受限空间网状高分子材料抑制油气爆炸实验研究*

谢　威，魏树旺，蒋新生，杨　卫，何　标

(1.后勤工程学院 军事供油工程系，重庆 401311；2.深圳市国志汇富高分子材料股份有限公司,广东 深圳 518108 )

0　引言

随着社会对能源的日益需求，军民用油库的规模都不断扩大，其安全问题也日益突出。经统计分析，安全事故往往多发在洞库、管路系统等受限空间条件下[1-2]。受复杂约束条件的影响，起初的爆炸可能发展成为爆轰，引发更大的破坏。因而，此类环境下对抑爆技术的发展提出了更高要求。目前，国内外针对甲烷[4-6]、氢气[6-7]、乙烯[8]等单分子可燃气体介质的爆炸和抑爆过程的研究较多，而对油气这种多组分气体的研究较少；基于抑爆粉剂干粉[9]、细水雾[10]、冷气溶胶[11-13]和惰性气体等介质的抑爆技术研究较多，对固体类抑爆材料的研究却较少。虽然有部分针对多孔材料[14]、网孔结构[15]材料等的定性研究，但并不能完全满足实际应用需要。而且，将抑爆材料应用于油库油气防爆和抑爆设施、设计中的定量研究和论证的更是少之又少。而近年来，抑爆固体介质凭借其本身的安全性、高效性等优点在众多抑爆技术中脱颖而出，由于其独特的阻燃、抑爆、抗冲击和防静电等性能而被推荐应用于易燃易爆设备设施和相应储存场所，是目前已经被普遍认可的一种抑爆技术。抑爆固体材料主要分为金属(铝合金、铜、黄铜等)和非金属材料(高分子材料、聚氨酯材料、聚醚材料等)。抑爆方式主要是将抑爆材料通过机械加工、拉伸或注塑成型等特殊工艺形成厚度小于0.2 mm的蜂窝状或网状结构[16]，填充在易发生爆炸的受限空间，从而达到抑制爆炸的目的。这2种材料各有优缺点，现将其性能进行对比如下：

表1　金属材料跟非金属材料的性能对比Table 1　Comparison of properties betweenmetallic materials and nonmetallic materials

相较金属材料而言，非金属材料因其质轻、缓冲作用、抗压缩性好的优点，更具有发展前景和研究价值。但与此同时，非金属材料在油品储存过程也存在着滞留率较高的问题，需要充分论证其对油品性能的影响[17]。目前主要的解决办法是增大孔隙率和材料的光顺性，并通过对比不同材料、不同孔隙率对油品的影响，选取影响较小的材料。此处对材料的本身的物性不作详细论证，只考虑新型非金属高分子抑爆材料的抑爆性能，采用在狭长金属管道中填充抑爆材料的方式组成实验装置，对新型网状高分子材料的油气抑爆效果进行了研究，为更好满足油库呼吸管路、阻火设备设施安全设计的需要，提供理论和技术支持。

1　实验系统和方案

1.1　实验系统

实验系统如图1所示，分为实验台架、数据采集系统、油气循环系统和点火系统4个部分。实验台架为一段内径150 mm的长直钢制管道，两端盖用法兰与管道连接，长4.8 m，壁厚5 mm，耐压6 MPa。管道一侧有5个螺纹孔，可以安装压力传感器和火焰强度传感器。压力传感器采用ZXP610型压阻式压力传感器，测试量程为2 MPa，采样频率为10 Hz，精度等级为0.2级，数据采集系统为TST6300动态测试分析仪，采集分析软件为DAP7.10。火焰强度传感器基于红外火焰探测技术，可以探测波长较长的红外线，并将光信号转化为电信号，对其他频谱范围的光线不敏感，使系统避开了太阳的干扰。实验中先用UNI-T381型照度计对火焰强度电压信号进行标定，使电压信号(单位为mV)与光强信号(单位为Lux)一一对应，以便于分析。油气浓度检测系统采用北京均方理化科技研究所研制的GXH-1050碳氢分析仪，用于检测实验系统中的油气体积分数。油气循环系统采用真空泵，形成油气回路，进出口接入端分别距台架两侧端盖340±1 mm。采用智能点火系统，点火位置在右侧法兰端盖中心，点火头顶端距右侧端盖72.0±0.1 mm。如图所示，Ai表示i号压力传感器，B表示火焰强度传感器。为对比中间段填充抑爆材料时近点火端和远点火端的压力值以及爆炸传播受抑前后的火焰强度值，将A1测点设置于距右端盖880±1 mm的近点火端、A2测点置于距A1测点2 500±1 mm的远点火端，B测点置于距A2测点540±1 mm的远点火端。

图1　实验系统Fig.1　Experiment system

1.2　抑爆材料

实验所选用的高分子抑爆材料为深圳市国志汇富公司研发的一种新型网状高分子聚氨酯材料，实物图如图2所示，每段长250mm，直径160mm，表观密度22～23 kg/m3，网孔平均尺寸2.27～2.35 mm，拉伸强度100～107 kPa，孔隙率为70%～85%，不水解，抗腐蚀，满足指标值要求，其热传导性一般、阻尼系数较小。填充材料时，由于材料的直径比管径稍大，需借助外力将材料压缩后推入管道中，利用材料本身的弹性及网孔结构特性与管壁形成较大的摩擦力来固定材料。

图2　新型高分子抑爆材料Fig.2　New grid-likepolymer material

1.3　实验方案

在已有的狭长受限空间油气爆炸实验[18]中，爆炸强度最大的初始油气(以正庚烷、异辛烷等C5～C9烷烃为主要组分的混合物)体积分数为1.75%左右，本实验利用碳氢红外分析仪测得油气体积分数为1.75%，点火能量为1.5 J。首先进行无填充的爆炸实验；然后将一段高分子抑爆材料填充在中间位置(2.4 m处)，进行不满足填充规范[19]的爆炸抑制实验；最后在点火端另一端向前进行填充抑爆材料，共填充18段，点火端有0.3 m的留空，留空率为6.25%，符合相关规范[19]要求。每组实验均进行5次，保证实验的可重复性。

具体实验操作步骤如下：首先连接好传感器线路，检测可行性，然后向油气雾化装置内倒入一定量的汽油，使用2X-8旋片式真空泵在雾化装置内形成真空，将汽油雾化喷入管道，利用循环管路系统循环约20 min，然后使用油气浓度检测系统在管道的两端、中部分别测量油气浓度，如果3点油气浓度差小于0.3%，则可认为管道内各处油气混合均匀。关闭循环管路进出口球阀，利用点火系统进行点火，通过测试系统对特性参数进行采集。

图3　不同工况爆炸超压变化曲线Fig.3　Changing curve of explosion overpressure in different situations

2　实验结果与讨论

2.1　对爆炸超压的影响

图3为不同工况下2个压力传感器采集的爆炸超压变化曲线，图3(a)为没有抑爆材料抑爆的工况，图3(b)为单个抑爆材料放置在管道中间进行抑爆的工况，图3(c)为抑爆材料按规范填充管道进行抑爆的工况。

图3(b)与图3(a)相比，压力上升明显减缓，在0.45 s以前，爆炸超压持续上升，但0.45 s以后，A1点爆炸超压上升突然减缓，这是因为此时火焰阵面到达抑爆材料所在位置，而抑爆材料是多孔材料，火焰通过时，狭小的孔道使孔道壁与自由基碰撞几率增大，导致自由基数量的减少，同时细小的孔道将火焰分成许多小火焰团，增加了与火焰的接触面积，使传热得以强化，降低了火焰温度[20]，另外进入抑爆材料后火焰被分成不连续的火焰团，并且抑爆材料的孔隙度造成的阻力也是阻止火焰传播的因素[21]。

而位于抑爆材料后的A2点在0.45 s后爆炸超压下降明显，这是因为冲击波到达抑爆材料表面并反射消耗了部分冲击波能量，并且抑爆材料中的孔隙被压缩使冲击波能量转化为塑性能和弹性能；另外抑爆材料内部结构复杂，冲击波进入后不断发生反射和散射，能量被进一步消耗[22]。此后2个测点的爆炸超压均震荡上升，这是因为抑爆材料没有完全熄灭火焰，火焰阵面通过抑爆材料后继续点燃未燃油气发生反应，使爆炸超压持续上升。

图3中的各项关键参数如表2所示。

表2　不同工况下压力参数Table 1　Pressure parameters in different situations

由表2可以看出，A1和A2压力传感器在没有抑爆材料情况(工况(a))下采集到最大爆炸超压值分别为331.26 kPa和360.05 kPa，而在管道中间位置添加抑爆材料(工况(b))后最大爆炸超压值为202.32 kPa和199.90 kPa，分别下降了38.92%和44.48%，说明抑爆材料抑爆效果良好，对爆炸压力的发展有明显的抑制作用，特别是抑爆材料后的爆炸超压。另外在工况(c)中，A1和A2压力传感器所在位置填充有抑爆材料，采集到的最大爆炸超压值为51.81 kPa和32.63 kPa，分别下降了84.36%和90.93%，并且升压速率分别下降了39.18%和70.26%。可以看出当填充抑爆材料符合规范要求时，抑爆材料对爆炸超压和升压速率的抑制作用特别明显，并且距离点火端越远，抑制作用越显著。

2.2　对火焰强度的影响

图4为3种不同工况火焰强度传感器所采集的火焰强度变化曲线，可以看出，在没有抑爆情况下，火焰强度值很大，达到933.54 mV，而在管道中间填充抑爆材料后，火焰强度值下降至737.58 mV，下降了20.99%。并且初期火焰强度值不大，说明抑爆材料对火焰的传播起到了抑制作用，但是仅一段抑爆材料难以阻止火焰的向前传播。而工况(c)则完全采集不到火焰信号，说明在满足标准规范的条件下，抑爆材料能够完全阻止油气爆炸火焰的通过。

图4　不同工况下火焰强度变化曲线Fig. 4　Changing curve of flame intensity in different situations

以工况(a)为例，定义火焰强度开始增大的时刻为起始时刻，火焰强度值大于0的时间为火焰持续时间，将火焰参数进行整理，如表3所示。

表3　不同工况下火焰参数Table 3　Flame parameters in different situations

由表3可以看出，在管道中间填充抑爆材料后，不仅火焰强度有明显减小，而且火焰起始时刻由0.311 s延后至0.705 s，说明抑爆材料的存在显著延缓了火焰的传播，降低了火焰传播速度。火焰持续时间也由0.724 s缩小至0.682 s，弱化程度小于火焰起始时刻是因为火焰持续时间不仅与火焰燃烧剧烈程度有关，还与火焰传播速度有关，油气爆炸燃烧时，火焰并不是一个平面，而是具有一定长度的圆柱体，当火焰传播速度减小时，火焰通过传感器的时间增大，造成火焰持续时间较长。在此情况下，工况(b)火焰持续时间仍小于工况(a)，说明抑爆材料对油气爆炸的抑制作用十分显著。

3　结论

1)抑爆材料对油气爆炸产生的最大爆炸超压值和升压速率起到明显的抑制作用，特别是当抑爆材料按照规范填充时，抑爆效果显著。

2)抑爆材料对于油气爆炸火焰传播具有明显的抑制作用，不仅可以降低火焰强度值，也减缓了火焰传播速度，特别是当抑爆材料按照规范填充时，火焰被完全熄灭。

3)按照规范填充后，抑爆材料抑爆效果良好，距离点火端越远，抑爆效果越明显，可以达到抑制爆炸发生、发展的目的，具有广阔的应用前景。

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