王彥 楊娟 王繼業(yè) 劉柏清

（1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510180；2.國家防爆設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心，廣東 廣州 510760）

0 引言

工業(yè)介質(zhì)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，在紡織業(yè)、造紙業(yè)、采礦業(yè)、食品制造業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)、煙草制品業(yè)、木材加工業(yè)、家具制造業(yè)、金屬制品業(yè)、儀器儀表制造業(yè)、交通運(yùn)輸倉儲(chǔ)業(yè)中均起到了關(guān)鍵性作用。然而，工業(yè)介質(zhì)所具有的潛在爆炸危險(xiǎn)性是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)面臨的共性問題，所造成的后果已嚴(yán)重阻礙現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的步伐。其中，粉塵爆炸具有爆炸能量大、破壞力強(qiáng)、治理難度高等特點(diǎn)，是工業(yè)生產(chǎn)、加工領(lǐng)域的重要災(zāi)害。為了防止工業(yè)爆炸性事故的擴(kuò)大和蔓延，使事故限制在一定范圍或爆炸效應(yīng)降低到安全所允許的最低限度標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，可采取一種防護(hù)性減災(zāi)技術(shù)措施——無火焰爆炸泄壓裝置。無火焰爆炸泄壓裝置主要由爆炸泄壓裝置、阻火元件和框架殼體構(gòu)成，在不需要對工藝進(jìn)行重大改變的情況下，可以非常容易加裝到現(xiàn)有的設(shè)備上［1-3］，其工作原理如圖1所示。無火焰爆炸泄壓裝置內(nèi)部的爆炸泄壓裝置在工藝設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)處于閉合狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生粉塵爆炸時(shí)，爆炸超壓上升到一定值后爆炸泄壓裝置打開，隨著爆炸的擴(kuò)大，火焰、燃燒和未燃粉塵通過爆炸泄壓裝置進(jìn)入阻火元件?；鹧嬖谧杌鹪拟ㄗ饔孟孪?，同時(shí)爆炸產(chǎn)生的大部分能量被阻火元件多孔介質(zhì)所吸收，從而使無火焰爆炸泄壓裝置起到熄滅火焰、降低爆炸壓力、減弱爆炸噪聲、保護(hù)工藝設(shè)備、避免二次或多次爆炸的作用。然而目前我國對于無火焰爆炸泄壓裝置的研究起步較晚，相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，導(dǎo)致我國無火焰爆炸泄壓裝置無法有效發(fā)揮作用以提高現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)抵御爆炸災(zāi)害的能力和水平。

圖1 無火焰爆炸泄壓裝置工作原理

在研究無火焰爆炸泄壓裝置中，分別選取已測定的玉米淀粉和墨粉作為爆炸粉塵，通過傳感器（壓力、溫度）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像機(jī)等獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，旨在探討不同粉塵爆炸對無火焰爆炸泄壓裝置性能的影響，為現(xiàn)代工業(yè)安全生產(chǎn)應(yīng)用提供相應(yīng)理論依據(jù)，并為建立無火焰爆炸泄壓裝置的國家標(biāo)準(zhǔn)提供有益參考。

1 無火焰爆炸泄壓裝置測試

1.1 測試用粉塵

在試驗(yàn)開始前，需測定玉米淀粉和墨粉粉塵的粒徑分布情況。馬爾文智能激光粒度測試儀（英國Malvern公司制造的Mastersizer 3000，背景測量持續(xù)時(shí)間為10 s，樣品測量持續(xù)時(shí)間為15 s，遮光度為0.5%~6%，分散氣流壓力為0.2 MPa，進(jìn)樣速度為5%，料斗間隙大小為1.5 mm，文丘里管類型為陶瓷標(biāo)準(zhǔn)文丘里管）測得的玉米淀粉和墨粉粉塵粒徑分布如圖2所示。由圖2可知本測試使用的玉米淀粉和墨粉粉塵粒徑大體呈正態(tài)分布，粒徑分布區(qū)間為5~40m，粒徑分布相對集中。其中，玉米淀粉粉塵的中位粒徑為15.9m，體積平均粒徑D［4，3］為16.9m，表面積平均粒徑D［3，2］為14.6m；墨粉粉塵的中位粒徑為14.7m，體積平均粒徑為D［4，3］15.2m，表面積平均粒徑D［3，2］為14.0m。

圖2 粉塵粒徑分布

1.2 測試裝置

本試驗(yàn)分別用已測定的玉米淀粉和墨粉作為爆炸粉塵，利用化學(xué)點(diǎn)火方式模擬點(diǎn)火源觸發(fā)爆炸，在1 m3爆炸艙內(nèi)形成粉塵爆炸。1 m3爆炸艙工作原理如圖3所示，1 m3爆炸艙為長徑比接近1∶1的圓柱形容器，容器兩側(cè)分別對稱安裝有2個(gè)容積為6 L的儲(chǔ)粉罐，通過氣動(dòng)方式開閉的氣粉兩相電磁閥分別與爆炸艙內(nèi)安裝的2個(gè)半球形噴嘴相連通，半球形噴嘴上均勻分布著數(shù)十個(gè)噴粉孔，可將玉米淀粉和墨粉粉塵均勻的分散至爆炸艙內(nèi)任一空間。點(diǎn)火源位于1 m3爆炸艙的幾何中心，點(diǎn)火源中點(diǎn)火劑質(zhì)量為2.4 g，由40%的Zr粉、30%的BaO2和30%的Ba（NO3）2混合組成，充分燃燒時(shí)能產(chǎn)生10 kJ的能量。爆炸艙內(nèi)腔壁面上安裝有壁面壓力傳感器（瑞士Kistler公司制造的603CAB）以測定爆炸艙內(nèi)的壓力，壁面壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（美國National Instruments公司制造的PXIe/PXI）相連。

圖3 1 m3爆炸艙原理示意

進(jìn)行玉米淀粉和墨粉粉塵爆炸測試時(shí)，利用電子天平（賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司制造的PRACTUM124-1CN）稱量測試粉塵，2個(gè)6 L儲(chǔ)粉罐中分別放入等質(zhì)量的250 g測試粉塵，并充入2 MPa測試用高壓空氣。每個(gè)儲(chǔ)粉罐下端都裝有氣粉兩相電磁閥，該閥門打開后能使儲(chǔ)粉罐中的測試粉塵在10 ms內(nèi)全部噴入爆炸艙內(nèi)，同時(shí)閥門打開300 ms后，點(diǎn)火源點(diǎn)燃測試粉塵-空氣混合物引發(fā)粉塵爆炸，并記錄下爆炸壓力-時(shí)間曲線。為使測試過程更加安全可靠，1 m3爆炸艙的操作和測試數(shù)據(jù)由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)處理完成，通過控制系統(tǒng)內(nèi)部集成的交換機(jī)分配出相應(yīng)的靜態(tài)IP地址，使遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)PLC控制系統(tǒng)、人機(jī)控制界面和數(shù)據(jù)采集卡與1 m3爆炸艙的控制系統(tǒng)相連接。

本次測試使用高速攝像機(jī)（日本Photron公司制造的FASTCAM SA-Z，分辨率為1 024×1 024，傳感器為高感光度C-MOS，拍攝速度為10 000 fps，內(nèi)存容量為64 GB）捕捉爆炸瞬間無火焰爆炸泄壓裝置的狀態(tài)和其釋放出的火焰或粉塵的形貌，并將獲取的圖片自動(dòng)上傳保存至計(jì)算機(jī)。同時(shí)，外場爆炸壓力和溫度分別由自由場壓力傳感器（瑞士Kistler公司制造的6233A）和溫度傳感器（美國Nanmac公司制造的C2）測定。外場的壓力和溫度傳感器現(xiàn)場布置如圖4所示，每個(gè)支撐架上各安裝1個(gè)自由場壓力傳感器和1個(gè)溫度傳感器，支撐架放置在距離無火焰爆炸泄壓裝置1、2、3 m處，測量距離測試樣品軸線方向1、2、3 m處的外場爆炸壓力和溫度變化過程，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集樣品測試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理、分析、輸出、保存。

圖4 無火焰爆炸泄壓裝置測試現(xiàn)場布置

1.3 測試樣品

1 m3爆炸艙連接測試樣品端為可拆卸盲板法蘭，將盲板法蘭拆卸后通過轉(zhuǎn)接或變徑法蘭盤安裝無火焰爆炸泄壓裝置測試樣品。本測試采用某爆炸防護(hù)產(chǎn)品公司生產(chǎn)的無火焰爆炸泄壓裝置進(jìn)行爆炸泄壓試驗(yàn)，安裝方式如圖4所示。樣品的框架殼體材質(zhì)為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，阻火元件為多層不銹鋼絲網(wǎng)，爆炸泄壓口尺寸為300 mm×300 mm，靜開啟壓力為0.01 MPa（±25%），適用于非金屬粉塵介質(zhì)，單個(gè)樣品保護(hù)容積為1 m3，符合本次測試的相關(guān)條件。

1.4 測試依據(jù)及方法

依據(jù)EN 16009：2011 Flameless explosion venting devices的相關(guān)要求，本測試包括功能性試驗(yàn)和外部效應(yīng)［4］。其中功能性試驗(yàn)主要考察測試樣品在爆炸泄壓試驗(yàn)中的機(jī)械完整性和滅火元件性能，外部效應(yīng)則考察爆炸泄壓過程中測試樣品泄壓氣流側(cè)外場的沖擊波壓力和溫度。

整個(gè)測試分為3部分，第1部分測試為安裝盲板法蘭密閉空間內(nèi)粉塵爆炸測試，粉塵分別選取玉米淀粉和墨粉，在500 g/m3粉塵質(zhì)量濃度下采用10 kJ能量的化學(xué)點(diǎn)火頭進(jìn)行點(diǎn)火爆炸試驗(yàn)。第2部分測試為拆除盲板法蘭并安裝無火焰爆炸泄壓裝置，選取玉米淀粉作為測試粉塵，在相同的試驗(yàn)條件下測試。第3部分測試將第2部分測試使用的無火焰爆炸泄壓裝置樣品拆除，更換同批次同規(guī)格新的無火焰爆炸泄壓裝置，選取墨粉作為測試粉塵，在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行測試。每次測試完成后，使用工業(yè)級吸塵器清理爆炸艙、儲(chǔ)粉罐、半球形噴嘴、法蘭盤上的粉塵，確保不影響下次測試結(jié)果。每部分測試至少重復(fù)3次，取平均值作為測試數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

壁面壓力傳感器測得的安裝盲板法蘭密閉空間內(nèi)玉米淀粉和墨粉粉塵爆炸壓力-時(shí)間曲線如圖5所示。觀察到玉米淀粉和墨粉粉塵在1 m3爆炸艙內(nèi)發(fā)生了劇烈的粉塵爆炸，艙內(nèi)壓力隨時(shí)間的增加，先增大后減小。爆炸壓力-時(shí)間曲線的最高點(diǎn)為1 m3爆炸艙內(nèi)爆炸性混合物發(fā)生爆炸時(shí)的最大爆炸壓力。

從圖5可以得到玉米淀粉粉塵的最大爆炸壓力為0.765 MPa，墨粉粉塵的最大爆炸壓力為0.875 MPa，且墨粉粉塵最大壓力上升速率明顯高于玉米淀粉粉塵，說明墨粉粉塵的爆炸強(qiáng)度高于玉米淀粉粉塵。此外，兩條曲線的上升速率都較大于下降速率，這是由于爆炸產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波在碰到爆炸艙壁面后能量發(fā)生損失，導(dǎo)致曲線的下降趨勢較上升趨勢平緩。

圖5 密閉空間下1 m3爆炸艙內(nèi)爆炸壓力-時(shí)間曲線

壁面壓力傳感器測得的無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下爆炸壓力-時(shí)間曲線如圖6所示。從圖6可以看到，無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下爆炸壓力隨時(shí)間的變化趨勢與圖5安裝盲板法蘭密閉空間的爆炸壓力-時(shí)間曲線基本一致，爆炸壓力-時(shí)間曲線的最高點(diǎn)為1 m3爆炸艙內(nèi)爆炸性混合物發(fā)生爆炸時(shí)無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下的最大受控爆炸壓力。測試得到玉米淀粉粉塵的最大受控爆炸壓力為0.157 MPa，墨粉粉塵的最大受控爆炸壓力為0.270 MPa。相較于未安裝無火焰爆炸泄壓裝置的密閉空間，爆炸艙內(nèi)壓力顯著下降。其中玉米淀粉粉塵下降了79.5%，墨粉粉塵下降了69.1%。這表明安裝無火焰爆炸泄壓裝置可以明顯降低粉塵爆炸時(shí)爆炸艙內(nèi)最大爆炸壓力。

圖6 無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下1 m3爆炸艙內(nèi)爆炸壓力-時(shí)間曲線

自由場壓力傳感器測得的無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下外場爆炸壓力-時(shí)間曲線如圖7所示。自由場壓力傳感器1、自由場壓力傳感器2、自由場壓力傳感器3分別代表距離無火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線方向1、2、3 m處安置的自由場壓力傳感器。圖7（a）和（b）分別為無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下玉米淀粉和墨粉粉塵的外場壓力-時(shí)間曲線?？梢钥闯鐾鈭霰▔毫﹄S時(shí)間瞬間增大后下降，且外場爆炸壓力隨著軸線距離的增大逐漸減小。

這是因?yàn)榉蹓m爆炸產(chǎn)生大量的能量，突破阻火元件后瞬間釋放，使得外場壓力瞬間增大。自由場壓力傳感器1測得的玉米淀粉和墨粉粉塵的外場壓力分別為0.125 MPa和0.211 MPa，說明在無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下墨粉粉塵所釋放出的壓力明顯大于玉米淀粉粉塵，同理，自由場壓力傳感器2和3都可以得到相同的結(jié)論。同時(shí)，對比圖6可知，無火焰爆炸泄壓裝置阻火元件可以大大降低保護(hù)側(cè)外場的壓力。此外，對比圖7（a）和（b）中自由場壓力傳感器2和3的外場壓力-時(shí)間曲線，可以看到玉米淀粉粉塵上升和下降的過程明顯長于墨粉粉塵，這是由于單位爆炸時(shí)間內(nèi)墨粉粉塵顆粒與空氣的反應(yīng)速率更快，發(fā)生爆炸時(shí)爆炸壓力上升速率和爆炸指數(shù)高于玉米淀粉粉塵。

圖7 外場壓力-時(shí)間曲線

溫度傳感器測得的無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下外場爆炸溫度-時(shí)間曲線如圖8所示。溫度傳感器1、溫度傳感器2、溫度傳感器3分別代表距離無火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線方向1、2、3 m處安置的溫度傳感器。圖8（a）和（b）分別為無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下玉米淀粉和墨粉粉塵的外場爆炸溫度-時(shí)間曲線，圖像顯示曲線急劇上升后下降。觀察到溫度變化隨無火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線方向距離增大而減小，溫度傳感器1測得的玉米淀粉和墨粉粉塵的升溫最快，分別升溫約為12.7℃和21.5℃，其次為溫度傳感器2，分別升溫約為4.8℃和10.6℃，最后為溫度傳感器3，分別升溫約為1.1℃和6.1℃。

圖8 外場溫度-時(shí)間曲線

外場爆炸溫度-時(shí)間曲線和外場爆炸壓力-時(shí)間曲線趨勢相一致，墨粉粉塵爆炸所釋放出的熱量遠(yuǎn)高于玉米淀粉粉塵。相比于無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下玉米淀粉粉塵外場爆炸溫度-時(shí)間曲線，墨粉粉塵外場爆炸溫度-時(shí)間曲線在后半段出現(xiàn)了輕微的上升，溫度傳感器1和2的上升趨勢更為明顯。這是由于墨粉粉塵爆炸所產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)高于玉米淀粉粉塵，爆炸發(fā)生后，無火焰爆炸泄壓裝置的阻火元件吸收了大量爆炸產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致阻火元件表面產(chǎn)生高溫，因此距離無火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線方向越近的溫度傳感器測得的溫度越高。

高速攝像機(jī)拍攝的無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下外場粉塵擴(kuò)散演化過程圖片如圖9所示。圖9（a），（c），（e）為選取玉米淀粉粉塵爆炸測試拍攝的圖片，圖9（b），（d），（f）為選取墨粉粉塵爆炸測試拍攝的圖片。2次測試所選取的圖片分別為1 m3爆炸艙內(nèi)點(diǎn)火源觸發(fā)后的第78.5，145.2，303.6 ms時(shí)刻圖片。

圖9 外場粉塵擴(kuò)散演化過程

依據(jù)EN 16009：2011 Flameless explosion venting devices的相關(guān)要求，測試樣品在爆炸泄壓試驗(yàn)中均未產(chǎn)生任何拋射物和碎片，未設(shè)計(jì)為失效的部件沒有失效，且未觀察到火焰和火星傳播，證明功能性測試中樣品的機(jī)械完整性和滅火元件性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。從圖中可清晰觀測，大量燃燒過的玉米淀粉和墨粉粉塵通過無火焰爆炸泄壓裝置阻火元件排出1 m3爆炸艙外，降低了爆炸艙內(nèi)最大爆炸壓力，與圖5和圖6相印證。同時(shí)在同樣測試條件下，從無火焰爆炸泄壓裝置噴射出來的墨粉粉塵尺寸范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玉米淀粉粉塵，導(dǎo)致墨粉粉塵的外場壓力和溫度明顯高于玉米淀粉粉塵（圖7和圖8）。高速攝像機(jī)拍攝到玉米淀粉粉塵在無火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線距離3 m處幾乎消失，而墨粉粉塵在此距離大量存在，說明墨粉粉塵擴(kuò)散的尺度空間更大。

3 結(jié)論

1）無火焰爆炸泄壓裝置可以明顯降低粉塵爆炸時(shí)爆炸艙內(nèi)最大爆炸壓力。相較于密閉空間的最大爆炸壓力，無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下的最大受控爆炸壓力顯著下降，其中玉米淀粉粉塵下降了79.5%，墨粉粉塵下降了69.1%。

2）外場溫度和壓力變化隨無火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線方向距離增大而減小，在無火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下墨粉粉塵所釋放出的壓力和熱量遠(yuǎn)高于玉米淀粉粉塵。高速攝像機(jī)拍攝的外場粉塵擴(kuò)散演化過程顯示墨粉粉塵擴(kuò)散的尺度空間更大。

3）通過玉米淀粉和墨粉粉塵的爆炸泄壓試驗(yàn)，無火焰爆炸泄壓裝置雖然可以滿足標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，但是對破壞性、危險(xiǎn)性較大的粉塵，外場保護(hù)側(cè)需要更大的安全區(qū)域。