賈海林，翟汝鵬，李第輝，項(xiàng)海軍，楊永欽

（1. 河南理工大學(xué)河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000；2. 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

隨著生態(tài)環(huán)保意識(shí)的提高，使用清潔能源代替煤炭資源受到了極大重視[1]。各地區(qū)也都積極地實(shí)施煤改氣工程，然而天然氣富集區(qū)向燃?xì)庑枨髤^(qū)輸送過(guò)程中敷設(shè)的長(zhǎng)距離管網(wǎng)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，有引發(fā)管網(wǎng)爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)，如2014 年高雄燃?xì)夤芫W(wǎng)爆炸，2018 年波士頓的燃?xì)夤芫W(wǎng)爆炸。

針對(duì)預(yù)混氣燃爆機(jī)理及傳播特性的研究已經(jīng)卓有成效[2-5]。陳鵬等[6]研究發(fā)現(xiàn)甲烷/空氣預(yù)混氣爆炸受遮擋物影響會(huì)出現(xiàn)火焰逆流并持續(xù)加速現(xiàn)象。周寧等[7]通過(guò)改變遮擋物的間距及阻塞比發(fā)現(xiàn)遮擋物間距為管長(zhǎng)1 倍時(shí)，丙烷/空氣預(yù)混氣爆炸火焰加速明顯。為了抑制預(yù)混氣爆炸危害，細(xì)水霧或含添加劑細(xì)水霧常被應(yīng)用于燃爆場(chǎng)所[8-14]。裴蓓等[15]研究CO2和超細(xì)水霧協(xié)同抑制甲烷/空氣預(yù)混氣爆炸時(shí)，發(fā)現(xiàn)CO2能夠有效彌補(bǔ)超細(xì)水霧的不足。紀(jì)虹等[16]研究了不同霧通量的超細(xì)水霧降解與抑制甲烷爆炸的特性，認(rèn)為隨著霧通量的增大，甲烷的降解速率會(huì)加快；管道內(nèi)爆炸超壓、平均壓升速率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。Rui 等[17]研究了不同體積分?jǐn)?shù)的超細(xì)水霧對(duì)不同濃度甲烷爆炸的抑制作用。Modak 等[18]認(rèn)為粒徑小的細(xì)水霧較粒徑大的細(xì)水霧的抑制效率高。楊克等[19]對(duì)比分析了含不同濃度草酸鉀的超細(xì)水霧對(duì)甲烷的抑爆特性，發(fā)現(xiàn)濃度為2%草酸鉀抑爆效果最佳。Joseph 等[20]認(rèn)為含NaCl、KCl 和KHCO3的細(xì)水霧可有效提高滅火效率，而含(NH4)2HPO4細(xì)水霧的滅火效果不佳。余明高等[21-22]開(kāi)展了含MgCl2、FeCl2細(xì)水霧和含NaCl 的荷電超細(xì)水霧抑制單管瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含添加劑細(xì)水霧和帶荷電的超細(xì)水霧均能抑制和降低爆炸傳播速度和火焰溫度。Gan 等[23]進(jìn)行了含NaCl 和NaHCO3細(xì)水霧對(duì)PMMA 粉塵爆炸抑制實(shí)驗(yàn)，指出含添加劑細(xì)水霧能夠降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?、最高溫度和升溫速率。陳曉坤等[24]通過(guò)比較單管道內(nèi)含NaHCO3、KCl 細(xì)水霧與純水細(xì)水霧的抑爆性能，認(rèn)為含添加劑超細(xì)水霧抑爆效率顯著。Cao 等[25-27]開(kāi)展了含NaCl 超細(xì)水霧抑制密閉管道內(nèi)不同濃度甲烷/空氣的爆炸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明添加NaCl 可以明顯改善超細(xì)水霧的冷卻作用和吸熱效果。

綜合前人研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)于細(xì)水霧抑制預(yù)混氣爆炸的實(shí)驗(yàn)主要集中在單段管道，且細(xì)水霧粒徑多為Ⅱ級(jí)，對(duì)于預(yù)混氣爆炸跨越至后續(xù)管網(wǎng)的傳播特性、抑爆規(guī)律以及鹽類超細(xì)水霧的綜合作用的研究相對(duì)較少。針對(duì)現(xiàn)實(shí)中燃?xì)獠捎霉艿垒斶\(yùn)這一現(xiàn)狀，搭建兩節(jié)管道預(yù)混氣爆炸傳播及抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展不同種類、不同鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同霧通量鹽類超細(xì)水霧抑制甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣的爆炸實(shí)驗(yàn)，分析不同工況下爆炸超壓、火焰鋒面及火焰平均傳播速度的變化，以期研究結(jié)果可為燃?xì)獍踩斶\(yùn)及燃爆事故預(yù)防提供指導(dǎo)。

1 管道預(yù)混氣爆炸傳播及抑爆系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及功能

為研究和對(duì)比分析管道預(yù)混氣爆炸特征和鹽類超細(xì)水霧的抑爆效果，自主搭建了兩節(jié)管道預(yù)混氣爆炸傳播及抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），該系統(tǒng)由預(yù)混氣配置單元、管道預(yù)混氣爆炸單元、爆炸超壓及火焰信息采集單元和超細(xì)水霧霧化單元組成。預(yù)混氣配置單元包括空壓機(jī)、高純高壓甲烷氣體存儲(chǔ)鋼瓶、閥門、耐高壓樹脂軟管、快速接頭、質(zhì)量流量計(jì)等組成。管道預(yù)混氣爆炸單元由兩段長(zhǎng)度為50 cm、截面為10 cm×10 cm、耐壓2 MPa 的有機(jī)玻璃管道（A、B）和點(diǎn)火系統(tǒng)組成。管道A、B 采用法蘭連接并在連接處用PVC膜將其分隔，然后將密封膠墊置于PVC 膜外側(cè)，確保管道連接的密閉性。管道A 的右端采用不銹鋼鋼板密閉，鋼板上分別設(shè)置有點(diǎn)火器、高頻壓力傳感器和進(jìn)氣閥門預(yù)留孔。管道B 左端采用PVC 膜密封，作為預(yù)混氣爆炸時(shí)的泄壓口。點(diǎn)火系統(tǒng)采用陶瓷鎢棒材料制成的點(diǎn)火電極和HE119 系列的高能點(diǎn)火器，點(diǎn)火器間距為5 mm，放電電壓為6 kV，工作頻率為50 Hz。爆炸超壓及火焰信息采集單元由高頻壓力傳感器、USB-1608FS 型數(shù)據(jù)采集卡、M310 型高速攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)組成。高頻壓力傳感器工作范圍為-0.1～0.2 MPa，響應(yīng)時(shí)間為0.2 ms，精度為0.25%。高速攝像機(jī)最短曝光時(shí)間不長(zhǎng)于1 μs，最高分辨率為1 024×1 024。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中信號(hào)采集頻率均為15 kHz，選取的拍攝頻率為3 200 s-1。為準(zhǔn)確測(cè)定起爆時(shí)間，將RL-1 型光電傳感器置于管道A 的外側(cè)，探頭傾斜放置并指向點(diǎn)火電極。超細(xì)水霧霧化系統(tǒng)由超聲霧化裝置、密閉樹脂儲(chǔ)水箱及水霧導(dǎo)流管組成，其中壓電陶瓷霧化片的霧化速率約為4.2 mL/min，工作頻率為1 700 kHz。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）研究不同類型、不同體積分?jǐn)?shù)預(yù)混氣在不同管段的爆炸超壓、火焰鋒面?zhèn)鞑ヌ匦?；?）分析不同霧通量純水超細(xì)水霧抑制預(yù)混氣爆炸的弱化效果；（3）開(kāi)展不同類型、不同鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同霧通量鹽類超細(xì)水霧抑制預(yù)混氣爆炸的抑制實(shí)驗(yàn)。

圖1 兩節(jié)管道預(yù)混氣爆炸及抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for the premixed gas explosion and explosion suppression in a two-section pipeline

1.2 超細(xì)水霧粒徑分布測(cè)定

水霧粒徑采用相位多普勒激光測(cè)速儀進(jìn)行測(cè)量。該儀器主要應(yīng)用于霧化測(cè)量以及氣固兩相測(cè)量，主要由激光器、發(fā)射（接收）光路系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、全自動(dòng)位移系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。粒徑測(cè)量范圍為0.3～7 000 μm，測(cè)量精度為±0.5 μm。實(shí)驗(yàn)中鹽類超細(xì)水霧的水霧粒徑分布見(jiàn)圖2。由圖2 可知，粒徑總體分布在0～20 μm，且水霧粒徑大部分在0～10 μm。根據(jù)NFPA750 標(biāo)準(zhǔn)中細(xì)水霧的分級(jí)分類[28]可知，90%以上的細(xì)水霧粒徑小于200 μm 被定義為第Ⅰ級(jí)。秦俊等[29]認(rèn)為水霧平均粒徑的索太爾平均直徑小于50 μm 的可以稱為超細(xì)水霧。因此，本實(shí)驗(yàn)霧化系統(tǒng)所產(chǎn)生的水霧可稱為超細(xì)水霧。

圖2 超聲霧化產(chǎn)生的細(xì)水霧粒徑分布Fig.2 Particle diameter distribution of water mist generated by ultrasonic atomization

1.3 實(shí)驗(yàn)工況及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)前預(yù)先分別配置鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%和8%的NaCl、MgCl2和NaHCO3溶液。為使爆炸單元管道A、B 內(nèi)預(yù)混氣（CH4與空氣的混合氣體）的化學(xué)當(dāng)量比為9.5%，實(shí)驗(yàn)配氣基于分壓法計(jì)算管道A、B 內(nèi)需要的通氣量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：（1）檢查儀器并調(diào)試，確保測(cè)試系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)；（2）將PVC 薄膜緊貼于管道A 和B 之間、管道B 末端，之后同時(shí)打開(kāi)管道A、B 的進(jìn)氣閥和出氣閥，通入4 倍于管道容積的預(yù)混氣體于管道A、B 中，充氣時(shí)間設(shè)定為8 min，保證管道內(nèi)部氣體置換完全；（3）保持管道B 與超聲霧化裝置間的進(jìn)氣閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，并啟動(dòng)超聲霧化裝置；（4）按照不同的工況通入相應(yīng)的水霧量（0、2.1、4.2、6.3 和8.4 mL），充氣和管道B 內(nèi)通細(xì)水霧全部結(jié)束后，關(guān)閉進(jìn)氣閥和出氣閥，啟動(dòng)點(diǎn)火器，同時(shí)采集壓力數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)拍攝到的火焰圖像；（5）重復(fù)上述步驟，進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)前需將拆卸下的管道B 用吹風(fēng)機(jī)吹干，每組工況重復(fù)3～5 次。

2 預(yù)混氣爆炸及抑爆實(shí)驗(yàn)分析

2.1 不同鹽類超細(xì)水霧對(duì)爆炸超壓振蕩曲線及最大超壓峰值的影響

不同水霧通入量和不同鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽類超細(xì)水霧抑制甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣的爆炸超壓p 曲線及最大超壓pmax變化情況如圖3～6 所示。提取圖3(a)、4(a)和5(a)不同工況下的爆炸超壓最大值，計(jì)算同一霧通量V、不同鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)w 下的最大爆炸超壓變化值Δpmax以及增幅η，匯總在表1～3 中。

圖3 NaCl 超細(xì)水霧對(duì)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣的爆炸超壓振蕩曲線及最大超壓峰值的影響Fig.3 Explosion overpressure-time curves and the maximum explosion overpressures affected by water mists containing NaCl for premixed methane-air mixture with the methane volume fraction of 9.5%

圖4 MgCl2 超細(xì)水霧對(duì)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣的爆炸超壓振蕩曲線及最大超壓峰值的影響Fig.4 Explosion overpressure-time curves and the maximum explosion overpressures affected by water mists containing MgCl2 for premixed methane-air mixture with the methane volume fraction of 9.5%

觀察圖3(a)、4(a)和5(a)知，隨著時(shí)間的推移，爆炸超壓曲線呈現(xiàn)出多個(gè)峰值。爆炸超壓曲線在達(dá)到最大值前出現(xiàn)2 個(gè)波峰：第1 個(gè)波峰是由于爆炸形成的前驅(qū)壓力波沖破管道A、B 間的薄膜后泄壓引起的，使超壓呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；第2 個(gè)波峰是由于前驅(qū)壓力波沖破管道B 左端的薄膜泄壓造成的。末端管道破膜后未燃預(yù)混氣因管道壓力驟變而卷吸進(jìn)入爆炸反應(yīng)區(qū)，導(dǎo)致爆炸火焰繼續(xù)向末端管道傳播，前驅(qū)壓力波使得末端管道的薄膜再次進(jìn)一步破裂。當(dāng)爆炸反應(yīng)所產(chǎn)生的能量與周圍環(huán)境吸收而消耗的能量相等時(shí)，爆炸超壓處于最大峰值，對(duì)應(yīng)于圖3(a)、4(a)和5(a)的最大峰值，也即第3 個(gè)波峰。之后，隨著器壁的冷卻效應(yīng)、周圍環(huán)境等因素消耗的能量大于反應(yīng)所放出的能量時(shí)，壓力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖5 NaHCO3 超細(xì)水霧對(duì)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣的爆炸超壓振蕩曲線及最大超壓峰值的影響Fig.5 Explosion overpressure-time curves and the maximum explosion overpressures affected by water mists containing NaHCO3 for premixed methane-air mixture with the methane volume fraction of 9.5%

圖6 霧通量均為8.4 mL、鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的不同鹽類超細(xì)水霧作用下爆炸超壓變化的差異性Fig.6 Differences of the explosion overpressures affected by ultrafine water mists with three different salts and different salt mass fractions under the same mist flux

表1 NaCl 超細(xì)水霧作用下最大爆炸超壓的變化Table 1 Changes of the maximum explosion overpressures under the suppression of ultrafine water mists containing NaCl

表2 含NaHCO3 超細(xì)水霧作用下最大爆炸超壓的變化Table 2 Changes of the maximum explosion overpressure under the suppression of ultrafine water mists containing NaHCO3

表3 MgCl2 超細(xì)水霧作用下最大爆炸超壓的變化Table 3 Changes of the maximum explosion overpressures under the suppression of ultrafine water mists containing MgCl2

分析表1～3 可知，對(duì)于相同霧通量和鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)的超細(xì)水霧，NaCl 超細(xì)水霧的抑爆效果最好，MgCl2超細(xì)水霧次之，NaHCO3超細(xì)水霧抑爆效果最差。例如：在鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8%，分別含NaCl、MgCl2和NaHCO3的3 種超細(xì)水霧作用下，霧通量為4.2 mL 時(shí)，最大爆炸超壓分別為13.9、14.0 和16.6 kPa；霧通量為8.4 ml 時(shí)，最大爆炸超壓分別為9.9、11.7 和12.8 kPa。與無(wú)超細(xì)水霧下的最大爆炸超壓（記為pmax,1，由圖3 知pmax,1為23.5 kPa）相比，降幅分別達(dá)到40.9%、40.5%、29.4%和57.9%、50.2%、45.6%；與純超細(xì)水霧下的最大爆炸超壓（記為pmax,2，相應(yīng)數(shù)值見(jiàn)表1～3）相比，降幅分別達(dá)到25.7%、25.1%、11.2%和35.7%、24%、16.9%。NaCl 超細(xì)水霧作用下的pmax,8.4和pmax,1的差值約為pmax,8.4和pmax,2差值的2.5 倍，而鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和4%的NaHCO3超細(xì)水霧作用下的pmax,4.2相對(duì)于pmax,2要弱得多，最大爆炸超壓下降比例僅從0.5%增加到2.1%。鹽類超細(xì)水霧均會(huì)使最大爆炸超壓峰值有所降低的原因有3 方面：（1）管道A 內(nèi)爆炸反應(yīng)引發(fā)的前驅(qū)壓力波致使管道A 與管道B 之間的PVC 薄膜發(fā)生破裂，從而誘導(dǎo)未反應(yīng)區(qū)內(nèi)可燃?xì)怏w進(jìn)入爆炸反應(yīng)區(qū)，促進(jìn)管道B 內(nèi)的爆炸反應(yīng)進(jìn)行，此時(shí)管道B 內(nèi)的超細(xì)水霧通過(guò)汽化吸收火焰的熱量，降低火焰溫度和燃燒速率，且汽化產(chǎn)生的水蒸氣能夠稀釋預(yù)混氣體，削弱反應(yīng)區(qū)的熱輻射強(qiáng)度；（2）汽化后析出的NaCl、MgCl2和NaHCO3晶體同樣可以吸收火焰陣面熱量，并隨著鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水霧量的增加，削弱熱輻射強(qiáng)度和阻隔熱傳遞能力不斷增強(qiáng)；（3）分散于反應(yīng)區(qū)的NaCl、MgCl2和NaHCO3離子氣相組分會(huì)同甲烷-空氣預(yù)混氣爆炸反應(yīng)產(chǎn)生的高能自由基發(fā)生碰撞和自由基消亡反應(yīng)，極大降低了高能自由基參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的幾率，高能自由基的消耗使得爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)增長(zhǎng)速度減降低，進(jìn)而爆炸被抑制。

分析圖3(b)、4(b)和5(b)可知，同一霧通量、同一鹽類、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的超細(xì)水霧作用下，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加至8%，爆炸超壓峰值隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大顯著降低，這表明超細(xì)水霧中鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大能有利于增強(qiáng)抑爆效果。同一鹽類、同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同霧通量的超細(xì)水霧作用下，當(dāng)霧通量從2.1 ml增加至8.4 ml，爆炸超壓峰值隨著霧通量的增大而減小，近似呈線性負(fù)相關(guān)趨勢(shì)下降，且爆炸超壓曲線上升緩慢，這表明鹽類超細(xì)水霧霧通量的增大能顯著提高抑爆效果。

2.2 不同鹽類超細(xì)水霧對(duì)火焰鋒面位置和火焰平均傳播速度的影響

由前述分析可知，隨著水霧通入量和鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，綜合抑爆效果會(huì)逐漸增強(qiáng)。為了分析3 種鹽類超細(xì)水霧對(duì)管道B 內(nèi)火焰鋒面位置和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，提取了霧通量均為8.4 mL、鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的不同鹽類超細(xì)水霧作用下火焰峰面到達(dá)管道B 末端的時(shí)間tter，計(jì)算了相對(duì)于無(wú)細(xì)水霧作用下火焰峰面到達(dá)管道B 末端的延遲時(shí)間Δt 以及相應(yīng)的延遲幅度ξ，匯總于表4。選取霧通量均為8.4 mL、鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8%的不同鹽類超細(xì)水霧作用下管道B 內(nèi)的火焰鋒面位置和火焰平均傳播速度進(jìn)行分析，詳見(jiàn)圖7～8。

表4 不同工況下3 種鹽類超細(xì)水霧作用下火焰峰面到達(dá)管道末端的時(shí)間Table 4 Times for the flame front to arrive at the terminal end of pipe B affected by three ultrafine water mists with different salts under different working conditions

圖7 不同鹽類超細(xì)水霧作用下管道B 內(nèi)爆炸火焰鋒面位置的變化Fig.7 Changes of explosive flame front positions in pipe B affected by different ultrafine water mists

圖8 不同鹽類超細(xì)水霧作用下管道B 內(nèi)爆炸火焰平均傳播速度的變化Fig.8 Changes of average propagation velocities of explosion flames in pipe B affected by different ultrafine water mists

分析圖7 和表4 可知，無(wú)細(xì)水霧作用下，火焰鋒面位置呈斜率較大的線性趨勢(shì)快速上升，火焰鋒面穿越B 區(qū)到達(dá)管道末端僅需5.27 ms，純水超細(xì)水霧作用下需8.06 ms。3 種鹽類超細(xì)水霧作用下火焰鋒面位置呈震蕩曲線的形狀緩慢上升，火焰到達(dá)管道B 末端的時(shí)間延長(zhǎng)，分別延遲至12.40 ms（NaHCO3）、15.19 ms（MgCl2）和17.98 ms（NaCl），延遲幅度較純水超細(xì)水霧作用下達(dá)到了53.8%（NaHCO3）、88.5%（MgCl2）和123.0%（NaCl）?？傮w來(lái)說(shuō)，這3 種鹽類超細(xì)水霧對(duì)爆炸超壓和火焰鋒面均有一定抑制效果，但NaCl 超細(xì)水霧的抑制效率最高，MgCl2超細(xì)水霧的抑制效率次之，NaHCO3超細(xì)水霧的抑制效率最低。

觀察圖7 發(fā)現(xiàn)，火焰在管道B 內(nèi)傳播時(shí)，火焰鋒面位置出現(xiàn)下降-上升-再下降的傳播現(xiàn)象。NaCl 超細(xì)水霧作用下火焰鋒面在0.62 ms 時(shí)出現(xiàn)第1 次后退，火焰鋒面在4.34 ms 時(shí)后退較顯著，火焰鋒面在10.23 ms 時(shí)發(fā)生急劇后退。MgCl2、NaHCO3超細(xì)水霧作用下，火焰鋒面出現(xiàn)第1 次后退的時(shí)間分別為1.24 和2.48 ms，火焰鋒面出現(xiàn)顯著后退的時(shí)間分別為9.92 和9.61 ms。相比來(lái)說(shuō)，NaCl 超細(xì)水霧作用下火焰鋒面顯著后退發(fā)生較早，NaCl 超細(xì)水霧作用下火焰鋒面后退現(xiàn)象共出現(xiàn)了5 次，而MgCl2、NaHCO3超細(xì)水霧作用下火焰鋒面分別出現(xiàn)了4 次和2 次后退。這也證明了鹽類超細(xì)水霧可以有效延緩火焰陣面的推進(jìn)速度，延長(zhǎng)了火焰陣面?zhèn)鞑ブ凉艿繠 末端的時(shí)間。

觀察圖8 可知，無(wú)細(xì)水霧作用下管道B 內(nèi)火焰平均傳播速度為94.88 m/s。當(dāng)霧通量為8.4 mL 時(shí)，3 種鹽類超細(xì)水霧作用下，管道B 內(nèi)火焰平均傳播速度分別下降至27.81 m/s（NaCl）、32.92 m/s（MgCl2）和40.32 m/s（NaHCO3），下降率分別達(dá)到70.7%、65.3%和57.5%。這表明在霧通量和鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，NaCl 超細(xì)水霧作用下管道B 內(nèi)火焰平均傳播速度最小，MgCl2超細(xì)水霧作用下次之，NaHCO3超細(xì)水霧作用下最大。在鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同、霧通量不同的情況下，管道B 內(nèi)火焰平均傳播速度同樣遵循前述規(guī)律。鹽類超細(xì)水霧作用下火焰鋒面出現(xiàn)延遲后退的原因在于：管道A、B 之間的薄膜類似于傳播過(guò)程的障礙物，爆炸后的破膜作用造成火焰面發(fā)生褶皺變形，火焰陣面的燃燒面積被拉伸；當(dāng)火焰演化傳播時(shí)，褶皺變形的火焰陣面被進(jìn)一步分離成小火焰團(tuán)；之后，在管道B 傳播時(shí)鹽類超細(xì)水霧會(huì)包絡(luò)這些爆炸火焰及分離的小火焰團(tuán)，在高溫作用下鹽類超細(xì)水霧形成的水蒸氣和析出的鹽類微小晶體吸收了火焰團(tuán)前鋒的大量熱量，削弱了主體火焰對(duì)前鋒火焰團(tuán)的輻射熱，使得前鋒火焰團(tuán)會(huì)反復(fù)窒息熄滅，導(dǎo)致火焰前鋒由火焰團(tuán)轉(zhuǎn)為主體火焰作為主鋒面，繼而使得火焰鋒面出現(xiàn)不同次數(shù)后退。

3 不同鹽類超細(xì)水霧抑爆機(jī)理

3.1 鹽類超細(xì)水霧的抑爆作用

鹽類超細(xì)水霧是通過(guò)物理和化學(xué)的雙重作用達(dá)到抑爆效果的，選取霧通量均為8.4 mL、鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8%、不同鹽類超細(xì)水霧作用下管道B 內(nèi)的火焰圖像見(jiàn)圖9。分析圖9 可知，爆炸前驅(qū)波穿越管道A 并破膜后進(jìn)入管道B，此時(shí)鹽類超細(xì)水霧在高壓氣流驅(qū)使下快速進(jìn)入爆炸反應(yīng)區(qū)，鹽類超細(xì)水霧的回流能撕裂火焰團(tuán)陣面，由于具有較大的比表面積，增大了對(duì)火焰團(tuán)的包裹性，弱化了反應(yīng)區(qū)和未燃區(qū)之間的熱傳遞。根據(jù)阿倫尼烏斯公式[30]可知，這會(huì)降低火焰前沿溫度和預(yù)混氣的爆炸反應(yīng)速率，且導(dǎo)致火焰團(tuán)前鋒被分割成體積不均的小火焰團(tuán)，使得管道B 內(nèi)的火焰形貌呈內(nèi)凹外凸的演化結(jié)構(gòu)。鹽離子隨著超細(xì)水霧的蒸發(fā)會(huì)以微小的晶體析出，析出量隨著鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增多。卷吸作用下微小的鹽離子晶體分散于管道B 內(nèi)的爆炸反應(yīng)區(qū)，一方面吸收火焰熱量，增強(qiáng)吸熱能力；另一方面高溫下氣相分解出的鹽離子能銷毀爆炸反應(yīng)區(qū)的活性自由基（OH·和H·等），中斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而且會(huì)因?yàn)辂}離子的焰色反應(yīng)，造成火焰亮度有所增強(qiáng)。此外，鹽離子會(huì)與活性自由基發(fā)生碰撞，使得高活性的自由基在能量交換過(guò)程中失去活性。

3.2 不同鹽類超細(xì)水霧抑爆差異性

添加劑種類的不同，爆炸反應(yīng)區(qū)內(nèi)鹽離子與高能自由基相互作用也有所差異，作用路徑見(jiàn)圖10。分析圖10 可知，鈉離子、鎂離子和氯離子在第三體作用下能消耗大量的活性自由基，Na+與OH-結(jié)合產(chǎn)生氫氧化鈉，成為主要消耗活性基團(tuán)（H·和OH·）的中間產(chǎn)物，Mg2+與OH-結(jié)合生成氫氧化鎂，氫氧化鎂在高溫下分解的氧化鎂具有較大的表面能，能夠吸附高活性基團(tuán)（H·），終止相關(guān)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[31]。H·和OH·在Cl-的催化作用下生成大量的水分子。NaHCO3受熱分解的氧化鈉和水蒸氣反應(yīng)生成氫氧化鈉，氫氧化鈉通過(guò)捕獲活性基團(tuán)（H·和OH·），使得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中的高能自由基減少，降低爆炸強(qiáng)度。同時(shí)水分子作為第三體基元M 催化H·和OH·反應(yīng)（ 2 H+H2O →H2+H2O,H+OH+M →H2O+M ），促進(jìn)水分子進(jìn)一步增多，正反饋效應(yīng)降低支鏈反應(yīng)。

圖10 三種鹽類超細(xì)水霧抑爆機(jī)理Fig.10 Explosion suppression mechanism by three ultrafine water mists with different salts

其主要基元反應(yīng)過(guò)程如下：

Na+OH+M →NaOH+M, NaOH+H →Na+H2O,

NaOH+OH →NaO+H2O, H+OH+Cl →H2O+Cl

Mg+OH+M →Mg(OH)2+M, Mg(OH)2+H →Mg+H2O,

Cl+Cl+M →Cl2+M, H+OH+Cl →H2O+Cl

NaHCO3→Na2CO3+H2O+CO2, Na2CO3→Na2O+CO2

Na2O+H2O →NaOH, NaO+H →Na+OH

4 結(jié) 論

利用自行搭建的兩節(jié)管道瓦斯爆炸傳播及抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬分析了管道瓦斯爆炸跨越至后續(xù)管網(wǎng)的爆炸傳播特性以及不同種類、不同鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同霧通量鹽類超細(xì)水霧抑爆效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和理論研究，主要獲得了以下結(jié)論：

（1）甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣爆炸在鹽類（NaHCO3、MgCl2和NaCl）超細(xì)水霧作用下爆炸超壓振蕩曲線緩慢上升，抑爆效果優(yōu)于純水超細(xì)水霧。隨著鹽類超細(xì)水霧的鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)和霧通量的增大，含NaCl 超細(xì)水霧抑制效能相對(duì)最優(yōu)。在霧通量均為8.4 mL，鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8%的3 種鹽類超細(xì)水霧作用下的最大爆炸超壓峰值較無(wú)超細(xì)水霧工況下降幅度分別達(dá)到45.6%（NaHCO3）、50.2%（MgCl2）和57.9%（NaCl）。

（2）鹽類超細(xì)水霧作用下，火焰鋒面穿越B 區(qū)到達(dá)管道B 末端的時(shí)間較無(wú)細(xì)水霧和純水超細(xì)水霧作用下出現(xiàn)延遲且火焰鋒面在管道中傳播時(shí)呈現(xiàn)不同次數(shù)的后退現(xiàn)象。在鹽類超細(xì)水霧的鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8% 和和霧通量均為8.4 mL 的情況下，NaCl 超細(xì)水霧作用下火焰鋒面出現(xiàn)了5 次后退現(xiàn)象，MgCl2和NaHCO3超細(xì)水霧作用下火焰鋒面僅分別出現(xiàn)了4 次和2 次后退現(xiàn)象。

（3）鹽類超細(xì)水霧對(duì)火焰平均傳播速度和爆炸超壓的影響規(guī)律趨于一致，鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的情況下，隨著鹽類超細(xì)水霧霧通量的增大，火焰到達(dá)管道B 末端的時(shí)間延遲，管道B 段內(nèi)的火焰平均傳播速度呈階梯下降趨勢(shì)。與無(wú)超細(xì)水霧作用下的火焰平均傳播速度（94.88 m/s）相比，分別下降了57.5%（NaHCO3）、65.3%（MgCl2）和70.7%（NaCl），火焰到達(dá)管道末端時(shí)間分別延遲至17.98 ms（NaCl）、15.19 ms（MgCl2）和12.4 ms（NaHCO3）。