泡沫镍对甲烷-空气预混气体爆燃超压影响的研究*

梁 滔，孙永夺，杨锡军

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院,北京 100083；2.拜城县峰峰煤焦化有限公司,新疆 阿克苏 842316)

0 引言

水灾、火灾、瓦斯、顶板和矿尘是煤矿井下的5大自然灾害，严重威胁着井下工人的人身安全，并制约着煤矿的安全生产，其中又以瓦斯和煤尘爆炸灾害最为严重。据不完全统计，建国以来发生的25起百人死亡的特大事故中，有22起是因瓦斯爆炸引起的。同时煤矿井下瓦斯气体的主要成分是甲烷，具有清洁、高效的特点，是应用前景广阔的新能源，然而由于甲烷具有易泄露、易扩散及易燃易爆的特性，确保其在生产、输运、储存及使用过程中的安全是实现工业化的重要前提。因此，从安全生产和能源利用角度来看，有效地阻隔甲烷爆炸传播过程，降低爆炸造成的损失，已经成为煤矿安全生产和工业燃气输运过程中需要迫切解决的课题。

1.高能点火器 ；2.泄压口； 3.数据采集仪； 4.点火电极； 5.压力传感器； 6.同步控制器； 7.计算机； 8.真空泵； 9.混气瓶； 10.多孔材料。图1 实验系统示意Fig.1 Sketch of experimental set-up

为了抑制可燃气体爆炸，国内外学者对阻隔爆技术进行了大量的研究[1-3]。钱海林等[4]研究了二氧化碳和氮气对甲烷爆炸极限的影响，实验结果表明组分中添加的二氧化碳和氮气，对爆炸极限的影响是线性变化的；J.K.Richmond等[5-6]实验研究了煤矿巷道内瓦斯爆炸火焰传播过程，分析了爆炸压力与火焰传播速度，结果表明火焰传播速度及爆炸超压与巷道的内壁结构和瓦斯浓度分布密切相关；Teodorczyk等[7]利用高速分幅相机记录了爆轰波经过有泡沫多孔介质管道的情况，结果表明，爆轰波经过铺设有多孔材料的管道时，其速度衰减了近一半；Borisov等[8]在实验中将多孔介质衬在管道内壁上，研究了多孔材料对爆轰波的吸收作用，结果发现爆轰波穿过多孔介质后其强度显著降低，他认为多孔材料对横波的吸收是导致爆轰波衰减的主要原因；Chen等[9]在实验管道壁面放置不同孔目数的泡沫金属材料，研究其对甲烷-空气爆炸特性的影响，实验结果发现在管道壁面铺设泡沫金属材料后能够显著地降低爆炸超压，并且泡沫金属的孔目数越大其对爆炸超压抑制效果越好，最大减压达到40%；夏昌敬等[10]用钢丝网材料分析了声学吸收材料厚度对非稳定爆轰波传播特性的影响，结果表明，在管道中安装声学吸收材料对气体非稳定爆轰波有明显的衰减作用，而且随着声学吸收材料厚度的增加，气体非稳定爆轰波强度衰减幅度增大；喻健良等[11-12]研究了多层丝网对气体爆炸的抑制作用，并且分析了火焰淬熄的临界速度与丝网层数的线性关系，结果表明丝网的抑爆性能与其层数、目数、丝径、开口比及体积空间率有关；聂百胜等[13]借助SEM技术，对泡沫陶瓷的微观结构进行了研究，进而探究了泡沫陶瓷对管内瓦斯爆炸火焰传播的影响，认为泡沫陶瓷在细观上具有三维连通网络结构，这种结构一方面在火焰通过泡沫陶瓷微细通道时发生器壁效应使瓦斯爆炸火焰淬熄，另一方面抑制了爆炸应力峰值和爆炸声波；温小萍等[14]实验研究了在障碍物存在情况下多孔材料对火焰的淬熄机制，实验结果显示多孔材料孔隙越小，对火焰的淬熄作用越明显；魏春荣等[15-16]研究比较了泡沫金属、泡沫陶瓷以及金属丝网不同多孔材料对爆炸气体的抑爆特性，建立了基于熄爆参数的多孔材料阻隔爆效果综合定量评估数学模型，用于阻隔爆效果评估。在实际生产过程中，煤矿井下巷道以及输气管道十分长，为了预防爆炸，由于经济原因，难以在整个巷道面或管道内壁均铺设阻爆材料。同时在已有的多孔材料阻隔爆研究中，较少有多孔材料安放位置对气体爆炸特性影响的研究。因此本文利用自行设计的实验平台，研究泡沫镍多孔材料在管道内不同安放位置对甲烷-空气爆炸过程超压的影响，以期能够为防隔爆研究和设计提供依据。

1 实验系统

1.1 实验装置及工况

本文中采用的实验系统如图1所示，该系统由定容燃烧管道、压力测试系统、混气系统、高压点火系统和同步控制系统组成。燃烧管道内部腔体长500 mm，截面尺寸为110 mm×80 mm，实验时管道固定在高度为1 m的钢架上。管道上下壁面采用厚度为15 mm的TP304不锈钢，该型号钢材具有良好的耐高温性，管道前后两侧壁由厚度为15 mm的高透光石英玻璃板组成，石英玻璃是一种由二氧化硅单一组分构成的特种工业玻璃，其硬度可以达到达莫氏七级，具有耐高温、膨胀系数低、耐热震性、化学稳定等特点，耐压20 MPa以上。管道前后两端分别安装有方形法兰，一端法兰中心安装有点火电极，另一端设有进气口。在管道的上、下壁面共设计了多个测试点接孔，用以测量管道内甲烷燃烧时不同位置的物理参量。为保证实验安全，管道上部靠近尾部位置设计了泄压口，实验时泄压口用爆破片密封，当管道内压力达到一定强度时自动泄压，在本文实验中，由于爆炸超压较小，因此实验时爆炸管道始终保持密封状态。实验中压力传感器采用PCB112A05型压电式石英片传感器，并将其安装在管道上端钢板的测试孔上，测试孔距离点火器的水平距离为360 mm。数据采集仪为HIOKI8847，该款数据采集仪共有8个通道，各通道最高波形采样率20 MS/s。点火电极安装在管道左端的法兰上，高能点火器使用点火能为3 J。实验中的点火器和数据采集仪由同步控制器进行同步控制。实验中采用的甲烷的体积分数为9.5%，管道内初始温度和压力分别为298 K和0.1 MPa。可燃气被高能点火器点燃之前，静置60 s。

为了研究泡沫镍多孔材料铺设位置对甲烷-空气预混气体爆燃过程的影响，本文设计了表1所示的3种工况进行实验探究。为了确保实验数据的可重复性和准确性，每组工况的实验将重复3次，实验时2片多孔材料分别固定在距离点火点相同位置的上下壁面，多孔材料在管道中的布置方式如图2所示。

表1 不同实验工况

图2 泡沫镍在管道内安放位置Fig.2 Position of nickel foam in the closed duct

1.2 材料的选取

在本实验中，多孔材料选择价格低廉、质量轻、可塑性强，并且耐高温的泡沫镍，泡沫镍的孔目数为80 ppi(每英寸孔数目)，规格为1 500 mm×80 mm×3 mm，泡沫镍的孔隙度为96%～98%，密度为0.28～0.3 g/cm3，泡沫镍外观及其局部放大20倍如图3所示。泡沫镍多孔材料与管道通过螺丝固定，如图3中所示的2个小孔，与管道壁面预留的对应螺丝孔用螺丝将泡沫镍固定，选用较小的螺丝避免了对爆燃火焰的影响。

图3 泡沫镍及其局部放大20倍Fig.3 Nickel foam and its partial enlargement with 20 times

2 结果与分析

2.1 泡沫镍对甲烷-空气预混气体爆炸超压的影响

实验时数据采集仪的采集频率为200 kHz，即每秒采集20万个数据，数据量非常庞大。为了降低数据容量，便于后期数据处理，本文中对原始数据进行如下处理：首先采用基于最小二乘多项式的Savitzky-Golay法对原始数据进行光滑处理，除去一些奇异点；随后通过在Origin软件中导入计算机程序对平滑处理后的数据进行间隔取点，每200个数据取一个，这样极大缩小了数据的容量；最后对间隔取点后的数据进行拟合并生成曲线。图4为利用上述方法进行处理后的数据和原始数据的对比曲线，可以发现，处理后的曲线无论是整体趋势还是特殊节点值，都与原始曲线吻合较好，这也说明了本文中采用的数据处理方法的有效性。

图4 封闭管道内压力曲线Fig.4 Experimental pressure dynamics in the closed duct

表2为不同实验工况下的压力测量结果，分别是空管道和泡沫镍不同安装位置时的最大爆炸压力和压力降低百分数。由结果可知，当管道内没有安装多孔材料时，爆燃过程的最大压力远大于安装多孔材料的实验管道，达到6.58bar。相比于空管道，在管道壁面安装多孔材料之后，降压效果非常显著。当将泡沫镍安装在管道前端、中部和后部时，相比于空管道压力降低分别达到了34.7%，44.5%和40.1%。其中降压效果最好的是将多孔材料安装在管道中间部位，其次是管道后端和前端。

表2 不同实验工况压力

图5为3种工况下管道内爆燃过程的动态压力曲线，可以看出，火焰传播初期，由于燃烧强度较弱，火焰未受到壁面的限制影响，火焰传播速度较小，管道内压力几乎恒定不变，在t=20 ms以后，压力曲线上升开始加快，这主要是因为随着火焰的传播，火焰与壁面接触受到其扰动作用，使得火焰湍流化增强燃烧强度提高，在这个阶段管道内整体湍流燃烧强度高，压力曲线快速增大。在这个过程中3种工况下的压力曲线几乎完全重合，说明多孔材料安装位置对爆炸超压的传播几乎没有影响；随后压力曲线开始出现差异，其中将多孔材料放置在管道前部时压力曲线呈近似直线上升，而将多孔材料放置在管道中部和后部时，压力曲线呈波浪形增加。多孔材料放置在管道中部时最先达到峰值，其次是放置后部的工况，到达峰值最迟的是将多孔材料放置管道前部的工况。

图5 泡沫镍位置对管道内压力的影响Fig.5 Effect of porous nickel mounted at different place on the pressure in the closed duct

2.2 不同工况下压力上升速率

在气体爆炸实验研究中，最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率是反映爆炸猛烈程度的重要参数[17]，也是设施、设备的结构强度设计和防爆泄压面积计算、爆炸抑制、爆炸隔离和抗爆设计的基础。其中，最大压力上升速率)(dp/dt)max是压力曲线上升段切线的最大斜率。压力上升速率曲线可通过对压力曲线进行一阶求导而得到，求导后的曲线如图6所示。

图6 压力随时间的变化曲线Fig.6 Experimental pressure growth rates for various configurations

在30 ms之前，3种工况下压升速率曲线几乎一致，之后开始出现差异，多孔材料放置在管道前部时所达到的最大压升速率最小，放置于最后端时的最大压升速率最大，随后压力上升速率曲线呈波浪状下降。从爆炸形成演变过程分析，当可燃气体被点燃后呈球形火焰向外膨胀发展，化学反应强度随着火焰的发展不断增强，直到管道内完全湍流化燃烧达到最大强度，此时的压升速率最快。之后由于管道内燃料的消耗，化学反应强度开始下降，压升速率也随之下降，且压升速率呈现出震荡的趋势，这与管道内的湍流燃烧有关。管道内爆燃火焰在点火后向四周发展，在球型火焰接触到管道壁面后，受到其限制往轴向传播，火焰开始火焰与多孔材料相互作用，抑制减弱其燃烧强度，吸收爆燃过程产生的压力波，使得管道内压力上升速率减慢。火焰在管道内的传播过程，最先接触到管道前段铺设的多孔材料，其次是中部和末端的多孔材料。根据之前实验结果[9]，管道内爆燃火焰压升速率最大的时刻对应于爆燃火焰在管道内前半段传播阶段，因此可以得出，在爆燃火焰达到最大压升速率阶段，火焰与管道前端铺设的泡沫镍多孔材料作用程度最强，其次是管道中端的多孔材料，因为末端的多孔材料此阶段几乎没有与爆燃火焰相互接触，未对火焰造成抑制作用，因此其最大压升速率最大。

从多孔材料对爆炸火焰的抑制机理来看，多孔材料的结构是由无数个从表到里的三维相互连通的孔隙通道组成。当火焰传播到多孔材料时，火焰被分叉成无数个小的射流火焰进入多孔材料内部，与内部粗糙的多孔金属结构相互作用使得部分火焰发生淬熄。其中，金属材料的冷却作用使得局部火焰温度下降，另一方面多孔金属材料吸收部分参加燃烧反应的自由基，使得燃烧反应的强度下降。多孔材料的这种抑制作用被称为冷壁效应和器壁效应[18]。当压力波传播进入多孔材料内部后，压力波使得微小空隙通道内的空气发生震动，从而被转化、消耗，能够很好地抑制横波的产生和发展，以达到吸波减压的作用。

3 结论

1)在管道内壁面布置泡沫镍多孔材料后，能够有效地吸波降压，对爆燃压力衰减率最大可达44.5%。

2)从泡沫镍多孔材料铺设位置对爆燃压力峰值影响来看，中端位置的降压效果最好，其次是放置在管道的末端，效果最差的是放置在管道的前端；而对压升速率影响来看，前端位置对于降低最大压升效果最好，其次是中端，末端。

3)在实际阻隔爆应用中，参考泡沫镍多孔材料铺设位置对甲烷-空气爆燃抑制的影响，可为井下巷道或其他存在气体爆炸的场所提供一种新的思路，对实践阻隔爆应用具有指导意义。

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