含弱約束端面直角管道汽油蒸氣爆炸及七氟丙烷抑爆研究*

王子拓，蔣新生，蔡運雄，余彬彬，王春輝

(陸軍勤務學院，重慶 401311)

0 引言

近年來，國內外油庫安全事故頻發，經統計分析發現，往往在洞庫坑道、管道、管路系統等受限空間中易發生可燃氣體爆炸事故[1-2]，在受限空間中初始的爆炸可能會經歷DDT過程發展成為爆轟，造成人員財產的重大損失。

國內外學者針對單一可燃氣體[3-6]受限空間爆炸進行大量研究，取得一定成果，但是單一可燃氣體爆炸規律不能完全揭示汽油蒸氣等多組分可燃混合物的爆炸規律。針對可燃氣體爆炸抑制的實驗研究，超細粉體[7-8]、細水霧[9-10]和多孔網狀材料[11-12]成為常用的抑爆介質，通過實驗對比均取得較好的抑爆效果。由于洞庫坑道、管路系統中汽油蒸氣爆炸抑制需要潔凈、無污染的抑爆介質，否則會造成管路堵塞，甚至污染油品，因此抑爆氣體是更佳的選擇。羅振敏等[13]開展N2和CO2對LPG爆炸影響的實驗，結果顯示N2和CO2均會縮小LPG的爆炸極限，且CO2比N2效果更好。七氟丙烷作為1種氣體抑爆介質已在消防領域取得不錯的應用，但是在洞庫管路系統等實際工況下的應用較少，鑒于洞庫安全防護的迫切需求，本文采用主動式抑爆裝置對直角管道汽油蒸氣爆炸進行抑制，對比是否填充七氟丙烷條件下爆炸特性參數，為洞庫管路系統安全防護實際應用提供理論和技術支持。

1 實驗系統和方案

1.1 實驗系統

依托于洞庫管路系統搭建直角形管道實驗臺架，由2段長4.8 m，2段長2.5 m和2段長2.45 m的鋼制管道以及4個三通和1個彎頭組成，內徑150 mm，壁厚5 mm，耐壓6 MPa。由于直角管道內形成的狹長受限空間會加速燃燒爆炸的發展，使得最初的爆燃發展成為爆轟，為了實驗的安全，在管道另一端用鋁箔紙進行封口，當壓力達到一定泄爆壓力時，沖破鋁箔紙起到泄壓作用。每段管道一側和末端均有螺紋孔，可以安裝壓力傳感器、火焰傳感器。每段管道兩端均裝有球閥，用于連接汽油蒸氣循環管路。測試儀器選用北京均方理化科技研究所生產的GXH-1050紅外線分析器，測量線性誤差不大于2% FS、重復性誤差不大于1%；壓力傳感器采用寶雞秦明傳感器有限公司生產的CYG1163型擴散硅高頻動態壓力傳感器，量程為5 MPa；火焰傳感器采用成都泰斯特公司研制生產的CKG100光電型火焰傳感器，壓力傳感器、火焰傳感器和點火系統的安裝位置均在圖1中進行標示，Ai(i=1,2,3,4)為i號火焰傳感器，Bi(i=1,2,3,4,5,6)為i號壓力傳感器，Ci(i=1,2)為i號汽油蒸氣濃度測試接口,其中，A1，B1，A2，B2，C1，B3分別距點火端0.5，1，4.2，4.7，6.7，8.75 m；B4，C2，A3，B5，A4，B6分別距泄壓端8.75，8.25，7.75，4.7，4.1，1 m。動態數據采集系統選用東華測試技術股份有限公司DH8301型動態信號測試分析系統，配套操作軟件為DHDAS軟件，其瞬態采樣頻率從10 Hz到3 MHz多種檔位可供選擇，實驗中選擇20 kHz。在另一端口采用TVC-GC-P100BAC型高速攝影儀記錄爆炸過程中管道端口破裂時的火焰圖形，其采樣頻率從1 FPS到500 FPS多種檔位可供選擇，本實驗選用500 FPS。點火系統采用成都新辰光電研究所WGDH-5型高能無干擾點火器，其原理為輸入的交流電，通過升壓整流變換成直流脈動電流，對貯能電容充電，當電容器充滿電時，放電電流傳輸至點火桿半導體電嘴，形成高能電弧火花，電火花提供汽油蒸氣爆炸初始能量，點火位置在左側法蘭端蓋中心，點火能量為1.5 J。

圖1 實驗系統示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

七氟丙烷提前充入主動式抑爆裝置，從點火端起第1個，第2個三通口安裝抑爆裝置的火焰傳感器，第4個三通口安裝主動式抑爆裝置，直角管道另一端用鋁箔紙封口，搭建的實驗系統如圖1所示。

1.2 抑爆裝置

主動式抑爆裝置包括高壓儲氣瓶、電子觸發器、引線、噴嘴、連接法蘭、保護罩、壓力表、銘牌和火焰傳感器，抑爆器通過法蘭與直角管道連接。高壓儲氣瓶上安裝有壓力表，可以實時觀察瓶內的壓力值。電子觸發器的最小觸發電壓為5 V，通過調節連接桿，使噴嘴對爆炸火焰進行軸向噴射，可以最大限度地增大噴射面積，抑爆介質填充七氟丙烷。整個抑爆過程在10 ms左右，可在火焰到達主動式抑爆裝置前噴射出抑爆介質，主動式抑爆裝置示意如圖2所示。

圖2 主動式抑爆裝置示意Fig.2 Schematic diagram of active explosion suppression device

1.3 實驗方案

現有研究結果表明，狹長受限空間汽油蒸氣爆炸實驗[14]中，使得爆炸特性參數達到最大的汽油蒸氣體積分數在1.5%～1.7%之間，故實驗選取汽油蒸氣體積分數為1.3%，1.5%和1.7%，為驗證分析七氟丙烷的抑爆效果，在3種汽油蒸氣濃度下分別開展空爆實驗和七氟丙烷抑爆實驗，為保證實驗的可靠性，每組實驗進行5次。

具體實驗步驟如下：首先按照要求連接線路，并檢查可行性，然后向汽油蒸氣循環系統裝置內添加適量的92號汽油，在真空泵的驅動下，使汽油蒸氣通過管路進入直角管道并在管路中不斷循環，隨后用HC濃度測試儀檢測管道兩端和拐角處的汽油蒸氣體積分數，若這3個點處汽油蒸氣體積分數相差小于0.3%，則認為管道內汽油蒸氣循環均勻。最后關閉汽油蒸氣循環管路進出口閥門，利用點火器在管道端口點火，通過動態數據采集系統對爆炸特性參數進行采集。空爆實驗時，將安裝主動式抑爆裝置及其火焰傳感器的三通端口用法蘭密閉連接，其余步驟相同。先進行空爆實驗，后進行七氟丙烷抑爆實驗。

2 實驗結果與討論

2.1 汽油蒸氣爆炸變化規律

不同汽油蒸氣體積分數下爆炸超壓值變化曲線如圖3所示，隨著汽油蒸氣初始體積分數的增加，直角管道沿線B5測點最大爆炸超壓值呈現先增大后減小的趨勢，由于在直角管道末端采用鋁箔紙封口，以達到末端泄壓的目的，故管道初始階段的最大爆炸超壓要小于密閉直角管道，升壓反應時間滯后于密閉直角管道，點火延遲時間更長[15]。

圖3 不同汽油蒸氣體積分數下爆炸超壓值變化曲線Fig.3 Variation curves of explosion overpressure under different gasoline vapor volume fractions

不同初始汽油蒸氣體積分數爆炸超壓參數見表1，隨著初始汽油蒸氣體積分數的增大，爆炸發展速度加快。這是因為初始汽油蒸氣體積分數比較低時，汽油蒸氣與空氣混合氣體屬于貧燃料混合物，爆炸釋放的能量主要取決于汽油蒸氣空氣混合物中的汽油蒸氣體積分數;隨著初始汽油蒸氣體積分數的增加，汽油蒸氣和氧氣比例逐步升高，汽油蒸氣與空氣逐步反應完全，當汽油蒸氣與空氣達到化學當量比時，汽油蒸氣和氧氣幾乎全部耗盡，釋放能量最大;通過對比直角管道沿線6個爆炸超壓測點，發現B2較B1測點爆炸超壓有明顯下降趨勢，這是因為點火后點火端處汽油蒸氣空氣混合物燃燒產生的燃燒波，促使直角管道中壓力和溫度迅速升高，燃燒波與壓力波迅速向后傳播，推動汽油蒸氣空氣混合物向管道后面移動，降低了管道前段部分汽油蒸氣體積分數，增大了燃燒接觸的距離，所以單位體積里爆炸產生的能量減少，最大爆炸超壓出現下降趨勢。

表1 不同初始汽油蒸氣體積分數爆炸壓力參數Table 1 Explosion pressure parameters under different initial gasoline vapor volume fractions

不同初始汽油蒸氣體積分數爆炸火焰參數見表2，低初始汽油蒸氣體積分數下，汽油蒸氣與空氣混合氣體屬于貧燃料混合物，燃燒速率低，產生的爆炸超壓和火焰強度小，火焰持續時間長。當初始汽油蒸氣體積分數升高后，汽油蒸氣與空氣混合物反應速率加快，燃燒速率增大，加之狹長受限空間內發生DDT過程，使得火焰傳播速度急劇加大。這與圖3中的爆炸超壓趨勢相似，可以明顯看出火焰與壓力之間的相互作用。

表2 不同初始汽油蒸氣體積分數爆炸火焰參數Table 2 Explosion flame parameters under different initial gasoline vapor volume fractions

2.2 七氟丙烷對爆炸超壓的影響

不同工況下爆炸超壓值變化曲線如圖4所示，不同汽油蒸氣體積分數下B5號傳感器所測爆炸超壓值變化趨勢相同。不同工況下爆炸壓力參數見表3，1.3%汽油蒸氣體積分數下，噴入抑爆介質相比未抑爆時爆炸超壓下降91.06%。1.5%汽油蒸氣體積分數下，噴入抑爆介質相比未抑爆時爆炸超壓下降34.57%。1.7%汽油蒸氣體積分數下，噴入抑爆介質相比未抑爆時爆炸超壓下降50.92%。

圖4 不同工況下爆炸超壓值變化曲線Fig.4 Variation curves of explosion overpressure under different working conditions

爆炸超壓值的降低是由于爆炸火焰被抑爆介質撲滅，化學反應不能持續進行。當液態七氟丙烷噴入管道后迅速汽化吸熱，進而降低燃燒反應的活性，從而降低反應進行的速率；同時體積迅速膨脹，降低了管道內汽油蒸氣和氧氣體積分數，使得汽油蒸氣分子與氧氣分子作用的機會減少，根據分子碰撞理論，汽油蒸氣分子與活化分子碰撞的概率降低，使得鏈式反應中斷，達到抑制爆炸燃燒反應的進行。

2.3 七氟丙烷對火焰的影響

1.7%初始汽油蒸氣體積分數下A4測點火焰傳感器記錄的有無七氟丙烷抑爆情況下的火焰強度變化曲線如圖5所示。

表3 不同工況下爆炸壓力參數Table 3 Explosion pressure parameters under different working conditions

圖5 1.7%汽油蒸氣體積分數火焰強度變化情況Fig.5 Variation of flame intensity of 1.7% gasoline vapor volume fraction

高速攝影儀拍攝的爆炸過程中管道端口破裂時的部分圖片如圖6所示。由圖6(a)～(b)可知，鋁箔紙在爆炸壓力波的作用下破裂，隨后火焰開始噴出，剛開始火焰噴出端口時呈亮白色，此時氧氣充足燃燒充分；隨后火焰繼續噴射，由亮白色變為橘紅色，此時氧氣出現局部不足，汽油蒸氣未能完全燃燒。由圖6(b)可知，最先破裂的鋁箔紙被高速高壓的爆炸壓力波沖擊并粉碎，整個過程耗時90 ms，由此可見狹長受限空間中汽油蒸氣爆炸在爆燃轉化為爆轟后的爆炸壓力值極大、火焰傳播速度極快，具有極強的破壞力。

圖6 部分高速攝影儀圖片Fig.6 Some high-speed camera pictures

由圖6(c)～(d)可知，鋁箔紙在爆炸壓力波的作用下破裂，隨后未見火焰噴出。這是因為七氟丙烷的噴入大大延緩了火焰的傳播，減弱了爆炸超壓值，直至火焰被完全熄滅，由此可見，七氟丙烷有效抑制了爆炸燃燒反應的進行。

3 結論

1)未噴入七氟丙烷抑爆介質時，隨著汽油蒸氣體積分數由1.3%升高到1.5%，1.7%，爆炸強度隨之增大，表現為爆炸特性參數的增強：最大爆炸超壓由135.68 kPa增大為213.92 kPa，260.72 kPa，增幅達57.67%和92.16%，對應的火焰強度由471.72 mV增大到1019.38 mV，增幅為53.72%，對應的火焰傳播速度由34.26 m/s增大到104.91 m/s，增幅為67.34%。

2)通過主動式抑爆裝置噴入七氟丙烷抑爆介質時，爆炸超壓峰值對比未抑爆時明顯降低，分別下降91.06%，34.57%和50.92%。

3)通過主動式抑爆裝置噴入七氟丙烷抑爆介質時，火焰強度對比未抑爆時明顯降低，降幅達到99.83%，并且火焰傳播速度幾乎降為0，火焰持續時間隨之縮短幾乎為0。

4)實驗現象和數據分析表明，七氟丙烷通過物理和化學抑制方法有效降低最大爆炸超壓和火焰發展，對汽油蒸氣爆炸抑制起到重要作用，為洞庫管路系統阻隔防爆研究提供理論依據和實際參考，具有重要指導意義。