管道内多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播的影响

张巨峰，武 元，杨运尧，梁建军，李 倩，李海龙

（1．靖远煤业集团有限责任公司魏家地矿，甘肃白银730913；2．大同煤矿集团王坪煤电有限责任公司，山西怀仁037600；3．中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）

近年来,随着矿井开采深度和强度的不断加大,引发的瓦斯爆炸事故时有发生,又由于瓦斯爆炸往往会引起二次爆炸,给矿工的生命和财产带起巨大损失,因此研究预混可燃气体爆炸火焰传播显得十分重要。

目前,国内外学者对可燃气体爆炸火焰的传播进行了大量研究,贾真真,林柏泉[1]基于瓦斯爆炸机理,对管内瓦斯爆炸传播影响因素和火焰加速机理进行了分析,得出了管内瓦斯爆炸传播影响因素和火焰加速机理；杨艺,何学秋[2-3]对瓦斯爆炸火焰细微结构和火焰传播机理进行了分析研究；喻健良[4-7]等通过实验研究了多孔压缩材料以及金属丝网对爆炸的影响；Ravy[8]进行了金属丝网抑制爆炸火焰的实验,得知金属丝网可以使火焰淬熄；Dupre利用衬在实验管道壁的多孔压缩材料进行了抑爆实验,得出多孔材料可以吸收横波；Fairweather等[9]在半封闭管道内对甲烷/空气混合气体进行了爆炸实验,得到了爆炸过程中火焰位置、形状以及产生的超压值。基于前人对可燃气体爆炸火焰的传播规律,以及抑制规律的研究,本文从实验和理论上研究多层金属丝网抑制预混可燃气体爆炸火焰的传播。

1 实验系统及材料

1.1 实验系统

实验管道为内断面为200 mm×200 mm的方管,总长为18 m。整个管道用厚为10 mm的20 g钢板焊制,耐压15 MPa以上。为了捕捉火焰传播的整个过程,利用美国RedLake公司生产的高速摄影机在管道全断面的观测视窗进行全程拍摄。实验中所用的实验管道见图1。主要由爆炸实验管道、点火配气装置系统、高速摄影系统等三个部分组成,管道视窗尺寸为250 mm,见图2。

图1 爆炸实验管道

图2 管道视窗

1.2 实验材料

实验通过不锈钢金属架（如图3所示）内嵌在多层金属丝网（如图4所示）之间，来固定和支撑多层金属丝网，以求达到良好的抑爆效果。选用10目3层的多层金属丝网进行实验，这种金属丝网具有耐高温、透气性良好、热抗震性强等优良特性。

图3 不锈钢金属架

图4 多层金属丝网

2 实验方案及步骤

2.1 实验方案

为了研究管道内瓦斯爆炸火焰传播规律,实验管道内充入9.5%的CH4/空气预混气体,前端点火,后端封闭,点燃管道内的预混可燃气体,气体燃烧爆炸火焰在管道内传播,通过高速摄影机随时在透明视窗拍摄火焰在管道内的整个传播过程,对采集到的图像进行火焰传播过程的分析。

2.2 实验步骤

实验按如下步骤进行：①气密性检查;②检查、调试各测量系统,使其处于正常工作状态;③将爆炸管道抽真空,使之达到一定的真空度;④按照实验要求的浓度,配置好爆炸混合气体;⑤向管道中充入配置好的混合气体,并使管道中的压力达到期望值;⑥调试安装好高速摄影仪,以便对火焰传播的全过程进行拍摄;⑦利用高能点火装置点火起爆;⑧记录实验结果,进行图像处理分析。

3 实验结果与分析

3.1 管道内未安置多孔金属丝网的瓦斯爆炸火焰图像及分析

在预设完全黑暗的状态下,用高速摄影系统拍摄预混可燃气体爆炸火焰的传播过程。管道内充满浓度为9.5%/空气预混可燃气体,高速摄影拍摄的照片见图5,拍摄速度为1 000帧/s,照片分辨率为1024×768。前7幅图像为每2帧图像取1幅,8～20幅图像为每8帧取1幅。

图5 瓦斯爆炸火焰传播的运动过程

由图5可知,从3 ms时亮度微弱的火焰前锋出现在视窗处,但是亮度较低；到7 ms时淡蓝色的火焰前锋在管道中心形成“金”状火焰,火焰前锋形状随着火焰亮度的增加而变得清晰；至9 ms时火焰前锋几乎全部穿过视窗,火焰中下部微现黄色,由视窗长度和火焰前锋穿过视窗所需时间可知火焰前锋传播的平均速度约为62.5 m/s；11 ms时火焰依然正向向右传播,而火焰右上角部分却出现反向膨胀趋势；13 ms时火焰整体反向传播,火焰锋面形状已经无法辨识，可以看出此阶段火焰明显分层,中上部分颜色相对较暗；24 ms时火焰开始逐渐充满视窗,且颜色分布不均匀；传播至40 ms时火焰呈现出分布均匀的颜色；48 ms开始火焰亮度又逐渐降低,火焰速度也随之变慢；至64 ms时而火焰又逐渐变亮,但传播速度仍然很缓慢,火焰呈明显的震荡态势；64 ms时火焰出现团状分散的情况,火焰继续反向传播；80 ms时仍是团状分散火焰,但传播方向却转为正向;88 ms时团状分散火焰的传播方向又变为反向;随后火焰传播速度明显变慢；至104 ms时火焰再次转为正向传播；随后在112 ms时火焰又出现反向传播。可见,在整个传播过程中,火焰传播出现了多次振荡。

结合图5及分析可知,管道内预混可燃气体爆炸过程中,火焰结构和火焰传播速度都存在不稳定性。火焰由最初的圆锥形,到比较圆滑,火焰前锋部分结构也呈现出明暗相间的情况,究其原因是火焰内部各部分密度、能量的差异。在整个预混可燃气体爆炸传播过程中,火焰经历了加速、减速,反向后再加速、减速不断交替变化的不稳定传播过程。火焰中由热膨胀产生的力对各部分作用结果不尽相同,这是造成内部各组成部分传播速度大小和方向差异的原因[6]。

3.2 管道内多孔金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰的影响规律

图6为距管道点火端10．335 m处安置多孔金属丝网时，利用高速摄影机拍摄到的火焰在障碍物下运动的全过程，拍摄速度为2 000桢／s，图片分别率为1 024 768像素。

图6 瓦斯爆炸火焰在障碍物下的运动过程

由图6可知，在3 ms时，微弱地出现了火焰；5 ms时，火焰变得稍清晰些，呈锥型状态继续前进；7 ms时，火焰前锋有部分已经穿过金属丝网结构，因受到多层金属丝网的影响，火焰断面明显缩小，火焰前锋变为暗黄色；10 ms时，整个火焰前锋穿过了多孔金属丝网，此时，可知火焰前锋的速度约35 m／s，13 ms时，爆炸火焰已几乎充满金属丝网右侧；至17 ms时，火焰有了反向运动的趋势；19 ms时，爆炸火焰反向运动，金属丝网右侧的火焰上面微暗，下面明亮；23 ms时，火焰反向运动差不多结束；27 ms时，火焰继续正向传播；在37 ms时，爆炸火焰最亮，充满整个视窗；45 ms时，火焰又反向传播，在金属丝网右侧上角出现了暗黄色；68 ms时，火焰反向运动即将结束，金属丝网右侧仅剩锥型黄色亮光；86 ms时，火焰向前运动几乎结束，金属丝右侧没有火焰传播了；92 ms时，只剩下金属丝表面燃烧。

爆炸火焰向前传播遇到多层金属丝网时，火焰速度和强度都明显变小了，火焰反向运动时，与金属丝网发生正面反射，穿过金属丝网左侧的难度变大，经过火焰与金属丝网的来回反射碰撞，最后火焰消失在金属丝网的左侧，表明金属丝网可以抑制较弱火焰的传播。

管道内安置固定多层金属丝网时，爆炸火焰穿过金属丝网的速度约为35 m／s，明显比管道内没有抑爆材料时火焰的传播速度（约62．5 m ／s）要小的多。多层金属丝网能有效降低爆炸火焰的传播速度，减弱火焰来回反复震荡的幅度和强度，从而抑制爆炸火焰的继续向前传播。

4 多孔金属丝网对瓦斯爆炸火焰传播的影响分析

多孔金属丝网结构的体积小、重量轻，且对爆炸火焰的淬熄性能好。当爆炸火焰遇到金属丝网结构时，火焰被细分成很多股进入各个网孔。由于火焰与金属丝网的温度差很大，火焰与金属丝网接触后，就会出现温差传热。火焰的部分热量传给金属丝，其温度因热量损失而降低，当温度降低至其淬熄温度之下就会发生火焰的淬熄。

金属丝网网孔越小，金属丝越粗，体积空间和开口率就越小，说明金属的比例越大，火焰在金属丝网内的流动空间就越小，爆炸火焰被丝网细分的程度就越大，与金属的接触面积就越大，对爆炸火焰的热损失就越多，从而快速降温到其淬熄温度之下而发生淬熄，阻火性能就越好[7]。

10目3层多孔金属丝网的强度可以达到3～50 MPa，体积小、重量轻、强度大的特性有利于进行瓦斯爆炸的抑制。另外，在爆炸高温的条件下不会产生有害产物，且造价成本低，适合在煤矿现场推广使用。

5 结论

1）管道内多层金属丝网结构对预混可燃气体爆炸火焰传播具有较大的影响，在某种程度上可以完全抑制较弱火焰的传播，减少和减弱火焰反复震荡的次数和强度，起到淬熄火焰的作用。

2）实验研究结果为煤矿阻隔爆技术研究提供了一种新的思路，为进一步开发煤矿瓦斯爆炸阻隔爆新技术，探索新的阻隔爆材料提供了实验研究依据。

[1]贾真真,林柏泉.管道内瓦斯爆炸传播影响因素及火焰加速机理分析[J].矿业工程研究,2009,24(1):57-62.

[2]Yang Yi,He Xueqiu.Fractal Characteristics of Flame Front Surface in Premixed Turbulent Methane/Air Combustion[A].Proceedings of theory and practice and energetic masteries[C]．Beijing：Science Press,2003:581-587．

[3]杨艺,何学秋,刘建章,等.瓦斯爆燃火焰内部流场分形特性研究[J].爆炸与冲击,2004,24(1):30-35.

[4]喻健良,孟伟,王雅杰.多层丝网结构抑制管内气体爆炸的试验[J].天然气工业,2005,25(6):116-118.

[5]宋占兵,丁信伟,喻健良.金属丝网结构对开敞空间爆燃波抑制作用的实验[J].天然气工业,2004,24(8):108-110.

[6]喻健良,孟伟,王雅杰.评价多层丝网结构阻火性能的实验研究[J].含能材料,2005,13(6):416-420.

[7]喻健良,蔡涛,李岳,等.丝网结构对爆炸气体淬熄的试验研究[J].燃烧科学与技术,2008,14(2):97-100.

[8]Edwards K L.Material and constructions used in devices to prevent the spread of flames in pipelines and vessels[J].Material and Design,1999,20:245-252.

[9]Fairweather M,Hargrave G K,Ibrahim S S,et al.Studies of premixed flame propagation in explosion tubes[J].Combustion and Flame,1999,116(4):504-518.