甲烷管道泄爆火焰传播规律研究

黄 勇高级工程师 奚功晨 杨 健 许 宁 郝永梅教授

(1.常州大学 环境与安全工程学院，江苏 常州 213000；2.常州港华燃气有限公司，江苏 常州 213161)

0 引言

随着天然气的广泛使用，天然气用量日益增加，天然气引发事故的可能性越来越大，事故后果也越来越严重，如2021年6月13日湖北省十堰市张湾区艳湖小区发生天然气爆炸事故，造成25人死亡、138人受伤(其中37人重伤)。因此，对天然气爆炸的研究至关重要。

甲烷是天然气的主要组成气体，故针对甲烷在管道等狭长空间内的泄爆火焰传播研究十分必要，其中点火位置[1-4]、泄爆导管尺寸[5-7]、泄爆膜材料[8-10]、泄爆口强度[11]等对泄爆压力及火焰有较大影响。余明高等[12]将泄爆分为3个阶段，即升压、振荡和反向冲击；乔丽等[13]通过实验发现泄爆膜距点火点越近，泄爆压力对管道内甲烷气体爆炸最高温度的影响越不明显；李天旭[14-15]研究端部泄爆口开口位置对爆炸超压的影响，发现开口率是影响其泄爆效果的显著因素之一；Mccann等[16]发现导管会增大容器内最大泄爆压力，并且随着泄爆导管长径比的增加，容器最大泄爆压力也会逐渐增大。综上所述，目前对端部泄爆的研究多集中在较短距离管道的端口形状变量、封闭端的膜片强度等方面，而由于管道长度的不同，导致其实验数据存在一定差别。因此，本文在相对较长管道内采用聚乙烯薄膜为封闭膜，形成弱封闭条件，开展不同浓度甲烷—空气混合气体泄爆实验，从压力与火焰传播规律分析其泄爆效果，分析无法形成赫尔姆兹振荡的原因。对不同甲烷浓度下负压振荡的时间、火焰速度、压力振荡数值及参数之间的相互影响进行分析，得到泄压规律，为狭长管道爆炸泄压研究提供技术支持。

1 实验内容

爆炸实验平台由以下装置组成：真空泵、控制阀门、质量流量控制器、气瓶、点火开关、点火口、有机玻璃管道、密封膜、高速摄像机、笔记本电脑、压力采集传感器等，按照其功能分为5个部分：有机透明玻璃爆炸管道、气体充配气系统、高速摄像系统、爆炸压力与爆炸火焰采集系统，如图1。

图1 实验设备平台简图Fig.1 The schematic diagram of the experimental equipment platform

实验管道为长2 000mm、内径125mm的圆柱体。管道起始端为点火端，点火端面密闭。管道的末端为泄爆端，泄爆端面采用2张0.1mm聚乙烯薄膜作为密封膜片，同时垫有硅胶片保障其密封性，泄爆端由开孔挡板和开孔法兰片组成，通过法兰片中间夹层来密封管道末端，爆炸时管道末端作为泄压口将爆炸压力泄放至大气中。通过PHANTOM V1212-72G-C型高速摄像机能够清晰地拍摄出甲烷爆炸过程中火焰的传播情况。爆炸压力与火焰采集系统是由PCB113系列压力传感器以及数据采集卡组成。为掌握火焰初始传播到加速传播的整个过程，在管道的前部、中部、尾部设置压力传感器。压力传感器的安装位置分别距点火端440、620、1 120、1 800mm。在管道内充配浓度分别为8%、9%、9.5%和11%的甲烷—空气混合气体，同种浓度至少重复3次实验，保证实验数据的准确性。

2 结果与分析传播规律

2.1 弱封闭管道气体爆炸火焰传播过程

通过火焰的传播距离(点火位置至膜片破膜位置)计算出火焰速度，当气体浓度分别为8%、9%、9.5%、11%时，火焰通过管道时间分别为247、232、204、243ms，火焰破膜前的变化过程，如图2。火焰形状由中速(6～10m/s)传播的球面形状变为低速(3～6m/s)传播的郁金香形火焰形状，之后形成湍流火焰，火焰传播速度极速增大，当湍流状态无法维持后，就会再次转变为中速的球面火焰，循环往复至破膜。由图2可以看出，在8%、9%、9.5%、11%的气体浓度下距点火位置分别约为720、650、600、520mm处，火焰峰面第一次发生变化，且此刻火焰形状由球面转变为郁金香形，火焰表面积增大，同时火焰整体向中心凹陷，外圈的厚度增大，使得燃烧不充分，导致火焰燃烧速度变慢。图2可以看到气体浓度为9%时，各时刻传播的距离差最大，这是由于该气体浓度处于最佳爆炸极限浓度附近，此时甲烷和氧气混合效果较佳，分子分布较均匀。在整段管道中，当郁金香形火焰转变为湍流火焰时，该时刻的亮度最大，这是由于湍流火焰的燃烧更加充分，火焰形态变得更加无序，使得火焰燃烧速度急剧增大。

图2 不同浓度的甲烷火焰传播情况Fig.2 The methane flame propagation at different concentrations

不同浓度的火焰爆炸传播速度变化曲线图，如图3。

图3 不同浓度火焰传播速度变化曲线Fig.3 The curve of the flame propagation velocity at different concentrations

利用插值计算公式计算出所取时间点的瞬时火焰传播速度，图3中黑色实线为拟合后的速度曲线，从图3中可知，当气体火焰由球面开始向郁金香形转变时，曲线上升速率变缓；当郁金香形火焰转变为湍流火焰后，火焰传播速率快速增大，而湍流火焰转变为球面火焰时传播速度开始极速下降。这是由于湍流火焰的燃烧比较充分，温度上升，使得火焰的能量呈指数上升，从而火焰速度极速增大(火焰峰面为湍流时，充分燃烧的火焰呈明亮的橙黄色，不充分燃烧的火焰呈蓝色。)。从图3不同浓度火焰传播速度曲线可以看出火焰传播速度表现为周期性的加速传播现象，此实验管道的长径比(L/D=16)较大，当火焰爆炸波向前传播时与压力未变化的区域发生振荡，形成反向冲击波，反向冲击波与火焰共同向前传播。在同一区域内，火焰传播速度减缓，当反向冲击波传播至点火端处的挡板后，波的传播强度被抵消，导致火焰传播阻碍变小，所以火焰速度再次增大，故火焰传播速度呈现出一种周期性现象。同时从图3与表2结合可以看出破膜前的压力都是在火焰速度减小后再增大最终再破膜，并非是在压力数值减小的时间区域段内破膜，这是由于气体点燃爆炸后，冲击波向前传播接触到破膜材料形成破膜峰，破膜后压力向管道外释放，管道内压力极速降低与大气压形成一个较大的压力差，压力差增加火焰的动能使得火焰传播速度增大。通过理想气体定律可知，其状态参量压强P、体积V和绝对温度T之间的函数关系为：

PV=mRT=nRT

(1)

式中：

P—常压下气体压强，Pa；

V—常压下气体体积，m3；

n—气体的物质的量，mol；

m—质量，g；

T—体系温度，K；

R—气体常量(比例常数)，J/(mol·K)。

同时由运动方程：

(2)

式中：

F—外力矢量；

a—物体运动加速度，m/s2；

u—物体运动速度，m/s；

t—相对运动时间，s。

根据理想气体的冲击波波后压强和比体积与波前压强和比体积公式：

(3)

式中：

P0—冲击波波后压强，Pa；

γ—理想气体常数；

v—常压下气体体积，m3；

v0—冲击波波后气体体积，m3。

对于混合理想气体，其压强P是各组成部分的分压强P1，P2，…之和，故PV=(p1+p2+…)V=(n1+n2+…)RT，n1，n2，…是各组成部分的物质的量。

与理想气体的压强和体积公式对比，当冲击波的强度足够大，即波后压强比初态压强大很多时，气体的密度并不随着冲击波强度增大而无限增大，更多的是趋向一个定值，在该情况下当火焰产生湍流峰面时，火焰燃烧充分，动能增大，气体质量减少，速度增大。

由式(1)、(2)以及图2、3可以得出火焰传播是经过球形火焰初始加速，到郁金香形火焰出现后火焰传播速度相对变慢，然后当郁金香形火焰转变为湍流火焰后火焰传播速度快速增大，最终受传播过程以及反向冲击波的影响变为球形火焰。

2.2 泄爆膜对爆炸负压的特性影响

根据实验所得，在2张0.1mm聚乙烯泄压膜封闭条件下爆炸压力情况，如图4。

图4 不同气体浓度下的泄爆压力变化情况图Fig.4 The change of the venting explosion pressure at different gas concentrations

从图4中可以看出：当气体浓度为9.5% 时，爆炸负压最大，爆炸负压的出现速率最快；当受到反向冲击波作用时，波形压力出现振荡。2号传感器与4号传感器的数据最为稳定，2号传感器位于管道的中部，4号传感器位于管道的末端，能够分别检测泄爆后管道内和泄爆口附近的压力变化，实验数据，见表1。

表1 不同浓度负压时间及峰值数据表Tab.1 The table for the negative pressure time and the peak data at different concentrations

不同气体浓度下的点火至破膜所需时间与负压振荡时间对比，发现只有1号传感器在点火至破膜所需时间内，而2、3、4号传感器的负压时间均在破膜以后，其点火至破膜所需时间与负压振荡时间，见表2。

表2 破膜时间与负压振荡表Tab.2 The table for the breakdown time and the negative pressure shock

将负压振荡时间与火焰破膜数据进行对比，破膜时间大于负压振荡开始时间，即负压开始振荡时未破膜。负压振荡开始至破膜时间段内的火焰瞬时速度，如图5。负压振荡期间的压力变化，如图6。

图5 不同浓度负压振荡至破膜内的火焰瞬时速度Fig.5 The instantaneous flame velocity when the negative pressure oscillates into the broken film at different concentrations

图6 不同浓度负压振荡区间压力变化Fig.6 The interval pressure change of the negative pressure oscillation at different concentrations

甲烷的爆炸极限实验值为5%～15%，根据实验获得甲烷的最佳爆炸极限为9.5%[17]，从图5中可以看出最佳爆炸极限下的负压振荡至破膜内的火焰传播速度变化最大，且在开始振荡时，在未达到最佳爆炸极限浓度前，其在负压振荡时间段内起始火焰传播速度都是先减小后增大，而达到最佳爆炸极限浓度后，负压振荡时间段内起始火焰传播速度都经过一个增大的过程再发生其他变化。通过高速摄像机拍摄的图像可知，浓度未达到9.5%的火焰处于湍流状态向球形状态转变的过程，而浓度达到9.5%的火焰处于球形向郁金香形转变的过程。结合CO2在爆炸升压阶段大量生成，CO2含量与甲烷压力呈正相关关系[18]，可以推断出当发生负压振荡时，最佳爆炸极限的CO2在湍流火焰状态下浓度升高，而在球形火焰传播状态下浓度下降，故虽然在湍流火焰状态火焰传播速度最快，但在发生振荡后该振荡点的火焰速度比其他浓度的起始振荡点的速度低。从图5中可以看出在任何浓度下其破膜前的火焰传播速度大于振荡期间内的任意时刻火焰传播速度。不同浓度下负压振荡开始时刻的火焰传播形状，如图7。

图7 负压振荡开始火焰形状Fig.7 The flame shape when negative pressure oscillations begin

从图6可以看出，9.5%浓度的振荡时间最长，但负压振荡时间段内的前后值变化相对较小，曲线上升较平缓。对于强冲击波，振荡后的反冲击波速度的绝对值小于入射冲击波速度的绝对值。当气体在最佳爆炸极限时，爆炸中的气体分子消耗得相对比较充分，同时通过图5可以看出火焰速度变化较大，这也进一步验证了该段气体爆炸较为充分，使得压力波的波形更为连续。当压力波传播至常压面后，反射到压力传感器检测区域的时间更长，通过图4(c)可以看出。之所以形成较大负压是因为爆炸产生的压力波从管道内向管道外泄放时，膜的另一面是常态大气压，当压力波向前运动至破膜的一瞬间与常态大气压面发生碰撞，形成稀疏波反射回管道内部，爆炸产生正压，但随后该相对区域内的气体分子大量消耗形成一个负压区域，该负压区域受到反射回来的压力波使得该区域内的负压被抵消一部分，负压数值有所缓解。故反射回来的压力波受到常压面的反射以及负压区域内的相对抵消从而负压值仅仅出现一次振荡，而非弱封闭端情况下则会发生多次负压振荡。冲击波与稀疏波的相互作用公式为：

(4)

式中：

J—黎曼不变量。

从振荡波形分析，其波形未呈现出由外部爆炸的反向冲击波与破膜后泄放的稀疏波共同作用形成的赫尔姆兹振荡波形，这是由于在管道爆炸后通过泄爆口直接泄爆至大气环境无法多次形成与大气常压面碰撞的反向冲击波。

通过图6可以看出，随着气体浓度的增大负压振荡时负压值也随之增大，其中在同一个浓度梯度范围内其压力变化曲线相似，如9.0%与9.5%气体浓度下的数值变化趋势大致相同，在低浓度(8%)时，负压振荡呈二次斜坡式增大，这是由于气体浓度较低，管道内的气体爆炸后产生压力波，在其间隙处气体分子的分布不够充分，使得爆炸压力无法急剧上升。当气体浓度较高(11%)时，爆炸压力波上升较快，同样压力波与常压面碰撞后反射使得负压值增大速率较大，同理该负压减小速率较大。

3 结论

本文研究狭长空间甲烷泄爆实验规律，为较长管道实验模拟提供相关数据基础，同时能够为狭长管道爆炸泄压研究提供技术支持。

通过实验与数据分析得到以下4点结论：

(1)负压振荡是由于冲击波与破膜前的大气压常态面发生碰撞后的反向冲击波与本身爆炸负压相抵消形成的。当反向冲击波进入管道后，会发生抵消行为，最终无法再次形成能够与大气常压面碰撞的冲击波，故只有一次负压振荡，未呈现出外部爆炸形成的反向冲击波与破膜后泄放形成的稀疏波赫尔姆兹振荡波形。

(2)在使用聚乙烯破膜材料(弱封闭端)情况下，9.5%气体浓度振荡开始时间占该破膜时间比例较8%气体浓度慢16.136% 。经计算，每提升 1%的气体浓度，负压振荡时间相对延迟约10%。

(3)8%气体浓度下负压振荡时间段内火焰传播速度相较9.5%气体浓度的火焰传播速度略快，且随着气体浓度的增大在振荡时间内的火焰传播的速率的变化程度变大，最佳爆炸极限的负压变化相较于其他浓度爆炸极限更为稳定。

(4)随着气体浓度的变化，负压振荡时间相对最佳爆炸极限呈正态分布，每提高1%的气体浓度则产生的振荡负压是提升后该浓度泄爆产生最大负压的9%～11%。

在此实验中延长管道长度和调整管道材料，即使用2 000mm的有机透明玻璃管道，保证能够拍摄到全段管道的泄爆火焰情况。 通过对泄爆数据进行分析，对比前人相关研究结果[19-21]，发现本文实验波形符合其规律。

该实验所用的较长管道泄爆实验能够补充他人较短管道泄爆实验的不足，同时与较短管道泄爆的实验数据进行相互验证，丰富在弱封闭端泄爆研究的实验数据，为进一步研究泄爆缓解技术提供数据与思路。未来将开展弱封闭端导管泄爆相关实验研究。