張煉卓，閆興清，呂先舒，喻健良，李通征，詹瀟兵

（大連理工大學(xué)大學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116024）

阻火器是一種應(yīng)用廣泛的隔爆阻火裝置，其核心元件是內(nèi)部的阻火單元。深入理解火焰通過不同類型阻火單元的淬熄行為，明確不同規(guī)格阻火單元能夠淬熄的臨界火焰參數(shù)特性及其影響因素，是構(gòu)建阻火器理論與模型、開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的基礎(chǔ)。

Payman 等[1]和Cubbage[2]較早進(jìn)行了煤氣阻爆實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣饶軌蝻@著影響阻火器性能。Palmer 等[3]、Langford 等[4]通過化學(xué)計(jì)量比的丙烷-空氣預(yù)混氣火焰淬熄實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)阻火單元的狹縫幾何尺寸與火焰進(jìn)口速度成正比，并將熱量傳遞作為火焰淬熄的原因。Berlad[5]研究了矩形管道中丙烷-氧-氮混合氣火焰淬熄距離隨壓力的變化規(guī)律。Kersten 等[6]記錄了火焰在波紋板阻火器中的傳播過程以及爆炸各階段的火焰速度和壓力。Henkel 等[7]采用湍流模型預(yù)測了火焰在阻火器微通道中的傳播過程，認(rèn)為化學(xué)動力學(xué)機(jī)制對火焰淬熄有顯著影響。周凱元等[8-9]開展了平行板狹縫、波紋板阻火器的阻火實(shí)驗(yàn)，提出了淬熄長度、淬熄邊界層等概念，并推導(dǎo)了ⅡA 類氣體爆燃火焰的阻火器參數(shù)計(jì)算公式。陳鵬[10]模擬了火焰在圓管和平行板狹縫中的淬熄過程，對比了多種惰性氣體對淬熄的促進(jìn)作用。張省漪[11]總結(jié)了多孔隙通道中丙烷-空氣預(yù)混氣體火焰速度與壓力的相互影響。孫少辰等[12-13]開展了不同活性預(yù)混氣體爆轟火焰在波紋管道阻火器內(nèi)的傳播與淬熄實(shí)驗(yàn)，探討了裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對傳播過程的影響。王魯慶等[14]對ⅡA 類氣體波紋板阻爆燃型阻火器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了阻火速度與狹縫通道的長度、擴(kuò)張比的平方成正比的結(jié)論。

在多種阻火器類型中，波紋板阻火器因阻火性能好且受阻力較小[15]，通常被研究人員采用。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究多關(guān)注常壓工況，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)大多為化學(xué)計(jì)量比的丙烷-空氣預(yù)混氣體。實(shí)際上，阻火器的設(shè)計(jì)和選型還要考慮應(yīng)用環(huán)境和氣體介質(zhì)的種類，因此，研究不同活性、不同初始壓力下可爆預(yù)混氣體的淬熄特性，有助于理解阻火器性能及指導(dǎo)科學(xué)應(yīng)用。

本文中，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13347—2010《石油氣體管道阻火器》[16]，以不同體積分?jǐn)?shù)的丙烷-空氣、乙烯-空氣可燃預(yù)混氣體為介質(zhì)開展實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)探討不同初始壓力下可爆預(yù)混氣體通過波紋板阻火器的火焰?zhèn)鞑ヅc淬熄過程。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)裝置由圓形管道、阻火器、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。圓形管道總長4 000 mm，由4 段長1 000 mm 的管道通過法蘭連接而成，公稱直徑DN80，壁厚4 mm，管道點(diǎn)火端到阻火器入口為未受保護(hù)側(cè)管道，長度L1=3 000 mm，阻火器出口到管道末端為受保護(hù)側(cè)管道，長度L2=1 000 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental system

阻火器主要由單層波紋板、外殼及附件構(gòu)成，波紋板通道狹縫近似為正三角形，狹縫高h(yuǎn)=0.8 mm，通道長L=38 mm。阻火器外殼內(nèi)徑165 mm，長L0=420 mm。

采用分壓法配制一定體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體，氣體靜置24 h 后使用。將整個管道抽至絕對真空狀態(tài)后充氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用10 kV 雙電極高壓點(diǎn)火，點(diǎn)火持續(xù)時間為1 s，點(diǎn)火前管內(nèi)氣體靜置3 min。測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由光電傳感器、光電轉(zhuǎn)換電路、高頻數(shù)據(jù)采集卡等組成。光電傳感器接收到火焰的光信號后，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，采集卡將信號采集、存儲并傳輸至計(jì)算機(jī)。每段管道布置4 個光電傳感器，相鄰傳感器之間距離200 mm，第1 個傳感器距離管道點(diǎn)火端1 200 mm，共布置12 個光電傳感器。兩傳感器間距與接收信號時間差之比即為火焰速度。

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13347—2010《石油氣體管道阻火器》[16]選取，表1 列舉了所配制的預(yù)混氣體類型、可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)和當(dāng)量比。

表1 可燃?xì)?空氣預(yù)混氣體Table1 Combustible gas-air premixed gas

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同體積分?jǐn)?shù)乙烯-空氣預(yù)混氣體的淬熄特性

圖2(a)～(c)分別給出了乙烯體積分?jǐn)?shù)為5.0%、5.5%和6.5%的乙烯-空氣預(yù)混氣體在不同初始壓力p0時的火焰速度曲線。圖2(a)中，當(dāng)p0=60 kPa 時，阻火器入口火焰速度為9 m/s，阻火器出口后的第1 個火焰?zhèn)鞲衅魑词盏叫盘?，說明淬熄發(fā)生于阻火單元內(nèi)。當(dāng)p0=70 kPa 時，阻火器入口火焰為36 m/s，阻火單元內(nèi)火焰速度為31 m/s，即阻火器出口的第1 個火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏叫盘?，說明火焰穿過阻火單元后仍傳播一段距離，淬熄發(fā)生于管道末端前。而當(dāng)p0≥80 kPa 時，火焰則會直接穿過阻火器繼續(xù)向下游傳播，直至管道末端熄滅。因此，將上述3 種火焰?zhèn)鞑ツＪ椒謩e定義為直接淬熄、穿過阻火單元后逐漸淬熄和淬熄失敗。根據(jù)該定義，可以發(fā)現(xiàn)，圖2(b)～(c)分別在初始壓力為50 和30 kPa 時直接淬熄，在初始壓力為60 和40 kPa 時淬熄失敗。

圖2 不同初始壓力下的乙烯-空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€（貧燃料）Fig.2 Flame propagation velocity of premixed C2H4-air under different initial pressures (lean fuel)

圖3(a)～(c)分別給出了乙烯體積分?jǐn)?shù)為7.5%、8.5%和9.5%的乙烯-空氣預(yù)混氣體在不同初始壓力p0下的火焰速度曲線。根據(jù)之前對火焰?zhèn)鞑ツＪ降亩x，富燃料預(yù)混氣體火焰通過阻火單元時存在2 種傳播模式：直接淬熄、淬熄失敗。

火焰?zhèn)鞑ミ^程中的熱量損失和自由基損耗致使火焰可能在阻火單元內(nèi)淬熄。然而，少量自由基穿透熄滅層[8]繼續(xù)反應(yīng)是火焰穿過阻火單元后逐漸淬熄的原因。因?yàn)楫?dāng)單位體積內(nèi)存在更多自由基時，穿越熄滅層的自由基更多，整體穿透熄滅層幾率更大，在穿透熄滅層的自由基支持下，火焰得以繼續(xù)傳播。但是由于尚存的自由基數(shù)量有限，因而反應(yīng)速率有限，其釋放熱量也有限，無法持續(xù)支持反應(yīng)進(jìn)行，最終火焰也會熄滅。此外，狹縫壁溫持續(xù)上升，火焰與狹縫壁溫差縮小，熱量損失減小，因此火焰最終傳播至管末，出現(xiàn)淬熄失敗。

觀察圖2～3，速度曲線在管道未受保護(hù)側(cè)振蕩，該現(xiàn)象與壓力波相關(guān)。反應(yīng)產(chǎn)生的壓力波傳播至狹縫通道，阻火器外殼擴(kuò)張產(chǎn)生反射壓力波[13]，由于與火焰?zhèn)鞑シ较蛳喾矗瑫璧K火焰向前，反射波通過后，火焰鋒面與前方未燃燒氣體接觸，反應(yīng)加速，速度再次上升。若火焰速度較大，火焰鋒面與壓力波的距離較小，反射波對火焰作用很小或者沒有與火焰鋒面相遇，則對火焰抑制效果不明顯。

從速度衰減次數(shù)和衰減幅度角度分析可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)和初始壓力對火焰速度振蕩的影響。從速度衰減次數(shù)看，可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)會產(chǎn)生影響=5.0%時，會出現(xiàn)3 次減速；而當(dāng)可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)更高時，至多出現(xiàn)1 或2 次減速。從圖4 可以看出，初始壓力也會對速度衰減次數(shù)產(chǎn)生影響，當(dāng)初始壓力低于60 kPa 時，出現(xiàn)2 次減速；當(dāng)初始壓力提升至70 和80 kPa 時，出現(xiàn)3 次減速；然而當(dāng)初始壓力進(jìn)一步提升至100 kPa 時，減速又重新降至2 次。這是由于對于低體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體，單位體積內(nèi)乙烯分子較少，反應(yīng)不夠劇烈，火焰速度較小，如圖2(c)和圖3 所示，火焰初始速度大多處于70～120 m/s區(qū)間，而圖2(a)中=5.0%的預(yù)混氣初始速度則小于50 m/s。因此受壓力波影響大，若初始壓力增加，反射波強(qiáng)度也隨之增大，但此時火焰仍未達(dá)到較高速度，壓力波仍然存在較大影響，因此速度衰減次數(shù)隨初始壓力提升而增加。當(dāng)初始壓力進(jìn)一步提升時，火焰速度達(dá)到較大值，反射波對火焰的抑制作用減弱，速度衰減次數(shù)也隨之減少。因此，未受保護(hù)側(cè)管道火焰速度衰減次數(shù)會隨著可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)增大而減少，對于低體積分?jǐn)?shù)預(yù)混氣體，則會在初始壓力較低時隨壓力升高而減加，在初始壓力較高時隨壓力升高而減少。

圖3 不同初始壓力下的乙烯-空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€（富燃料）Fig.3 Flame propagation velocity of premixed C2H4-air under different initial pressures (rich fuel)

從速度衰減幅度來看，圖4～5 中的δ 表征一次速度衰減過程的速度衰減幅度，定義為一次減速過程中最大火焰速度與最小火焰速度的差值與最大火焰速度之比，δ 越大，表明速度衰減幅度越大。由圖5 可知，當(dāng)可燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)相同時，由于反射波對速度的抑制作用隨初始壓力升高而增強(qiáng)，總體來說，當(dāng)初始壓力為100 kPa 時，δ 值略大。而體積分?jǐn)?shù)的影響還與初始壓力相關(guān)。當(dāng)初始壓力較低（p0=50 kPa）時，δ 在貧燃料側(cè)隨著體積分?jǐn)?shù)增大呈下降趨勢，在=6.5%時達(dá)到最小，隨后在富燃料側(cè)呈上升趨勢。當(dāng)初始壓力較高（p0=100 kPa）時，δ 隨體積分?jǐn)?shù)增大而減小。當(dāng)=6.5%時，燃燒反應(yīng)最充分和迅速，火焰速度也更快，與之相比，貧燃料會因?yàn)橐蚁怏w分子不充分而反應(yīng)緩慢，富燃料則因乙烯氣體分子較多致使反應(yīng)受到抑制，因此，在初始壓力較低、反射波強(qiáng)度較小時，貧燃料側(cè)δ 隨著體積分?jǐn)?shù)增大而減小，富燃料側(cè)則呈相反趨勢。而初始壓力較高時，反射波抑制作用顯著，貧燃料受反應(yīng)速率所限，低速火焰狀態(tài)下受反射波影響較大，而富燃料則在火焰相對高速狀態(tài)下受影響較小，δ 隨體積分?jǐn)?shù)增大而減小。

圖4 未受保護(hù)側(cè)體積分?jǐn)?shù)5.0%的乙烯-空氣預(yù)混氣體火焰速度振蕩分析Fig.4 Flame velocity oscillation analysis of 5.0% C2H4-air premixed gas on the unprotected side

圖5 未受保護(hù)側(cè)不同體積分?jǐn)?shù)乙烯-空氣預(yù)混氣體火焰速度振蕩分析Fig.5 Flame velocity oscillation analysis of C2H4-air premixed gas with different volume fractions on the unprotected side

對于管道受保護(hù)側(cè)，火焰速度存在不降反升現(xiàn)象，在初始壓力較高時尤為明顯。當(dāng)初始壓力為100 kPa 時，圖2(a)中火焰速度較平穩(wěn)，但隨著體積分?jǐn)?shù)增大，火焰明顯加速，尤其是在化學(xué)計(jì)量比（化學(xué)反應(yīng)恰好能完全反應(yīng)時的體積分?jǐn)?shù)）時，阻火器入口和出口火焰速度分別為118 和344 m/s，變化最劇烈。

一方面，火焰經(jīng)過狹縫表面扭曲伸展，與預(yù)混氣接觸面積增大，導(dǎo)致反應(yīng)加速和火焰加速。另一方面，自由基碰撞損耗會造成反應(yīng)速率降低和火焰減速。由于體積分?jǐn)?shù)對自由基數(shù)量的影響較明顯，對于貧燃料預(yù)混氣體，自由基數(shù)量較少，自由基碰撞損耗對化學(xué)反應(yīng)速率影響較大，從而減緩了狹縫擾動對火焰的加速作用，甚至出現(xiàn)圖2(a)中速度較平穩(wěn)的現(xiàn)象；對于富燃料預(yù)混氣體，更多自由基意味著自由基碰撞損耗對反應(yīng)影響較小，因此火焰加速明顯。然而，富燃料預(yù)混氣體存在與活化中心結(jié)合幾率更小、通過狹縫發(fā)生碰撞幾率更大、自由基損耗數(shù)量更多的情況，相較于化學(xué)計(jì)量比時，管道受保護(hù)側(cè)速度增幅更小。因此，乙烯-空氣預(yù)混氣體火焰通過阻火器后會加速，且在化學(xué)計(jì)量比時加速幅度最大。

2.2 不同初始壓力下丙烷-空氣預(yù)混氣體的淬熄特性

圖6 給出了不同初始壓力下4.2%丙烷-空氣預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€，根據(jù)之前的定義，火焰?zhèn)鞑ビ? 種模式：直接淬熄和淬熄失敗。在p0=80 kPa 時，阻火器入口火焰速度為25 m/s，火焰直接淬熄；在p0=90 kPa 時，阻火器入口火焰速度為39 m/s，淬熄失敗。

圖6 = 4.2%時不同初始壓力下丙烷-空氣預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€Fig.6 Flame velocity of C3H8-air premixed gas under different initial pressures (= 4.2%)

丙烷火焰淬熄的主要原因被普遍認(rèn)為是由于冷壁效應(yīng)，因此有學(xué)者基于傳熱作用給出了半封閉管道的阻火速度計(jì)算式[8]：

式中：D 為平板狹縫直徑；u∞=v-v0，v 為火焰?zhèn)鞑ニ俣?，v0為介質(zhì)燃燒速度；υ 為狹縫中氣流的運(yùn)動黏度；Pr 為Prandtl 數(shù)；Lq為火焰淬熄距離；A 為火焰淬熄時淬熄邊界層厚度[8]與熱邊界層厚度的比值。

將平板狹縫換為波紋板的三角形狹縫時，存在特征尺寸關(guān)系[5]：

式中：Dt為三角形邊長，轉(zhuǎn)化為波紋板狹縫高度h（正三角形高，即為波高）。得到：

式中：L 為狹縫通道長度，即波紋板厚度。

運(yùn)動黏度υ 與動力黏度μ和流體密度ρ 之間的關(guān)系：

預(yù)混氣體動力黏度計(jì)算公式：

式中：下標(biāo)i 表示組分，μm為混合氣體的動力黏度，yi為組分i 的摩爾分?jǐn)?shù)，μi為組分i 的動力黏度，Mi為組分i 的分子質(zhì)量。

將式(4)～(5)代入式(3)，可以得到：

式中：λm為導(dǎo)熱系數(shù)，ρm為混合氣體的密度，cp,m為比定壓熱容。

介質(zhì)燃燒速度v0相比火焰?zhèn)鞑ニ俣葀 較小，因此將u∞近似看作v。式(6)適用于半封閉管道，而封閉管道需要考慮壓力影響。初始壓力對反應(yīng)速率和壓力波強(qiáng)度的影響，隨著壓力波的傳播進(jìn)而影響火焰速度以及爆炸壓力，因此對于封閉管道需要考慮壓力修正。參考Palmer 所提出的p0/p 壓力修正項(xiàng)，將式(6)增加p0/p 的壓力修正項(xiàng)，得到封閉管道阻火速度：

式中：p 為預(yù)混氣的爆炸壓力，物性參數(shù)μm、λm、ρm、cp,m均與可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)相關(guān)。這說明，阻火速度不僅受阻火器結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，還與使用場景下的氣體體積分?jǐn)?shù)和初始壓力相關(guān)，因此阻火器的設(shè)計(jì)與選型需要考慮適用對象和場景。

丙烷為組分1，空氣為組分2。常溫25 ℃下，黏度μ1=83.3 μP，μ2=184.5 μP，導(dǎo)熱系數(shù)λ1=0.017 92 W/(m·K)，λ2=0.026 04 W/(m·K)。對于可燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)為4.2%的丙烷-空氣預(yù)混氣體，μm=179.3 μP，ρm=1.195 7 kg/m3，λm=0.024 98 W/(m·K)，cp,m=1.044 9 kJ/(kg·K)。代入式(7)可得：

2.3 預(yù)混氣體阻火結(jié)果對比

圖7 給出了不同壓力下各組預(yù)混氣體的阻火結(jié)果，將火焰會發(fā)生熄滅的最大初始壓力定義為極限壓力[15]plim，極限壓力越小，阻火越困難。對比同處于化學(xué)計(jì)量比的預(yù)混氣體，為90 kPa，而 僅為50 kPa，＜。

圖7 不同初始壓力下可燃?xì)?空氣預(yù)混氣體的阻火結(jié)果Fig.7 Quenching results of premixed combustible gas-air under different initial pressures

圖8 給出了不同體積分?jǐn)?shù)（當(dāng)量比?）的乙烯-空氣的極限壓力plim。由圖8 可知，在當(dāng)量比?=1.00時，plim最小。在貧燃料側(cè)，plim隨? 增大而減?。欢诟蝗剂蟼?cè)，在1.00≤?≤1.33 區(qū)間，plim并未改變，在?＞1.33 時，plim隨? 增大而增大。化學(xué)計(jì)量比時極限壓力最小，火焰淬熄最困難，但在富燃料側(cè)存在預(yù)混氣體極限壓力不變的體積分?jǐn)?shù)區(qū)間，在實(shí)際應(yīng)用中需要謹(jǐn)慎對待該危險體積分?jǐn)?shù)區(qū)間。

圖8 不同體積分?jǐn)?shù)（當(dāng)量比）乙烯-空氣預(yù)混氣體的極限壓力Fig.8 Limit pressure of premixed C2H4-air with different volume fractions (equivalence ratios)

圖9 分析了臨界壓力下同處于化學(xué)計(jì)量比的丙烷-空氣和乙烯-空氣預(yù)混氣體火焰速度。在未受保護(hù)側(cè)管道，二者均出現(xiàn)了2 次減速。第1 次減速，丙烷-空氣預(yù)混氣體的δ 小于乙烯-空氣預(yù)混氣體，第2 次減速情況則相反。乙烯預(yù)混氣體經(jīng)過第1 次速度大幅衰減后，速度還未充分加速又再次減速，此時δ 較小，其速度振蕩也呈逐漸緩和趨勢。在受保護(hù)側(cè)管道時，丙烷-空氣預(yù)混氣體火焰在阻火器入口的速度為50 m/s，穿過阻火器后加速至113 m/s，該速度增幅低于乙烯-空氣預(yù)混氣體（5.0%乙烯-空氣除外）。

圖9 臨界壓力下未受保護(hù)側(cè)可燃?xì)?空氣預(yù)混氣體火焰速度分析Fig.9 Flame velocity analysis of premixed combustible gas-air under critical pressure on the unprotected side

乙烯活性更高，其易于反應(yīng)、反應(yīng)放熱多的特點(diǎn)會使反應(yīng)更加劇烈，火焰淬熄更困難，因此有＜。丙烷活性較低使得反應(yīng)速率和放熱量較低，火焰速度受反應(yīng)速率限制，因此在未受保護(hù)側(cè)管道火焰速度衰減幅度幾乎不變，速度振蕩更加均勻，且在火焰?zhèn)鞑コ跗诘恼袷幭噍^于乙烯預(yù)混氣體更小。同時，由于自由基通過狹縫碰撞銷毀等因素不利于反應(yīng)進(jìn)行，最終狹縫擾動對火焰的加速作用有限。

3 結(jié) 論

通過對不同初始壓力下可燃?xì)?空氣預(yù)混氣體通過波紋板阻火器的淬熄特性進(jìn)行研究，得到以下主要結(jié)論。

(1) 可燃?xì)獾幕钚?、體積分?jǐn)?shù)和初始壓力影響火焰通過阻火器的傳播模式及阻火器兩側(cè)的火焰速度?；鹧嫱ㄟ^阻火器有3 種傳播模式：直接淬熄、穿過阻火單元后逐漸淬熄和淬熄失敗。初始壓力越高、體積分?jǐn)?shù)越低，未受保護(hù)側(cè)管道內(nèi)火焰速度越不穩(wěn)定，受保護(hù)側(cè)管道內(nèi)火焰速度在化學(xué)計(jì)量比時上升幅度最大。

(2) 基于傳熱作用，得到了帶壓力項(xiàng)的阻火速度計(jì)算公式，通過丙烷體積分?jǐn)?shù)為4.2%的丙烷-空氣的淬熄實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。

(3) 可燃?xì)獾幕钚院腕w積分?jǐn)?shù)影響火焰淬熄困難程度，化學(xué)計(jì)量比乙烯-空氣預(yù)混氣體極限壓力plim最小，極限壓力越小，阻火越困難。一定體積分?jǐn)?shù)區(qū)間內(nèi)的富燃料預(yù)混氣體的極限壓力不隨體積分?jǐn)?shù)變化。