硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用＊

喻健良，闫兴清

（大连理工大学化工机械学院，辽宁 大连 116024）

可燃气体爆炸造成的灾害损失均与火焰和爆炸冲击波有关，因此抑制火焰速度和消弱爆炸波强度，一直是气体爆炸防灾减灾领域关注的课题。许多学者开展了关于火焰及压力波抑制的研究。其中，平板狭缝［1］和多孔丝网［2］结构作为典型的阻火材料已经成功应用于阻火器中。近年来，多孔、可压缩材料对爆炸火焰及压力波的抑制性能成为新兴热点［3－5］，如高分子材料［6］和泡沫陶瓷等［7－8］。

硅酸铝棉是一种典型的多孔可压缩材料，其孔隙率高，比表面积大，作为绝热保温材料在工业中被广泛应用。研究表明，硅酸铝棉对爆炸火焰传播具有抑制效果。但迄今为止关于硅酸铝棉抑爆特性的研究开展较少。本文中拟通过开展硅酸铝棉抑制管道内预混火焰传播实验，研究硅酸铝棉对预混火焰速度和爆炸超压的抑制规律，以期对实际应用提供指导。

1 实验装置及方案

1.1 实验设备及流程

实验装置如图1所示，主要由实验管路、配气系统、点火系统、测量系统、数据采集系统组成。

图1 气体爆炸抑制装置流程图Fig.1 Schematic of gas explosion suppression experiment system

实验管路由7段外径89mm、厚4.5mm、长300mm的管道组成，安置在高1m的支架上。在混气罐内通过分压法配置体积分数为7.7%的C2H2／air预混气体。采用多点充气法向实验管路内充入预混气体以得到均匀的预混气体。

采用MD－HF型压电式传感器测量预混气体爆炸压力，其量程为0～2MPa，响应频率为200kHz，输出电压0～5V。采用光敏火焰传感器测量管路火焰［2］。采用火花塞点火，由起爆箱控制。采用48通道的数据采集单元测量火焰及压力信号。

实验流程如下：将混气罐抽真空，通过分压法配制化学计量浓度的C2H2／air混合气体，静置24h。实验前将管路末端采用法兰盖封闭，管路抽真空，然后充入预混气体至常压。放置1h后，移除管路末端法兰盖。控制火花塞放电，同时采集火焰及压力信号。

1.2 硅酸铝棉

硅酸铝棉外观上为多孔、高弹的棉状物质。利用扫描电子显微镜对硅酸铝棉进行微观结构观察，图2为200倍与500倍扫描电镜结构图。图中可见硅酸铝棉的微观结构是由具有一定弹性和可压缩性的纤维组成，且纤维横纵交错，形成三维骨架架构，骨架内部形成气孔。硅酸铝棉这种多孔骨架结构决定了其孔隙率高，比表面积大。

图2 硅酸铝棉扫描电镜结构图Fig.2 Scanning electron microscope photo of aluminum silicate wool

1.3 实验方案

图3 硅酸铝棉及骨架Fig.3 Aluminum silicate wool and framework

实验用硅酸铝棉如图3所示，利用丝网卷制成的圆筒作为硅酸铝棉骨架，然后塞入管路内。实验用硅酸铝棉孔隙率为0.8，比表面积为10m2／g，平均孔径为20μm，丝径为2～4μm。实验方案如图4所示，硅酸铝棉厚度t＝10mm不变，研究不同位置Lx以及长度L下对火焰速度及爆炸超压的抑制。硅酸铝棉入口火焰速度为vi，出口火焰速度为vo；入口爆炸超压为pi，出口爆炸超压为po。为了对比硅酸铝棉的抑爆效果，对相同实验条件下不放置硅酸铝棉的管路相同位置处的火焰速度及爆炸超压进行测量，分别为vi′、vo′、pi′、po′。

图4 硅酸铝棉抑爆实验方案Fig.4 Schematic of suppression experiment

定义硅酸铝棉加速与减速效果相当时的长度为速度临界长度。即当硅酸铝棉布置在距离点火端0.4m（硅酸铝棉入口火焰速度为143m／s）时，速度临界长度Lv＝0.4m。棉长大于速度临界长度时，硅酸铝棉对火焰速度具有抑制效果。当火焰经过0.6m长度的硅酸铝棉时出口火焰速度为280m／s，不放置硅酸铝棉的管路中相同位置处的火焰速度为346m／s，可见放置硅酸铝棉时火焰速度降低约19%。

改变硅酸铝棉位置Lx，出口火焰速度与硅酸铝棉长度的关系如图6所示。改变Lx位置，出口火焰速度与棉长的规律与Lx＝0.4m时相同，均随棉长增加先增大后减小。这说明将硅酸铝棉布置在管道不同位置，对火焰的加速与减速双重效果依然存在。但是，置于不同位置时，硅酸铝棉速度临界长度Lv并不相同。分析发现，速度临界长度Lv与硅酸铝棉入口火焰速度vi有关，且几乎呈线性关系。这说明，随着入口火焰速度的增大，需要更长的硅酸铝棉才能对火焰速度有抑制效果。

2 实验结果及分析

2.1 硅酸铝棉对火焰速度的抑制

图5所示为硅酸铝棉置于管路0.4m处，出口火焰速度vo随硅酸铝棉长度L的变化。

L＝0处的出口火焰速度即代表入口火焰速度。由图5中曲线可知，随着硅酸铝棉长度的增加，出口火焰速度先增大后减小；与不放置硅酸铝棉的管路相比，硅酸铝棉对出口火焰速度有加速和减速双重效果：内衬管道中引起预混火焰流通截面积减小，起到类似障碍物加速的效果；特有的高孔隙率及大表面积结构能有效减小活化分子自由基之间的碰撞概率，降低燃烧反应速度，对火焰起到淬熄作用，具有减速效果。当硅酸铝棉长度小于0.4m时加速效果占主导，当长度高于0.4m时，减速效果占主导。

图5 出口火焰速度与硅酸铝棉长度的关系Fig.5 Relation between outlet flame speed and aluminum silicate wool length

图6 不同位置处出口火焰速度与硅酸铝棉长度的关系Fig.6 Relation between outlet flame speed and aluminum silicate wool length at different positions

2.2 硅酸铝棉对爆炸超压的抑制

图7 出口爆炸超压随硅酸铝棉长度变化Fig.7 Relation between outlet explosion overpressure and aluminum silicate wool length

图7所示为硅酸铝棉置于管路0.4m处时，出口爆炸超压po随着硅酸铝棉长度L的变化关系。爆炸超压随着硅酸铝棉长度的增加出现先增大后减小的趋势，与火焰速度类似。硅酸铝棉对爆炸超压依然具有增压和降压双重效果：管路内流通截面突然变化对火焰起到强烈扰动，使预混气体爆炸超压增加；硅酸铝棉的高弹多孔特性能够有效吸收压力波，降低爆炸超压。这2种效果在硅酸铝棉长度为0.3m处时相互抵消，定义此时长度达到压力临界长度Lp。对比速度临界长度Lv和压力临界长度Lp可知，抑制压力所需的压力临界长度要低于抑制速度所需的速度临界长度。这说明在火焰传播过程中，硅酸铝棉对压力的抑制效果更加显著。

图8 不同位置处出口爆炸超压与硅酸铝棉长度的关系Fig.8 Relation between outlet explosion overpressure and aluminum silicate wool length at different positions

当硅酸铝棉长度大于压力临界长度时，对爆炸压力具有抑制效果。当经过长度0.6m的硅酸铝棉时，出口爆炸超压为160kPa，不放置硅酸铝棉的管道内相同位置处的爆炸超压为351kPa，硅酸铝棉使爆炸超压降低了约55%。

图8为改变硅酸铝棉位置Lx时出口爆炸超压与硅酸铝棉长度的关系。硅酸铝棉位置变化时，爆炸超压随棉长变化与前述类似。不同位置处抑制超压所需的压力临界长度不同。分析发现，压力临界长度Lp与硅酸铝棉入口处爆炸超压pi几乎呈线性关系，说明要抑制更高的爆炸超压，必须采用更长的硅酸铝棉。

3 硅酸铝棉抑制火焰速度和爆炸超压机理

预混气体爆炸火焰在管路内传播时，压力波先于火焰波传播。当压力波进入多孔结构时，在纤维表面反射、散射，因硅酸铝纤维内部复杂的三维多孔骨架结构以及良好的弹性与可压缩性，被反射、散射的压力波将在硅酸铝棉内部被多次反射、散射。在此过程中部分压力波引起气孔内部的空气与硅酸铝纤维发生摩擦，能量被转化为热能；另一部分压力波直接以压力冲量的形式作用于硅酸铝棉，引起棉纤维变形、断裂。对爆炸后的硅酸铝棉显微结构进行扫描电镜结构分析，如图9所示。硅酸铝棉在火焰及压力波过后，虽然外观几乎无变化，但微观结构已经有很大改变：纤维网孔结构已经破碎，气孔面积减小，

孔隙率降低。这说明硅酸铝棉能够有效吸收压力波冲量。可燃气体爆炸过程中，火焰波与压力波互相作用。压力波被硅酸铝棉吸收后，对火焰锋面的扰动降低，同时多孔硅酸铝棉将与火焰发生热交换，产生不可逆的能量损失，降低了化学反应的速率，从而降低火焰速度。但是，在硅酸铝棉长度较小时，上述吸波降速效果并不明显，作为障碍物引起管道截面变化导致的增速增压效果较为明显，故当长度较小时，反而能够增加火焰速度和爆炸超压。速度临界长度和压力临界长度是硅酸铝棉能够抑制火焰速度和爆炸超压的临界长度。

图9 爆炸后硅酸铝棉扫描电镜结构图Fig.9 Scanning electron microscope photo of of aluminum silicate wool after explosion

4 结 论

对硅酸铝棉抑制化学计量浓度的C2H2／air预混气体爆炸进行了实验研究，结果表明，硅酸铝棉对预混火焰传播具有双重效果：一是衬入管道的硅酸铝棉引起管道内气体流通截面变化，能提高火焰速度及爆炸超压；二是硅酸铝棉多孔、高弹的特性能够有效降低火焰速度和爆炸超压。分别存在速度临界长度及压力临界长度，当硅酸铝棉长度分别高于各临界长度时，对火焰速度及爆炸超压的抑制效果明显。当硅酸铝棉长度为0.6m时，与不放置硅酸铝棉相比，出口处火焰速度降低19%，爆炸超压降低55%。速度临界长度和压力临界长度的值分别与硅酸铝棉入口火焰速度和入口爆炸超压有关。

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