陳明仙，郭 進(jìn)，羅飛云，3，王金貴

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 安全與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350007；2.福州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，福建 福州 350116；3.寧德新能源科技有限公司，福建 寧德 352106)

0 引 言

隨著煤層氣(主要成分為甲烷)等清潔能源在工業(yè)上和民眾生活中的使用率越來越高，甲烷氣體的火災(zāi)爆炸事故時有發(fā)生。爆炸是甲烷運(yùn)輸、儲存和使用過程中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]，而爆炸過程中產(chǎn)生的高壓高溫是主要的危害因素。為了預(yù)防和控制此類事故的損失，可以在設(shè)備和建筑物壁面設(shè)置局部弱面，以泄放內(nèi)部爆炸壓力和熱量，降低爆炸危害，使其容器主體得到保護(hù)，即“泄爆技術(shù)”[2-3]。目前，泄爆技術(shù)已成為能夠有效降低爆炸危害、減少損失的重要手段，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)泄爆設(shè)計(jì)雖然有效控制了爆炸過程中工業(yè)設(shè)備內(nèi)的最大爆炸壓力，但在爆炸氣體強(qiáng)烈泄放的同時也引發(fā)了設(shè)備的劇烈振動(強(qiáng)度超過10 000 m/s2)，即泄爆過程中的容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)；強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)振動將影響容器(建筑、設(shè)備等)及其附屬裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

DHAKAL等證明了爆炸作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)是多種模態(tài)的組合，每種模態(tài)對應(yīng)不同的振動頻率[4]。容器的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與內(nèi)部超壓密切相關(guān)，并存在相互作用關(guān)系，PINI通過實(shí)驗(yàn)和有限元分析進(jìn)行了驗(yàn)證[5]。鐘方平等基于雙層柱形爆炸裝置在爆炸荷載作用下針對其彈性結(jié)構(gòu)響應(yīng)和振動特性等方面展開了實(shí)測研究[6]。路勝卓等通過乙炔爆炸對剛性壁的沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征，分析了不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪鼙_擊荷載時的結(jié)構(gòu)損傷和失效破壞規(guī)律[7-9]。梳理發(fā)現(xiàn)，以往對容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究主要集中于定容容器爆炸產(chǎn)生的永久變形、彈性應(yīng)變和動態(tài)力學(xué)仿真分析[10-15]等，未針對性地開展泄爆作用下容器振動響應(yīng)特性等影響因素方面的研究。對此，研究前期初步探索了甲烷-空氣預(yù)混氣體泄爆作用下方形艙體的典型結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征[16]，但前期研究未涉及該結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響因素及機(jī)理。

在實(shí)際工業(yè)泄爆容器設(shè)計(jì)與選型中，泄爆容器大小與形狀、泄爆面強(qiáng)度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等參數(shù)皆可進(jìn)行預(yù)設(shè)與調(diào)制，然而實(shí)際發(fā)生甲烷爆炸事故時，點(diǎn)火位置因具有較大隨機(jī)性，往往難以進(jìn)行確定。已研究表明，在封閉或半封閉的爆炸裝置及容器內(nèi)發(fā)生爆炸，不同點(diǎn)火位置產(chǎn)生的泄爆效果具有較大差異性[17-21]，但目前還無法有效地建立點(diǎn)火位置與容器泄爆效果之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，點(diǎn)火位置對容器泄爆效果的影響仍有待深入研究[22-24]。本文通過對不同點(diǎn)火位置甲烷-空氣預(yù)混泄爆作用下的容器振動信號進(jìn)行分析，從宏觀上揭示不同點(diǎn)火位置泄爆作用下容器振動響應(yīng)規(guī)律，并結(jié)合泄爆過程中內(nèi)部超壓信號和火焰演化特征，深入探究點(diǎn)火位置對容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響機(jī)制。研究成果有助于全面地分析泄爆容器及其附屬裝置受爆炸沖擊后的振動損傷狀態(tài)，評估可能存在的損傷模式等。

1 實(shí)驗(yàn)簡介與設(shè)計(jì)

如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)所用方形泄爆實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部尺寸為1 000 mm×550 mm×1 800 mm，壁厚30 mm，艙體頂部預(yù)留一尺寸為600 mm×400 mm泄爆口，實(shí)驗(yàn)中用一張5 mm厚鋁箔(經(jīng)測試靜態(tài)破膜壓力為9.5 kPa[25])封堵泄爆口，并用法蘭螺栓固定。艙體前立面等間距設(shè)有3個尺寸為700 mm×400 mm的透明觀察窗，實(shí)驗(yàn)過程中利用高速相機(jī)(NAC，HX-3)捕捉泄爆過程中的火焰圖像，拍攝頻率設(shè)置為1 000 Hz。通過敲擊法測得實(shí)驗(yàn)艙的固有頻率約為1 076 Hz[16]。艙體左右兩側(cè)壁中心位置分別布置有響應(yīng)頻率5 000 Hz的三軸加速度傳感器(AS)和響應(yīng)頻率10 000 Hz的氣體壓力傳感器(PS)。點(diǎn)火電極從后立面伸入艙內(nèi)150 mm，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置頂部(TI)、中部(CI)、底部(BI)3個點(diǎn)火位置，分別距艙底部1 700，900和100 mm，單次點(diǎn)火能量約為500 mJ。根據(jù)道爾頓分壓定律配置濃度為9 vol.%的甲烷-空氣混合物，點(diǎn)火電極、高速相機(jī)和示波器通過信號發(fā)生器同步觸發(fā)。

圖1 泄爆實(shí)驗(yàn)艙及其示意

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

考慮到甲烷-空氣預(yù)混氣體最強(qiáng)爆炸濃度在9.5%左右，取整后本實(shí)驗(yàn)均采用9 vol.%甲烷-空氣的預(yù)混氣體，在頂部、中部和底部3個點(diǎn)火位置各開展3組泄爆實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、振動響應(yīng)和內(nèi)部超壓統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。為了便于分析，以泄爆膜開啟為界將泄爆過程分為前期和后期。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與主要結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表1和圖2所示，在所有點(diǎn)火位置條件下的泄爆過程中均出現(xiàn)低幅值振動響應(yīng)(V1)，其幅值介于98～160 m/s2之間，振動幅值差距較小，頂部點(diǎn)火時V1振動幅值略高于中部和底部點(diǎn)火。不同的是，泄爆后期的高幅值振動響應(yīng)(V2)峰值隨點(diǎn)火位置遠(yuǎn)離泄爆口而快速下降，當(dāng)在底部點(diǎn)火泄爆時，V2振動被完全抑制；中部點(diǎn)火條件下雖出現(xiàn)V2，但其幅值(33～44 m/s2)遠(yuǎn)小于頂部點(diǎn)火時所觀測到的V2幅值(6 980～7 200 m/s2)。限于篇幅，后續(xù)各選取不同點(diǎn)火位置的一組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，即Test1、Test5和Test7組實(shí)驗(yàn)(如圖2、圖3所示)。

圖2 不同點(diǎn)火位置甲烷泄爆容器典型振動響應(yīng)

圖3為Test1、Test5和Test7實(shí)驗(yàn)中的內(nèi)部超壓時程曲線，對比發(fā)現(xiàn)頂部點(diǎn)火與中部點(diǎn)火的內(nèi)部超壓高度相似性，其差異僅表現(xiàn)在時間上，頂部點(diǎn)火較中部點(diǎn)火具有35 ms左右的超前性。從表1可知，容器振動響應(yīng)V1峰值與內(nèi)部超壓P1峰值隨點(diǎn)火位置遠(yuǎn)離泄爆口皆表現(xiàn)為先減后增；但頂部點(diǎn)火V1峰值大于中部點(diǎn)火和底部點(diǎn)火，而P1卻始終在底部點(diǎn)火時表現(xiàn)為最大值。在各點(diǎn)火位置條件下，壓力峰值P2始終大于P1，但兩者峰值比介于1.90～2.07之間；而對應(yīng)頂部點(diǎn)火振動V2與V1峰值比高達(dá)44.92～48.47，中部點(diǎn)火時卻表現(xiàn)為V1峰值大于V2峰值。由此可見，高幅值超壓振蕩并不一定激發(fā)容器高幅值振動，容器振動響應(yīng)與內(nèi)部超壓之間存在一定聯(lián)系，但并非簡單的直接驅(qū)動關(guān)系。為了進(jìn)一步分析泄爆作用下點(diǎn)火位置對容器結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，后續(xù)聯(lián)合內(nèi)部超壓曲線和火焰演化圖像分別對低、高幅值振動響應(yīng)特征及影響機(jī)制進(jìn)行分析。

圖3 不同點(diǎn)火位置條件下泄爆容器超壓時程曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 低幅值振動響應(yīng)特征及影響機(jī)制分析

為揭示不同點(diǎn)火位置條件下容器低幅值振動響應(yīng)特征及影響機(jī)制，本文對各點(diǎn)火位置條件下的V1振動曲線進(jìn)行短時快速傅里葉變換(STFT)，得到其時頻分布特征(如圖4所示)。在相同預(yù)混氣體濃度、不同點(diǎn)火位置下進(jìn)行泄爆實(shí)驗(yàn)，其振動時頻圖具有一定的差異性。頂部點(diǎn)火和底部點(diǎn)火時，低幅值振動響應(yīng)時長均為450 ms，而中部點(diǎn)火條件下的振動時長較短，僅為128 ms；中部點(diǎn)火時泄爆容器的振動響應(yīng)主要集中在1 000 Hz上下的高頻振蕩，而頂部點(diǎn)火和底部點(diǎn)火時的振動響應(yīng)頻率分布較為相似，其主導(dǎo)頻率主要為500 Hz左右的中頻振蕩。

圖4 不同點(diǎn)火位置條件下泄爆容器低幅值振動響應(yīng)時頻

通過截取并分析Test1、Test5和Test7組實(shí)驗(yàn)中0～500 ms時段內(nèi)的火焰圖像(圖5)，該時間段主要由低幅值振動主導(dǎo)。從圖中可看出，點(diǎn)火位置對火焰演化有明顯影響；頂部點(diǎn)火時，由于點(diǎn)火位置靠近泄爆口，可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃后迅速膨脹并突破泄爆膜，隨后受外部氣流的影響，下部火焰面極不穩(wěn)定，火焰表面出現(xiàn)大量胞狀凸起(如圖5(b1)～(d1))，極大增加火焰表面積，加速了火焰的燃燒。頂部點(diǎn)火為火焰的向下傳播提供了較長的燃燒路徑，同時大量未燃?xì)怏w被火焰限制于容器內(nèi)，為火焰向下傳播提供了大量可燃質(zhì)，如圖5(e1)所示，頂部點(diǎn)火時火焰有著較長且較強(qiáng)的燃燒行為，內(nèi)部超壓的亥姆霍茲振蕩與火焰的泰勒不穩(wěn)定性的相互促進(jìn)現(xiàn)象顯著，最終綜合導(dǎo)致頂部點(diǎn)火時有著相對較大的V1峰值和較長時間的低幅值振動響應(yīng)。而當(dāng)中部點(diǎn)火和底部點(diǎn)火時，由于點(diǎn)火位置距離泄爆口較遠(yuǎn)，受泄爆后外部氣流的擾動影響較小，因此都能夠相對較為穩(wěn)定的向上、向下燃燒，燃燒速率相對較小，而由火焰?zhèn)鞑ァ⒑ツ坊羝澱袷幒吞├詹环€(wěn)定性等綜合作用產(chǎn)生的V1峰值也相對較小。如圖5(a2)～(e2)中部點(diǎn)火時，火焰同時向泄爆口和容器底部傳播，雖然較底部點(diǎn)火而言，中部點(diǎn)火更有利于火焰不穩(wěn)定性的發(fā)展[17，22]，但因火焰?zhèn)鞑ヂ窂捷^短，對容器低幅值振動響應(yīng)的驅(qū)動作用有限，導(dǎo)致在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下中部點(diǎn)火表現(xiàn)出振動時長最短的低幅值響應(yīng)。

圖5 不同點(diǎn)火位置條件下泄爆容器500 ms內(nèi)火焰演化

總體而言，點(diǎn)火位置的改變對容器內(nèi)部火焰前期的發(fā)育、傳播及內(nèi)部超壓特性有著一定的影響，從而導(dǎo)致泄爆過程中低幅值振動響應(yīng)有著略微差別，但從整體振動響應(yīng)來看，點(diǎn)火位置對容器泄爆初期低幅值振動響應(yīng)的影響較為有限，反觀泄爆后期的高幅值振動響應(yīng)與點(diǎn)火位置有著更為密切的關(guān)系。

3.2 高幅值振動響應(yīng)特征及影響機(jī)制分析

因底部點(diǎn)火條件下未發(fā)現(xiàn)高幅值振動V2，本文僅對頂部點(diǎn)火和底部點(diǎn)火條件下的V2振動曲線進(jìn)行短時快速傅里葉變換(STFT)，其時頻分布特征如圖6所示。從圖中可以看出，頂部點(diǎn)火時的高幅值振動的主頻為480，980和1 100 Hz，且980和1 100 Hz左右的高頻振蕩的能量分布要明顯強(qiáng)于中部點(diǎn)火。從高幅值振動響應(yīng)的持續(xù)時長來看，頂部點(diǎn)火時持續(xù)80 ms，中部點(diǎn)火時持續(xù)240 ms；頂部點(diǎn)火所觸發(fā)的高幅值振動響應(yīng)階段的時長較中部點(diǎn)火時大幅度減少，說明頂部點(diǎn)火時聲壓與火焰的相互耦合、相互促進(jìn)作用時間較短，該現(xiàn)象也印證了頂部點(diǎn)火時燃燒速度快的特點(diǎn)。雖然在頂部點(diǎn)火時僅80 ms內(nèi)就完成了高幅值振動響應(yīng)，但無論是從高頻振蕩的能量分布，還是從其振動響應(yīng)幅值大小，頂部點(diǎn)火對容器結(jié)構(gòu)的損傷都要大于中部點(diǎn)火。

圖6 不同點(diǎn)火位置條件下泄爆容器高幅值振動響應(yīng)時頻

圖7為頂部和中部點(diǎn)火時550 ms后的火焰演化圖像，結(jié)合圖5底部點(diǎn)火500 ms時艙內(nèi)已無明顯火焰。頂部點(diǎn)火時，火焰因受外部氣流擾動、壓力波的亥姆霍茲振蕩及火焰的泰勒不穩(wěn)定性等綜合因素影響，導(dǎo)致了較強(qiáng)的熱釋放速率波動，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的聲壓振蕩；火焰和聲壓的相互促進(jìn)與擾動構(gòu)成一正向激勵循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于燃燒路徑較長而不斷加速，最終觸發(fā)熱聲的耦合作用，在泄爆最后階段猛烈燃燒，形成一耀眼發(fā)光區(qū)，如圖7(e1)所示；與此同時熱聲耦合作用激發(fā)了較大幅值的內(nèi)部超壓振蕩，也驅(qū)動容器產(chǎn)生了較大幅值的V2振動峰值，如圖2所示。如圖7(a2)～(e2)所示，中部點(diǎn)火時其火焰?zhèn)鞑ニ俣容^頂部點(diǎn)火時明顯偏小，從其火焰前鋒面產(chǎn)生較少胞狀結(jié)構(gòu)也可判斷其反應(yīng)較為穩(wěn)定，熱釋放也較為穩(wěn)定，熱釋放率波動較小，而由熱釋放率的波動而產(chǎn)生的聲壓也相應(yīng)的較弱，雖然火焰與容器內(nèi)聲波產(chǎn)生耦合，但容器內(nèi)部熱場與聲場的相互促進(jìn)、耦合程度較低，故產(chǎn)生的V2振動峰值極低。當(dāng)?shù)撞奎c(diǎn)火時，火焰受外部氣流擾動較小，火焰從容器底部均勻、穩(wěn)定地向上膨脹燃燒，泰勒不穩(wěn)定現(xiàn)象較弱；結(jié)合內(nèi)部超壓時程曲線，P1峰值后的亥姆霍茲振蕩現(xiàn)象也不明顯(見圖3)，直至火焰突破泄爆口，火焰燃燒皆較為穩(wěn)定，熱釋放速率較低；其次，由于底部點(diǎn)火，球狀火焰形成后更早的與容器壁接觸，從而產(chǎn)生了更大的能量損失和更小的燃燒面積，更加有效地抑制了火焰的傳播與容器內(nèi)聲場的耦合。

圖7 頂部和中部點(diǎn)火泄爆容器550～900 ms內(nèi)火焰演化

4 結(jié) 論

1)通過自主搭建甲烷泄爆動態(tài)力學(xué)響應(yīng)測試系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)容器振動響應(yīng)和內(nèi)部超壓均出現(xiàn)雙峰值，但兩者并非簡單的相互協(xié)同關(guān)系，點(diǎn)火位置對兩峰值的影響規(guī)律不同。

2)頂部點(diǎn)火的低幅值振動響應(yīng)略高于中部點(diǎn)火和底部點(diǎn)火，但點(diǎn)火位置對容器泄爆初期的低幅值振動響應(yīng)影響較為有限。

3)泄爆后期的高幅值振動響應(yīng)隨點(diǎn)火位置遠(yuǎn)離泄爆口而快速降低，當(dāng)在底部點(diǎn)火時高幅值振動響應(yīng)消失，其原因?yàn)辄c(diǎn)火位置的不同給予了火焰不同的燃燒路徑，導(dǎo)致熱聲耦合現(xiàn)象隨著點(diǎn)火位置遠(yuǎn)離泄爆口而逐漸消失。

4)泄爆口附近點(diǎn)火將有較大幅值的振動響應(yīng)以及更大能量的高頻振蕩。