程浩力，劉德俊

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

障礙物對(duì)管道中預(yù)混火焰壓力發(fā)展的實(shí)驗(yàn)研究*

程浩力，劉德俊

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

研究了管路中甲烷爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律和加速機(jī)理以及由于障礙物引起的火焰加速而導(dǎo)致的管內(nèi)壓力上升現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，障礙物的存在對(duì)甲烷爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律以及管內(nèi)壓力的影響十分巨大，障礙物的存在將使瓦斯爆炸過(guò)程中火烙的傳播速度迅速提高，導(dǎo)致壓力大幅度上升。加速作用的機(jī)理主要是由于障礙物誘導(dǎo)的湍流區(qū)對(duì)燃燒過(guò)程的正反饋造成的。

爆炸；火焰；障礙物；加速機(jī)理；湍流

管道是石油及化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中的主要設(shè)備，由于它們具有圓長(zhǎng)的受限密閉空間特性，可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃后，燃燒產(chǎn)物膨脹會(huì)壓縮周?chē)臍怏w而產(chǎn)生流動(dòng)，障礙物的存在會(huì)把這種流動(dòng)誘發(fā)為湍流從而大大地提高燃燒速率，當(dāng)存在連續(xù)障礙物時(shí)（如管路上的閥門(mén)、測(cè)試儀器等附件），湍流會(huì)被不斷加強(qiáng)，火焰不斷被加速，從而有可能在火焰正前方產(chǎn)生激波，當(dāng)其達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生爆炸，從而對(duì)裝置或設(shè)備及人員造成巨大的危害，因此研究障礙物下的湍流加速火焰具有其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 燃燒基本理論

1.1 甲烷的燃燒原理

物質(zhì)燃燒原理是指物質(zhì)燃燒的發(fā)生、發(fā)展和終止的本質(zhì)和機(jī)理。歷史上出現(xiàn)各種燃燒理論，包括熱力爆燃理論、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論和湍流燃燒理論等[1-2]。通過(guò)活性粒子（自由基或原子）使一系列反應(yīng)相繼連續(xù)發(fā)生，像鏈條一樣自動(dòng)發(fā)展下去，這類(lèi)反應(yīng)稱(chēng)之為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[3]。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是一種常見(jiàn)的復(fù)雜反應(yīng)，如高分子化合物的聚合、石油的裂解、以至燃燒和爆炸反應(yīng)都與鏈反應(yīng)有關(guān)。由于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論能夠?qū)θ紵械拇罅楷F(xiàn)象進(jìn)行圓滿(mǎn)的解釋?zhuān)虼吮疚膶⒁枣準(zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理為基礎(chǔ)分析甲烷的燃燒原理。

當(dāng)甲烷-空氣混合氣體吸收點(diǎn)火源的一定能量后，某些氣體分子鏈即行斷裂，離解成游離基。游離基有很大的化學(xué)活性，成為反應(yīng)的活化中心。在適當(dāng)?shù)臈l件下，每一反應(yīng)可生成兩個(gè)以上的新游離基。此過(guò)程不斷循環(huán)使游離基越來(lái)越多；同時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生的能量也使更的氣體分子離解成游離基，這樣分解下去，游離基越來(lái)越多，反應(yīng)也愈來(lái)愈快，最終可以發(fā)展成燃燒或爆炸式的氧化反應(yīng)。但對(duì)于鏈反應(yīng)，不管其形式如何都是由四部分[4]組成：游離基的存在→鏈引發(fā)→鏈傳遞→鏈終止。甲烷氧化反應(yīng)機(jī)理是總反應(yīng)所包含的各個(gè)基元反應(yīng)的集合，在較低溫度下（T＜900 K）甲烷的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理可簡(jiǎn)化為主要的10步[5]反應(yīng)進(jìn)行：

1.2 湍流火焰加速機(jī)理

火焰加速的主要機(jī)理是湍流。初始層流火焰在一定條件下會(huì)轉(zhuǎn)變成湍流火焰，使火焰加速。這種轉(zhuǎn)變主要通過(guò)以下兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：1）當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時(shí)，在火焰前的未燃?xì)怏w流動(dòng)中形成湍流；2）壓力波與火焰的相互作用形成湍流。

在有阻礙物的部分受限容器（如工藝設(shè)備，管道等）中，在爆炸火焰速度可能加速到每秒數(shù)百米。剛發(fā)生湍流時(shí)，湍流強(qiáng)度較低，旋渦只會(huì)使火焰表面產(chǎn)生褶皺，增加火焰的有效燃燒速率。當(dāng)燃燒速度增加后，將會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的膨脹流，之后便導(dǎo)致流速增加，而高的流速又將加大湍流的強(qiáng)度，這樣火焰會(huì)逐漸的丟失它的原來(lái)的光滑的表面，內(nèi)部也發(fā)生變化。于是湍流的旋渦又傾向于分裂火焰前驅(qū)，從而導(dǎo)致一個(gè)更高的燃燒速率，高的燃燒速率將又會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的膨脹流和湍流。這樣，就會(huì)形成火焰加速的正反饋，其反饋機(jī)理如圖1[6]所示。

圖1 可燃?xì)怏w爆炸過(guò)程的正反饋Fig.1 Positive feedbackloopcausing flame accelerationdue to turbulence.

2 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)氣體為空氣與99.9%的甲烷的混合氣體。實(shí)驗(yàn)選用體積分?jǐn)?shù)分別為7.5%，10.1%（最佳濃度）及11.5%的甲烷-空氣混合氣體。其中障礙物選擇多層金屬絲網(wǎng)。

實(shí)驗(yàn)管道長(zhǎng)徑比為118.8，其中總長(zhǎng)10.45 m，Φ108 mm×10 mm。本實(shí)驗(yàn)用8個(gè)測(cè)孔，配備5個(gè)壓力傳感器和3個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，管道上測(cè)孔的布置如表1所示。

表1 測(cè)點(diǎn)位置表Table 1 Locationof testpoints

當(dāng)進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)，管道兩端均處于封閉狀態(tài)。障礙物加裝在管道中部變徑部分，管道示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 管道示意圖Fig.2 Sketchmapof experimental pipeline

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 火焰加速傳播實(shí)驗(yàn)研究

圖3 沒(méi)有障礙物時(shí)4、6測(cè)點(diǎn)火焰信號(hào)Fig.3 Flame wave of eachtestpointinpipeline withoutobstacle

障礙物導(dǎo)致火焰加速的機(jī)理可以從障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響看出。甲烷火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中火焰?zhèn)鞲衅饔涗浀墓怆娦盘?hào)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3和圖4。4號(hào)測(cè)點(diǎn)在火焰?zhèn)鞑シ较蛏险系K物前方，6號(hào)測(cè)點(diǎn)在障礙物之后。圖3表示沒(méi)有障礙物時(shí)管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑バ盘?hào)，圖4表示存在障礙物作用下火焰?zhèn)鞑バ盘?hào)。

圖4 有障礙物時(shí)4、6測(cè)點(diǎn)火焰信號(hào)Fig.4 Flame wave of eachtestpointintube withobstacle

由圖3和圖4可以看出，與無(wú)障礙物時(shí)相比，當(dāng)有障礙物存在時(shí)，火焰到達(dá)各對(duì)應(yīng)的光電傳感器的時(shí)間縮短，表明火焰的傳播速度加快。圖3中未加障礙物時(shí)，障礙物后方測(cè)點(diǎn)6的信號(hào)持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)比障礙物前方測(cè)點(diǎn)4的時(shí)間短。而在圖4中，障礙物后方測(cè)點(diǎn)6的信號(hào)持續(xù)時(shí)間明顯超過(guò)障礙物前方測(cè)點(diǎn)4的時(shí)間。這說(shuō)明，金屬絲網(wǎng)對(duì)火焰的擾動(dòng)作用明顯。另外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)有障礙物存在時(shí)，火焰?zhèn)鞑r(shí)爆炸聲響很大，而無(wú)障礙物時(shí)聲響明顯減弱，這種現(xiàn)象也可以表明有障礙物時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葻o(wú)障礙物時(shí)的快。

3.2 爆炸波傳播特性實(shí)驗(yàn)研究

測(cè)試管道超壓情況壓力傳感器布置選取表1中的1、3、4、5、7測(cè)點(diǎn)。

將安裝多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)及不加多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)管道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)處的壓力情況繪于圖5。位于橫坐標(biāo)0 m處的虛線(xiàn)表示多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，無(wú)間距疊放。圖中藍(lán)色曲線(xiàn)表示管道內(nèi)不安裝抑爆結(jié)構(gòu)時(shí)各測(cè)點(diǎn)處的最大超壓值。壓力波自左向右傳播，橫軸為各測(cè)點(diǎn)距多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的距離。

從圖5中可以看出：管道內(nèi)存在障礙物比沒(méi)有障礙物時(shí)的爆炸壓力大，障礙物對(duì)氣體爆炸后障礙物后方壓力上升速率的影響更大，原因是障礙物的存在加劇了火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的湍流現(xiàn)象，使爆炸波的傳播發(fā)生變化，從而增大氣體爆炸的沖擊波超壓。當(dāng)火焰在進(jìn)入多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)起到了障礙物的作用，火焰通過(guò)絲網(wǎng)后被分為許多細(xì)小火焰，增大了燃燒表面積。同時(shí)，金屬網(wǎng)促進(jìn)了火焰湍流程度的加強(qiáng)，使得火焰產(chǎn)生許多皺褶，加快已燃?xì)怏w于未燃預(yù)混氣的混合，縮短了混合時(shí)間，提高了燃燒速度。燃燒的加強(qiáng)使得管道內(nèi)壓力迅速上升，其值高于未裝多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)的最大超壓值。

圖5 障礙物對(duì)管道各測(cè)點(diǎn)最大超壓分布的影響Fig.5 Influence of obstacle onoverpressure of eachpoint

圖6 障礙物前后壓差趨勢(shì)Fig.6 Pressure difference inpipeline

圖6為加裝20目不同層數(shù)金屬絲網(wǎng)后，障礙物前后壓差趨勢(shì)圖。從圖6中可以看出障礙物阻礙能力越大，障礙物前后壓差越大越大。所以，當(dāng)在管道中設(shè)置阻火器或其他儀器時(shí)，應(yīng)充分考慮到儀器及管道在事故發(fā)生后的承壓能力。

4 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）障礙物對(duì)甲烷燃燒爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ヒ约皦毫哂兄匾绊憽＿m當(dāng)?shù)恼系K物可以使火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆偬岣?。衰減速度變慢，波及范圍擴(kuò)大。

（2）在管道中適當(dāng)設(shè)置障礙物對(duì)火焰的傳播具有加速作用，這種加速作用的機(jī)理歸因于障礙物誘導(dǎo)的湍流區(qū)對(duì)燃燒過(guò)程的正反饋。

（3）在設(shè)計(jì)易燃?xì)怏w管路時(shí)，為了防止出現(xiàn)事故時(shí)可燃?xì)怏w火焰的加速傳播以及超壓，造成更嚴(yán)重的破壞，應(yīng)該盡量減少不必要的障礙物，在管路上合理配置各種儀器。

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Experimental Study on Influence of Obstacles on Overpressure Development of Premixed Flame in Pipeline

CHENGHao-li，LIU De-jun
（College of PetroleumEngineering，Liaoning ShihuaUniversity，Liaoning Fushun113001，China）

The flame propagation and its acceleration mechanism in gas explosion were studied.An investigation of overpressure development due to flame acceleration induced by obstacles has also been studied.The results show that the obstacle plays a significant role on the flame propagation and overpressure development in pipeline.When there are barriers，the velocity of f1ame transmission increases very quickly，which results in high increase of the overpressure. The mechanismof accelerationis to the positive feedbackof turbulentcombustioncausedby obstacles.

Explosion；Flame；Obstacle；Mechanismof acceleration；Turbulent

TQ560

A

1671-0460（2010）04-0357-03

2010-03-01

程浩力（1984-），男，2008年畢業(yè)于河北科技大學(xué)安全工程系，現(xiàn)為遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程在讀碩士研究生，主要從事油氣管道輸送技術(shù)及安全和海底管道腐蝕及剩余壽命評(píng)估研究。E-mail：cheng_paper@163.com。