水平管道内甲烷爆炸压力传播实验

张迎新， 王 浩， 王中华

(黑龙江科技学院 安全工程学院，哈尔滨 150027)

0 引言

长期以来，煤矿瓦斯爆炸事故一直是煤矿企业最严重的灾害事故，如何控制瓦斯爆炸波及爆炸范围，为事故救援提供方案指引，保障煤炭企业安全生产已成为国内外众多学者研究的重要课题。

瓦斯爆炸事故发生的物理化学过程极其复杂，学者们借助大量的实验模型、理论模型、数学模型分析瓦斯爆炸的影响因素、作用机理及传播特性等。Phylacktou等[1]通过改变管道内点火位置和可燃气体爆炸浓度得出“相比于管道内中心位置点火，管道底部点火产生的爆炸更剧烈，当量化学浓度的气体发生爆炸时爆炸压力上升速率最高”的结论。中国矿业大学林柏泉等[2－4]利用自行设计的实验装置分析了障碍物存在条件下的火焰运动过程影响因素及巷道中瓦斯爆炸传播过程的特性、机理。王从银等[5]利用自行设计的瓦斯爆炸实验管道系统对火焰厚度进行了实验研究。Ibrahim等[6]研究了不同障碍物的几何尺寸、阻塞比、泄放压力等对预混气体爆炸传播的影响。宫广东等[7－8]利用数值模拟方法对瓦斯爆炸特性参数进行了实验研究。毕明树等[9－10]探讨了瓦斯煤尘复合爆炸实验规律。目前，国内有关瓦斯爆炸实验的研究主要集中于密闭空间、小尺寸水平管道内，实验结果具有局限性。鉴于此，笔者基于前人理论研究成果，利用自行设计的瓦斯爆炸实验装置对低浓度瓦斯爆炸特征参数进行分析、测定，研究爆炸区间内不同浓度的瓦斯在水平管道内的传播规律，对后续瓦斯爆炸实验研究、机理分析、事故救援预案分析及瓦斯储运等将具有指导意义。

1 甲烷空气预混气体爆炸反应机理

1.1 爆炸反应机理

甲烷空气预混气体爆炸是一个剧烈的链式反应爆炸过程。参加反应的气体分子在适当的条件下分解成若干个自由基，新生成的自由基间相互作用产生新的自由基团，随后又与其他自由基团继续反应。随着自由基团数量和种类的增加，爆炸反应强度逐渐增大，反应能量逐渐增大，如此循环往复发生了一系列的链式反应。

甲烷气体在空气中的爆炸极限在5%～16%之间。标况下甲烷预混气体爆炸反应方程式为

其中，Q=882.6 kJ/mol。

该爆炸反应主要分为链引发、链传递(包括链支化)、链终止三个阶段，反应步骤如下:

1.2 爆炸反应模型

水平管道可燃气体爆炸反应模型如图1所示，其中，e为比内能，p为压力，ρ为密度，u为粒子速度，C为音速，T为温度，γ为等熵指数。

图1 水平管道可燃气体爆炸反应模型Fig.1 Model of combustible gas explosion reaction in horizontal line

由图1可见，前驱冲击波阵面和随后传播的火焰阵面在瓦斯爆炸水平管道内将爆炸波分成三个流场区域(即两波三区结构)[11]。已燃区内的气体被点燃后迅速形成高温高压气体沿管道水平方向运动。燃烧产生的高温高压气体与未燃烧区内气体进行能量交换，形成带有波动效应的前驱冲击波。由于前驱冲击波的速度大于火焰阵面速度，故燃烧波阵面在受前驱冲击波扰动的爆炸反应区内传播。

2 实验

2.1 实验系统

瓦斯爆炸实验系统由水平圆柱形爆炸腔体、爆炸传播管道，配气、扬尘系统，可变高能点火系统，高速数据采集系统四部分组成，如图2所示。

爆炸介质燃爆腔体由爆炸管、塑料分隔膜、伸缩节组成。爆炸介质燃爆容器及爆炸传播管道是介质燃爆发生的场所，主要作用是容纳爆炸介质温度压力以及导引燃爆气体扩散。配气、扬尘系统由可自动控制真空度的真空泵、爆炸管底部沿轴线均布的粉室以及含4 L高压钢瓶的气动增压系统组成。可变高能点火系统由装在爆炸管左盲板孔内的静电点火头及静电点火控制柜等组成。高速数据采集系统由六支高频压力传感器、TST6300动态采集系统及Thinkpad控制计算机组成。

图2 瓦斯爆炸实验系统Fig.2 Gas explosion experimental system

2.2 管道参数及实验方案

爆炸管设计参数:规格DN300 mm×1 500 mm，容积109 L，安全系数6，最大泄放压力＜0.09 MPa。

扩散管设计参数:规格DN125 mm×2 200 mm(10件)，总长24 m，安全系数6。

实验甲烷气样体积分数(φ)分别为5.0%、7.0%、9.4%、10.2%、13.4%。1～4号压力传感器沿水平管道内距点火段的距离(d)分别为40、210、360、430 cm，其中，1号压力传感器位于燃爆腔体内。

通过完善施工环境污染管理制度，落实相关责任，加强对相关施工人员的环保意识培养，全面提升其综合素养，才能保证上述扬尘污染的管控措施得到有效的落实，从而取得更好的防治效果，改善大气环境质量。

2.3 实验流程及参数设定

水平管道内瓦斯爆炸实验操作流程见图3。

图3 实验操作流程Fig.3 Experimental operation flow chart

实验时设配气压力为－50 kPa，点火压力为0，阀门迟滞时间为1 s，静电点火延时固定为60 ms，点火电极间距为2～3 mm，点火能量为440 J，压力传感器、火焰传感器桥压分别为6、4 V，采样频率为50 kHz，采样长度为20 000个。选用内触发方式，触发通道为连接爆炸管中传感器的通道。

3 结果分析

3.1 气样沿水平管道的压力变化

实验所选用的五种瓦斯气样均发生爆炸，水平管道内不同气样在各测点的压力变化曲线如图4所示。其中，电压(U)与超压(p)成正比，换算关系为U(mV)=0.031 4p/(MPa)。

通过比较可以发现:爆炸反应开始后，爆炸管道内的甲烷爆炸压力迅速上升，体积分数为9.4%时甲烷气体的爆炸压力峰值出现最早，压力峰值对应时间为70.4 ms(图4c);体积分数为5.0%时的甲烷气体爆炸压力峰值出现最晚(图4a)。其他各浓度气体压力峰值出现时间介于两者之间。除体积分数为5.0%的甲烷气体外(爆炸强度弱，各测点压力曲线变化不明显)，其他各浓度甲烷气体爆炸压力达到最大后，开始逐渐下降，下降至负压值后又逐渐恢复到初始值。

出现上述现象的原因是，爆炸发生后，各波面迅速以爆炸点为圆心向外膨胀扩张，由于此燃烧过程在有限空间内发生，加之爆炸反应剧烈，产生大量高温高压气体，这些气体受管道挤压、摩擦作用，爆炸能量迅速增强并生成爆炸冲击波，火焰波沿爆炸管道方向运动，各测点迅速检测到瓦斯爆炸超压。随着反应的进行，爆炸压力达到最大值后受能量损失和热量散失的影响，可燃气体爆炸压力开始下降，当可燃气体冲出爆炸管道后，负爆炸压力开始出现，这一现象一直持续到大部分可燃气体冲出管道后。由于负压的出现，爆炸管道内散布气体向各检测点处急速运动，造成爆炸管道内各检测点压力升高，这一过程往复循环，最后使实验管道内压力达到平衡。

3.2 爆炸超压传播规律

3.2.1 燃爆腔体内

燃爆腔体内不同甲烷气样爆炸超压曲线如图5所示。实验过程中，甲烷体积分数为9.4%的气样爆炸现象最为明显，爆炸发生时可听到强刺耳的轰隆声，爆炸装置反应端末处可见橙黄色的火焰，爆炸超压为0.165 670 MPa。甲烷体积分数为7.0%、10.2%、13.4%时的气样爆炸现象明显，爆炸产生的声音较强烈，在爆炸端口末端可见外焰略带淡蓝色的橙黄色火焰，爆炸超压分别为0.155 932、0.144 139、0.098 317 MPa。甲烷气样体积分数为5.0%时爆炸现象最不明显，按下点火按钮后爆炸发生时间有0.8～1.2 s的延迟，爆炸声音不强烈，在爆炸端口末端未看到火焰产生，爆炸超压为0.098 781 MPa。

图4 甲烷在各测点的压力变化曲线Fig.4 Methane every measuring point pressure

图5 不同甲烷气样爆炸超压曲线Fig.5 Different concentration of methane explosion pressure curve

3.2.2 燃爆腔体—扩散管道内

不同甲烷气样在燃爆腔体—扩散管道中的爆炸超压分布情况如图6所示。

图6 不同甲烷气样超压分布规律Fig.6 Different methane gas sample overpressure distribution rule

从图6可以看出，体积分数为5.0%、7.0%、13.4%的预混气体在爆炸腔体被点燃后压力峰值出现在燃爆腔体内近点火段测点1处，分别为0.098 781、0.155 932、0.098 317 MPa。近点火段范围内甲烷爆炸压力峰值曲线在扩散管道水平距离内呈现先减小再增大后减小的趋势。同时可以发现，在爆炸腔体内的压力峰值并不是整个爆炸反应过程的压力峰值，如体积分数为9.4%的预混气体压力峰值为0.181 228 MPa，出现在测点 3处;体积分数为10.2%的预混气体压力峰值为0.144 139 MPa，出现在测点2处，此后压力峰值沿水平管道一直下降。

根据各浓度气体在燃爆腔体及扩散管道内压力峰值变化曲线可知，不同浓度气体的压力峰值变化趋势并不是单调的，而是呈波动性的。一定浓度的甲烷预混气体被点燃后，迅速在管道内形成两波三区流场区域。随着反应的进行，各波形阵面受到封闭点火段反射波的叠加作用、管道内壁摩擦产生的湍流作用、前驱冲击波阵面前段的未燃气体相继被引燃等因素影响，燃烧面积加大，爆炸强度逐渐增强，爆炸超压逐渐增大。此后，由于受扩散管道内壁的摩擦作用及反应过程中能量消耗的影响，燃爆气体爆炸超压逐渐减小。最后，爆炸反应受能量损失及热量扩散的影响，反应强度缓慢减弱，爆炸超压逐渐减小。

4 结论

(1)爆炸极限范围内的甲烷气体，在甲烷燃爆腔体内(点火段附近)爆炸超压随甲烷浓度的增大呈先增大后减小的趋势，甲烷体积分数为9.4%时，爆炸压力最大，为 0.165 670 MPa，对应时间为76.8 ms。

(2)爆炸反应开始后，在燃爆腔体—扩散管内体积分数为9.4%的甲烷气体的爆炸压力峰值出现最早，测点3处测得甲烷爆炸超压对应时间为70.4 ms。

(3)在燃爆腔体—扩散管道内甲烷爆炸反应强度及传播规律受管道内壁、湍流作用、可燃气体浓度、反射波正反馈作用、管道长度、点火能量、点火位置等综合因素影响，管道内气体爆炸压力峰值呈波动性变化。体积分数为9.4%的甲烷气体爆炸现象最为明显，爆炸超压为0.181 228 MPa。

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