樊保龍,白春華,王 博,高康華,李 斌,4

(1.北方爆破科技有限公司,北京 100089; 2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081；3.陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210007；4.南京理工大學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210094)

當(dāng)可燃?xì)怏w、可燃液體的蒸氣(或可燃粉塵)與空氣混合并達(dá)到一定濃度時(shí)，遇到火源就會(huì)發(fā)生爆炸。這個(gè)能夠發(fā)生爆炸的濃度范圍，叫做爆炸極限，通常用可燃?xì)怏w、蒸氣或粉塵在空氣中的體積分?jǐn)?shù)來表示?？扇?xì)怏w在空氣(氧氣)中的爆炸極限范圍是眾多學(xué)者關(guān)心的焦點(diǎn)，但關(guān)于作為描述可燃?xì)怏w爆炸后毀傷效果的典型參數(shù)，如爆壓、爆溫、爆速等的報(bào)道較少[1-4]。這是因?yàn)槟壳皩ΡO限的研究多局限于兩個(gè)方面：一方面是因?yàn)槠趯?shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的緣故，多數(shù)測試中只需知道可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸極限范圍、臨界氧含量或者獲得爆炸三角形圖即可，而對具體的燃燒爆炸過程及其結(jié)果并不關(guān)心；另一方面是由于測試儀器的局限性，多采用小尺寸容器，如小型激波管、20 L球、圓柱形爆炸罐等，其測試手段較單一，多數(shù)只在耐壓容器壁面安置一個(gè)壓力傳感器或溫度傳感器，所得數(shù)據(jù)有限[5-7]。正因?yàn)槿绱?，目前對于氣體爆炸的研究多采用放寬條件，改變初始溫度、初始?jí)毫?、?dāng)量體積分?jǐn)?shù)等手段，以獲得某種可燃?xì)怏w或氣體混合物較全面的爆炸特性參數(shù)[8-10]。大尺寸密閉空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸過程更貼合于實(shí)際。但由于爆炸容器尺寸大，操作復(fù)雜，開展相關(guān)研究難度較大。本文中，通過在大尺寸密閉容器中開展天然氣爆炸超壓場的研究，以期獲得大尺寸密閉空間內(nèi)天然氣爆炸超壓的發(fā)展規(guī)律，豐富目前天然氣燃爆威力的測試數(shù)據(jù)，為密閉空間內(nèi)天然氣爆炸危害的預(yù)防及毀傷能力評估提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

天然氣-空氣混合物的燃爆過程在容積為10 m3的爆炸罐內(nèi)進(jìn)行，爆炸罐示意圖見圖1。為更清楚地記錄爆炸罐內(nèi)天然氣-空氣混合物爆炸后超壓的發(fā)展過程，在爆炸罐內(nèi)沿罐體軸向典型位置布置4個(gè)壓力傳感器，沿罐體徑向典型位置布置3個(gè)壓力傳感器，以獲得天然氣-空氣混合物燃爆后，爆炸罐內(nèi)部的超壓場狀態(tài)，傳感器布置見圖2。點(diǎn)火裝置選用高能放電器，單次點(diǎn)火，點(diǎn)火能量為40 J；超壓測試系統(tǒng)包括壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)線等。壓力傳感器為PCB公司的113B系列；信號(hào)調(diào)理器為PCB公司的信號(hào)調(diào)理器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為南匯科技虛擬儀器系統(tǒng)；高速攝像系統(tǒng)為Photron公司的NX100相機(jī)，實(shí)驗(yàn)中采樣頻率為1 000 s-1。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

選用華北地區(qū)的工業(yè)天然氣為實(shí)驗(yàn)樣品，其密度為728.9 g/m3,高位發(fā)熱量為40.38 MJ/m3。該工業(yè)天然氣的組分及其體積分?jǐn)?shù)分別為：氧氣，0.05%；氮?dú)猓?.28%；天然氣，92.40%；二氧化碳，1.72%；乙烷，3.62%；丙烷，0.65%；異丁烷，0.11%；正丁烷，0.11%；異戊烷，0.04%；正戊烷，0.02%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將不同量的天然氣在容積為10 m3的爆炸罐內(nèi)與空氣進(jìn)行均勻混合，測量各點(diǎn)天然氣的體積分?jǐn)?shù)，達(dá)到罐體內(nèi)各位置處天然氣體積分?jǐn)?shù)相對均勻時(shí)，進(jìn)行點(diǎn)火操作，混合過程見文獻(xiàn)[11]，利用壓力測試系統(tǒng)記錄相關(guān)測試點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 近爆炸下限處天然氣-空氣混合物的爆炸超壓場狀態(tài)

超壓狀態(tài)場通常被用來評估受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w點(diǎn)爆過程中的爆炸效果。對大尺寸密閉空間來說，其超壓狀態(tài)場與可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)存在對應(yīng)關(guān)系[11]。本次研究主要從近爆炸下限(5.4%)的天然氣點(diǎn)爆過程入手，分析不同體積分?jǐn)?shù)下的天然氣爆炸超壓狀態(tài)場。

經(jīng)過系列實(shí)驗(yàn)測試后發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際天然氣體積分?jǐn)?shù)接近天然氣爆炸下限(5.4%)處，開展天然氣點(diǎn)爆實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠獲得3種超壓曲線，且曲線狀態(tài)隨天然氣實(shí)際體積分?jǐn)?shù)的不斷升高發(fā)生一系列的變化。在天然氣爆炸下限附近選取5.5%、5.8%和6.5%等3種天然氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以軸向第一個(gè)傳感器的信號(hào)為典型信號(hào)，來研究不同體積分?jǐn)?shù)條件下壓力傳感器獲取的不同超壓曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，圖3(a)是天然氣-空氣混合物點(diǎn)火后典型的沖擊波壓力曲線，由于點(diǎn)火位置處天然氣的體積分?jǐn)?shù)較低，在40 J點(diǎn)火能量的作用下，天然氣中可燃組分與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率較低，從時(shí)間坐標(biāo)可以看出整個(gè)反應(yīng)持續(xù)了十多秒，是典型的緩慢燃燒反應(yīng)。當(dāng)點(diǎn)火位置處天然氣體積分?jǐn)?shù)上升至5.8%時(shí)，由圖3(b)可以看出，測得的壓力-時(shí)間曲線分成兩部分：藍(lán)色橢球框內(nèi)的初始沖擊波壓力突躍以及后續(xù)的持續(xù)燃燒過程。藍(lán)色橢球框內(nèi)的壓力曲線對應(yīng)著圖3(a)中壓力曲線的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，不同的是，當(dāng)初始沖擊波過去后的一個(gè)豫馳時(shí)間后(約4 s)，圖3(a)中的壓力曲線并無繼續(xù)增長趨勢，而是持續(xù)下降，而圖3(b)中的反應(yīng)被進(jìn)一步加速，造成了后續(xù)大范圍持續(xù)燃燒的過程。

當(dāng)天然氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步升高，達(dá)到6.5%時(shí)，超壓時(shí)程曲線如圖3(c)所示。此時(shí)，從作用初期，已無法捕捉到初始沖擊波的作用曲線，也無法觀察到一個(gè)明顯的豫馳時(shí)間，天然氣爆炸后壓力直接上升至最高值，前期的沖擊波作用和后期的燃燒波發(fā)展已形成一個(gè)整體。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：氣體的爆燃過程也是一種化學(xué)反應(yīng)過程，在初始環(huán)境參數(shù)不變的情況下，可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)越高，單位空間內(nèi)的可燃?xì)怏w分子越多，可燃?xì)怏w分子發(fā)生有效碰撞的幾率越大，反應(yīng)速率越高。在點(diǎn)火的瞬間，當(dāng)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，點(diǎn)火源周圍局部的可燃?xì)怏w分子在外界能量的輸入下發(fā)生反應(yīng)，但由于可燃?xì)怏w分子少，反應(yīng)沒有完全傳播下去，造成了圖3(a)所示的現(xiàn)象，在宏觀上表現(xiàn)為點(diǎn)火后產(chǎn)生了前導(dǎo)沖擊波，但前導(dǎo)沖擊波沒有得到能量支持繼續(xù)發(fā)展；當(dāng)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速率很高，使得點(diǎn)火瞬間氣體分子的反應(yīng)從局部很快發(fā)展到整個(gè)空間，宏觀上表現(xiàn)為前導(dǎo)沖擊波波后氣體產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)速度追上或超過前導(dǎo)沖擊波發(fā)展速度，使二者形成一個(gè)整體，表現(xiàn)為圖3(c)所示的形式。而在這二者之間，存在前導(dǎo)沖擊波緩慢發(fā)展最終形成燃燒波的過程，如圖3(b)所示，即存在一定的豫馳時(shí)間[11]。

2.2 近爆炸下限處天然氣-空氣混合物的爆炸超壓發(fā)展過程

以容積為10 m3的爆炸罐為研究對象，對其軸向的4個(gè)壓力傳感器(距爆源由近至遠(yuǎn)分別命名為OP1～OP4)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，典型結(jié)果如圖4(a)所示。當(dāng)天然氣體積分?jǐn)?shù)為5.5%時(shí)，接近實(shí)驗(yàn)測得的爆炸下限(5.4%)，因此，此爆炸超壓發(fā)展曲線圖為近爆炸極限時(shí)的臨界壓力發(fā)展趨勢圖。由圖4(a)可看出，經(jīng)過濾波處理后，軸向上的壓力傳感器隨著距離點(diǎn)火位置的遠(yuǎn)近，其超壓峰值分別為82.5、32.9、23.4和15.1 kPa。距爆源最近的傳感器測得的壓力曲線較接近典型的沖擊波超壓曲線，其他3個(gè)傳感器所測得的壓力曲線都接近于燃燒波的壓力曲線。這主要是由于點(diǎn)火點(diǎn)處天然氣的體積分?jǐn)?shù)較低，接近爆炸下限，點(diǎn)火初期，點(diǎn)火位置處的天然氣-空氣混合物被點(diǎn)燃，初始沖擊波產(chǎn)生，但由于能量支持不夠，未繼續(xù)發(fā)展，使得后續(xù)的軸向傳感器測得的壓力信號(hào)較弱且隨距離呈遞減趨勢。

仍以容積為10 m3的爆炸罐為研究對象，對其徑向的3個(gè)壓力傳感器(距軸線由近至遠(yuǎn)分別為OP4～OP6)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，典型結(jié)果如圖4(b)所示。由圖4(b)可以看出，傳感器距離爆源中心軸線越遠(yuǎn)時(shí)，爆炸超壓峰值越大，但增幅不大。這是由于天然氣-空氣燃爆發(fā)生并沿爆炸罐體軸向傳播的同時(shí)，也沿爆炸罐體徑向傳播，呈體積性發(fā)展趨勢，距爆源一定距離后，整個(gè)燃爆體系傳播過程已成整體化趨勢，同一波陣面的壓力數(shù)據(jù)基本相當(dāng)，但由于壁面反射的影響，偏離軸線處壓力可能略有升高。

在對天然氣體積分?jǐn)?shù)為5.5%的天然氣-空氣混合物燃爆超壓曲線分析后，針對3種天然氣體積分?jǐn)?shù)情況下的天然氣-空氣混合物燃爆發(fā)展進(jìn)行研究，得到其燃爆參數(shù)隨軸向和徑向的發(fā)展規(guī)律，如圖5所示。由圖5可以看出：當(dāng)天然氣體積分?jǐn)?shù)接近爆炸下限時(shí)，天然氣-空氣混合物燃爆的最高壓力即為前導(dǎo)沖擊波的超壓峰值，其值相對較低；隨著天然氣體積分?jǐn)?shù)的升高，天然氣燃爆的最高壓力為前導(dǎo)沖擊波過后燃燒波的峰值壓力，且此壓力值隨著初始天然氣體積分?jǐn)?shù)的升高而增大。從空間發(fā)展角度來看，距爆源距離對天然氣爆炸超壓峰值影響不大。而對于豫馳時(shí)間來說，與超壓發(fā)展規(guī)律類似，燃爆豫馳時(shí)間與距爆源距離關(guān)系不大，初始天然氣體積分?jǐn)?shù)是決定性因素。

3 結(jié) 論

天然氣爆炸下限附近存在3種典型的超壓狀態(tài)：(1)當(dāng)可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)接近爆炸下限時(shí)，點(diǎn)火后只存在點(diǎn)火點(diǎn)周邊氣體燃燒產(chǎn)生的前導(dǎo)沖擊波；(2)當(dāng)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)略高于爆炸下限時(shí)，點(diǎn)火后前導(dǎo)沖擊波和后續(xù)燃燒波共存；(3)當(dāng)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)高于爆炸下限一定程度后，前導(dǎo)沖擊波與后續(xù)燃燒波重疊。

經(jīng)過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，爆炸下限附近的爆炸超壓峰值及燃爆豫馳時(shí)間主要取決于初始天然氣體積分?jǐn)?shù)，而與距爆源距離關(guān)系不大，這主要是由于大尺寸密閉容器內(nèi)氣體燃爆過程的體積性效果。

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