絲瓜絡對甲烷/空氣預混氣體的阻火抑爆性能

賀云龍，張玉鐸，袁必和，陳先鋒，陳文濤,2，楊滿江，王 馨，陳公輕

（1. 武漢理工大學安全科學與應急管理學院，湖北 武漢 430070；2. 中國職業(yè)安全健康協(xié)會，北京 100011；3. 中國船艦研究設計中心，湖北 武漢 430064）

作為重要能源及典型易燃易爆物質，甲烷在工業(yè)領域被廣泛應用，然而其一旦發(fā)生爆炸可能會造成嚴重的經濟損失和人員傷亡，因此研究甲烷爆炸抑制機理、研發(fā)高效的抑爆技術對保障工業(yè)安全生產具有重要意義。多孔材料因其內部復雜的網狀結構而具有良好的阻火性能和吸波減振特性，因此被廣泛應用于阻火防爆領域。多孔材料按照材質可分為金屬和非金屬多孔材料。國內外對于多孔材料阻火抑爆性能的研究主要集中于填充長度、填充位置和材料材質等因素對現(xiàn)有多孔材料阻火抑爆性能的影響，以及不同結構材料的抑爆性能，著重研發(fā)更加高效、低成本、裝填靈活的新型多孔材料。陳鵬等[1]研究了金屬絲網對甲烷-空氣預混氣體爆炸時的火焰淬熄和吸波減振效果，發(fā)現(xiàn)金屬絲網一方面表現(xiàn)出障礙物加速效果，使其超壓峰值增大，另一方面當絲網達到一定層數(shù)時會使火焰淬熄。程方明等[2]研究了多孔材料放置于不同位置時對爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀Y果表明多孔材料作為障礙物增大了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c邊緣長度，縮短了傳播時間。崔洋洋等[3]研究了絲網結構對容器管道開口系統(tǒng)氣體爆炸的影響，并通過數(shù)學模型進行擬合，發(fā)現(xiàn)隨著絲網層數(shù)的增加，最大泄爆壓力先增加后趨于穩(wěn)定。Joo 等[4]對比泡沫陶瓷與陶瓷球的抑爆能力，發(fā)現(xiàn)在管道中填充陶瓷球的抑爆性能優(yōu)于泡沫陶瓷。Wang 等[5]研究了多孔障礙物長度與阻塞率對甲烷-空氣預混氣體燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)氣體濃度一定時，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S多孔障礙物間距及阻塞率的變化表現(xiàn)出抑制和增強兩種效果。Kitagawa 等[6]采用實驗和數(shù)值模擬的方法研究了沖擊波在聚氨酯泡沫中的衰減效應，發(fā)現(xiàn)與非固定泡沫相比，沖擊波在固定泡沫中的動量損失所產生的沖擊衰減效果更顯著。邢志祥等[7]研究了以聚丙烯為基體的非金屬多孔材料對管道超壓的抑制效果，并對填充密度和留空率對管道超壓的抑制關系進行了擬合，提出降低留空率、增加填充密度可有效改善材料的阻火抑爆性能。張新等[8]通過對材料母粒進行改性，制成聚丙烯阻隔抑爆材料，并對其阻火抑爆性能進行測試，指出材料材質是影響傳熱、吸波特性的主要因素。以上研究揭示了傳統(tǒng)材料的缺陷，例如：傳統(tǒng)金屬材料的密度高、易氧化，氧化后阻爆性能明顯下降；聚合物材料存在易燃、熔融物易黏附設備內壁、力學性能差等缺陷。以上缺陷極大地限制了多孔材料在抑爆領域的應用，迫切需要研發(fā)新型高性能多孔阻火抑爆材料。絲瓜絡作為生物質材料，成本低廉，且其內部是由多層絲狀纖維交織而成的網狀結構，具有優(yōu)良的力學性能，因此絲瓜絡可能具有優(yōu)異的阻火隔爆性能。

本研究以自主搭建的氣體爆炸管道實驗系統(tǒng)作為阻火隔爆測試平臺，改變絲瓜絡的填充長度和填充位置，引燃甲烷體積分數(shù)為9.5%的甲烷-空氣預混氣體產生爆炸沖擊波及火焰，根據(jù)火焰?zhèn)鞑D像、最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊葏?shù)，探究絲瓜絡在不同填充工況下的阻火隔爆性能，基于多孔淬熄效應和障礙物加壓效應分析其作用機理，探究體現(xiàn)材料最佳阻火隔爆性能的搭配參數(shù)（填充長度、填充位置），為絲瓜絡在阻火防爆領域的應用提供試驗依據(jù)。

1 試驗設備與方案

1.1 試驗材料及爆炸介質

硬質絲瓜絡表面呈黃白色，體輕質韌，如圖1所示。硬質絲瓜絡是由天然纖維交織而成的網狀結構，具有孔隙率高、比表面積大、強度和韌性高等特點。將直徑為60 mm，長度分別為5、8 和10 cm 的絲瓜絡裝填于不同填充位置的爆炸管道內，在20 J 點火能量下引爆甲烷體積分數(shù)為9.5%的甲烷-空氣預混氣體，進行阻火抑爆試驗。

圖1 硬質天然絲瓜絡Fig. 1 Rigid sponge of natural luffa

1.2 試驗裝置及流程

試驗裝置如圖2 所示，主要包括：試驗管道系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)（LFIX-2000 配氣儀）、點火系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)（10 000 幀每秒）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗管道由3 節(jié)長度2 m、內徑60 mm、外徑80 mm、壁厚10 mm 的圓形管道和一節(jié)長度0.5 m、截面內邊長60 mm 的方形管道通過法蘭連接而成。每節(jié)圓形管道上下各設置4 個螺栓孔，用于裝配精密檢測儀器。方形管道前后兩側設置2 塊長度為0.4 m 的高強透明有機玻璃板作為可視窗，用于觀察記錄火焰?zhèn)鞑D像。試驗管道上裝配了3 臺壓力傳感器（CYG-508微型高壓傳感器），均布置于圓形管道的螺栓孔上，距起爆端距離分別為1.2、2.5 和6.3 m，管道尾部裝有用于排出尾氣的球閥。

圖2 試驗裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of test device

試驗流程如下：(1) 將各設備按照圖2 所示進行連接并檢查；(2) 依照試驗方案將材料裝填于管道指定位置；(3) 將管道抽至真空，并按預設配比充入甲烷體積分數(shù)為9.5%的甲烷-空氣預混氣體；(4) 確保各系統(tǒng)處于正常準備狀態(tài)后，通過控制端點火引發(fā)爆炸，對試驗數(shù)據(jù)進行采集；(5) 打開尾部球閥，排出管內廢氣；(6) 重復試驗（每組工況測試3 次，取其均值）。

1.3 試驗方案

在點火能、預混氣體配比等條件一定的情況下，最大爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣仁窃u價材料阻火抑爆性能的重要參數(shù)[5]。火焰?zhèn)鞑ニ俣葹楦咚贁z影儀下可視窗內火焰前鋒在特定時刻的瞬時速度。按照上述試驗流程完成試驗，試驗分組如下。

(1) 研究填充位置和填充長度對最大爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽０凑疹A先設計，對填充位置分別為A（距點火端1.9 m）、B（距點火端4.4 m），填充長度分別為5、8 和10 cm 的絲瓜絡進行阻火防爆試驗，記錄管道爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｍ瑫r對同一位置不同長度、同一長度不同位置的阻火抑爆性能進行對比分析。

(2) 測定空管狀態(tài)下的最大爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑽刺畛洳牧蠒r管道內預混氣體爆炸的各項數(shù)據(jù)作為對照組，與填充絲瓜絡的測試數(shù)據(jù)進行對比。

2 試驗結果及討論

2.1 抑爆性能分析

圖3 和圖4 分別給出了3 種不同長度的絲瓜絡填充于位置A時，管道內3 個不同位置的壓力傳感器測得的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率。相對于空管道，位置A填充3 種不同尺寸的絲瓜絡對甲烷最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率均有明顯抑制作用。不同填充長度時的抑爆性能表現(xiàn)為：10 cm 最優(yōu)，5 cm 次之，接著是8 cm，0 cm 最差。絲瓜絡的抑爆作用主要體現(xiàn)在以下兩方面。

圖3 填充于位置A 時最大爆炸壓力隨填充長度的變化Fig. 3 Variation of maximum explosion pressure at filling position A with filling length

圖4 填充于位置A 時最大爆炸壓力上升速率隨填充長度的變化Fig. 4 Variation of the maximum explosive pressure rising rate at filling position A with filling length

(1) 多孔材料的吸波減振作用。由于多孔材料內部復雜的孔道結構，當爆炸波進入孔道時與孔壁反復碰撞，導致爆炸波能量大幅度衰減，從而有效地降低了爆炸沖擊波壓力峰值。

(2) 多孔材料的障礙物加壓作用。絲瓜絡在管道中作為障礙物對爆炸沖擊波形成反射，使火焰陣面變形，火焰在經過絲瓜絡前后受反射波和高壓氣流的影響向兩側不斷產生卷吸和褶皺，導致火焰?zhèn)鞑ソY構發(fā)生扭曲，從而使大量未燃氣體與高溫燃燒氣體混合，火焰?zhèn)鞑ビ蓪恿鬓D變?yōu)橥牧鳎瑫r障礙物場中火焰漩渦的交互作用增加了火焰陣面能量釋放率，使壓力快速上升，壓力峰值增大，且隨著絲瓜絡填充長度的增加，其障礙物加壓效果更為顯著[9]。

因此，多孔材料對于管道氣體爆炸產生雙重作用。本研究的3 次平行試驗結果均表明，絲瓜絡填充長度為8 cm 時的最大爆炸壓力與填充長度為5 cm 時的最大爆炸壓力相差較小，此現(xiàn)象歸結為：前者的障礙物加壓和吸波減振作用均強于后者，但其填充長度的絕對差值較小，雙重作用的綜合效果是形成了一定的抵消效應，導致以上現(xiàn)象。

習近平立足中國特色社會主義現(xiàn)代化建設實際，放眼全球經濟發(fā)展，直面發(fā)展帶來的生態(tài)環(huán)境問題，提出了關于生態(tài)文明建設的重要論述，顯示了堅持以人民為中心發(fā)展的使命感、對中國特色社會主義建設事業(yè)推進的責任感和對全球生態(tài)問題關注的危機感，具有重要的歷史地位和深遠的時代價值。

通過比較不同測點的抑爆效果，發(fā)現(xiàn)測點1 所測得的抑爆效果最顯著。相對于無填充狀態(tài)，在位置A分別裝填長度為5、8 和10 cm 的絲瓜絡時，最大爆炸壓力分別下降68.67%、67.88%和73.90%，最大爆炸壓力上升速率分別下降65.21%、36.79%和71.72%。

將3 種不同長度的絲瓜絡填充于位置B時的爆炸壓力數(shù)據(jù)進行處理，繪制如圖5、圖6 所示的爆炸壓力變化圖。

圖5 填充于位置B 時最大爆炸壓力隨填充長度的變化Fig. 5 Variation of maximum explosion pressure at filling position B with filling length

圖6 填充于位置B 時填充管道最大爆炸壓力上升速率隨填充長度的變化Fig. 6 Variation of the maximum explosive pressure rising rate at filling position B with filling length

相對于無填充狀態(tài)，位置B填充3 種不同尺寸的絲瓜絡對最高爆炸壓力和最高爆炸壓力上升速率均有抑制作用，但具體抑爆效果明顯劣于填充在位置A處。具體表現(xiàn)在以下3 個方面。

(1) 絲瓜絡填充于位置B處時，測點1 測得的抑爆效果明顯弱于填充在位置A處時。主要原因在于：封閉管道中特定位置的爆炸壓力主要與壓力波的波動頻率、氣流振蕩和壓力波反射疊加有關，波幅則主要與正向壓力波和反射壓力波的疊加效果有關[10]。爆炸能量在傳播過程中處于不斷發(fā)展提升的狀態(tài)，填充位置B與測點1 及點火端的距離均大于位置A，爆炸沖擊波傳至位置B時已經得到充分發(fā)展，經絲瓜絡后，一部分被阻隔吸收，另一部分又經反射傳向管道前端形成疊加效應，導致填充于位置B時，測點1 的爆炸壓力值大于填充于位置A工況條件。

(2) 絲瓜絡填充于位置B時，測點2 測得的抑爆效果明顯弱于填充于位置A時。主要原因在于：絲瓜絡填充于位置A時距離點火端較近，抑制了爆炸沖擊波的發(fā)展，而絲瓜絡填充于位置B時，測點2 的狀態(tài)與測點1 類似，導致測點2 所測抑爆效果明顯弱于絲瓜絡填充于位置A時。

(3) 材料填充長度分別為8 和10 cm 時，絲瓜絡于測點2、測點3 的壓力上升速率近似，最大爆炸壓力上升速率分別下降了32.62%、34.70%。其主要原因在于燃燒火焰和爆炸波在傳至位置B的過程中由于湍流、管道溫度等因素的影響發(fā)展壯大，導致長度相差較小的兩種材料對于爆炸的抑制效果近似。

2.2 阻火性能分析

2.2.1 火焰?zhèn)鞑D像分析

對高速攝影儀拍攝的可視窗口內的火焰?zhèn)鞑D像進行處理，發(fā)現(xiàn)將3 種不同長度的絲瓜絡分別填充于位置A時，可視窗內沒有觀察到火焰?zhèn)鞑ミ^程，即火焰未能穿過絲瓜絡進行傳播，說明3 種長度的絲瓜絡于位置A填充時均達到了阻火效果。將材料填充于位置B時，可視窗口均觀察到了明顯的火焰?zhèn)鞑ミ^程，以可視窗內開始出現(xiàn)火焰為時間起點，分別截取相同時間間隔內4 種工況下的火焰圖像如圖7 所示。

圖7 不同長度絲瓜絡作用下的火焰?zhèn)鞑D像Fig. 7 Flame propagation images with different filling lengths of luffa sponge

通過對比空管狀態(tài)與填充狀態(tài)的火焰圖像可以發(fā)現(xiàn)，相比空管狀態(tài)，填充狀態(tài)下火焰的亮度明顯變暗，火焰鋒面出現(xiàn)褶皺，且隨著材料填充長度的增加，這種現(xiàn)象變得更明顯，在材料填充長度為10 cm 時出現(xiàn)顯著的火焰離散現(xiàn)象。其原因在于：湍流增加了預混氣體的濃度，加快了爆炸壓力上升速率，導致管道內氣體劇烈燃燒，此時的火焰穩(wěn)定、明亮；由于無障礙物阻隔，傳至管道末端反射回來的爆炸波對火焰鋒面產生干擾，導致空管狀態(tài)下火焰鋒面更規(guī)整[1]。在填充絲瓜絡后，絲瓜絡對火焰起到一定的分散作用，導致火焰亮度變暗；另一方面，絲瓜絡作為障礙物還會對傳播而來的爆炸波產生一定的反射作用，低強度的反射波使火焰鋒面變得平整，高強度的反射波使火焰出現(xiàn)回流和離散現(xiàn)象。隨著填充長度的增加，反射波也隨之增加，達到一定強度時將出現(xiàn)火焰回流和離散現(xiàn)象[11-13]。

對不同工況下爆炸測試后的絲瓜絡截面進行對比分析，如圖8 所示。絲瓜絡作為天然材料，經過火焰?zhèn)鞑ズ螅瑑H表面具有輕微的灼燒現(xiàn)象，內部網狀結構均保持完整。由于爆炸沖擊波的作用，火焰在管道內快速通過，并未對絲瓜絡造成持續(xù)灼燒；絲瓜絡表面輕微灼燒現(xiàn)象源自火焰通過絲瓜絡時的短暫灼燒和后續(xù)火焰回流作用[14]。

圖8 不同長度絲瓜絡爆炸測試后數(shù)碼照片F(xiàn)ig. 8 Digital photographs of luffa sponge with different lengths after explosion test

2.2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?/p>

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁菍Σ牧献杌鸱辣阅茉u價的重要參數(shù)[6]。材料填充于位置A時，可視窗口未觀測到火焰，說明3 種長度的絲瓜絡均阻斷了爆炸火焰的傳播。因此，僅對填充于位置B時的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行分析。4 種工況下不同時刻火焰?zhèn)鞑ニ俣热鐖D9 所示。

圖9 填充于位置B 時不同填充長度下火焰?zhèn)鞑ニ俾孰S時間的變化Fig. 9 Flame propagation rate versus time under different filling lengths at filling position B

0～1 ms 內的爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€的斜率近似固定，可視為火焰的穩(wěn)定加速階段。主要原因在于：此時管內溫度不斷升高，預混氣體加速燃燒，導致火焰在向前傳播過程中速度不斷增大，空管狀態(tài)下可視窗觀測的火焰最大傳播速度為131.94 m/s；此外，由于壓力波的傳播速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋敾鹧鎮(zhèn)鞑ブ烈欢ň嚯x后火焰鋒面受管道末端和絲瓜絡反射回來的爆炸波影響，出現(xiàn)劇烈的波動現(xiàn)象，且在填充絲瓜絡的狀態(tài)下，這種爆炸反射波對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懽铒@著[15-16]。

將不同工況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行對比，發(fā)現(xiàn)相對未填充狀態(tài)，絲瓜絡填充長度分別為5、8 和10 cm 時火焰最大傳播速率分別下降了29.33%、34.12%和53.28%，說明3 種填充長度的絲瓜絡對火焰?zhèn)鞑ニ俣染鸬搅艘欢ǖ囊种菩Ч⒁蕴畛溟L度為10 cm 時的抑制效果為最佳。

絲瓜絡作為阻火材料對火焰具有淬熄效應，對火焰?zhèn)鞑ギa生抑制作用；另一方面，絲瓜絡作為障礙物可以增加湍流強度，使燃燒更加劇烈。對3 種填充長度下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，在火焰?zhèn)鞑ズ笃冢畛溟L度為5 和8 cm 時，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)了明顯的上升。這是由于絲瓜絡的障礙物加速作用對火焰?zhèn)鞑ギa生了一定的促進作用[17]。填充長度為10 cm 時沒有出現(xiàn)上述情況，說明填充長度為10 cm 時獲得了更好的阻火效果。

3 結 論

利用自主搭建的爆炸試驗平臺，在甲烷體積分數(shù)為9.5%的甲烷-空氣預混氣體的試驗條件下，分別對裝填于爆炸管道內不同長度（5、8 和10 cm）和位置（距點火端1.9 和4.4 m）絲瓜絡的阻火抑爆性能進行了測試，得到以下結論。

(1) 天然硬質絲瓜絡具有良好的阻火抑爆性能。當填充于距點火端1.9 m、填充長度為10 cm 時，其阻火隔爆效果最佳，此時絲瓜絡完全阻斷了爆炸火焰?zhèn)鞑ィ畲蟊▔毫妥畲蟊▔毫ι仙俾史謩e下降了73.90%和71.72%。

(2) 絲瓜絡作為生物質材料用于阻隔防爆時，由于爆炸火焰為高速傳播，不會對材料持續(xù)引燃，因此僅對材料表面造成輕微灼燒，材料內部結構并未受到破壞。

(3) 絲瓜絡對甲烷-空氣預混氣體爆炸產生雙重作用。一方面，絲瓜絡內部的多孔結構對爆炸火焰與沖擊波產生抑制作用；另一方面，絲瓜絡作為障礙物對爆炸火焰和沖擊波具有一定的增強效果。