徐建楠，倪中華，陸 飏，許俊飛，孫海君，周 娟，蔣新生

(1.軍事科學院 國防工程研究院，北京 100036； 2.陸軍勤務學院 訓練基地，湖北 武漢 430000； 3.海軍工程大學 兵器工程學院，湖北 武漢 430033；4.陸軍勤務學院 油料系，重慶 401331)

0 引言

油料是重要的戰(zhàn)略能源物資，但油氣的易燃易爆性質往往造成重大損失，油料儲運面臨多種安全事故威脅。長距離輸油管道、地下坑道、排污溝、泄漏的地下綜合管廊等受限空間場所易于產生油氣積聚，一旦遭遇火源極易發(fā)生爆炸，爆炸火焰經長距離傳播后，其燃燒形態(tài)往往由爆燃轉向爆轟，屆時爆炸超壓急劇升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟠蠹涌?，破壞能力極大增強。為探究受限空間油氣爆炸發(fā)展規(guī)律和抑爆方法，學者們進行很多探索。

在油氣爆炸傳播規(guī)律方面，Zhang等[1]、李國慶等[2]、蔡運雄等[3]重點分析管道中汽油-空氣爆燃發(fā)展機制和火焰結構，王波等[4]分析密閉管道爆炸超壓的變化特性，Qi等[5]主要探討油氣濃度、初始溫度、環(huán)境濕度等因素對爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，李靜野等[6]探討長徑比對油氣爆炸超壓值的影響，但這些研究均未涉及爆轟過程；Austin等[7]、Li等[8]采用不同長徑比的長直管道研究氣相JP-10的爆轟，二者測到的超壓值有較大差異；而Li等[9]、Zhou等[10]采用短管針對特殊應用場景開展油氣爆炸及爆轟研究；Liu等[11]則剖析了多濃度的環(huán)氧丙烷-空氣混合氣在直徑199 mm、長29.6 m管道中的爆炸超壓變化規(guī)律、爆轟超壓峰值、沖擊波速等，對汽油-空氣爆炸研究具有一定借鑒意義。總之前人針對長距離管道的油氣爆轟研究尚有不足。

在油氣爆炸抑制方面，傳統(tǒng)氣體抑爆劑主要有氮氣和二氧化碳，Du等[12]、路長等[13]利用小尺度實驗分別研究非預混的氮氣對汽油-空氣爆炸和瓦斯爆炸的抑制效果。近年來七氟丙烷(C3F7H)應用到抑爆領域成為1種新方式，其相對于惰性氣體具有物理和化學的雙重抑制效能。作為1種高效環(huán)保無污染氣體滅火劑，七氟丙烷通常用于撲滅機房等場所的火災，關于其抑制油氣爆炸的性能已有學者開展部分研究，但還不完善。針對狹長受限空間，蔡闖等[14]研究非預混條件下C3F7H對甲烷爆炸的抑制效果；魏樹旺等[15]利用主動噴射技術研究直徑450 mm、長21 m管道中C3F7H對汽油-空氣爆炸超壓的抑制，發(fā)現(xiàn)七氟丙烷抑爆效果優(yōu)于二氧化碳，但實驗未涉及到對爆轟現(xiàn)象的抑制；Li等[16]則采用預混的方式在長0.6 m的管道中測量了七氟丙烷-乙醇汽油-空氣的爆燃特性?？偨Y前人研究發(fā)現(xiàn)：1)不同長徑比、不同油氣可燃物的爆炸發(fā)展傳播規(guī)律、爆炸參數變化幅值等往往存在差異，大尺寸的實驗研究與實際工況更為相符，但目前數據較少；2)傳統(tǒng)的惰性氣體和二氧化碳抑爆存在一定局限性，探索七氟丙烷對大尺度、大長徑比受限空間汽油-空氣爆炸的抑制具有較強實際應用價值，而這方面的研究目前較為匱乏?；诖?，本文利用直徑0.15 m、長23.3 m(長徑比為155)的管道，采用92號汽油研究大尺度油氣爆炸發(fā)展規(guī)律，采取主動抑爆技術實驗研究七氟丙烷對汽油-空氣爆炸的抑制作用，以期得到七氟丙烷對產生爆轟的油氣爆炸的抑制效果。

1 實驗系統(tǒng)和方案

1.1 實驗系統(tǒng)

本實驗系統(tǒng)由主管道、循環(huán)配氣裝置、油氣濃度測量儀器、抑爆裝置、壓力與火焰強度采集儀器、火焰速度測量裝置等組成，如圖1所示。

圖1 油氣爆炸抑制實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for suppressing gasoline-air explosion

主管道總長23.3 m，由數段短管和三通通過法蘭連接而成，內徑0.15 m，長徑比為155，壁厚10 mm，材質為鋼，能夠承受6 MPa壓力；管道一端安裝點火頭，側面安裝壓力、火焰強度、火焰速度等傳感器，各傳感器位置和標號見表1。壓力與火焰強度采集儀器為TST6300型動態(tài)采集儀，采樣頻率0.2～200 kHz；壓力傳感器量程0～5 MPa，精度0.2級，能夠承受2 000 K以上高溫；火焰強度傳感器將火焰發(fā)光強度轉化為電壓信號，精度高，測試靈敏。油氣濃度測量裝置為GXH-1050型紅外線分析儀，通過紅外吸收原理測量碳氫化合物的體積分數，精度±2%FS，進氣流量0.5～3 L/min，自帶溫控裝置，工作穩(wěn)定。循環(huán)配氣裝置通過真空泵驅動油氣霧化，對主管道循環(huán)充氣。抑爆裝置為主動式裝置，詳細介紹參見文獻[17]，由火焰?zhèn)鞲衅鳌⒖刂破骱鸵直鹘M成，裝置響應時間約10 ms；抑爆器構造如圖2所示，通過法蘭與管道緊密相連，高壓鋼制儲氣瓶內儲存抑爆介質，容積10 L，直徑210 mm，設計壓力8 MPa。

1.2 實驗方案

已有研究表明，汽油-空氣混合氣爆炸破壞力最強時的油氣濃度在1.6%～1.9%之間，本實驗測量油氣濃度為1.85%時的爆炸，初始壓力0.1 MPa，初始溫度20 ℃。由于實際輸油、儲油場所存在容器全封閉和端部開口2種狹長空間，因此本文進行管道密閉和端部開口2種情況下的抑爆和空爆實驗，其中端部開口工況是指管道端部使用單層錫箔紙密封，壓力較低時錫箔紙即破裂，此種設計能同時滿足充油氣的封閉需求和開口條件近似要求。

表1 各傳感器距點火端的距離Table 1 Distance of each sensor from ignition point

圖2 抑爆器結構Fig.2 Structure of explosion suppressor

實驗過程如下：1)向抑爆器中充入4 kg七氟丙烷，用氮氣加壓至5 MPa，七氟丙烷以液態(tài)形式儲存。2)將抑爆器與管道固定連接，同時連接好其余各裝置線路和管路，檢察連通性和密封性，確保正常。3)通過循環(huán)配氣裝置向管道充油氣，開啟相關閥門，打開真空泵，隨著系統(tǒng)內氣體的流動，霧化器將液態(tài)汽油霧化，霧化氣隨氣流進入循環(huán)系統(tǒng)。4)充油氣時，同時開啟油氣濃度測量儀器，實時觀察管道內油氣濃度變化，通過控制氣體循環(huán)流量，使油氣濃度逐漸穩(wěn)定在實驗預定的測量值，之后關閉配氣裝置、濃度測量儀器和各閥門。5)開啟火焰速度測量儀器、壓力和火焰強度測量儀器、抑爆裝置，預先開始測量火焰速度、爆炸壓力和火焰強度，使抑爆器處于待觸發(fā)狀態(tài)。6)緊隨步驟5)，利用點火裝置實施點火，之后火焰從點火端開始傳播。7)爆炸開始后，各測量系統(tǒng)記錄相應數據，火焰?zhèn)鞲衅髟诒O(jiān)測到爆炸火焰后，將爆炸信號傳遞給控制器，抑爆器收到指令后打開高壓儲氣瓶釋放抑爆介質，從火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火焰到抑爆器釋放抑爆介質這一過程約經歷10 ms。8)實驗完畢后，整理儀器和實驗數據。

2 實驗結果與分析

2.1 爆炸超壓變化分析

2.1.1 空爆時各測點的超壓曲線對比

爆炸超壓是油氣安全防護領域最為關注的參數，抑爆前后的超壓數值能直接反映抑爆介質和抑爆方式的優(yōu)劣?？毡瑫r，密閉管道和端部開口管道各壓力測點的超壓變化曲線分別如圖3(a)～(b)所示，橫坐標為點火后的時刻，每個分圖縱坐標均為超壓值。開口管道P1～P4測點中，P2測點得到的超壓峰值相對最大，為2.9 MPa，而密閉管道中P4測點得到的超壓峰值相對最大，為3.0 MPa。因此在爆炸傳播過程中，開口管道最大超壓出現(xiàn)位置早于密閉管道。分析認為，由于管道開口，爆炸發(fā)展過程中存在泄壓效應，因而靠近泄爆端口的區(qū)域內各點超壓峰值迅速下降。此外，無論開口條件如何，管道沿程各處超壓峰值差異較大，本實驗中點火端超壓峰值為600～900 kPa，而爆炸中的最大超壓可達到近3 MPa。端部開口管道的超壓分布規(guī)律說明，對于超過一定長度的直管道，口部泄壓措施對降低超壓破壞力作用有限。

2.1.2 空爆時超壓曲線的突變分析

圖3(a)中P2～P4各條曲線、圖3(b)中P4曲線均出現(xiàn)較明顯的壓力突變點。根據爆轟波的性質，推測壓力突變是由爆轟波經過所導致的。進一步細致分析密閉管道和開口管道P2～P4等測點處的壓力變化，得到管道沿程系列曲線，如圖4～5所示。圖4～5中縱坐標數值為壓力測點至點火端的距離，壓力曲線的起點對應測點的位置；曲線的幅值變化表示壓力大小，并不對應縱坐標值；橫坐標數值表示點火后經歷的時刻。

圖4中，開口管道各條曲線在壓力突變點前基本無變化，因此壓力突變點兩兩之間的距離與曲線起點相互之間的距離相同，將各壓力突變點依次連線，得到沖擊波鋒面的運動路徑，可采用如下方式計算沖擊波鋒面的傳播速度，得到V2-3，V3-4分別為1 875，2 000 m/s。綜合超壓曲線變化特征和傳播速度數值，可判斷油氣爆炸中產生了爆轟。速度計算公式如式(1)所示：

V=L/T

(1)

式中：V為沖擊波鋒面?zhèn)鞑ニ俣龋琺/s；L為2測點之間的距離，m；T為沖擊波鋒面到達時刻的時間間隔，s。

圖3 不同位置的管道爆炸超壓時序變化曲線Fig.3 Time sequence variation curves of pipeline explosion overpressure at different positions

圖4 開口管道沿程爆炸超壓突變過程Fig.4 Mutation process of explosion overpressure along opening pipeline

圖5 密閉管道沿程爆炸超壓突變過程Fig.5 Mutation process of explosion overpressure along closed pipeline

圖5中，密閉管道的各條曲線在壓力突變點前略有起伏，可近似繪制沖擊波鋒面的運動路徑。其中，P2，P3測點的壓力曲線首先經歷一段小幅躍升，維持一段時間后產生大幅突變，P4測點的曲線則沒有小幅躍升現(xiàn)象，因此通過連接壓力突變點可繪制出2條沖擊波運動路徑，如圖5中的Ⅰ，Ⅱ所示。經計算，2條路徑上沖擊波的運動速度VⅠ2-3，VⅠ3-4，VⅡ2-3，VⅡ3-4分別為681.8，700，937.5，1 867 m/s，結合激波運動理論和爆轟理論，分析認為此過程是爆燃轉爆轟過程，具體如下：油氣混合氣點燃后，火焰前方形成1道激波陣面，此時油氣燃燒處于爆燃狀態(tài)，爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀诩げúㄋ?；隨著爆炸的進行，火焰鋒面加速運動，前驅激波不斷加強；在前驅激波作用下，某測點處的未燃混合氣首先從初始狀態(tài)被激發(fā)到具有較高溫度和壓力的狀態(tài)，而后經短時間延遲，混合氣進行燃燒反應并釋放大量能量，即此時火焰鋒面?zhèn)髦翜y點處，燃燒放熱導致超壓更加急劇升高，形成圖5中P2，P3測點超壓曲線的階躍式變化特征；隨著前驅激波的進一步加強和火焰?zhèn)鞑サ倪M一步加速，當火焰鋒面與前驅激波重合時，爆轟波陣面形成，爆轟波經過時，未燃混合氣的壓力和溫度都產生類似于P4曲線所示的急劇突變。因此沖擊波路徑Ⅰ實際上近似為前驅激波鋒面的運動軌跡，沖擊波路徑Ⅱ近似為爆燃轉爆轟過程中的火焰鋒面運動軌跡。

2.1.3 抑爆時超壓曲線的變化規(guī)律

實驗發(fā)現(xiàn)，與空爆條件下的變化規(guī)律不同，使用七氟丙烷抑爆的工況中，開口管道越靠近端口時的壓力越低，密閉管道各處的超壓峰值與超壓變化規(guī)律近似。選取具有代表性的P1和P3測點進行對比分析,2類管道中抑爆和空爆時P1，P3測點的超壓變化曲線如圖6所示。由圖6可知，空爆條件下，2種管道各處升壓速率均較大，超壓峰值均較高，壓力在短時間內快速達到峰值后又迅速減??；使用抑爆劑時，各測點升壓速率、最大爆炸超壓均明顯減小，點火后壓力上升和下降都變慢，超壓值在相對較長時間內都維持在峰值附近。抑爆前后超壓峰值對比見表2。需要說明的是，密閉管道和開口管道沿程各測點中，抑爆時超壓峰值最大點均為P1測點，對比抑爆前后管道中最大超壓峰值的數值發(fā)現(xiàn)，2種管道中降壓幅度均可達近90%?？傊?，采取本文中七氟丙烷的抑爆方式，能夠極大削弱大長徑比管道的油氣爆炸傷害程度。

表2 抑爆前后不同測點的超壓峰值對比Table 2 Comparison of peak overpressure at different measurement positions before and after explosion suppression

圖6 抑爆與未抑爆的管道內爆炸超壓對比Fig.6 Comparison of explosion overpressure in pipelines with explosion suppression and without explosion suppression

2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣纫种菩Чc分析

不同工況下管道沿線的火焰?zhèn)鞑ニ俣确植既鐖D7所示，每個速度值由火焰速度傳感器兩兩之間的距離和二者測得火焰信號的時間差計算得到。由圖7可知，無論管道開口或密閉，空爆時火焰?zhèn)鞑ニ俣榷贾饾u快速上升，在管道后半段達到數千米每秒。分析認為，點火后隨著火焰的傳播，油氣燃燒釋放的熱量以及產生的壓力波不斷作用于前方未燃氣體，導致未燃氣體受到激發(fā)且溫度、壓強均升高，使燃燒化學反應更加容易進行，從而引起火焰?zhèn)鞑サ募铀佟?/p>

圖7 不同工況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.7 Velocity of flame propagation under different conditions

在噴入七氟丙烷的抑爆工況中，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆贉p小，管道后半段的傳感器甚至未探測到火焰信號，說明在該位置火焰已熄滅。此現(xiàn)象的原因是，噴入抑爆劑后，七氟丙烷汽化吸熱并迅速與未燃油氣混合，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中參與化學反應并抑制油氣燃燒，造成燃燒減弱、火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档汀Ｃ荛]和開口管道抑爆條件下，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲笾捣謩e為35.42，34 m/s，遠小于空爆時的速度值；且油氣爆炸一直為爆燃，這表明七氟丙烷對火焰?zhèn)鞑ゾ哂休^大的抑制作用。

2.3 火焰強度抑制效果與分析

采取抑爆措施時管道密閉和開口條件下F1測點處的火焰強度變化曲線如圖8所示。在火焰到達傳感器位置時，強度曲線從零開始快速上升，火焰經過傳感器后，強度曲線迅速回落。曲線的起跳時刻與持續(xù)時間反映了火焰?zhèn)鞑タ炻腿紵膭×页潭取?/p>

圖8 抑爆條件下開口和閉口管道中F1處的火焰強度變化曲線Fig.8 Variation curves of flame intensity at location of F1 in opening and closed pipelines with explosion suppression

開口管道和密閉管道不同位置處，加入抑爆劑前后的火焰強度最大值、火焰到達時刻以及火焰持續(xù)時間見表3。綜合圖8和表3的數據，可以看到，無論何種工況，最大火焰強度值都相差不大；但噴入抑爆介質后，火焰到達時刻與持續(xù)時間發(fā)生顯著變化。比較來看，空爆工況的火焰持續(xù)時間很短，僅數十毫秒；而抑爆工況下，火焰持續(xù)時間明顯延長。抑爆后的火焰到達時刻比抑爆前大幅滯后。以上說明，空爆時火焰快速通過傳感器，而抑爆工況下火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓档停饕蚴且直橘|降低了氧濃度，且直接參與燃燒反應，降低反應的劇烈程度。從火焰到達時刻上來看，密閉管道對火焰的抑制優(yōu)于開口管道，這是因為密閉管道內七氟丙烷沒有泄漏，且與火焰作用時間更長；開口管道內七氟丙烷在噴射后會隨著流場向管道外噴出。

表3 不同工況下管道不同位置處的火焰參數Table 3 Flame parameters at different positions of pipeline under different conditions

抑爆工況下，F(xiàn)2測點未探測到火焰信號，這說明爆炸火焰在傳播至F2位置時已經熄滅，七氟丙烷完全抑制了油氣的燃燒傳播。

3 結論

1)大長徑比管道中，管道沿程各點超壓峰值差異較大，無論管道開口與否，爆炸都能由爆燃轉爆轟，最大超壓峰值可達數兆帕，端部開口泄爆對降低長直管道油氣爆炸破壞能力作用不大，但相對于密閉管道會導致最大超壓峰值測點位置提前出現(xiàn)。

2)根據超壓曲線突變規(guī)律、沖擊波鋒面運動速度，結合爆轟理論判斷，大長徑比管道中油氣爆炸出現(xiàn)爆轟，在22.3 m的管道尾部爆轟波速可達近2 000 m/s，通過壓力變化特點描繪出密閉管道內油氣爆燃轉爆轟的過程，可判斷出該過程中火焰?zhèn)鞑ナ恰耙讶紖^(qū)-火焰鋒面-待燃區(qū)-前驅激波-未燃區(qū)”的2波3區(qū)結構，并繪制爆轟波、火焰鋒面和前驅激波在部分管段的運動路徑。

3)采取主動抑爆裝置時，七氟丙烷對大長徑比油氣爆炸抑制效果明顯。抑爆前后2種工況下最大超壓峰值之間降低幅度可達90%；噴入抑爆劑后，火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓档停闯霈F(xiàn)爆轟現(xiàn)象；且根據火焰強度判斷，七氟丙烷較好地阻止了爆炸傳播。