狭长受限空间油气爆炸抑制实验研究

魏树旺， 蒋新生， 徐建楠， 何 标， 齐 圣， 王世茂

(后勤工程学院 军事供油工程系，重庆 401311)

狭长受限空间油气爆炸抑制实验研究

魏树旺， 蒋新生， 徐建楠， 何 标， 齐 圣， 王世茂

(后勤工程学院 军事供油工程系，重庆 401311)

为研究气态抑爆介质对油气爆炸的抑制作用，搭建了狭长受限空间油气爆炸抑制实验系统。以二氧化碳和七氟丙烷(FM200)作为抑爆介质，进行了油气爆炸抑制实验，与无抑爆介质条件进行了对比，并分析了爆炸超压值、火焰传播速度、火焰强度以及爆炸产物等特性参数变化情况。实验结果表明：当以二氧化碳和七氟丙烷作为抑爆介质时，最大超压值分别下降28.66%和56.30%，火焰传播速度分别下降60.69%和89.23%，火焰持续时间缩短，火焰强度减弱；在相同条件下，七氟丙烷的抑爆效果优于二氧化碳。

油气爆炸；模拟实验；抑爆介质；主动抑爆

在油气储运工程建筑和设施中，狭长受限空间是一类常见的空间结构，包括暗渠、管道、洞库坑道和管路系统等，洞库呼吸管路系统[1]中充满着油气和空气的混合物，一旦遭遇雷击、静电或者明火，将很有可能发生油气爆炸事故，对生命财产安全构成重大威胁。而油库中的油罐如果发生漏油事故，洞库坑道、暗渠等狭长受限空间也会存在发生爆炸的危险。国内外类似事故案例数不胜数[2-3]，因此开展针对狭长受限空间油气爆炸抑制实验研究显得尤为重要。目前关于可燃气体爆炸抑制的研究涉及甲烷[4-6]、氢气[6-7]、乙烯[8]等，但这些单分子可燃气体介质实验成果不能完全揭示油气这种多组分气体爆炸规律，张跃等[9]、齐圣[10]和蒋新生等[11-12]分别采用干粉、细水雾和冷气溶胶进行了油气爆炸抑制实验，取得了较好的效果。但是在油气储运过程中狭长受限空间爆炸抑制往往需要清洁、无污染的抑爆介质，干粉、细水雾和冷气溶胶虽然抑爆效果良好，但不适用于油气储运工程狭长受限空间中，因此气态抑爆介质是更好的选择。DU等[13]利用氮气开展了油气爆炸抑制实验，取得一定的成果，而大量实验研究表明，二氧化碳抑爆效果好于氮气。七氟丙烷作为新型灭火剂已在消防领域得到广泛推广[14]，而在可燃气体爆炸抑制方面研究较少。同时，上述国内外研究均是预先将抑爆介质与可燃气体混合或者用薄膜隔开，抑或采用被动式抑爆的方法，重点针对抑爆机理进行研究，而对实际工况考虑较少。本文采用主动式抑爆装置对大尺度狭长受限空间油气爆炸进行抑制，对比研究了二氧化碳和七氟丙烷的抑爆效果，为工业实际安全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。实验台架由三段内径450 mm的长直钢制管道用法兰连接而成，每段长7.1 m，共21.3 m，壁厚15 mm，耐压6 MPa。每段管道一侧有5个螺纹孔，可以安装压力传感器、火焰速度传感器和火焰强度传感器，另一侧有2个观察窗，用来观察火焰形态和传播情况，使用高速摄影仪进行记录，型号为FASTCAM-ultima512，拍摄速度为1 000帧/s，具体拍摄效果如图6(a)所示。压力传感器采用ZXP610型压阻式压力传感器，测试量程为5 MPa，数据采集系统为TST6300动态测试分析仪，采集分析软件为DAP7.10。火焰传感器基于红外火焰探测系统，火焰强度传感器为笔者教研室自行研制，能够采集火焰照射强度并将其转化为电压信号，可用来测试火焰强度。火焰速度采用火焰速度传感器进行采集，在传感器之间距离已知的情况下，通过测试相邻两个传感器之间火焰经过的时间，可以计算得到相邻两个传感器之间的平均火焰传播速度。采用智能点火系统，点火位置在右侧法兰端盖中心。

采用主动式抑爆装置，从点火端起第一个观察窗位置安装抑爆装置的火焰传感器，第四个观察窗位置安装抑爆装置。压力传感器、火焰传感器以及抑爆装置安装位置已在图1中进行了标注。

Pi-压力传感器; Vi-火焰速度传感器; Fi-火焰强度传感器图1 实验系统Fig. 1 Experiment system

1.2 抑爆装置

抑爆装置包括火焰传感器、控制器、抑爆器，抑爆介质采用二氧化碳和七氟丙烷。抑爆器为椭球型容器，直径24.9 cm，容积27 L，出口为M60×2，电子触发器直径为38 cm。由于发生爆炸时火焰传播速度很快，往往能达到100 m/s甚至超声速，诸如电磁阀之类的常规阀门开启时间较长，难以满足要求。该抑爆装置开关采用电子触发器，即快开装置，用耐压膜片封住出口，当接收到控制器发出的信号后，快开装置立即对膜片两侧同时产生15 MPa的挤压应力，膜片瞬间被破坏，抑爆介质喷出，因此该抑爆装置响应时间很短。

作者在该实验之前已在透明玻璃开口管道内进行过爆炸抑制预实验，用高速摄像仪进行记录，通过对拍摄图像的分析计算，得出该抑爆装置的响应时间为10 ms左右，喷射完毕最多需要500 ms。在该实验系统设计下，火焰到达抑爆装置之前抑爆介质已经喷射完毕。在实际工况当中，火焰传播速度更快，可以通过增大储气压力和增大火焰传感器与抑爆装置之间的距离来实现对油气爆炸的控制。

当火焰传感器感受到爆炸火焰信号后，将信号快速传递给控制器，此时如果压力表显示储气瓶压力在正常范围内，控制器将对信号进行处理，发出动作信号给电子触发器，电子触发器接到动作信号后打开使抑爆介质喷射出来，达到抑爆的目的，抑爆器示意图如图2所示。

1-高压储气瓶；2-电子触发器；3-引线；4-喷嘴;5-连接法兰；6-保护罩；7-压力表；8-铭牌图2 抑爆器示意图Fig. 2 Sketch map of explosion suppressor

1.3 实验方案

在已有的大尺度狭长受限空间油气爆炸实验[15]中，爆炸超压值、升压速率、火焰传播速度最大的油气体积分数在1.6%～1.8%之间，实验时油气体积分数为1.75%，点火能量为1.5 J。抑爆介质采用二氧化碳和七氟丙烷，液化后充入储气瓶中，分别进行抑爆实验，每组实验均进行5次，保证实验的可重复性。基于控制变量原则，实验中抑爆介质质量均为5 kg，由于两种介质物理性质不同，因此储气瓶中压力即抑爆器喷射压力也有所不同。相同抑爆介质条件下，喷射压力越高，则喷射距离越大，形成抑爆空间越大，对爆炸波和火焰阵面的阻滞效果更明显。实验中七氟丙烷在储气瓶中的压力小于二氧化碳在储气瓶中的压力，在该实验条件下尚能证明七氟丙烷抑爆性能优于二氧化碳，当使七氟丙烷喷射压力与二氧化碳相同时，七氟丙烷抑爆效果会更好。

首先连接好抑爆装置线路，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1 h，然后使用油气体积分数检测系统在管道的两端和中部分别测量油气体积分数。如果3点油气体积分数差小于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。

2 实验结果与讨论

2.1 抑爆介质对爆炸压力的影响

以抑爆介质为二氧化碳为例，各测点爆炸超压值变化曲线如图3所示。

图3 各测点爆炸超压值变化曲线Fig. 3 Curves of each sensor’s overpressure

图3中，1、5、6号压力传感器所测爆炸超压值变化趋势相同，先迅速增大，再逐渐减小，而2、3、4号压力传感器所测爆炸超压值变化趋势则不同，先迅速增大，再迅速降低，甚至有的降到负值，再逐渐上升，趋于一致，称2、3、4号压力传感器之间的空间为抑爆空间。

当点火系统点火后，油气迅速被点燃发生爆炸，产生爆炸波，狭长受限空间中压力迅速上升，此时抑爆装置的火焰传感器感受到火焰信号，使抑爆器喷射抑爆介质，在2～4号压力传感器之间形成一个抑爆空间。由于爆炸波在火焰锋面前面，所以爆炸波在抑爆介质喷射之前就已经到达抑爆空间，并在受限空间中反复振荡使得压力持续上升。当抑爆介质喷射到抑爆空间时，由于液态抑爆介质汽化吸收大量的热量，使得抑爆空间中温度骤然降低，因此爆炸超压值迅速下降，甚至出现负值。但随后超压值逐渐上升，最终趋于一个较高的水平，原因如下：油气为多碳烃类化合物，爆炸燃烧后产生大量气态二氧化碳和水蒸汽；抑爆空间之前已经发生爆炸燃烧反应产生的热量将会传递到抑爆空间中，使抑爆空间温度上升；抑爆介质汽化后体积迅速膨胀，所以抑爆空间中压力会逐渐增大，最终趋于一个较高的水平。1、5、6号压力传感器的爆炸超压值变化趋势正常说明抑爆空间超压值变化趋势异常的原因是抑爆介质的热效应引起的。

虽然4号压力传感器距离抑爆器最近，但是3号压力传感器所测超压值降幅最大，原因在于抑爆器喷射抑爆介质时有一定的压力，将抑爆介质喷出一定的距离，所以在3号传感器附近抑爆介质浓度较高，从而超压值降幅最大。

在不同抑爆介质的影响下，相同测点的压力传感器所测爆炸超压变化趋势无明显区别，在实际工况中抑爆空间在狭长受限空间中所占比例较小，并且其超压变化受抑爆介质低温影响，不能反映整体狭长受限空间内爆炸超压变化规律，因此作者以1号压力传感器采集爆炸超压数据为例来反映不同抑爆介质对爆炸超压的影响规律。

图4为不同工况下爆炸超压值变化曲线，当没有喷入抑爆介质时，最大爆炸超压值达到326.77 kPa，而喷入二氧化碳和七氟丙烷后，分别为233.13 kPa和142.80 kPa，下降了28.66%和56.30%。可以看出，当喷入抑爆介质后，爆炸超压值大大降低，这是因为抑爆介质的喷入大幅降低油气和氧气的浓度，起到稀释作用，使油气组分同氧隔离，减少了油气分子和氧分子作用的机会；根据分子碰撞理论，大量抑爆介质的存在也使活化分子很容易与其发生碰撞，一旦发生碰撞，活化分子就会因为丧失活化能而不能进行反应，从而使反应链的数目减少，抑制油气爆炸燃烧反应的发生和进行；而大量液态抑爆介质汽化会吸收大量的热量，使燃烧反应温度急剧降低，中断燃烧反应，从而达到抑制爆炸的效果。同无抑爆介质条件相比，当喷入抑爆介质后，爆炸超压的衰减速率相对较低，并且最终压力要高于无抑爆介质条件下的压力，原因在于抑爆介质吸热汽化后体积迅速膨胀，使得管道气体总量显著增加，形成较大的“憋压”。

图4 不同工况下爆炸超压随时间变化曲线Fig. 4 Curves of overpressure in different conditions over time

二氧化碳作为油气爆炸燃烧反应的最终产物，在浓度很高的情况下，将显著抑制燃烧反应的正向进行，也会对油气爆炸起到抑制作用。根据分子动力学理论，当忽略二氧化碳参与的基元反应时，燃烧反应速率将会增大。虽然二氧化碳对油气爆炸的抑制作用与分子动力学和扩散稀释作用有关，但是其热效应的影响更为显著。二氧化碳抑爆效果好于其他惰性气体的原因在于其比热容更大，能够大量吸收燃烧反应产生的热量，从而降低环境温度，达到抑制爆炸的目的。

实验中测得七氟丙烷汽化后温度降至-15 ℃左右，而二氧化碳则降至-30 ℃左右，所以七氟丙烷的冷却效果不如二氧化碳明显，但是无论从最大爆炸超压值，还是最大升压速率上，七氟丙烷的抑爆效果均优于二氧化碳，这是因为七氟丙烷主要通过化学方法达到抑制爆炸的目的。七氟丙烷通过热解产生含氟的自由基，并与燃烧反应过程中产生链反应的O、H、OH等活性自由基发生化学反应，从而中断燃烧过程中化学链反应的传递，抑制燃烧反应的进行。七氟丙烷在CH4-O2体系中主要的初级反应是热分解[16]，即：

而不是H原子的抽提反应。通过计算发现[17]，七氟丙烷的存在使H的浓度下降了25%，O的浓度下降了10%，而OH的浓度则有轻微上升。分析发现H与CFO、CF3和CF2的反应：

对灭火的贡献最大。O与CFO、CF3和CF2的反应：

对灭火的贡献次之。而CH3和OH的消耗对灭火的贡献不大。

2.2 抑爆介质对火焰传播速度的影响

从图5可以看出，无抑爆介质条件下，最大平均火焰传播速度达到92.5 m/s，当喷入二氧化碳和七氟丙烷后，最大平均火焰传播速度分别为36.36 m/s和9.96 m/s，下降了60.69%和89.23%，可见抑爆介质对于火焰传播速度有明显的抑制作用，并且七氟丙烷的抑制作用更显著。

图5 不同工况下火焰传播速度变化曲线Fig. 5 Curves of average flame propagation velocity in different conditions

为能够更直观地观察爆炸火焰传播情况，使用高速摄像机对抑爆器前2个观察窗进行拍摄记录，拍摄频率1 000帧/s，并转换成图片进行分析。每种工况下选取4张有代表性的火焰变化图，第一张图为火焰到达1号观察窗的时刻，定为0 ms，第二张图为火焰到达2号观察窗的时刻，此后2个观察窗同时存在火焰，第三张图为一个观察窗火焰即将熄灭的时刻，第四张图为另一个观察窗火焰即将熄灭的时刻。

从图6中可以看出，在没有抑爆介质的情况下，火焰从1号观察窗到达2号观察窗经过了200 ms，两个窗口都存在火焰的情况持续了850 ms，之后1号观察窗火焰熄灭，250 ms后，2号观察窗火焰熄灭；而喷入二氧化碳和七氟丙烷后，火焰从1号观察窗到达2号观察窗分别经过了350 ms和450 ms，时间有所推迟，而两个窗口均存在火焰的情况分别持续了600 ms和460 ms，由于2号观察窗距离抑爆器较近，之后2号观察窗火焰首先熄灭，再分别经过400 ms和390 ms后，1号观察窗火焰熄灭。

抑爆介质的喷入大大延缓了火焰从1号观察窗到达2号观察窗，并且使火焰持续时间明显缩短，由于2号观察窗距离抑爆器较近，首先与抑爆介质接触，与抑爆介质作用时间更长，所以抑制作用更显著，因而出现了2号观察窗火焰先于1号观察窗熄灭的现象，这与没有抑爆介质的情况有很大区别，说明抑爆介质作用明显。同时，无论从到达2号观察窗所需时间，持续时间，还是1号观察窗火焰熄灭时间，都可以看出七氟丙烷抑爆效果好于二氧化碳。

图6 不同工况下观察窗火焰变化情况Fig. 6 Flame in viewing window in different conditions

2.3 抑爆介质对火焰强度的影响

抑爆器前后各安装有一个火焰强度传感器，用来测试抑爆器前后火焰强度大小，探究抑爆器的抑爆效果，不同工况下2个火焰强度传感器测试信号变化如图7所示。

图7 不同工况下火焰强度传感器信号变化情况Fig. 7 Curves of flame strength in different conditions

由图7可以看出，在无抑爆介质工况下，抑爆器前后火焰强度峰值在1 200～1 300 mv之间，抑爆器前火焰持续时间为1.25 s，抑爆器后火焰持续时间为1.43 s，火焰持续时间增长说明火焰长度更长，油气爆炸燃烧更剧烈；在喷入二氧化碳的情况下，抑爆器前火焰强度峰值变化不大，在1 300 mv左右，但火焰持续时间明显缩短，达到0.745 s，抑爆器后火焰强度明显降低，达到382.02 mv，持续时间缩短到0.15 s，抑爆效果显著；在喷入七氟丙烷的情况下，抑爆器前火焰强度降到774.77 mv，火焰持续时间缩短到0.16 s，而抑爆器后没有探测到火焰信号，说明油气爆炸已被完全抑制，火焰已被完全扑灭。同时，在没有喷入抑爆介质情况下，火焰从1号火焰强度传感器到2号火焰强度传感器经历了0.17 s，而喷入二氧化碳后，传播时间延长到0.245 s，说明抑爆介质有效抑制了爆炸燃烧反应的进行，延缓了火焰的向前传播。数据表明，七氟丙烷抑爆效果要优于二氧化碳。

2.4 废气分析

废气分析系统采用NHA-502废气分析仪，每次实验结束后都对爆炸产物进行测量分析，结果如表1所示。

为方便表述，将无抑爆介质、抑爆介质为CO2、FM200三种工况分别称为工况(a)、工况(b)、工况(c)。工况(a)中，HC浓度为4 795 ppm，而喷入抑爆介质(二氧化碳或七氟丙烷)后，HC浓度则为 9 999 ppm，说明有大量的油气没有进行燃烧反应，抑爆介质效果明显。工况(a)中二氧化碳浓度为5.15%，而工况(c)中二氧化碳浓度为4.57%，作为油气爆炸燃烧的反应产物，二氧化碳浓度的减少说明七氟丙烷对油气爆炸起到明显的抑制作用，而工况(b)中二氧化碳浓度高达22.58%，是由于二氧化碳作为抑爆介质被大量喷入实验管道中，所以浓度很高。一氧化碳作为油气燃烧反应的中间产物，其在废气中含量的高低可以反映出燃烧反应的程度，工况(a)中一氧化碳浓度高达13.02%，而工况(b)和工况(c)中浓度则为0.86%和2.42%，说明抑爆介质对燃烧反应过程的抑制作用明显，工况(c)中一氧化碳浓度高于工况(b)是由于二氧化碳并不能很好地抑制一氧化碳的氧化反应，使得一氧化碳浓度较低，所以七氟丙烷抑爆效果更好。工况(a)和工况(c)中一氧化氮浓度相当，说明七氟丙烷对氮气氧化反应抑制作用不明显，而工况(b)中一氧化氮浓度低于工况(c)是由于二氧化碳热释放速率和热容大，在汽化过程中吸收大量热量，大大限制了管道内各类反应的进程，而七氟丙烷抑爆机理主要是化学方法，通过参与油气燃烧链式基元反应达到抑制爆炸发展的目的，所以七氟丙烷不能像二氧化碳那样抑制所有反应的进行。

表1 不同工况下爆炸产物数据

3 结 论

利用主动式抑爆系统，分别采用5 kg二氧化碳和5 kg七氟丙烷在初始油气浓度为1.75%的狭长受限空间中进行了油气爆炸抑制模拟实验，得到以下结论：

(1)通过喷射二氧化碳和七氟丙烷等抑爆介质，爆炸超压值明显降低，分别下降28.66%和56.30%；

(2)通过喷射二氧化碳和七氟丙烷等抑爆介质，火焰传播速度明显减小，分别下降60.69%和89.23%，并且缩短了火焰持续时间；

(3)抑爆介质的喷入有效减小了火焰强度，对油气爆炸抑制起到重要作用；

(4)数据分析表明，七氟丙烷抑爆效果优于二氧化碳，为可燃气体爆炸抑制研究提供了新思路，为油库安全防护提供理论依据和实际参考，具有重要指导意义。

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Experiment study on the gasoline-air mixture explosion suppressionin a long-narrow confined space

WEI Shuwang, JIANG Xinsheng, XU Jiannan, HE Biao, QI Sheng , WANG Shimao

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

In order to study the effect of gaseous explosion suppressant on the gasoline-air mixture explosion, an experiment system for the gasoline-air mixture explosion suppression in a long-narrow confined space was set up. Carbon dioxide and heptafluoropropane(FM200) were chosen as the explosion suppressant. The gasoline-air mixture explosion suppression experiment was systematically conducted and the results were compared with those of the experiment under no explosion suppressant condition. The changes of overpressure, flame propagation velocity, flame intensity and explosive products were analyzed. The experiment results indicate that when carbon dioxide and FM200 are chosen as the explosion suppressant, the maximum overpressure declines by 28.66% and 56.30%. The flame propagation velocity declines by 60.69% and 89.23% respectively. Meanwhile, the flame duration is shortened and the flame intensity is weakened. When all conditions remain unchanged, the explosion suppression effect of FM200 is better than that of carbon dioxide.

gasoline-air mixture explosion; simulation experiment; explosion suppressant；active explosion suppression

国家自然科学基金(51574254)；重庆市科技计划项目(CSTC 2014yykfB90001)；火灾与爆炸安全防护重庆市重点实验室建设项目(CSTC 2010CA0005)

2016-02-19 修改稿收到日期： 2016-06-03

魏树旺 男，硕士生，1991年生

蒋新生 男，博士，教授，博士生导师，1972年生

X932

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.10.009