細水霧協(xié)同滑動裝置對甲烷/空氣預(yù)混氣體爆炸特性的影響

段玉龍，李元兵，楊燕鈴，龍鳳英，俞樹威，黃 俊，卜云兵

（重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331）

甲烷通常存在于礦山、石化、建筑等行業(yè)，具有易燃易爆、燃燒熱值高等特點。甲烷一旦發(fā)生燃燒爆炸，產(chǎn)生的沖擊波和火焰輻射將對周圍建筑物和人員造成不可逆轉(zhuǎn)的后果[1]。因此，對甲烷爆炸抑制技術(shù)和方法的研究具有重要意義。

水具有良好的滅火、阻爆功能，因其清潔、經(jīng)濟、高效的特點，在各領(lǐng)域被推廣應(yīng)用。為更好地提升水的阻隔抑爆效率，通常將其霧滴化，常見的霧化方式為超聲波霧化和壓力霧化[2]。陸守香等[3]認為，細水霧抑制爆炸火焰的效果受水霧濃度、霧通量及火焰到達水霧區(qū)域時的傳播速度等因素影響。Wingerden[4]發(fā)現(xiàn)粒徑為20～200 μm 的細水霧對燃氣爆炸的抑制效果最佳。Medvedev 等[5]發(fā)現(xiàn)霧滴粒徑越小，抑制作用越好。張鵬鵬[6]發(fā)現(xiàn)超細水霧量充足時抑爆效果較好。隨著對細水霧研究的深入，學(xué)者們開始研究細水霧與其他物質(zhì)的協(xié)同抑爆作用。Yu 等[7]、余明高等[8-9]在細水霧基礎(chǔ)上分別添加荷電和N2，用以探討兩者協(xié)同作用下對甲烷爆炸的抑制效果，實驗結(jié)果表明，協(xié)同作用下抑制效果較普通細水霧更強。裴蓓等[10]研究了CO2-雙流體細水霧協(xié)同作用對管道甲烷爆炸的抑制作用，當(dāng)CO2增壓至0.4 MPa，噴霧時間大于3 s 時，無法引爆氣體。賈海林等[11-12]通過在超細水霧中分別添加NaCl、MgCl2和NaHCO3，探討其協(xié)同作用對可燃氣體的抑制作用，結(jié)果表明，NaCl 超細水霧對火焰的抑制和超壓的衰減作用優(yōu)于MgCl2和NaHCO3。迄今為止，關(guān)于滑動裝置方面的研究較少，Duan 等[13]通過自主研制的滑動氣密裝置探究了甲烷爆炸特征，結(jié)果表明，滑動氣密裝置能在約束火焰燃燒范圍的同時降低未燃區(qū)域爆炸超壓。

本工作在結(jié)合細水霧抑制甲烷爆炸研究的基礎(chǔ)上，探究細水霧協(xié)同滑動裝置對甲烷爆炸火焰的焠熄和超壓的衰減作用，為預(yù)防、抑制管道內(nèi)可燃氣體爆炸提供新的思路和理論依據(jù)。

1 實驗裝置

如圖1 所示，實驗系統(tǒng)包含配氣系統(tǒng)、爆炸管道、點火系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和壓力采集系統(tǒng)。甲烷和空氣分別通過氣體流量計進入爆炸實驗管道，經(jīng)排氣孔排出（實驗采取四倍體積排空法）。爆炸實驗管道為長方體透明有機玻璃管道，橫截面尺寸為10 cm × 10 cm，長100 cm，水平放置（矩形管和圓形管中氣體爆炸火焰的變化特征相同[14]）。自制點火系統(tǒng)由點火頭、12 V 高頻脈沖點火器和點火開關(guān)組成。泄爆口位于管道右端上部，使用PVC 薄膜密封[15]。攝像系統(tǒng)由高速攝像機和電腦組成，采樣頻率為4 000 s-1。壓力采集系統(tǒng)由2 個壓力傳感器和PCB 壓力數(shù)據(jù)采集儀組成，自動觸發(fā)采集（頻率為50 kHz，時長為600 ms）。滑動裝置由尺寸為10 cm × 10 cm × 1 cm 的高強度輕質(zhì)碳板、LED 燈和線徑為1.5 mm、彈性系數(shù)為0.42 N/mm 的彈簧組成，壓力傳感器位置如表1 所示。

圖1 爆炸實驗系統(tǒng)Fig. 1 Experimental system

表1 壓力傳感器位置Table 1 Distribution of pressure sensors along the pipeline

噴霧采用壓力霧化方式，噴霧系統(tǒng)包括雙流體噴頭[10]、水槽和空氣壓縮機。細水霧噴頭安裝于距點火源33 cm 處，噴霧壓力0.1 MPa，噴霧角度為105°，流量為0.108 L/min。實驗中甲烷的體積分數(shù)（ φ）分別為7.5%、9.5%和11.5%，為避免實驗誤差，每種工況重復(fù)實驗3 次，實驗工況如表2 所示。

表2 實驗工況Table 2 Experimental conditions

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 超 壓

圖2 和圖3 為甲烷預(yù)混氣體爆炸后沿路徑的兩測量點P1、P2所測的動態(tài)超壓數(shù)據(jù)。由P1、P2所測數(shù)據(jù)可知，無細水霧時，當(dāng)甲烷的體積分數(shù)為9.5%時滑動裝置對未燃區(qū)域壓力具有衰減作用，甲烷體積分數(shù)為7.5%和11.5%時裝置兩側(cè)超壓峰值相等。添加細水霧后，當(dāng)甲烷體積分數(shù)為7.5%時超壓衰減最大，下降幅度為38.67%；甲烷體積分數(shù)為9.5%和11.5%時超壓分別衰減37.33%和26.32%（見表3）。

圖2 滑動裝置作用下甲烷爆炸超壓變化Fig. 2 Overpressure changes of methane explosion under the action of sliding device

圖3 細水霧協(xié)同滑動裝置作用下甲烷爆炸超壓變化Fig. 3 Overpressure changes of methane explosion under the action of water mist and sliding device

表3 細水霧作用下P1 和 P2 測量點處壓力Table 3 Pressure at P1 and P2 measuring points under the action of water mist

圖4 為相同測量點添加細水霧后壓力峰值與無細水霧時的對比。添加細水霧后，燃燒區(qū)（P1處）超壓峰值無明顯增加，甲烷體積分數(shù)為9.5%和11.5%時略有下降。細水霧破壞指形火焰結(jié)構(gòu)，火焰湍流加劇，但受裝置約束作用，火焰湍流燃燒范圍較小，且裝置反向壓縮，并在細水霧協(xié)同作用下火焰加速焠熄，致使燃燒區(qū)域超壓并未大幅增加。對P2測量點壓力峰值進行分析。添加細水霧后，當(dāng)甲烷體積分數(shù)為7.5%時，壓力峰值下降4.8 kPa，降幅34.29%；甲烷體積分數(shù)為9.5%時，壓力峰值下降4.0 kPa，降幅22.22%；甲烷體積分數(shù)為11.5%時，壓力峰值下降7.6 kPa，降幅44.71%。

圖4 添加細水霧與無細水霧工況下壓力對比Fig. 4 Pressure comparison chart between water mist added and no water mist

分析壓力數(shù)據(jù)可知，添加細水霧工況下燃燒區(qū)內(nèi)（P1）壓力峰值無明顯降低，未燃區(qū)內(nèi)（P2）壓力峰值有明顯衰減，說明細水霧可以增加裝置與管道的密封性，有效降低未燃區(qū)超壓峰值。

2.2 火焰前鋒

圖5 和圖6 為無細水霧和添加細水霧后兩種不同條件下火焰前鋒傳播示意圖。從圖5 和圖6 可以看出，各工況下甲烷爆炸火焰均可熄滅，但火焰焠熄時間和效果有所差異。

圖5 滑動裝置存在下火焰前鋒傳播示意圖Fig. 5 Schematic diagram of flame front propagation in the presence of a sliding device

圖6 添加細水霧工況下火焰前鋒傳播示意圖Fig. 6 Schematic diagram of flame front propagation under the condition of adding water mist

無細水霧條件下，爆炸火焰歷經(jīng)球形、指形、平板、郁金香等階段演變，甲烷體積分數(shù)為9.5%時各階段火焰形狀發(fā)育最完整（見圖5(b)）。爆炸火焰在郁金香燃燒階段時，火焰上下唇瓣首先與裝置接觸，部分火焰裙邊受裝置作用發(fā)生焠熄。火焰繼續(xù)發(fā)展，逐漸形成無固定形態(tài)燃燒，受裝置阻擋，在裝置處再次形成平板火焰。隨著燃燒強度的降低，裝置發(fā)生反彈并壓縮火焰，此時火焰在裝置處形成“月牙形”。添加細水霧條件下，在火焰指形形態(tài)向前傳播至細水霧噴頭處（距點火源33 cm），細水霧開始作用。噴射霧滴破壞指形火焰結(jié)構(gòu)，擾亂火焰發(fā)展形態(tài)，加速火焰向前傳播。噴頭安裝至管道上方，上層火焰受到擾亂，因而火焰上層傳播速度略快于下層。

滑動裝置的壓縮可有效避免裝置剛性受力，保護裝置的同時降低燃燒區(qū)超壓峰值；裝置反向壓縮迫使火焰在裝置處產(chǎn)生大量碰壁效應(yīng)，加速火焰焠熄。添加細水霧后，壓縮火焰受碰壁效應(yīng)影響的同時，還受水霧作用，火焰焠熄所需時間更短（見圖6、圖7）。

圖7 展示了不同工況下爆炸火焰的焠熄時間。由圖7 可知，無細水霧工況中，甲烷體積分數(shù)為11.5%時，火焰持續(xù)時間最長，為232.75 ms；添加細水霧后，其火焰焠熄時間縮短至163.75 ms，降幅為29.65%。甲烷體積分數(shù)為9.5%時，火焰持續(xù)時間由184.25 ms 縮短至146.00 ms，降幅為20.76%。甲烷體積分數(shù)為7.5%時，添加細水霧對火焰焠熄效果并不明顯，僅縮短3.50 ms。細水霧存在條件下甲烷體積分數(shù)為11.5%時的爆炸火焰焠熄效果最優(yōu)，9.5%次之，7.5%最差。

圖7 火焰焠熄時間Fig. 7 Flame quenching time

圖8 為火焰前鋒傳播速度和裝置滑移速度變化曲線。由圖8 可以看出，各工況下火焰?zhèn)鞑ゾ霈F(xiàn)兩次峰值。無細水霧時，速度峰值“1”出現(xiàn)于火焰指形加速傳播時期。隨后火焰向平板形態(tài)轉(zhuǎn)變，燃燒面積減小，燃燒強度降低，速度下降。速度峰值“2”出現(xiàn)于郁金香時期，此時未燃區(qū)壓力釋放，造成燃燒區(qū)泄壓，促使火焰加速向前傳播，由于泄爆口置于管道上部，故火焰上唇傳播較快（見圖5）。添加細水霧后，速度峰值“1”為指形火焰加速期。速度峰值“2”是由于噴射水霧打破火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)，火焰湍流加劇所形成的（見圖6）。

圖8 火焰前鋒傳播速度和滑動裝置滑移速度Fig. 8 Propagation velocity of flame front and sliding velocity of sliding device

分析圖8 可知，添加細水霧后，爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣染兴嵘渲屑淄轶w積分數(shù)為11.5%時上升幅度最大，由無細水霧時的7.2 m/s 上升至11.7 m/s，升幅62.50%；7.5%次之，由5.9 m/s 上升至7.1 m/s，升幅20.34%；9.5%時由11.5 m/s 上升至12.3 m/s，升幅6.96%。

細水霧作用下裝置滑移速度有所提升，添加細水霧后裝置滑移速度上升幅度為甲烷體積分數(shù)7.5% 時最大，11.5% 時次之，9.5% 時最小。且裝置反彈速度均增大，其中甲烷體積分數(shù)為9.5% 和11.5%時裝置反彈過程中速度增加最大，分別由無細水霧時的4.6 m/s 增加至7.9 m/s；2.9 m/s 增加至7.9 m/s（見圖8(b)、圖8(c)），此時火焰焠熄所需時間明顯縮短（見圖7），這是細水霧加速爆炸火焰焠熄的關(guān)鍵。

3 結(jié) 論

（1）從超壓特性分析：無細水霧條件下，滑動裝置對未燃區(qū)（P2）超壓無明顯衰減作用；細水霧協(xié)同作用下燃燒區(qū)（P1）超壓峰值無明顯增加，但其對未燃區(qū)（P2）超壓峰值有明顯衰減作用，超壓峰值較無細水霧時分別下降34.29%、22.22%和44.71%。

（2）從火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)分析：裝置對火焰?zhèn)鞑ゾ哂屑s束作用，裝置反彈過程增加碰壁效應(yīng)現(xiàn)象。細水霧滴對火焰形態(tài)有沖毀作用，加速火焰結(jié)構(gòu)變化。火焰接觸裝置后被阻擋，隨后被裝置反向壓縮至細水霧作用范圍，加速火焰焠熄，甲烷體積分數(shù)為7.5%、9.5%和11.5%時的火焰焠熄所需時間分別縮短3.50、38.25 和69.00 ms。裝置反向壓縮過程中火焰在裝置處呈“月牙”形態(tài)。

（3）從火焰、裝置速度分析：添加細水霧后，兩者速度均有明顯提升；甲烷體積分數(shù)為11.5%時火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙畲螅仙?2.50%；甲烷體積分數(shù)為7.5%時裝置滑移速度上升最大，上升83.87%；甲烷體積分數(shù)為9.5%和11.5%時裝置反彈速度最大，火焰焠熄所需時間縮短最明顯。

（4）細水霧協(xié)同滑動裝置對甲烷爆炸抑制和撲滅作用優(yōu)于單獨的滑動裝置，可將爆炸超壓有效控制在燃燒區(qū)內(nèi)，降低未燃區(qū)超壓峰值，能進一步減少二次火災(zāi)爆炸的可能性。