鄭露露 龍鳳英 溫子陽 李澤歡 段玉龍副教授

(1.重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331；2.油氣生產(chǎn)安全與風(fēng)險(xiǎn)控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331)

0 引言

目前，我國首例摻氫天然氣管道輸送示范項(xiàng)目“朝陽可再生能源摻氫示范項(xiàng)目第一階段工程”，是將H2以一定的比例摻入天然氣中，利用現(xiàn)有的天然氣管道或管網(wǎng)進(jìn)行輸送，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)H2的開發(fā)利用[1]。而添加H2會(huì)降低CH4的爆炸下限，增強(qiáng)其爆炸危害性[1]，一旦發(fā)生爆炸事故，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此，研究H2/CH4混合氣體抑爆技術(shù)具有重要意義。

為保證摻氫天然氣管道的安全運(yùn)輸，許多學(xué)者對(duì)混氫氣體抑爆進(jìn)行深入研究，例如LI等[2]采用惰性氣體抑制可燃?xì)怏w爆炸，抑制效果顯著；路長等[3-4]通過實(shí)驗(yàn)得出N2的噴氣壓力越大，阻爆效果越明顯；張迎新等[5]通過實(shí)驗(yàn)表明CO2的抑爆效果優(yōu)于N2；MARIA等[6]、ZAHEDI等[7]和余明高等[8]研究得出不同的惰性氣體(He、Ar、N2和CO2)均在一定程度上降低可燃?xì)怏w的爆炸壓力與壓力上升速率，并且CO2抑爆特性最好。多孔材料作為吸能材料，也可用于抑制可燃?xì)怏w爆炸，例如RADULESCU等[9]、聶百盛等[10]和魏春榮等[11]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多孔材料可阻斷爆炸火焰?zhèn)鞑?，起到淬熄火焰的作用；段玉龍等[12-13]研究多孔材料對(duì)可燃?xì)怏w爆炸特性參數(shù)的影響效果，結(jié)果表明，不同孔隙度的多孔材料對(duì)爆炸火焰和超壓具有促進(jìn)或抑制2種不同的影響。除單一的抑制爆炸方式外，一些學(xué)者還研究復(fù)合協(xié)同抑制爆炸，例如余明高等[14]探究超細(xì)水霧與多孔介質(zhì)在協(xié)同作用下對(duì)多孔介質(zhì)淬熄效果以及多孔介質(zhì)上游爆炸超壓的影響；裴蓓等[15]研究表明CO2和超細(xì)水霧共同作用時(shí)能避免因超細(xì)水霧帶來的促爆現(xiàn)象；郭成成等[16]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在同一條件下，N2-細(xì)水霧與CO2-細(xì)水霧均比單一細(xì)水霧的抑爆效果要好，且CO2-細(xì)水霧的抑爆效果優(yōu)于N2-細(xì)水霧。

上述研究表明，復(fù)合協(xié)同抑爆方式優(yōu)于單一的抑爆方式，目前對(duì)于多孔材料與惰性氣體協(xié)同抑制研究較少，且低孔隙度的多孔材料會(huì)帶來促爆現(xiàn)象，致使抑爆失效。因此，本文對(duì)低孔隙度多孔材料和低噴氣壓力CO2共同作用下的低氫比混合氣體抑爆失效現(xiàn)象的爆炸火焰行為和超壓等特性參數(shù)開展進(jìn)一步深入研究，進(jìn)而為天然氣摻氫氣體爆炸防治技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由7部分組成，分別是爆炸實(shí)驗(yàn)管道、點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、惰性氣體噴氣系統(tǒng)以及多孔材料，各部分之間的連接關(guān)系，如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

爆炸實(shí)驗(yàn)管道尺寸為100mm×100mm×1 000mm，由有機(jī)透明玻璃制成，泄壓口位于管道右端上部；點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火開關(guān)、高頻脈沖點(diǎn)火器和點(diǎn)火頭組成，放置在管道左端；配氣系統(tǒng)由CH4氣瓶、H2氣瓶、空氣壓縮機(jī)以及3個(gè)高靈敏度質(zhì)量流量控制計(jì)構(gòu)成；壓力采集系統(tǒng)由2個(gè)壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，自動(dòng)觸發(fā)采集；圖像采集系統(tǒng)由PhantomV710L高速攝像機(jī)和電腦組成；惰性氣體噴氣系統(tǒng)由CO2氣瓶、電磁閥、減壓閥和CO2噴頭構(gòu)成，電磁閥打開噴出CO2，噴頭設(shè)置在距點(diǎn)火端190mm處；多孔材料采用厚度為10mm[17]、孔隙度為20PPI的鐵鎳泡沫金屬[12,14]，安裝在距點(diǎn)火端350mm處。

實(shí)驗(yàn)前按圖1組裝設(shè)備，調(diào)試相關(guān)設(shè)備，確保采集成功。設(shè)置高速攝像機(jī)采樣頻率為2 000fps，曝光時(shí)間490μs；壓力傳感器1、2分別安裝在距點(diǎn)火端330、880mm處，其電壓靈敏度分別為7 608、7 180mV/MPa；泄壓口通氣過程用PVC薄膜密封；本文采取當(dāng)量比為1.0的H2/CH4空氣混合氣體，在三通管內(nèi)預(yù)混合均勻，采用4倍排氣法將所需氣體匯合到管道內(nèi)，通氣時(shí)間為8min。通氣完成后同時(shí)關(guān)閉排氣閥和進(jìn)氣閥，啟動(dòng)電磁開關(guān)控制噴頭進(jìn)行噴氣，同時(shí)啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃預(yù)混氣體，直至反應(yīng)結(jié)束，采集壓力數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存拍攝到的火焰圖像。實(shí)驗(yàn)包括表1中9種出現(xiàn)抑爆失效現(xiàn)象的工況。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h3>

圖2是放置多孔材料孔隙度為20PPI時(shí)，無噴氣作用下，氫氣體積分?jǐn)?shù)φ分別為10%、20%、30%的抑爆失效情況下的火焰?zhèn)鞑ミ^程。從圖2可知，僅放置孔隙度為20PPI的多孔材料，3組工況下均抑爆失效，未能抑制火焰?zhèn)鞑?。與CLANET[18]提出的爆炸火焰?zhèn)鞑サ?個(gè)階段(球形—指尖形—平面—郁金香)相比，火焰鋒面尖端到達(dá)多孔材料前只出現(xiàn)球形火焰與指尖形火焰2個(gè)階段；由于冷壁熄火效應(yīng)，火焰穿過多孔材料且漂移到多孔材料后部一定距離的位置處點(diǎn)燃下游混合氣體；下游火焰發(fā)展規(guī)律不遵循預(yù)混氣體爆炸的傳統(tǒng)過程，火焰以一種混亂、無規(guī)則的結(jié)構(gòu)向管道上下游傳播，上游由于多孔材料的約束作用，火焰向“郁金香”結(jié)構(gòu)發(fā)育受阻，由于多孔材料孔隙度為20PPI時(shí)不能阻止火焰?zhèn)鞑?，故在?30%時(shí)上游能觀察到不完整的“郁金香”火焰；下游火焰繼續(xù)向泄壓口端以類似于平面的趨勢(shì)傳播，火焰鋒面褶皺，呈現(xiàn)湍流趨勢(shì)，在φ=30%時(shí)出現(xiàn)較為完整的“郁金香”火焰，而φ=10%、20%時(shí)未出現(xiàn)完整的“郁金香”火焰。圖2(a)-(c)中，管道上游火焰鋒面分別在t=36.5、34、30.5ms處接觸多孔材料，(a)中下游火焰在t=70ms左右完成整個(gè)管道的傳播，(b)和(c)中火焰分別在t=65和60 ms左右時(shí)通過整個(gè)管道，說明抑爆失效情況下，氫氣體積分?jǐn)?shù)φ增大，火焰鋒面接觸多孔材料和右側(cè)管壁的耗時(shí)逐漸縮短，火焰鋒面速度升高。

圖2 0MPa時(shí)的火焰結(jié)構(gòu)變化Fig.2 Changes of the flame structure at 0MPa

圖3是放置多孔材料孔隙度為20PPI時(shí)，CO2噴氣壓力為0.2和0.4MPa，φ分別為10%、20%、30%的抑爆失效情況下的火焰?zhèn)鞑ミ^程。分析可知，多孔材料孔隙度為20PPI且CO2低壓噴氣情況下，均出現(xiàn)抑爆失效現(xiàn)象。圖3中CO2噴氣時(shí)間均在t=20～30ms內(nèi)，作用于指尖形火焰時(shí)期，且火焰前鋒略過噴頭。從圖3(a)可知，管道上游中，在t=28ms左右CO2噴出與火焰接觸后，擾亂火焰形態(tài)，上層火焰從層流形態(tài)發(fā)展成湍流形態(tài)，加劇燃燒；CO2穿過多孔材料，導(dǎo)致下游未燃?xì)怏w劇烈燃燒，生成明亮火焰，以一種混亂、無規(guī)則的結(jié)構(gòu)向管道上下游傳播，上游由于多孔材料的約束作用，火焰向“郁金香”結(jié)構(gòu)發(fā)育受阻，又因多孔材料不能完全阻止火焰?zhèn)鞑ィ虼四苡^察到部分明亮的火焰；下游火焰繼續(xù)向泄壓口端以類似于平面的趨勢(shì)傳播，火焰鋒面褶皺，呈現(xiàn)湍流趨勢(shì)，火焰結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)育成完整的“郁金香”火焰。對(duì)比圖2(a)與圖3(a)、(d)，當(dāng)φ=10%，CO2噴出壓力為0、0.2、0.4MPa時(shí)，上游火焰到達(dá)多孔材料處的時(shí)間分別為36.5、35.5、34ms，傳播時(shí)間逐漸縮短，且在圖3(d)中CO2的噴出促進(jìn)火焰結(jié)構(gòu)由指尖形向“郁金香”火焰的發(fā)育，均說明低壓CO2噴出具有紊流加速作用[3]。同理，圖2(b)與圖3(b)、(e)，圖2(c)與圖3(c)、(f)中，φ=20%、30%時(shí)，火焰結(jié)構(gòu)變化與φ=10%條件下類似，接觸到多孔材料的時(shí)間分別是34、32.5、32、31、30.5、29ms，耗時(shí)相對(duì)縮短。圖3中各組失效工況下火焰完成整個(gè)管道的傳播時(shí)間逐漸縮短，即在CO2噴氣壓力較低情況下，低氫比混合氣體抑爆失效，完成整個(gè)管道的傳播耗時(shí)縮短；CO2噴氣壓力增大，促進(jìn)火焰結(jié)構(gòu)發(fā)育。

(a)φ=10%且0.2MPa

圖4為放置多孔材料孔隙度為20PPI時(shí)，有無噴氣作用、φ分別為10%、20%、30%的抑爆失效情況下，火焰鋒面速度變化曲線，其中a表示CO2噴氣作用時(shí)刻，b表示火焰鋒面到達(dá)多孔材料的時(shí)刻。從圖4可知，火焰鋒面速度變化趨勢(shì)均為先上升至最大速度峰值，逐漸下降歸零。圖4(a)中，當(dāng)φ=10%時(shí)，0、0.2和0.4MPa失效條件下，火焰鋒面速度峰值分別為28.57、30.82和31.76m/s，時(shí)間分別在t=42、41和36 ms左右。對(duì)比圖2和圖3可知，0MPa且t=42ms時(shí)，火焰鋒面已穿過多孔材料；同理對(duì)比可知，0.2MPa且t= 41ms和0.4MPa且t=36ms失效情況下，火焰均已穿過多孔材料，即火焰鋒面速度在火焰穿過多孔材料后達(dá)到最大峰值；0.2和0.4MPa失效情況下火焰鋒面速度峰值相較0MPa時(shí)分別上升7.87%和11.17%，即抑爆失效情況下，CO2噴氣作用下，噴氣壓力增大，火焰鋒面速度峰值逐漸升高。圖4(b)中φ=20%時(shí)，0、0.2和0.4MPa失效情況下，火焰鋒面速度峰值分別為30.92、35.55和35.07m/s，時(shí)間在t=41、38和37ms處，根據(jù)圖2和圖3，此時(shí)火焰均已穿過多孔材料，與圖4(a)中情形相似；對(duì)比0MPa時(shí)，0.2和0.4MPa失效情況下火焰鋒面速度峰值分別上升14.98%和13.31%；圖4(c)中φ=30%時(shí)，0、0.2和0.4MPa失效情況下，火焰鋒面速度峰值分別為35.88、35.23和42.89m/s，時(shí)間在t=36、35.5和30.5ms處，從圖2和圖3可知，此時(shí)火焰均已穿過多孔材料，與圖4(a)中情形相似，對(duì)比0MPa時(shí)，0.2MPa時(shí)火焰鋒面速度衰減1.81%，0.4MPa時(shí)火焰鋒面速度峰值上升19.56%。即僅當(dāng)φ=30%且0.2MPa時(shí)，火焰鋒面速度峰值相較0MPa時(shí)有小幅度的衰減；其他情況下的火焰鋒面速度峰值相較0MPa時(shí)均上升。各失效工況下的火焰鋒面速度峰值和時(shí)間對(duì)比，見表2。

表2 各失效工況下火焰鋒面速度峰值與時(shí)刻表Tab.2 The velocity peak and timeline of the front flame under different failure conditions

圖4(a)中φ=10%且0MPa時(shí)，火焰鋒面接觸多孔材料的時(shí)間t=36.5ms，此時(shí)火焰鋒面速度為20.50m/s；0.2MPa時(shí)t=35.5ms接觸多孔材料，火焰鋒面速度為22.79m/s；0.4MPa時(shí)t=34ms接觸多孔材料，火焰鋒面速度為27.38m/s。同樣，圖4(b)和(c)中φ=20%和30%時(shí)，0、0.2和0.4MPa失效情況下火焰鋒面接觸到多孔材料的傳播時(shí)間分別為34、32.5、32和31、30.5、29ms，火焰鋒面速度分別為22.26、27.17、31.79和28.40、28.76、38.14m/s。抑爆失效情況下，CO2噴氣作用下，噴氣壓力增大，火焰鋒面到達(dá)多孔材料處耗時(shí)逐漸縮短，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬撸蛪篊O2噴出一定程度上促進(jìn)火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

(a)φ=10%

2.2 爆炸超壓

圖5是多孔材料孔隙度為20PPI時(shí)，不同φ以及不同噴氣壓力對(duì)抑爆失效情況下管道上游和下游爆炸超壓的影響。P1和P2分別代表管道上游和下游爆炸壓力變化曲線，上游爆炸壓力P1變化趨勢(shì)均呈先上升，后下降，再升高，然后降低；下游爆炸壓力P2變化趨勢(shì)均呈先上升后下降。由圖5(a)可知，φ=10%且0MPa失效情況下，上游爆炸壓力峰值P1-peak出現(xiàn)的原因是多孔材料對(duì)爆炸氣流存在阻力作用[18]，導(dǎo)致爆燃?xì)饬饕蚴艿揭欢ㄗ枇Χe聚，進(jìn)而使得爆炸壓力上升達(dá)到壓力峰值19.65kPa，在t=25ms左右泄壓口處薄膜破裂，泄壓速率增大，導(dǎo)致壓力暫時(shí)回落；圖5(b)中管道下游爆炸壓力峰值P2-peak是由于火焰穿過多孔材料發(fā)生二次爆炸導(dǎo)致壓力上升達(dá)到峰值60.01kPa，隨后逐漸下降，并在沖擊波反射與空氣涌入相互作用下出現(xiàn)壓力振蕩。圖5(a)中φ=10%且0.2MPa失效情況下，P1-peak為20.52kPa，相較0MPa時(shí)上升4.42%，增幅較小，出現(xiàn)的原因是由于CO2不參與燃燒反應(yīng)，且在多孔材料的阻力作用下，CO2在管道上游持續(xù)積聚，導(dǎo)致上游壓力逐漸升高至峰值，即CO2抑爆失效情況下會(huì)導(dǎo)致P1-peak升高；圖5(b)中P2-peak為55.48kPa，相較0MPa時(shí)衰減7.55%，即CO2抑爆失效情況下會(huì)導(dǎo)致P2-peak下降。當(dāng)φ=10%且0.4MPa抑爆失效情況下，P1-peak為23.91kPa，相較0MPa時(shí)上升21.68%，增幅較大，此時(shí)峰值出現(xiàn)的原因與0和0.2MPa失效情況下有所不同，不僅是由于CO2的持續(xù)積聚導(dǎo)致的壓力峰值升高，更可能是CO2噴氣壓力過大，持續(xù)噴氣行為致使出現(xiàn)更高的壓力峰值；P2-peak為57.57kPa，相較0MPa時(shí)衰減4.07%，說明φ=10%時(shí)，CO2噴氣壓力為0.2和0.4MPa失效情況下，相較0MPa時(shí)對(duì)多孔材料右側(cè)未燃區(qū)壓力有衰減作用，且0.2MPa效果更優(yōu)。

同理，由圖5(b)-(f)可知，當(dāng)φ=20%、30%，CO2噴氣壓力上升時(shí)，上游爆炸壓力峰值P1-peak由0MPa時(shí)的24.94和33.67kPa增至28.60、34.78和33.86、46.36kPa，分別增加14.77%、39.57%和0.60%、37.69%；下游爆炸壓力峰值P2-peak由0MPa時(shí)的70.16和74.23kPa，增至71.73、80.98和75.36、90.83kPa，分別增加2.24%、15.42%和1.52%、22.36%。各失效工況爆炸壓力峰值變化率，如圖6。從圖6可知，在CO2噴氣壓力0.2、0.4MPa失效條件下，均導(dǎo)致上游爆炸壓力峰值P1-peak在不同程度上升高；下游爆炸壓力峰值P2-peak僅在φ=10%且CO2=0.2、0.4MPa失效條件下有所衰減，其他條件均使壓力峰值升高。

(a)P1

(a)φ=10%，P1

3 結(jié)論

(1)多孔材料安裝在距點(diǎn)火端350mm處，孔隙度為20PPI，有無噴氣作用下，均出現(xiàn)抑爆失效現(xiàn)象。當(dāng)CO2噴頭位置安裝在距點(diǎn)火端190mm處，噴氣壓力從0.2增加到0.4MPa，低氫比混合氣體燃燒加劇，火焰到達(dá)多孔材料和完成整個(gè)管道的傳播耗時(shí)均縮短，且一定程度上促進(jìn)火焰結(jié)構(gòu)的發(fā)育。

(2)火焰鋒面速度變化趨勢(shì)均為先上升至最大速度峰值，逐漸下降歸零。即僅當(dāng)φ=30%且0.2MPa失效情況下，火焰鋒面速度峰值相較0MPa時(shí)衰減了1.81%；其他失效情況下的火焰鋒面速度峰值相較0MPa時(shí)均有不同幅度的上升，上升幅度最大為φ=30%且0.4MPa，增幅19.56%。

(3)抑爆失效情況下，管道上游爆炸壓力P1變化趨勢(shì)均呈先上升，后下降，再升高，然后降低；下游爆炸壓力P2變化趨勢(shì)均呈先上升后下降。在CO2噴氣壓力為0.2、0.4MPa失效情況下，均導(dǎo)致上游爆炸壓力峰值在不同程度上升高；下游爆炸壓力峰值僅在φ=10%且CO2噴氣壓力為0.2、0.4MPa失效條件下有所衰減，其他情況下均造成壓力峰值升高。

(4)本文選取的均為出現(xiàn)抑爆失效現(xiàn)象的工況，分析得出低孔隙度多孔材料協(xié)同CO2低噴氣壓力情況下會(huì)導(dǎo)致低氫比混合氣體出現(xiàn)抑爆失效現(xiàn)象，為摻氫天然氣管道抑爆阻爆技術(shù)提供理論依據(jù)。為避免抑爆失效現(xiàn)象的發(fā)生，可考慮高孔隙度多孔材料和高噴氣壓力CO2及其安裝位置等多因素進(jìn)行抑爆研究。