蔡 闖，陳先鋒，員亞龍，黃楚原，袁必和,2，代華明

（1.武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢科技大學(xué)冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081）

在石化、煤化及天然氣行業(yè)中，可燃?xì)怏w輸送管道爆炸火災(zāi)已經(jīng)成為主要災(zāi)害事故[1-2]。氣體爆炸會(huì)破壞管道的結(jié)構(gòu)、周圍各類建筑及儀器設(shè)備，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，所以亟需尋找新型綠色環(huán)保、阻火抑爆性能優(yōu)越的抑爆劑。目前，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)于鹵烴類物質(zhì)抑制甲烷[3-5]、氫氣[5-6]、乙烯[7]爆炸的阻火抑爆機(jī)理進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，以降低爆炸事故造成的嚴(yán)重危害。七氟丙烷（C3HF7）是一種新型滅火劑，由于不含Br、Cl元素，對(duì)大氣臭氧層不造成危害，且具有優(yōu)良的阻火抑爆效果，已經(jīng)成為當(dāng)今抑爆劑研究的熱點(diǎn)。

針對(duì)七氟丙烷濃度、可燃?xì)怏w濃度對(duì)容器內(nèi)的壓力變化及火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯挠绊懀嚓P(guān)學(xué)者已開(kāi)展了一些實(shí)驗(yàn)研究。朱熹[8]發(fā)現(xiàn)在20 L球內(nèi)，8%甲烷-空氣預(yù)混氣體在不同濃度的七氟丙烷作用下，最大爆炸壓力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)達(dá)到峰值。薛少謙[9]發(fā)現(xiàn)在20 L爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)中，利用高壓氣瓶向達(dá)到常壓的20 L球充入七氟丙烷對(duì)球內(nèi)部的9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體進(jìn)行惰化，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為17.4%時(shí)，20 L球內(nèi)的混合氣體無(wú)法被點(diǎn)燃。任常興等[10]發(fā)現(xiàn)利用分壓法配置丙烷和七氟丙烷混合氣體，對(duì)于4%丙烷-空氣預(yù)混氣體，其爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)隨著七氟丙烷濃度的增加而逐漸減小，但低濃度的七氟丙烷會(huì)使可燃預(yù)混氣的最大爆炸壓力呈略微上升趨勢(shì)。李一鳴[11]發(fā)現(xiàn)在可視化豎管道中充入七氟丙烷惰化甲烷-空氣預(yù)混氣體，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)在5%以下時(shí)，會(huì)加速當(dāng)量比為0.6的甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰的傳播，且最大爆炸壓力大于對(duì)照組；當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)在3%以下時(shí)，會(huì)加速當(dāng)量比為0.8的甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰的傳播。Li等[12]發(fā)現(xiàn)七氟丙烷能有效減弱E10（10%乙醇和90% 92號(hào)無(wú)鉛汽油的預(yù)混物）爆炸，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)從1%增加到10%時(shí)，1.0 mL E10爆炸的最大爆炸壓力降幅從30%變?yōu)?0%。魏樹(shù)旺等[13]發(fā)現(xiàn)在21 m長(zhǎng)的油氣爆炸管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，提前向抑爆區(qū)噴入3 、4和5 kg七氟丙烷作為抑爆介質(zhì)時(shí)，管道內(nèi)的最大爆炸壓力隨著七氟丙烷質(zhì)量的增加逐漸減小，火焰強(qiáng)度逐漸減弱。

上述針對(duì)七氟丙烷抑爆效果的研究中，將七氟丙烷與可燃?xì)怏w在一個(gè)狹小封閉空間內(nèi)完全預(yù)混來(lái)分析七氟丙烷的抑爆效果[8-11]。但在實(shí)際的可燃?xì)夤艿肋\(yùn)輸過(guò)程中，發(fā)生爆炸的管段不存在七氟丙烷，管道爆炸的防治是利用抑爆裝置在爆炸火焰還未到達(dá)前噴撒出抑爆介質(zhì)，在抑爆范圍內(nèi)形成一定濃度的抑爆屏障來(lái)阻斷爆炸火焰的傳播。因此有必要開(kāi)展在固定管段充入七氟丙烷阻斷爆炸火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)驗(yàn)研究。本工作將系統(tǒng)研究在強(qiáng)點(diǎn)火條件下[14]不同濃度七氟丙烷對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸的抑制效果，分析爆炸火焰在抑爆區(qū)的傳播過(guò)程和各管段爆炸壓力參數(shù)的變化，找到七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ呐R界濃度，為氣體爆炸的防治技術(shù)和抑制手段提供改進(jìn)思路和指導(dǎo)依據(jù)。

1 七氟丙烷的抑爆原理

七氟丙烷（C3HF7），英文名為Heptafluoropropane，能從物理、化學(xué)兩方面對(duì)爆炸火焰進(jìn)行抑制。七氟丙烷的物理特性：臨界溫度高（101.7 ℃），臨界壓力低（2.912 MPa），標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)低（-16.4 ℃），所以在常溫下可液化儲(chǔ)存。在密閉可視化氣體爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，當(dāng)爆炸火焰?zhèn)鞑ブ烈直瑓^(qū)時(shí)，七氟丙烷分子可以隔斷部分甲烷與氧氣分子的接觸，起到窒息作用，減弱爆炸火焰強(qiáng)度及爆炸反應(yīng)鏈的形成，七氟丙烷濃度越高，氧窒息作用越明顯。另外，七氟丙烷對(duì)爆炸火焰的化學(xué)抑制作用占主導(dǎo)地位，這也是它優(yōu)于二氧化碳、氮?dú)獾纫直瑒┑脑?。七氟丙烷屬于大分子，分子量?70，化學(xué)鍵會(huì)在爆炸高溫條件下斷裂，產(chǎn)生含氟的自由基，并與燃燒反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生鏈反應(yīng)的O·、H·、OH·等活性自由基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而中斷燃燒過(guò)程中化學(xué)鏈反應(yīng)的傳遞[15]。故可使用七氟丙烷作為抑爆劑抑制爆炸火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 水平管道爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Horizontal pipeline explosion characteristic test system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由水平管道爆炸傳播測(cè)試管道系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及同步控制系統(tǒng)組成。水平氣體爆炸傳播測(cè)試管道系統(tǒng)由20 L爆炸球（頂部設(shè)有引爆保險(xiǎn)絲頭）和組合管道構(gòu)成，組合管道包括3段內(nèi)徑60 mm、管長(zhǎng)2.00 m、壁厚10 mm的圓管道和1段管道尺寸為0.5 m × 60 mm × 60 mm（壁厚20 mm）的方管道，通過(guò)法蘭、螺栓連接，總長(zhǎng)6.50 m，總長(zhǎng)徑比L/D= 108。方管道設(shè)有尺寸為420 mm × 72 mm的觀察窗，用以觀察火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)。圓管道設(shè)有8個(gè)螺紋孔，方管道設(shè)置4個(gè)螺紋孔，以便安裝探測(cè)器及充裝氣體。在尾部端面法蘭上安裝實(shí)心圓盤，使爆炸在密閉空間內(nèi)進(jìn)行。選取實(shí)驗(yàn)管道中間2.5 m長(zhǎng)的管段為七氟丙烷抑爆區(qū)。管道系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置3個(gè)CYG1508型壓力傳感器（量程為0～4 MPa，測(cè)量誤差小于20 kPa），分別設(shè)置在20 L爆炸球內(nèi)、距20 L球3.3 m處的抑爆區(qū)內(nèi)和5.8 m處的管道末端。點(diǎn)火系統(tǒng)由延時(shí)點(diǎn)火器、起爆線、引爆保險(xiǎn)絲頭等組成。本次實(shí)驗(yàn)所使用的起爆源為5 J標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火藥頭加20 L球內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混氣體，其爆炸能量遠(yuǎn)高于本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體的最小點(diǎn)火能0.391 5 mJ[16]，可在20 L球所形成的相對(duì)受限空間中產(chǎn)生較強(qiáng)的起爆能量，形成強(qiáng)點(diǎn)火[14]，然后向組合管道傳播。實(shí)驗(yàn)采用HIOKI 8861-50型存儲(chǔ)記錄儀記錄和存儲(chǔ)爆炸壓力數(shù)據(jù)，采樣速率為10 kHz。采用Fastcam SA1.1高速攝像機(jī)記錄火焰?zhèn)鞑D像，拍攝速率為 1 000 s?1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中所用的9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體的配制由配氣儀完成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，計(jì)算出需要的甲烷及空氣的體積，通過(guò)電腦控制配氣儀，可得到體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣體。配氣前先用真空泵將管道抽至真空狀態(tài)，隨后利用配氣儀控制通入甲烷-空氣預(yù)混氣體的體積至常壓。然后利用Alicat質(zhì)量流量計(jì)控制流量（量程為0～20 L/min，精度為 ± 0.4%讀數(shù) ± 0.2%滿量程），在七氟丙烷抑爆區(qū)管段等間距均勻設(shè)置了4個(gè)進(jìn)氣口充入七氟丙烷，設(shè)置在管道末端的出氣口可排出多余的甲烷-空氣預(yù)混氣體，始終保持管段壓力為常壓。配氣時(shí)間為10 s，配完氣后及時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣口及出氣口，保證實(shí)驗(yàn)在密閉條件下進(jìn)行。由于七氟丙烷的施放速度較小，且七氟丙烷的相對(duì)分子質(zhì)量為170，屬于大分子，故七氟丙烷抑爆介質(zhì)在管道內(nèi)的擴(kuò)散速度較低[17]。在同步控制系統(tǒng)控制下，5 s后開(kāi)始點(diǎn)火并記錄爆炸壓力數(shù)據(jù)和火焰?zhèn)鞑D像。改變抑爆區(qū)的七氟丙烷濃度，重復(fù)上面步驟。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，各工況進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)所測(cè)爆炸壓力峰值誤差小于5%時(shí)[18]，認(rèn)為該工況數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

此次的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是內(nèi)徑為60 mm的水平管道，將管道中2.5 m長(zhǎng)的管段（1段圓管道、1段方管道）做為七氟丙烷抑爆區(qū)。抑爆區(qū)的體積約為7.5 L，設(shè)計(jì)充入抑爆區(qū)的C3HF7體積分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%，具體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。將6個(gè)濃度梯度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，研究在強(qiáng)點(diǎn)火條件下不同濃度七氟丙烷對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸的抑制效果，分析爆炸火焰在抑爆區(qū)的傳播過(guò)程和各管段爆炸壓力參數(shù)的變化，找到七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ呐R界濃度，為氣體爆炸的抑制手段提供指導(dǎo)依據(jù)。

表1 七氟丙烷體積對(duì)照表Table 1 Heptafluoropropane volume comparison table

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 七氟丙烷對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響

觀察窗設(shè)置于抑爆區(qū)末端，可觀測(cè)爆炸火焰能否通過(guò)抑爆區(qū)，圖2顯示了抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)分別為0%、1%、2%、3%、4%時(shí)對(duì)應(yīng)的方管道處火焰發(fā)展圖像。需要指出的是，不同七氟丙烷濃度工況下，火焰發(fā)展對(duì)應(yīng)單獨(dú)的時(shí)間列，各時(shí)間列之間沒(méi)有可比性；方管道玻璃窗口的長(zhǎng)度為0.4 m。

從圖2（a）中可以清晰地看到，火焰剛進(jìn)入觀察窗范圍內(nèi)時(shí)，火焰明亮且火焰結(jié)構(gòu)連續(xù)，為明顯的層流燃燒；到t= 230 ms時(shí)，形成平面火焰結(jié)構(gòu), 火焰開(kāi)始向反方向傳播；到t= 242 ms時(shí)，火焰鋒面內(nèi)凹，開(kāi)始正向加速傳播。根據(jù)火焰結(jié)構(gòu)與壓力波的理論，當(dāng)預(yù)混氣體被點(diǎn)燃后，以點(diǎn)火源為中心，火焰沿各方向向未燃?xì)怏w傳播，火焰表面積迅速增大，而在火焰面預(yù)混氣體的反應(yīng)過(guò)程中大量熱量的放出導(dǎo)致火焰面前方未燃?xì)怏w被壓縮，逐漸形成各向的壓縮波。在非絕熱燃燒階段，前驅(qū)壓縮波在管道尾部封閉端面發(fā)生反射后與火焰相向運(yùn)動(dòng)，阻礙火焰向前傳播，使火焰出現(xiàn)Tulip結(jié)構(gòu)或鋒面變平。當(dāng)反射沖擊波在點(diǎn)火端封閉端面處再次發(fā)生反射后，與火焰同向運(yùn)動(dòng)，使火焰加速向前傳播。由于實(shí)驗(yàn)管道長(zhǎng)徑比（L/D= 108）較大，火焰鋒面受到流場(chǎng)振蕩的影響，呈現(xiàn)出周期性的加速減速傳播現(xiàn)象[19]。

圖2 七氟丙烷濃度對(duì)9.5%甲烷-空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響Fig.2 Effect of heptafluoropropane concentration on 9.5% methane-air explosion flame propagation process

由圖2（b）～圖2（e）可知，隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減緩，火焰亮度逐漸減弱，但體積分?jǐn)?shù)在4%以下時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾扔趯?duì)照組加快。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為 1%時(shí)，火焰能快速通過(guò)觀察窗，火焰變得沒(méi)有對(duì)照組明亮，且混雜了藍(lán)色火焰，火焰結(jié)構(gòu)不連續(xù)；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，火焰亮度進(jìn)一步減弱，由于七氟丙烷的作用，甲烷無(wú)法完全燃燒；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為3%及4%時(shí)，觀察窗范圍內(nèi)只能觀察到零星火焰，但爆炸火焰仍能通過(guò)抑爆區(qū)。如圖3所示，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，只能觀測(cè)到片狀火焰，且迅速消失，無(wú)法傳播到觀察窗靠管道末端一側(cè)；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，只能觀測(cè)到點(diǎn)狀火焰，并迅速消失，無(wú)法傳播到觀察窗靠管道末端一側(cè)。

圖3 七氟丙烷濃度為5%及6%時(shí)對(duì)甲烷-空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響Fig.3 Picture of effect of heptafluoropropane concentration of 5% and 6% on methane-air explosion flame propagation

綜合各工況可以看出，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為1%～4%時(shí)，爆炸火焰通過(guò)觀察窗的時(shí)間比對(duì)照組更短，李一鳴等[11]也曾發(fā)現(xiàn)低濃度的七氟丙烷加速當(dāng)量比為0.6的甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑?，這是由于七氟丙烷在分解后的類燃料性質(zhì)[9,11]會(huì)促使熱當(dāng)量比增加，從而促進(jìn)爆炸反應(yīng)加劇，所以低濃度的七氟丙烷不僅無(wú)法抑制爆炸火焰的傳播，而且與對(duì)照組相比，會(huì)使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?。七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)從1%增加至4%時(shí)，整體火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程逐漸減緩；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，爆炸火焰無(wú)法通過(guò)長(zhǎng)度為2.5 m的抑爆區(qū)，達(dá)到了阻斷爆炸火焰?zhèn)鞑サ哪康摹Ｏ啾扔谌纬Ｅd等[10]以最大爆炸壓力處作為火焰?zhèn)鞑ソ佑|球壁時(shí)刻及球體半徑為參數(shù)來(lái)計(jì)算爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?，高速攝影采集的數(shù)據(jù)更可靠。同時(shí)，在魏樹(shù)旺等[13]研究的基礎(chǔ)上，找到了本實(shí)驗(yàn)工況下七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ淖钚◇w積分?jǐn)?shù)。

3.2.2 七氟丙烷對(duì)爆炸壓力的影響

圖4為不同七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)下甲烷-空氣預(yù)混氣體最大爆炸壓力曲線。如圖4中黑色曲線所示，當(dāng)抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時(shí)，I號(hào)傳感器探測(cè)到的最大爆炸壓力分別為0.236、0.238、0.227、0.226、0.221、0.208 和 0.193 MPa。當(dāng)抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，爆炸壓力峰值高于無(wú)抑制劑的工況；隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增大，最大爆炸壓力逐漸減小；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)超過(guò)5%時(shí)，由高速攝影記錄可知爆炸火焰未通過(guò)抑爆區(qū)，位于抑爆區(qū)后的甲烷-空氣預(yù)混氣體未發(fā)生爆炸，此時(shí)的最大爆炸壓力降幅明顯增大；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，最大爆炸壓力已達(dá)到最小值0.193 MPa。

圖4 不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預(yù)混氣體最大爆炸壓力Fig.4 Pictures of maximum explosion pressure of methaneair mixture under different heptafluoropropane concentrations

如圖4中紅色曲線所示，當(dāng)抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時(shí)，位于抑爆區(qū)內(nèi)的II號(hào)傳感器探測(cè)到的最大爆炸壓力分別為0.192、0.176、0.179、0.213、0.172、0.180 和0.178 MPa。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為1%～3%時(shí)，最大爆炸壓力逐漸增大，在體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)達(dá)到最高值0.213 MPa，與空爆對(duì)照組相比，增幅高達(dá)10.9%。原因是在爆炸高溫條件下七氟丙烷會(huì)發(fā)生熱分解，產(chǎn)生以氟化氫為主要成分的全氟烴類，使密閉空間內(nèi)分子量增加，隨著抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的升高，熱分解產(chǎn)生的氟化氫質(zhì)量濃度越大，進(jìn)而導(dǎo)致抑爆區(qū)內(nèi)最大爆炸壓力增大。同時(shí)，七氟丙烷在分解后具有類燃料性質(zhì)，會(huì)促使熱當(dāng)量比增加，從而使爆炸反應(yīng)加劇。七氟丙烷既具有抑爆的物理化學(xué)性能，其熱分解后的產(chǎn)物又會(huì)促進(jìn)爆炸反應(yīng)。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為1%～4%時(shí)，抑爆區(qū)內(nèi)的最大爆炸壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)達(dá)到峰值，與朱熹等[8]發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相吻合；在其他5種工況下，爆炸壓力峰值始終小于無(wú)抑制劑工況，說(shuō)明合理使用七氟丙烷的用量，可以抑制爆炸反應(yīng)的進(jìn)行。

如圖4中藍(lán)色曲線所示，當(dāng)抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時(shí)，位于管道末端的III號(hào)傳感器探測(cè)到的最大爆炸壓力分別為0.227、0.226、0.225、0.220、0.207、0.195 和0.193 MPa，隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增大，爆炸壓力峰值逐漸減小，且始終低于無(wú)抑爆劑的工況。當(dāng)抑爆區(qū)沒(méi)有充入七氟丙烷時(shí)，最大爆炸壓力為0.227 MPa；而當(dāng)抑爆區(qū)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為5%和6%時(shí)，最大爆炸壓力分別為0.195 和0.193 MPa，下降了14.09%和14.98%?？梢钥闯?，抑爆區(qū)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)越大，管道末端的最大爆炸壓力越小，七氟丙烷的阻火隔爆效果越好。

3.2.3 七氟丙烷對(duì)爆炸升壓速率的影響

圖5為不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸升壓速率曲線。當(dāng)抑爆區(qū)內(nèi)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%時(shí)，I、II、III號(hào)傳感器探測(cè)到的最大爆炸升壓速率如表2所示?？梢钥闯觯篒號(hào)傳感器探測(cè)到20 L球內(nèi)的最大爆炸升壓速率隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增大而減小；II號(hào)傳感器探測(cè)到抑爆區(qū)內(nèi)的最大爆炸升壓速率呈現(xiàn)出不一樣的規(guī)律，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為1%和2%時(shí)，與對(duì)照組相比，降幅分別為28.7%和4.6%，說(shuō)明在七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，高溫條件下七氟丙烷分解產(chǎn)生的類燃料性質(zhì)對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸的促進(jìn)作用占據(jù)主導(dǎo)地位，使得最大爆炸升壓速率升高。當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為2%～5%時(shí)，抑爆區(qū)內(nèi)的最大爆炸升壓速率隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增大而減小，說(shuō)明此時(shí)七氟丙烷抑爆的物理化學(xué)性能占據(jù)主導(dǎo)地位，減弱了爆炸波的威力；III號(hào)傳感器探測(cè)到管道末端的最大爆炸升壓速率在總體趨勢(shì)上隨著七氟丙烷濃度的增加而逐漸減小。從表2可以看出，當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，I、II、III號(hào)傳感器探測(cè)到的最大爆炸升壓速率的降幅比前4組實(shí)驗(yàn)顯著增大，與對(duì)照組相比，降幅分別為46.1%、46.7%、41.5%，說(shuō)明七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%后，長(zhǎng)度為2.5 m的七氟丙烷抑爆區(qū)能阻斷9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰的傳播，使管道各處爆炸壓力上升速率顯著降低。

圖5 不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸升壓速率曲線Fig.5 Explosion rate of pressure rise for methane-air premixed gas under different heptafluoropropane concentrations

表2 不同七氟丙烷濃度下甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸最大爆炸升壓速率Table 2 Maximum rate of pressure rise of methane-air premixed gas explosion under different heptafluoropropane concentrations

4 結(jié) 論

借助高速攝影技術(shù)，開(kāi)展了強(qiáng)點(diǎn)火作用下不同濃度C3HF7對(duì)甲烷-空氣爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种蒲芯?，分析?shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論。

（1）在強(qiáng)點(diǎn)火作用下，對(duì)于長(zhǎng)度為6.5 m的封閉管道，當(dāng)抑爆區(qū)長(zhǎng)度為2.5 m時(shí)，七氟丙烷阻斷9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ淖钚◇w積分?jǐn)?shù)為5%。

（2）對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀寒?dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為1%～4%時(shí)，爆炸火焰通過(guò)觀察窗的時(shí)間比對(duì)照組更短，低濃度的七氟丙烷不僅無(wú)法阻斷爆炸火焰的傳播，而且與對(duì)照組相比，會(huì)使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?；?dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，爆炸火焰無(wú)法通過(guò)長(zhǎng)度為2.5 m的抑爆區(qū)，達(dá)到了阻斷爆炸火焰?zhèn)鞑サ哪康摹?/p>

（3）對(duì)實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)爆炸壓力方面的影響：當(dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為1%～6%時(shí)，爆炸源及管道末端處的爆炸壓力峰值隨著七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸減?。划?dāng)七氟丙烷的體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，抑爆區(qū)處的爆炸壓力峰值與對(duì)照組相比增幅為10.9%。在其他5種工況下，抑爆區(qū)內(nèi)的爆炸壓力峰值始終小于對(duì)照組。研究表明，七氟丙烷對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸有良好的抑制作用，在使用過(guò)程中可根據(jù)使用場(chǎng)所合理確定七氟丙烷用量，保證抑爆區(qū)域內(nèi)七氟丙烷濃度達(dá)到抑爆濃度以上。