尤明偉，蔣軍成，喻 源，王志榮

(1.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，江蘇 南京 210009;2.福建消防總隊(duì)，福建 福州 350003)

在化工生產(chǎn)過(guò)程中，存有可燃?xì)怏w的各類容器通過(guò)管道相連接，由于靜電、操作不當(dāng)?shù)仍驎?huì)導(dǎo)致容器中的可燃?xì)怏w爆炸，產(chǎn)生的火焰可以通過(guò)管道在容器中傳播。當(dāng)火焰從一個(gè)容器(簡(jiǎn)稱起爆容器)進(jìn)入管道時(shí)，幾何結(jié)構(gòu)的改變將導(dǎo)致火焰前沿的加速［1-3］。在噴射火焰和壓力預(yù)壓縮作用下，相鄰容器(簡(jiǎn)稱傳爆容器)將產(chǎn)生比單容器爆炸更大的壓力峰值［4-6］。當(dāng)前的各種估算安全泄爆面積的經(jīng)驗(yàn)公式和規(guī)范都只適用于單個(gè)容器［7］，如果簡(jiǎn)單采用單容器氣體爆炸超壓泄放的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)連通容器進(jìn)行防爆泄放設(shè)計(jì)，就有可能失效。因此，開展連通容器泄爆實(shí)驗(yàn)，研究連通容器泄爆過(guò)程中的火焰?zhèn)鞑ズ腿萜鲀?nèi)壓力變化規(guī)律，對(duì)連通容器泄爆設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)使用的連通容器結(jié)構(gòu)如圖1所示。2個(gè)球形容器的內(nèi)徑分別為0.6、0.35 m，體積分別為0.113、0.022 m3，以下均簡(jiǎn)稱為大、小球容器。管道由3段連接組成，可根據(jù)需要拆裝組成管長(zhǎng)為2.45、4.45、6.45 m 的連通容器。

圖1 連通容器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the linked spherical vessels

選用工業(yè)上常用的甲烷和空氣預(yù)混氣體開展實(shí)驗(yàn)，甲烷濃度為10%。點(diǎn)火裝置采用高能點(diǎn)火器，點(diǎn)火能量為6 J，點(diǎn)火位置位于容器中心。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)在泄爆導(dǎo)管口添加圓環(huán)孔板改變泄爆面積，泄爆壓力為 0.13 MPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單容器泄爆的壓力變化

W.Barktnehct［1］認(rèn)為:無(wú)論是密閉爆炸或是泄爆，在相同初始條件下，燃燒物質(zhì)的爆炸強(qiáng)度都可以用立方根定律來(lái)說(shuō)明，即 dp/d( )tmV1/3=KG，dp/d( )tm為壓力最大上升率，KG為混合氣體爆炸特征值。由此得出，當(dāng)大小容積不同的容器的泄爆片破膜壓力相同時(shí)，若容器的量綱一有效泄爆面積(泄壓比)A/V2/3，滿足，則2個(gè)容器的壓力曲線接近一致。其中，A為泄爆面積，V為容器體積，下標(biāo)1、2表示小球容器和大球容器。

圖2給出了單個(gè)泄爆直徑分別為0.05、0.03 m的大、小球容器泄爆實(shí)驗(yàn)中壓力隨時(shí)間變化規(guī)律。從圖2中可知，2個(gè)容器的泄壓比基本相等;破膜泄爆后(圖中虛線位置)，2個(gè)容器的壓力繼續(xù)上升，屬非平衡泄爆。壓力的變化基本一致，說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)的單容器泄爆滿足三次方定律。為便于比較研究，在連通容器泄爆實(shí)驗(yàn)中，大球容器的泄爆口直徑均設(shè)為0.05 m，小球容器的泄爆口直徑均設(shè)為0.03 m，即2個(gè)容器的泄壓比相等。表1給出了等泄壓比條件下，單個(gè)容器泄爆的壓力特性值，其中，ps為靜態(tài)破膜壓力，pm為最大泄爆壓力。

圖2 等泄壓比條件下單容器的泄爆壓力曲線Fig.2 Pressure history of explosion venting of single vessel

表1等泄壓比條件下，單容器泄爆的壓力特性值

Table 1 Explosive characteristic value of single vessel w ith the same effective vent area

V/m3 d/m p s/MPa A/V 2 3( )t m/(MPa/s) p m/MPa K G/(MPa·m/s)d p/d 0.022 0.03 0.13 0.027 7.5 0.43 21.2 0.113 0.05 0.13 0.029 4.3 0.42 20.6

2.2 等泄壓比下，連通容器泄爆的壓力變化

圖3 不同容器點(diǎn)火時(shí)連通容器的泄爆壓力曲線Fig.3 Pressure histories of explosion vented in linked vessels

圖3為經(jīng)過(guò)6.45 m管道，大球容器向小球容器傳爆和小球往大球傳爆時(shí)，2個(gè)容器的泄爆壓力曲線，其中虛線為破膜壓力。由圖3可知，盡管2個(gè)容器的量綱一有效泄爆面積相等，但2個(gè)容器泄爆的壓力變化情況完全不同，火焰?zhèn)鞑シ较蛞膊煌?/p>

當(dāng)大球容器點(diǎn)火向小球容器傳爆時(shí)，初始時(shí)刻大球?qū)恿魅紵?，產(chǎn)生的壓力波通過(guò)管道先于火焰由大球容器傳遞到小球容器，大球容器壓力(圖中曲線2)與小球容器壓力(圖中曲線1)基本同時(shí)達(dá)到破膜壓力;隨后，火焰到達(dá)小球容器，在噴射火焰和壓力預(yù)壓縮的作用下，小球容器產(chǎn)生湍流燃燒，壓力急劇上升并達(dá)到峰值，受小球容器湍流燃燒和壓力波回流的影響，大球容器燃燒加快，壓力也加速上升達(dá)到峰值;最后，2個(gè)容器壓力振蕩下降到破膜壓力以下。

當(dāng)小球點(diǎn)火向大球傳爆時(shí)，首先小球容器(圖中曲線4)發(fā)生層流燃燒，產(chǎn)生壓力波向大球容器(圖中曲線3)傳遞，但由于小球容器的體積小，產(chǎn)生的壓力波對(duì)整個(gè)連通容器的作用較弱。因此，雖然2個(gè)容器的壓力均上升，但都低于破膜壓力;當(dāng)火焰到達(dá)大球容器后，大球容器發(fā)生湍流燃燒，壓力迅速上升超過(guò)破膜壓力，并達(dá)到峰值;在大球湍流燃燒壓力波的作用下，小球燃燒加快，壓力也迅速上升超過(guò)破膜壓力，達(dá)到峰值，最后與大球壓力一起下降。

2.3 不同管長(zhǎng)條件下，連通容器泄爆的壓力變化

表2、表3給出了不同管長(zhǎng)條件時(shí)，大球容器向小球容器傳爆和小球容器向大球容器傳爆時(shí)，2個(gè)容器等泄壓比泄爆的最大壓力和最大壓力上升速率。從表2和表3中可知，連通條件下，容器泄爆的最大壓力和最大壓力上升速率均超過(guò)單個(gè)容器，尤其是最大壓力上升速率差別明顯，說(shuō)明連通條件下爆炸產(chǎn)生的壓力振蕩劇烈，爆炸強(qiáng)度更高;傳爆容器的最大壓力和最大壓力上升速率均大于起爆容器，特別是小球容器作為傳爆容器時(shí)，泄爆的最大壓力和最大壓力上升速率更高;隨著管長(zhǎng)的增加，傳爆容器的泄爆最大壓力不斷增加，起爆容器的泄爆最大壓力差別不大;泄爆的壓力上升速率受管道固有振蕩頻率及泄爆過(guò)程流場(chǎng)擾動(dòng)等影響較多，隨管長(zhǎng)的變化還有待進(jìn)一步的分析。

表2 由小球容器向大球容器傳爆，不同管道長(zhǎng)度傳爆時(shí)泄爆的壓力特性值Table 2 Explosive characteristics of explosion transferred from a small vessel to a large vessel at different pipe lengths

表3 由大球容器向小球容器傳爆，不同管道長(zhǎng)度傳爆時(shí)泄爆的壓力特性值Table 3 Explosive characteristics of explosion transferred from a large vessel to a small vessel at different pipe lengths

2.4 不同管長(zhǎng)條件下，連通容器泄爆過(guò)程的火焰?zhèn)鞑?/h3>

表4給出了不同管長(zhǎng)條件下，在不同傳播方向上，火焰平均傳播速率。從表4中可知，隨著管長(zhǎng)的增加，火焰的平均傳播速率增加，說(shuō)明在連通容器泄爆過(guò)程中火焰在管道中加速傳播;在相同管長(zhǎng)條件下，小球容器向大球容器傳爆的火焰?zhèn)鞑ニ俾矢哂诖笄蛉萜飨蛐∏蛉萜鱾鞅幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俾?，這主要是由于小球體積較小，作為傳爆容器時(shí)，受大球爆炸燃燒壓力波的預(yù)壓縮作用使小球容器內(nèi)的壓力較高，對(duì)火焰?zhèn)鞑サ淖铚饔妹黠@，因此大球容器向小球容器傳爆時(shí)，火焰平均傳播速率較小。

3結(jié)論

表4 不同管長(zhǎng)條件下火焰平均傳播速率Table 4 Average flame propagation speeds at different pipe lengths

(1)連通容器內(nèi)氣體爆炸湍流燃燒，容器的最大泄爆壓力和最大壓力上升速率均超過(guò)單容器，特別是最大壓力上升速率更高，差別更大。(2)等泄壓比條件下，連通容器中傳爆容器的最大泄爆壓力比起爆容器高，且當(dāng)小容器作為傳爆容器時(shí)，最大泄爆壓力更高;隨管長(zhǎng)的增加，傳爆容器的最大泄爆壓力增加，起爆容器的最大泄爆壓力變化不大。(3)連通容器泄爆過(guò)程，火焰在管道中加速傳播。在相同管長(zhǎng)條件時(shí)，小球容器往大球容器傳爆的火焰?zhèn)鞑ニ俾矢哂诖笄蛉萜魍∏蛉萜鱾鞅幕鹧嫠俾省?/p>

［1］BartknechtW.Explosion course prevention protection［M］.Berlin:Springer，1981.

［2］Bjerketvedt D，Bakke JR，Wingerden K V.Gas explosion handbook［J］.Journal of Hazardous Materials，1997，52(1):1-150.

［3］周凱元，李宗芬.丙烷-空氣爆燃波的火焰面在直管道中的加速運(yùn)動(dòng)［J］.爆炸與沖擊，2000，20(2):137-142.

ZHOU Kai-yuan，LI Zong-fen.Flame front acceleration of propane-air deflagration in straight tube［J］.Explosion and Shock Waves，2000，20(2):137-142.

［4］Singh J.Gas explosions in inter-connected vessels:Pressure piling［J］.Process Safety and Environmental Protection，1994，72(4):220-228.

［5］Phylaktou H，Andrews G E.Gas explosions in linked vessels［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，1993，6(1):15-19.

［6］王志榮，蔣軍成，鄭楊艷.連通容器氣體爆炸流場(chǎng)的CFD模擬［J］.化工學(xué)報(bào)，2007，58(4):854-861.

WANG Zhi-rong，JIANG Jun-cheng，ZHENG Yang-yan.CFD simulation on gas explosion field in linked vessels［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2007，58(4):854-861.

［7］Razus D M，Krause U.Comparison of empirical and semi-empirical calculationmethods for venting of gas explosions［J］.Fire Safety Journal，2001，36(1):1-23.