滑移裝置抑制甲烷爆炸影響分析*

段玉龍，楊燕鈴，李元兵，裴 蓓，姚新友，王 碩，米紅甫

(1.重慶科技學院 安全工程學院，重慶 401330； 2.河南理工大學 瓦斯地質與瓦斯治理國家重點實驗室培養基地，河南 焦作 454003)

0 引言

瓦斯爆炸是最危險的煤礦事故之一，爆炸產生爆炸超壓與火焰嚴重威脅人們生命與財產安全，一旦發生二次爆炸，后果不堪設想[1-2]。近年來，為了解瓦斯爆炸特性，國內外學者展開理論與實驗研究[3-4]，為抑爆技術開發提供一定理論基礎。

目前，工業領域常用抑爆方法包括被動式和主動式2種，但仍存在促爆缺陷，細水霧液滴直徑過大或霧通量不足，均會加劇爆炸反應[5-6]。多孔材料抑爆臨界條件主要取決于孔徑大小，當多孔材料孔徑過大，將促進爆炸進行[7-8]。多孔材料放置位置與爆炸強度有關，Zhhusng等[9]發現當泡沫金屬距點火端1 200 mm時,爆炸火焰速度增加，火焰無法熄滅，較低質量粉體不能淬熄火焰，甚至會促進爆炸發生[10-11]。材料和裝置響應速度較慢，因老化失效等問題存在許多不確定性，傳統隔爆裝置不能有效衰減爆炸超壓。而滑移裝置經濟實用、環保且易于實現，可有效衰減壓力波[12]。

本文基于滑移裝置研究爆炸超壓沖擊波和爆炸火焰傳播特性，通過與固定裝置對比，分析滑移裝置對甲烷爆炸影響規律，研究結果對甲烷爆炸事故預防和應急處理具有一定價值和指導意義。

1 實驗平臺

實驗裝置如圖1所示。實驗裝置由爆炸激波管、數據采集系統、高速攝像機、點火系統、配氣系統組成。爆炸激波管為1 000 mm×100 mm×100 mm的有機玻璃管道，最大耐壓2 MPa；配氣系統由高純甲烷(甲烷含量>99.99%)氣瓶、空氣壓縮機和流量計組成，流量計量程0～ 5 L/min；點火系統由電源、點火裝置和脈沖高壓模塊組成；數據采集系統主要由型號為NUXI-1004測試主機、高頻壓力傳感器(-0.1～0.1 MPa)及相應配件組成，采樣頻率最高1 MHz，采樣長度單位為K樣點；高速攝像機(Phantom V710L)采樣頻率2 000 fps，曝光時間490 μs，分辨率1 280×800像素；滑移裝置由機械彈簧與高強度輕碳板(HLCP)組成，HLCP尺寸100 mm×100 mm，厚度10 mm；機械彈簧彈性系數為0.85，1.63 N/mm；固定裝置由HLCP組成。為便于觀察裝置在爆炸過程中運動軌跡，在輕碳板上方安裝耐高溫LED。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

當甲烷濃度為9.5%時，爆炸威力最大[13]，因此，本文分析不同裝置對濃度為9.5%甲烷/空氣預混氣體影響。觸發點火系統，同時觸發高速攝像機和數據采集系統。9.5%甲烷/空氣預混氣體爆炸火焰傳播速度如圖2所示。由圖2可知，在管道距點火端0.40 m處火焰前鋒速度達最大值，在管道0.70 m處火焰速度出現第2次小幅度遞增，因此滑移裝置位置為距點火端0.40，0.70 m處。實驗前初始壓力0.1 MPa，通氣8 min，為保證實驗數據準確性，每組實驗至少重復3次。

圖2 9.5%甲烷/空氣預混氣體爆炸火焰傳播速度Fig.2 Flame propagation speed of 9.5% methane/air premixed gas explosion

2 結果與討論

2.1 爆炸火焰分析

固定裝置距點火端0.40，0.70 m時，對爆炸火焰傳播影響如圖3所示。由圖3可知，火焰傳播初始階段(t=10 ms)預混氣體被點燃，火焰面以球形向管道右側傳播；當t為20～40 ms，火焰速度逐漸增加，火焰鋒面呈指形；當t=53，58 ms時，火焰呈“郁金香”形，由火焰前沿、火焰前沿后側漩渦及火焰誘導逆流相互作用形成[14]；當t>60 ms，火焰鋒面進一步“湍流化”；當t=170 ms時，固定裝置火焰逐漸熄滅。

距點火端不同位置處滑移裝置對火焰傳播影響如圖4所示。與圖3類似，火焰形狀經歷“球形”-“指形”-“平面形”-“郁金香”變化，由圖3～4可知，固定裝置和滑移裝置均能成功抑制火焰傳播。圖4(a)～(d)火焰淬熄時間分別為130，110，150，130 ms，與固定裝置相比，滑移裝置火焰傳播時間明顯縮短，這是由于輕碳板可以阻擋部分能量通過熱傳遞和分子熱擴散形式傳播至預混區，在滑移過程中，增加自由基碰壁斷鏈時間，降低燃燒速度，使火焰淬熄。

滑移裝置與固定裝置距點火源0.70，0.40 m處火焰鋒面傳播速度如圖5所示。根據火焰前緣最大軸向距離隨時間變化計算火焰傳播速度。由圖5(b)可知，滑移裝置火焰傳播時間小于固定裝置，說明滑移裝置對火焰反向抑制作用較好；第2個峰值是由于輕碳板反向壓力波和正向燃燒波共同作用，導致氣體流動速度加快形成正反饋，使火焰傳播速度形成波峰。

由圖5可知，輕碳板距點火源越遠，火焰傳播時間越長，結論與圖4相似。此外，距點火源0.40 m處，火焰傳播速度明顯低于距火源0.70 m處，原因是爆炸火焰傳播過程中，隨滑移距離增加，正向抑制爆炸火焰時間增加，表明隨滑移距離增加，抑制效果顯著增強。由圖5可知，滑移裝置彈性系數0.85 N/mm距點火源0.40 m處最大火焰傳播速度為 14.29 m/s，滑移裝置彈性系數1.63 N/mm距點火源0.40 m處最大火焰傳播速度為14.29 m/s，滑移裝置彈性系數0.85 N/mm距點火源0.70 m處最大火焰傳播速度為16.67 m/s，滑移裝置彈性系數1.63 N/mm距點火源0.70 m處最大火焰傳播速度為14.29 m/s；固定裝置距點火源0.40，0.70 m處最大火焰傳播速度分別為 12.5，12.5 m/s。對比可知，滑移裝置比固定裝置分別上升14.32%，14.32%，33.36%，14.32%。原因是在滑移裝置機械彈簧壓縮過程中，管道處于可變容空間，火焰鋒面接觸滑移裝置時間延遲，火焰鋒面速度略高于固定裝置。由圖2與圖5可知，滑移裝置與常規爆炸火焰傳播速度18.20 m/s相比下降21.48%，21.48%，8.41%，21.48%。

圖3 固定裝置對火焰傳播結構影響Fig.3 Influence of fixation device on flame propagation structure

圖4 滑動裝置對火焰傳播結構影響Fig.4 Influence of sliding device on flame propagation structure

圖5 固定裝置和滑移裝置的火焰傳播速度Fig.5 Flame propagation speeds of fixation device and sliding device

2.2 滑移裝置效果分析

由圖4可知，輕碳板先向右(即泄爆端)快速運動，隨后向左(即點火端)運動。輕碳板距點火端最大滑移距離分別為0.88，0.66，0.85，0.66 m，較最初位置輕碳板滑動0.18，0.26，0.15，0.26 m，表明彈性系數為0.85 N/mm輕碳板比彈性系數為1.63 N/mm輕碳板滑動距離更遠；輕碳板最終位置距點火端距離分別為0.66，0.34，0.72，0.41 m。

不同條件下輕碳板運動速度隨時間變化如圖6所示。由于輕碳板速度與火焰速度成正比，所以4組工況下輕碳板均經歷2次加速；當輕碳板速度達到最大值時，超壓峰值最低，表明輕碳板速度與超壓峰值相關。此外，當火焰前鋒傳播至滑移裝置時，輕碳板處于 “冷態”，可降低部分燃燒釋放的熱量；隨滑移距離和反向滑移距離增加，火焰前鋒與壁面接觸面積增大，燃燒區域超壓得到有效緩解。

圖6 滑移裝置輕碳板速度Fig.6 Speeds of light carbon plate in sliding device

2.3 爆炸超壓分析

圖7 固定裝置距點火端0.70，0.40 m處超壓Fig.7 Overpressures at positions of 0.70 m and 0.40 m from ignition end for fixation device

固定裝置距點火端0.70，0.40 m處，爆炸壓力隨時間變化如圖7所示。由圖7可知，爆炸壓力呈先增大后減小，再增大后減小趨勢，與火焰傳播速度相對應。整個過程共出現2個壓力峰值：第1峰由于反應速率加快，甲烷爆炸正向壓力波與輕碳板反向壓縮波形成正反饋，使甲烷爆炸壓力快速上升；第2峰由于管道中氣體通過右側泄壓孔泄壓，當管道中壓力過大，為達到平衡狀態，壓力沖出泄壓口形成泄爆壓力[15]。由圖7可知，固定裝置距點火源 0．70 m處P3、固定裝置距點火源 0．40 m處P2以及固定裝置距點火源 0．40 m處P3的爆炸超壓均在 0 kPa附近浮動，原因是受固定裝置輕碳板作用，后方壓力傳感器無法采集壓力數據，同時表明輕碳板可有效隔絕壓力傳播；固定裝置距點火端0.40 m處超壓峰值均低于距點火端0.70 m處超壓峰值。

當滑移裝置距點火端0.70，0.40 m處彈性系數為0.85，1.63 N/mm時，爆炸壓力抑制效果如圖8～9所示。由圖8～9可知，未出現與固定裝置超壓類似情況(即超壓值沒有在0 kPa附近浮動)，原因是輕碳板可壓縮性使其隨壓力變化作相似運動，壓力傳感器可以采集壓力數據；由圖9可知，滑移裝置距點火源 0．70 m處P1出現 3個超壓峰值，前2個峰值出現原因與固定裝置一致，第3個峰值由于泄壓口作用，使管內產生負壓，部分新鮮空氣被吸入，形成第3個峰值壓力[15]。由圖8～9可知，滑移裝置彈性系數0.85 N/mm距點火端0.70，0.40 m達到壓力峰值時間分別為 106.5，42．5 ms ；滑移裝置彈性系數1.63 N/mm距點火端0.70，0.40 m達到壓力峰值時間分別為139．3，42.7 ms，較常規爆炸達到壓力峰值時間42 ms均有所延遲。彈性系數1.63 N/mm且距點火端0.70，0.40 m處，滑移裝置壓力峰值為76.1，54.9 kPa，比常規爆炸壓力峰值45.0 kPa上升69.1%,22%；彈性系數0.85 N/mm且距點火端0.70 m處滑移裝置壓力峰值為46.6 kPa，與常規爆炸相比上升3.6%；彈性系數0.85 N/mm且距點火端0.40 m處滑移裝置壓力峰值為40 kPa，與常規爆炸相比下降11.1%，表明彈性系數0.85 N/mm滑移裝置對爆炸壓力抑制作用優于彈性系數1.63 N/mm滑移裝置。在滑移裝置作用下采用相同彈性系數，輕碳板距點火端位置距離越近，抑制效果越明顯。

圖8 彈性系數0.85 N/mm且距點火端0.70， 0.40 m處滑移裝置超壓Fig.8 Overpressures at positions of 0.70 m and 0.40 m from ignition end with elastic coefficient of 0.85 N/mm for sliding device

圖9 彈性系數1.63 N/mm且距點火端0.70， 0.40 m處滑移裝置超壓Fig.9 Overpressures at positions of 0.70 m and 0.40 m from ignition end with elastic coefficient of 1.63 (N/mm) for sliding device

由圖7～9可知，固定裝置壓力峰值遠高于滑移裝置。固定裝置距點火端0.70，0.40 m處最大爆炸壓力分別為 129．5，116．8 kPa。表明固定裝置無法抑制爆炸超壓。固定裝置與滑移裝置在不同條件下平均壓升率如圖10所示。由圖10可知，固定裝置平均壓升率明顯高于滑移裝置，驗證滑移裝置對爆炸壓力抑制作用優于固定裝置。

圖10 不同工況條件下固定裝置與滑移裝置平均壓升率Fig.10 Average pressure rise rates of different devices

3 結論

1)滑移裝置與固定裝置相比，火焰速度有所增加，火焰傳播時間縮短40，60，20，40 ms；滑移裝置與常規爆炸火焰傳播速度18.20 m/s相比下降21.48%，21.48%，8.41%，21.48%。

2)滑移裝置彈性系數0.85 N/mm距點火源0.70 m處超壓峰值46.6 kPa，滑移裝置彈性系數1.63 N/mm距點火源0.70 m處超壓峰值76.1 kPa，較固定裝置距點火源0.70 m處超壓峰值129.5 kPa分別下降64.02%、41.23%；滑移裝置彈性系數0.85 N/mm距點火源0.40 m處超壓峰值40.0 kPa，滑移裝置彈性系數1.63 N/mm距點火源0.40 m處超壓峰值54.9 kPa，較固定裝置距點火源0.40 m處超壓峰值116．8 kPa分別下降65.75%、53.00%。彈性系數為1．63 N/mm的滑移裝置對爆炸超壓有促進作用；距點火端0．70 m處且彈性系數為0．85 N/mm的滑移裝置壓力峰值與常規爆炸壓力峰值45.00 kPa相比上升3．6%，上升幅度較小；距點火端0．40 m處且彈性系數為0．85 N/mm的滑移裝置壓力峰值與常規爆炸壓力峰值相比下降11．1%。

3)滑移裝置中彈簧對爆炸抑制效果影響較大。彈簧彈性系數越小，火焰傳播時間越短；彈性系數相同時，輕碳板距點火端越近，超壓峰值越小；距點火端位置相同時，彈性系數越小，超壓峰值越小。

4)彈性系數為0.85 N/mm且距點火端0.40 m滑移裝置抑爆性能最佳；火焰傳播速度較固定裝置有所提升，爆炸壓力峰值與郁金香火焰出現時間明顯延遲，火焰傳播時間和超壓持續時間減小。