不同管徑管道油氣惰化抑爆實驗研究

胡文超 杜揚 梁建軍 張培理 劉沖

摘? ? ? 要：為了驗證不同尺度空間油氣惰化抑爆效果是否相同，在不同管徑的模擬管道實驗臺架上進行了油氣惰化抑爆實驗，得到油氣爆炸的爆炸超壓、火焰速度及火焰強度數據，對比各管徑下的抑爆效果。結果表明：最大超壓峰值和平均升壓速率的減小幅度隨著管道直徑增加而單調遞增;火焰強度和火焰傳播速度下降幅度隨著管道直徑增加先增加后減小。

關? 鍵? 詞：油庫安全;油氣爆炸;惰化抑爆

中圖分類號：TE88? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）09-1910-05

Abstract： In order to verify the effect of oil-gas inerting and explosion suppression in different scale spaces， oil-gas inerting and explosion suppression experiments were carried out on simulated pipeline test benches of different pipe diameters， and the explosion overpressure， flame velocity and flame intensity data of oil-gas explosion were obtained， the explosion suppression effect under each pipe diameter was compared. The results showed that the decrease of the maximum overpressure peak and the average boost rate increased monotonically with the increase of the pipe diameter; the decrease of the flame intensity and flame propagation speed increased first and then decreased with the increase of the pipe diameter.

Key words： Oil depot safety; Oil-gas explosion; Inerting and explosion suppression

油氣（包括原油、成品油和天然氣）作為國家重要的能源戰略物資，對國民經濟乃至居民生活都具有舉足輕重的作用。然而，油氣又是常見的易燃易爆品，十分容易造成起火爆炸事故。近十幾年來，油氣爆炸事故處于高發狀態，例如2005年倫敦Buncefield油庫大爆炸、2009年印度石油有限公司油氣爆炸事故、2013年山東青島原油輸油管線爆炸事故等。所以，對受限空間油氣爆炸抑制過程開展相應的實驗和數值分析研究工作，不僅有學術價值，更具有重大的經濟和社會意義。

對油氣爆炸的控制，一方面是對火焰面和壓力波的控制，另一方面就是對流場內火焰和壓力波的解耦過程。在氣體爆炸控制領域，人們最早進行的是容積式密閉容器中的爆炸的研究（指無激波生成的容器爆炸）。從氣體爆炸的控制手段上看，主要有液態細水霧抑爆[1-2]、惰性顆粒抑爆[3-4]和惰性氣體抑爆[5-10] 3種手段。而惰性氣體抑爆是目前國際可燃氣體抑爆領域公認的較為有效的手段。二氧化碳、氮氣等是常用的惰性氣體。惰性氣體抑爆的主要原理：把惰氣填充到可燃氣體中后，這些惰氣并不參加燃燒反應，降低了可燃氣體和氧氣的體積分數，使其達不到燃燒發生的條件，起到對燃燒和爆炸的抑制效果。

然而從掌握的文獻資料[11]來看，可燃氣體爆炸抑制的實驗大多局限于實驗室條件下的小尺度實

驗[12]，缺乏大尺度實驗臺架上的實驗數據。所以本實驗將在直徑為0.15、0.35、0.50、0.70 m的4種管道內完成油氣爆炸的N2預混惰化抑爆實驗。本文中涉及的可燃氣體實際上是油蒸氣和空氣的混合物，在N2預混條件下，N2作為油氣爆炸的抑制介質，初始O2體積分數是衡量坑道內“惰化”程度的關鍵參數。實驗研究了管道管徑對抑制油氣爆炸效果的影響。

1? 實驗系統與方法

1.1? 實驗裝置

實驗系統主要由模擬管道、汽油蒸氣發生裝置、氮氣發生裝置、循環泵、點火器、DHDAS動態數據采集系統、計算機組成，其布置示意圖如圖1所示。沿管道設置壓力傳感器、火焰信號傳感器（測量火焰強度和火焰速度）兩個氣體取樣口，與CH紅外分析儀（測量油氣體積分數）、氣體分析儀（測量O2體積分數）相連。

1—管道;2—球閥; 3—N2發生系統; 4—O2瓶;5—N2瓶;6—油氣霧化裝置;7—循環泵;8—計算機;9—點火系統;10—點火頭;11—數據采集系統。

1.2? 實驗步驟

1）根據實驗需要確定實驗工況;

2）將循環泵、點火器、壓力傳感器、氣體分析儀等連接在實驗臺架上，并將點火器、壓力傳感器的外部觸發接口與同步觸發控制器連接;

3）調試各實驗設備，并測試實驗系統氣密性;

4）啟動真空循環泵，向坑道內充入一定量的N2，通過氣體分析系統實時監測實驗臺架內的O2體積分數，使之穩定在實驗所需的值，用循環泵循環均勻后，再向管道內加體積分數為1.2%的油蒸氣，通過氣體分析系統實時監測實驗臺架內的油氣體積分數，使之穩定在實驗所需的值，并將混合氣循環均勻;

5）斷開氣體分析儀與實驗臺架的連接，密封好實驗臺架，并關閉循環配氣管路上的防爆閥;

6）設置好各數據采集儀器的采樣步長和頻率，通過同步觸發器啟動點火系統，點燃油氣混合氣，同時，各數據采集設備開始工作，采集實驗數據;

7）記錄、存儲實驗數據，整理實驗設備。

2? 結果與分析

2.1? 管徑對油氣爆炸超壓的影響

表1是未惰化時不同管徑下爆炸超壓參數。表2至表6是不同初始氧體積分數時不同管徑下爆炸超壓參數。

從表1至表6可以看出，管道尺度對油氣爆炸超壓特性的影響，在不同氧氣體積分數下是基本一致的，其主要的影響規律如下：

1）超壓峰值隨著管道直徑增加而增加。這是因為在本文的實驗條件下，直徑越大，對應的容器體積越大，凈油氣質量越大，在爆炸過程中釋放的能量越多，因此超壓峰值越大。

2）達到峰值的時間隨著管道直徑的變大而減小。這主要是因為，管道直徑越大，體積越大，爆炸反應越劇烈，導致火焰速度增大，因此火焰在從點火源處傳播至管壁處的時間越短，火焰從點火端傳播至尾端的時間也就越短。

3）平均升壓速率隨著管徑的增大而增大。這主要是因為，超壓峰值隨著管徑的增大而增大，而達到超壓峰值的時間卻隨著管徑的增大而減小，這主要是火焰速度增大的緣故。

上述現象說明管道管徑對于爆炸超壓有強化作用，管道尺度增加，最大爆炸超壓呈單調增加趨勢。這種現象的主要原因是管道尺度增加，反應容器的容積增加，使得壓力波在管壁處的反射波和衍射波匯集、疊加形成復雜的爆炸波系帶來的壓力增強作用更明顯。管道的尺度越大，受限空間內越容易發生大規模油氣的擾動，擾動加速了油氣的燃燒化學反應，繼而加速了壓力的傳播。因此管道尺度越大，爆炸過程中壓力波陣面爆炸超壓峰值越大，發生的化學反應燃燒速率和熱釋放速率就越大。

根據表1-表6，我們可以得到不同氧氣體積分數下，爆炸超壓參數下降幅度隨管道直徑變化數據，然后繪制成圖2、圖3。

從圖2、圖3可以看出，管道尺度、初始氧體積分數對油氣爆炸超壓特性均有重要影響，但管道尺度影響帶來的爆炸超壓變化規律在不同氧氣體積分數下是基本一致的。其主要的影響規律如下。

1）最大超壓峰值的減小幅度隨著管道直徑增加而單調遞增。

2）平均升壓速率的減小幅度隨著管徑的增大而增大。

3）初始氧氣體積分數對爆炸超壓有重要影響，且不同初始氧氣體積分數對爆炸超壓的影響規律是一致的，初始氧氣體積分數越低，油氣爆炸超壓峰值和平均升壓速率減小幅度越大。這主要是制約油氣爆炸火焰反應放熱的關鍵就是氧氣體積分數，初始氧氣體積分數越高，越接近最佳當量比，釋放的反應熱越多，從而達到的超壓峰值越高。

導致油氣爆炸超壓和升壓速率下降幅度增大的主要原因有2個：一是管道壁面對爆炸的冷卻和摩擦帶來的壓力減弱作用。管道直徑越大，反應容器的表面積越大，管道壁面與火焰陣面的接觸面積越大，對爆炸的冷卻和摩擦帶來的壓力減弱作用越強。二是通入惰性氣體，稀釋了反應物和氧氣的體積分數，初始氧氣體積分數降低，抑制了反應的進行。

2.2? 管徑對爆炸火焰傳播的影響

從表7至表12可以看出，管道尺度對油氣爆炸火焰傳播特性的影響，在不同氧氣體積分數下是基本一致的。其主要的影響規律如下：

1）火焰強度隨著管道直徑增加而增加。這是因為在本文的實驗條件下，直徑越大，對應的容器體積越大，凈油氣質量越大，化學反應越劇烈，單位時間釋放的能力越多，造成的火焰亮度越大。

2）火焰持續時間隨著管道直徑的變大而變大。這主要是因為，管道直徑越大，體積越大，容器的特征尺度越大，火焰在一定傳播速度下，火焰在從點火源處傳播至管壁處的時間越長，因此造成了火焰持續時間隨著管道直徑的變大而變大。

3）火焰傳播速度隨著管徑的增大而增大。這主要是因為，管徑越大對應的管道體積就越大，油氣被點燃后，容器的空間尺度越大，引起的湍流度就越大，而火焰傳播速度與湍流度正相關，因此造成了火焰傳播速度隨著管徑的增大而增大。

另外，隨著爆炸管道尺度的增加，火焰的強度、傳播速度及持續時間都在增加，爆炸過程更加劇烈，所產生的破壞性也更為強烈。這是由于管道內油氣爆炸過程是壓力和火焰的動態發展過程，受邊界條件的限制，這一過程除火焰和壓力的正反饋作用機制外，還伴隨火焰波和壓力波相互作用與耦合。火焰波與壓力波正反饋，所以導致爆炸火焰的強度、傳播速度隨管道尺度的增加而增加，這與爆炸壓力具有相同的規律。

根據表7至表12中不同氧氣體積分數下，爆炸超壓參數下降幅度隨管道直徑變化規律數據，繪制成圖4和圖5。

從圖4、圖5可以看出，管道尺度、初始氧氣體積分數對油氣爆炸超壓特性均有重要影響，但管道尺度影響帶來的爆炸超壓變化規律在不同氧氣體積分數下是基本一致的。其主要的影響規律如下：

1）火焰強度下降幅度隨著管道直徑的增大先增大后減小。

2）火焰傳播速度的減小幅度隨著管徑的增大先增大后減小。

3）初始氧氣體積分數對火焰行為特性有重要影響，初始氧氣體積分數越低，火焰行為特性減小幅度越大。這主要是制約油氣爆炸火焰反應放熱的關鍵就是氧氣體積分數，初始氧氣體積分數越高，越接近最佳當量比，釋放的反應熱越多，從而達到的超壓峰值越高。

導致油氣爆炸火焰行為特性參數下降的主要原因有2個：一是管道壁面對爆炸的冷卻和摩擦帶來的壓力減弱作用。管道直徑越大，反應容器的表面積越大，管道壁面與火焰陣面的接觸面積越大，壁面的冷卻和摩擦作用使得火焰受到干擾減弱，使得火焰強度大大降低。二是通入惰性氣體，稀釋了反應物和氧氣的體積分數，初始氧氣體積分數降低，抑制了反應的進行，使得火焰強度和傳播速度變小。

3? 結 論

1）最大超壓峰值的減小幅度隨著管道直徑增加而單調遞增。初始氧氣體積分數越低，油氣爆炸超壓峰值和平均升壓速率減小幅度越大。

2）平均升壓速率的減小幅度隨著管徑的增大而增大。初始氧氣體積分數越低，油氣爆炸平均升壓速率減小幅度越大。

3）火焰強度下降幅度隨著管道直徑增加先增加后減小。初始氧氣體積分數越低，火焰強度下降幅度越大。

4）火焰傳播速度的減小幅度隨著管徑的增大先增加后減小。初始氧氣體積分數越低，火焰傳播速度的減小幅度越大。

參考文獻：

[1]HOU S S，YANG S S，CHEN S J et al .Interactions for flames in a coaxial flow with a stagnation point[J] .Combustion and Flame， 2013，132（1-2）：58.

[2]劉咂亞，陸守香，秦俊，等. 水霧抑制氣體爆炸火焰傳播的實驗研究[J]. 中國安全科學學報，2003（8）：71-77.

[3]魏樹旺，蔣新生，齊圣.油氣爆炸抑制實驗裝置的抑爆特性[J]. 后勤工程學院學報，2016（5）：43-48.

[4]謝波，范寶春.大型管道中主動式粉塵抑爆現象的實驗研究[J].煤炭學報，2016，31（1）：54-57.

[5]MARIA M， MARIA P， VENGER G， et al. Influence of inert gas addition on propagation indices of methane–air deflagrations[J]. Process Safety and Environmental Protection，2016，102（6）：513-522.

[6]崔益虎，蔣軍成，喻源，等.受限空間內氣體爆炸惰化泄爆實驗研究[J].中國礦業大學學報，2014（3）：421-425.

[7]周寧，李海濤，任常興，等. 氮氣、二氧化碳對液化石油氣的惰化抑爆研究[J]. 消防科學與技術，2016（6）：733-737.

[8]周寧，王宇飛，趙會軍，等.惰化系統極限氧濃度變化規律及監測預警研究[J].中國安全科學學報，2018（1）：75-80.

[9]宋躍.點火能對CO2惰化抑制甲烷爆炸的影響研究[D].西安：西安科技大學，2017.

[10]程方明，鄧軍. 一氧化碳影響二氧化碳惰化甲烷爆炸的實驗研究[J]. 西安科技大學學報，2016（3）：315-319.

[11]胡文超，杜揚.油氣惰化抑爆研究進展[J].遼寧化工，2019，48（8）：808-810.

[12]張培理，杜揚.油氣爆炸的氮氣非預混抑制實驗[J]. 爆炸與沖擊，2016，36（4）：347-352.