爆區管段等間距均勻設置了4個進氣口充入七氟丙烷，設置在管道末端的出氣口可排出多余的甲烷-空氣預混氣體，始終保持管段壓力為常壓。配氣時間為10 s，配完氣后及時關閉進氣口及出氣口，保證實驗在密閉條件下進行。由于七氟丙烷的施放速度較小，且七氟丙烷的相對分子質量為170，屬于大分子，故七氟丙烷抑爆介質在管道內的擴散速度較低[17]。在同步控制系統控制下，5 s后開始點火并記錄爆炸壓力數據和火焰傳播圖像。改變抑爆區的七氟丙烷濃度，重復上面步驟。為保證數據的可靠性，各工況進行3組實驗，當所測爆炸壓力峰值誤差小于5%時[18]，認為該工況數據真實準確。

3 實驗過程與結果分析

3.1 實驗過程

此次的實驗平臺是內徑為60 mm的水平管道，將管道中2.5 m長的管段（1段圓管道、1段方管道）做為七氟丙烷抑爆區。抑爆區的體積約為7.5 L，設計充入抑爆區的C3HF7體積分數分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%，具體設計方案見表1。將6個濃度梯度的實驗現象與實驗對照組進行對比，研究在強點火條件下不同濃度七氟丙烷對甲烷-空氣預混氣體爆炸的抑制效果，分析爆炸火焰在抑爆區的傳播過程和各管段爆炸壓力參數的變化，找到七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預混氣體爆炸火焰傳播的臨界濃度，為氣體爆炸的抑制手段提供指導依據。

表1 七氟丙烷體積對照表Table 1 Heptafluoropropane volume comparison table

3.2 結果分析

3.2.1 七氟丙烷對爆炸火焰傳播過程的影響

觀察窗設置于抑爆區末端，可觀測爆炸火焰能否通過抑爆區，圖2顯示了抑爆區內七氟丙烷體積分數分別為0%、1%、2%、3%、4%時對應的方管道處火焰發展圖像。需要指出的是，不同七氟丙烷濃度工況下，火焰發展對應單獨的時間列，各時間列之間沒有可比性；方管道玻璃窗口的長度為0.4 m。

從圖2（a）中可以清晰地看到，火焰剛進入觀察窗范圍內時，火焰明亮且火焰結構連續，為明顯的層流燃燒；到t= 230 ms時，形成平面火焰結構, 火焰開始向反方向傳播；到t= 242 ms時，火焰鋒面內凹，開始正向加速傳播。根據火焰結構與壓力波的理論，當預混氣體被點燃后，以點火源為中心，火焰沿各方向向未燃氣體傳播，火焰表面積迅速增大，而在火焰面預混氣體的反應過程中大量熱量的放出導致火焰面前方未燃氣體被壓縮，逐漸形成各向的壓縮波。在非絕熱燃燒階段，前驅壓縮波在管道尾部封閉端面發生反射后與火焰相向運動，阻礙火焰向前傳播，使火焰出現Tulip結構或鋒面變平。當反射沖擊波在點火端封閉端面處再次發生反射后，與火焰同向運動，使火焰加速向前傳播。由于實驗管道長徑比（L/D= 108）較大，火焰鋒面受到流場振蕩的影響，呈現出周期性的加速減速傳播現象[19]。

圖2 七氟丙烷濃度對9.5%甲烷-空氣爆炸火焰傳播過程的影響Fig.2 Effect of heptafluoropropane concentration on 9.5% methane-air explosion flame propagation process

由圖2（b）～圖2（e）可知，隨著七氟丙烷體積分數的增大，火焰傳播速度逐漸減緩，火焰亮度逐漸減弱，但體積分數在4%以下時，火焰傳播速度相比于對照組加快。當體積分數為 1%時，火焰能快速通過觀察窗，火焰變得沒有對照組明亮，且混雜了藍色火焰，火焰結構不連續；當體積分數為2%時，火焰亮度進一步減弱，由于七氟丙烷的作用，甲烷無法完全燃燒；當體積分數為3%及4%時，觀察窗范圍內只能觀察到零星火焰，但爆炸火焰仍能通過抑爆區。如圖3所示，當體積分數為5%時，只能觀測到片狀火焰，且迅速消失，無法傳播到觀察窗靠管道末端一側；當體積分數為6%時，只能觀測到點狀火焰，并迅速消失，無法傳播到觀察窗靠管道末端一側。

圖3 七氟丙烷濃度為5%及6%時對甲烷-空氣爆炸火焰傳播過程的影響Fig.3 Picture of effect of heptafluoropropane concentration of 5% and 6% on methane-air explosion flame propagation

綜合各工況可以看出，當七氟丙烷的體積分數為1%～4%時，爆炸火焰通過觀察窗的時間比對照組更短，李一鳴等[11]也曾發現低濃度的七氟丙烷加速當量比為0.6的甲烷-空氣預混氣體爆炸火焰傳播，這是由于七氟丙烷在分解后的類燃料性質[9,11]會促使熱當量比增加，從而促進爆炸反應加劇，所以低濃度的七氟丙烷不僅無法抑制爆炸火焰的傳播，而且與對照組相比，會使火焰傳播速度加快。七氟丙烷的體積分數從1%增加至4%時，整體火焰傳播過程逐漸減緩；當體積分數達到5%時，爆炸火焰無法通過長度為2.5 m的抑爆區，達到了阻斷爆炸火焰傳播的目的。相比于任常興等[10]以最大爆炸壓力處作為火焰傳播接觸球壁時刻及球體半徑為參數來計算爆炸火焰傳播速度，高速攝影采集的數據更可靠。同時，在魏樹旺等[13]研究的基礎上，找到了本實驗工況下七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預混氣體爆炸火焰傳播的最小體積分數。

3.2.2 七氟丙烷對爆炸壓力的影響

圖4為不同七氟丙烷體積分數下甲烷-空氣預混氣體最大爆炸壓力曲線。如圖4中黑色曲線所示，當抑爆區內七氟丙烷的體積分數為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時，I號傳感器探測到的最大爆炸壓力分別為0.236、0.238、0.227、0.226、0.221、0.208 和 0.193 MPa。當抑爆區內七氟丙烷的體積分數為1%時，爆炸壓力峰值高于無抑制劑的工況；隨著七氟丙烷體積分數的增大，最大爆炸壓力逐漸減小；當體積分數超過5%時，由高速攝影記錄可知爆炸火焰未通過抑爆區，位于抑爆區后的甲烷-空氣預混氣體未發生爆炸，此時的最大爆炸壓力降幅明顯增大；當體積分數為6%時，最大爆炸壓力已達到最小值0.193 MPa。

圖4 不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預混氣體最大爆炸壓力Fig.4 Pictures of maximum explosion pressure of methaneair mixture under different heptafluoropropane concentrations

如圖4中紅色曲線所示，當抑爆區內七氟丙烷的體積分數為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時，位于抑爆區內的II號傳感器探測到的最大爆炸壓力分別為0.192、0.176、0.179、0.213、0.172、0.180 和0.178 MPa。當體積分數為1%～3%時，最大爆炸壓力逐漸增大，在體積分數為3%時達到最高值0.213 MPa，與空爆對照組相比，增幅高達10.9%。原因是在爆炸高溫條件下七氟丙烷會發生熱分解，產生以氟化氫為主要成分的全氟烴類，使密閉空間內分子量增加，隨著抑爆區內七氟丙烷體積分數的升高，熱分解產生的氟化氫質量濃度越大，進而導致抑爆區內最大爆炸壓力增大。同時，七氟丙烷在分解后具有類燃料性質，會促使熱當量比增加，從而使爆炸反應加劇。七氟丙烷既具有抑爆的物理化學性能，其熱分解后的產物又會促進爆炸反應。當體積分數為1%～4%時，抑爆區內的最大爆炸壓力呈現先增大后減小的趨勢，體積分數為3%時達到峰值，與朱熹等[8]發現的規律相吻合；在其他5種工況下，爆炸壓力峰值始終小于無抑制劑工況，說明合理使用七氟丙烷的用量，可以抑制爆炸反應的進行。

如圖4中藍色曲線所示，當抑爆區內七氟丙烷的體積分數為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時，位于管道末端的III號傳感器探測到的最大爆炸壓力分別為0.227、0.226、0.225、0.220、0.207、0.195 和0.193 MPa，隨著七氟丙烷體積分數的增大，爆炸壓力峰值逐漸減小，且始終低于無抑爆劑的工況。當抑爆區沒有充入七氟丙烷時，最大爆炸壓力為0.227 MPa；而當抑爆區七氟丙烷的體積分數為5%和6%時，最大爆炸壓力分別為0.195 和0.193 MPa，下降了14.09%和14.98%。可以看出，抑爆區七氟丙烷的體積分數越大，管道末端的最大爆炸壓力越小，七氟丙烷的阻火隔爆效果越好。

3.2.3 七氟丙烷對爆炸升壓速率的影響

圖5為不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預混氣體爆炸升壓速率曲線。當抑爆區內七氟丙烷的體積分數為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時，I、II、III號傳感器探測到的最大爆炸升壓速率如表2所示。可以看出：I號傳感器探測到20 L球內的最大爆炸升壓速率隨著七氟丙烷體積分數的增大而減小；II號傳感器探測到抑爆區內的最大爆炸升壓速率呈現出不一樣的規律，當七氟丙烷的體積分數為1%和2%時，與對照組相比，降幅分別為28.7%和4.6%，說明在七氟丙烷的體積分數為2%時，高溫條件下七氟丙烷分解產生的類燃料性質對甲烷-空氣預混氣體爆炸的促進作用占據主導地位，使得最大爆炸升壓速率升高。當七氟丙烷的體積分數為2%～5%時，抑爆區內的最大爆炸升壓速率隨著七氟丙烷體積分數的增大而減小，說明此時七氟丙烷抑爆的物理化學性能占據主導地位，減弱了爆炸波的威力；III號傳感器探測到管道末端的最大爆炸升壓速率在總體趨勢上隨著七氟丙烷濃度的增加而逐漸減小。從表2可以看出，當七氟丙烷的體積分數為5%時，I、II、III號傳感器探測到的最大爆炸升壓速率的降幅比前4組實驗顯著增大，與對照組相比，降幅分別為46.1%、46.7%、41.5%，說明七氟丙烷的體積分數達到5%后，長度為2.5 m的七氟丙烷抑爆區能阻斷9.5%甲烷-空氣預混氣體爆炸火焰的傳播，使管道各處爆炸壓力上升速率顯著降低。

圖5 不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預混氣體爆炸升壓速率曲線Fig.5 Explosion rate of pressure rise for methane-air premixed gas under different heptafluoropropane concentrations

表2 不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預混氣體爆炸最大爆炸升壓速率Table 2 Maximum rate of pressure rise of methane-air premixed gas explosion under different heptafluoropropane concentrations

4 結 論

借助高速攝影技術，開展了強點火作用下不同濃度C3HF7對甲烷-空氣爆炸火焰傳播的抑制研究，分析實驗現象及數據，得到如下結論。

（1）在強點火作用下，對于長度為6.5 m的封閉管道，當抑爆區長度為2.5 m時，七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預混氣體爆炸火焰傳播的最小體積分數為5%。

（2）對甲烷-空氣預混氣體爆炸火焰傳播的影響：當七氟丙烷的體積分數為1%～4%時，爆炸火焰通過觀察窗的時間比對照組更短，低濃度的七氟丙烷不僅無法阻斷爆炸火焰的傳播，而且與對照組相比，會使火焰傳播速度加快；當七氟丙烷的體積分數達到5%時，爆炸火焰無法通過長度為2.5 m的抑爆區，達到了阻斷爆炸火焰傳播的目的。

（3）對實驗管道內爆炸壓力方面的影響：當七氟丙烷的體積分數為1%～6%時，爆炸源及管道末端處的爆炸壓力峰值隨著七氟丙烷體積分數的增加而逐漸減小；當七氟丙烷的體積分數為3%時，抑爆區處的爆炸壓力峰值與對照組相比增幅為10.9%。在其他5種工況下，抑爆區內的爆炸壓力峰值始終小于對照組。研究表明，七氟丙烷對甲烷-空氣預混氣體爆炸有良好的抑制作用，在使用過程中可根據使用場所合理確定七氟丙烷用量，保證抑爆區域內七氟丙烷濃度達到抑爆濃度以上。