ABC干粉抑爆剂在中尺度管道应用效果研究

王理翔，敖燕环，马吉

（华北科技学院，河北 三河 065201）

甲烷（CH4）是一种无色、无味、可燃和爆炸性气体，广泛分布于自然界，是瓦斯、天然气和矿井巷道中气体的主要组成部分。我国近年来发生了大量的瓦斯管道泄漏和爆炸事故，造成的经济损失十分巨大。

为了保证生命和财产的安全，必须选择适当的抑爆剂和适当的浓度来抑制爆炸。抑爆手段可以减弱和避免因瓦斯爆炸所产生的灾害，对于抑制爆炸的机理目前存在的有控制温度、惰性化阻止反应；常用的抑爆方式有高压水幕岩粉棚水袋、抑爆水层抑爆技术、干粉灭火剂、二相流抑爆技术。通过研究干粉式抑爆剂对瓦斯爆炸传播的衰减规律的影响、改进的自动抑爆装置，对管道的低浓度瓦斯爆炸灾害的范围内控制提供了理论依据，对有效控制瓦斯爆炸、改善安全生产状况具有重要的现实意义。

1 瓦斯爆炸传播和抑爆的基本理论

1.1 矿井瓦斯爆炸主要属于预混气的爆炸。

因此，对预混气体的研究和爆炸产生的前驱冲击波的传播理论具有重要意义。本章先对瓦斯爆炸的传播理论进行简单介绍，了解爆炸产生的火焰以及冲击波的运动规律。通过爆炸传播理论提供的依据，建立瓦斯爆炸的理论模型。再通过研究抑爆技术理论，获得抑爆技术对瓦斯爆炸过程的影响，进而确定实验的原理和数据采集时的参数。

1.2 瓦斯空气预混气爆燃

进行点火引爆后，燃烧波的传播将从一个源开始，在反应中将储存在反应物内的能量通过化学反应组成新的燃烧产物释放，最终成为反应生成物的动能和内能。因为化学反应中的能量变化，燃烧放热进而导致了显著的气体动力学状态和热力学状态的变化。燃烧波的梯度场引发了物理和化学过程，使得燃烧波继续发生传播。

1.3 爆炸抑制理论研究

管道自动抑爆设备由传感器、控制器和抑制器组成，抑制器是爆炸装置的核心部件。早期的瓦斯爆炸管爆炸信号检测传感器，将爆炸信号传输到控制单元，控制单元识别确认后，运动命令触发爆炸抑制，在抑制爆炸装置内部压力的作用下，快速均匀喷雾抑爆粉，形成的管道爆炸抑制粉云，使用化学抑制爆炸来抑制粉末爆炸，防止瓦斯爆炸的传播沿管道继续。

1.4 粉体抑爆剂的抑爆机理

广义的抑爆剂主要有抑制剂和惰化剂两种，两者在使用时间方面存在直接区别。一般在爆炸发生前使用惰化剂，而在爆炸开始时使用了抑制剂，但惰化剂和抑制剂使用相同的材料制造。粉抑爆材料的抑爆作用机理基本可以分为以下3类：物理机理、化学机理、物理和化学机理，其中物理机理分为吸热分解、吸热过程中失去结晶水的作用、分隔热传导和氧浓度稀释的4种情况或混合。化学机理以吸收自由基为主要手段，发挥抑爆剂的作用，消耗了燃烧反应的OH和H自由基，导致自由基的数量骤降，中断燃烧的链式反应，最后将火焰扑灭，停止爆炸，如氯化钠、氯化钾等；爆炸抑制材料的物理机制作用，在高温导致分解时释放出结晶水，属于吸热反应，同时反应产生的惰性气体又稀释了当前区域的氧浓度，从而发挥窒息和冷却的作用，如CaCO3、SiO2、岩粉等。

2 实验系统及实验方案

2.1 实验系统

各分系统简介如下。

（1）爆炸激波管管体：包含过渡段、泄爆舱以及支架导轨系统。

（2）点火系统采用的5000V电压由电容产生，甚至更高通过尖端击穿空气形成的高压而产生的高压电火花，从而形成放电，但由于确保避免人体会因为高压和大电流产生危险，所以利用220V低压击穿部分空气形成的部分电弧在实验时以诱导高压放电，称为三电极放电方式，分为负极、常压级和高压级。电容器采用滑动变阻器进行充电，实时的充电电压可以通过点火器显示器读出，这样就可以控制高压的具体电压。之后通过控制220V火塞进行诱导高压放电，用产生的电弧或火花来点燃激波管内的预混气体。测量系统由压力信号测量和数据采集系统两部分组成，分别为火焰信号测量和数据采集系统、爆炸流场光学显示系统。

（3）辅助系统：充配气系统、真空系统。管道总长度为35m，方截面管道截面尺寸为200×200mm，点火端位于管道前端，激波管位于管道中间，管道末端连接着长为6m、直径为1.9m的泄爆仓。实验管道和系统主体图如图1所示。

图1 实验管道和系统主体图

2.2 测点布置

在分别距离点火端为20m、22.5m、25m、27.5m、30m处，安置5个火焰传感器。实验采用塑料膜片BOPP膜片泄爆。测点布置如图2所示。

图2 测点布置示意图

2.3 实验工况

在当前工况下，管道内温度约为292k，压力约为0.1MPa，甲烷/空气预混合气体浓度为9.5%，点火电压6000kV，实际点火能量为3.03J。抑爆剂采用自动喷粉装置，干粉抑爆墙的厚度为4cm，喷射临界面密度40.8kg/m2的ABC干粉抑爆剂，粉剂粒径95%保持在20μm以下。

3 实验结果与分析

3.1 火焰速度传播的变化

火焰信号由示波器采集，并绘制成与时间相关联的函数图像，可以发现火焰宽度随着时间的推移而变小，可以推出火焰的厚度也在随时间变得稀薄，火焰速度随时间增加，进而可以推出化学反应区由于受到影响，也在变得稀薄。距离为△L之间的位置和收集数据时存在的△t时差，可以计算火焰面在2个传感器之间的传播速度v，即v=△L/△t，未采用抑爆措施时计算得到4个火焰速度分别为60m/s，67m/s，78m/s，100m/s；使用ABC干粉抑爆剂时计算得出4个火焰速度分别为：41m/s，44m/s，54m/s，61m/s。未采取抑爆措施的数据与采用粉体抑爆剂抑爆后的火焰速度见表1。

表1 火焰速度对比表

通过对比两种工况下的火焰传播速度，计算得到加装干粉抑爆带情况下，火焰速度下降约37.4%。并通过火焰厚度可以得知在通过测点4后，火焰即将熄灭。在原管道中，发生瓦斯爆炸后火焰处于加速状态将通过4个测点。采用干粉抑爆后，由于在爆炸波阵面后方的一定区段范围内，抑爆剂与瓦斯爆炸相互作用，两相间发生动量交换和能量传递以及相应的化学反应等，导致压力波损失部分能量；而火焰速度在抑爆剂作用下逐渐减小，火焰面逐渐脱离压力波阵面，二者的空间距离也随之增大，火焰速度在失去了压力波的压缩效应后进一步降低，最后爆炸传播在两者的相互反馈中迅速衰减。一旦火焰和压力波的帮合作用机制减小或者被破坏，火焰就不能有效的为压力波的发展提供能量，而失去能量供给的压力波通过湍流结构和流场温度，对火焰加速的作用也就变得微弱了。

3.2 爆炸压力随时间的变化

根据无抑爆管道从点火开始后，接近固壁端的压力随时间的变化可以看出，点火在140ms以后第1道压缩波就到达了管道末端的压力传感器，随后在火焰没到来之前，又有一些压缩波和经过固壁反射的压缩波经过该测点，波系很复杂，在1.3s左右时压力峰值达到了350kPa。如图 3。

图3 无抑爆管道压力随时间变化的曲线

图4 抑爆管道压力随时间变化的曲线

图4给出了采用干粉抑爆管道从点火开始后，接近固壁端的压力随时间的变化，可以看出，点火在140ms左右第1道压缩波就到达了管道末端的压力传感器，初始压力并没有明显变化，随后在火焰到来之前，又有一系列的压缩波和经过固壁反射的压缩波经过该测点，波系很复杂，在1.4s左右时压力峰值达到了160kPa，与没有采用抑爆的管道相比，峰值大幅降低，且压力的变化幅度趋于稳定。

由于固壁反射的冲击波与火焰阵面作用，增强了火焰阵面的化学反应，化学反应区产生的火焰又产生了冲击波，火焰和冲击波相互耦合，形成正反馈，尽管火焰速度没有大的提升，但是冲击波的压力逐渐升高，随着火焰区往前传播。

4 结语

（1）瓦斯爆炸的传播初期，压力波与火焰面二者存在相互重叠的部分。随着传播的进行，两个区域会逐渐脱离，爆炸波位于火焰面前方，其传播速度明显高于火焰，管道中二者的时间间隔与空间距离都逐渐増大。

（2）实验管道未加装抑爆带时发生瓦斯爆炸，冲击波与火焰面的间距在传播过程中呈现先减小、再增大，然后又减小的变化趋势。加装抑爆带时，导致压力波的能量部分损失，同时使火焰减速，逐渐増大与压为波的间距，也使火焰失去了部分的点火能量，两者相互反馈，火焰和压力波的作用机制被减小或者破坏，爆炸的传播迅速被抑制。

（3）ABC干粉抑爆剂的物理化学双重抑制作用对中尺度管道内低浓度瓦斯爆炸火焰传播的抑制效果非常明显，在对火焰速度的影响上，抑爆粉剂对火焰的抑制存在一个区间和时间的过程，爆炸火焰在通过抑爆层后，需传播一定的距离才能被完全扑灭。使用ABC抑爆剂时，较未使用时火焰速度的最大降幅可达40%，可以快速熄灭火焰；压力较未使用时，峰值大幅降低，且变化的幅度趋于稳定。