密闭空间内可燃液体蒸气爆炸强度研究*

张发　任常兴　吕天浩　刘树阳

(1.浙江省公安消防总队　杭州 310014；　2.公安部天津消防研究所　天津 300381；3.舟山市公安消防支队　浙江舟山 316200)



密闭空间内可燃液体蒸气爆炸强度研究*

张发1任常兴2吕天浩3刘树阳3

(1.浙江省公安消防总队杭州 310014；2.公安部天津消防研究所天津 300381；3.舟山市公安消防支队浙江舟山 316200)

采用20 L球燃爆实验装置，研究分析了油气浓度、点燃延迟时间的变化对油气环境的爆炸影响因素及变化规律。研究表明，随着油气浓度的增加，油气最大爆炸压力呈现先上升后下降的趋势，点燃延时影响油气-空气混合物爆炸强度，超过一定时间后爆炸猛烈程度降低。

密闭空间可燃液体蒸气油气爆炸强度

0　引言

可燃液体蒸气的燃爆机理主要为热爆炸理论和链式反应理论。其燃爆过程通常不存在单一的热爆炸或单一的链反应爆炸，往往二者并存且相互作用[1]。

1.1热爆炸理论

热爆炸的实质为系统的放热速率大于散热速率的情况下热平衡被打破，热量不断得到积聚，温度不断上升，使得放热速率呈指数增加，释热量进一步增大，这个过程不断重复，使反应进程加快，直至发生爆炸。但并非任何反应系统最后都会演变为爆炸，只有当反应系统超出一定临界状态爆炸才有可能出现[2]。反应系统的热平衡如式(1)所示。

qG=qL

(1)

式中，qG为单位时间内反应系统放出的热量，qL为单位时间反应系统损失给周围环境的热量。

当qG>qL时，混合气体热量得到积聚，促进反应不断地加速，循环反复，当混合气体储存的能量大于界限值时，符合爆炸条件即会引发气体爆炸。即

(2)式中，T为反应系统温度，K；T0为周围环境温度，K；R为气体普适常数，J/(mol·K)；E为活化能，J/mol。

1.2链式反应理论

根据谢苗诺夫的链式反应理论，爆炸性混合物吸收了一定的能量，就会生成活性基团成为链锁反应的活化中心[3-4]，这些活性基团也称自由基。自由基会与其他分子发生作用，反应生成新的自由基，新生成的自由基又会迅速参与到反应中。这个过程循环往复地进行，产生的自由基数量逐渐增多，加剧了化学反应速率，当其超过一定限度时，就会演变为剧烈的燃烧，甚至产生爆炸。链式反应由链引发、链传递、链终止3个阶段构成，可用基元反应通式表示，如表1所示。

表1　链式反应

注：M是分子，R是自由基，P是产物，α是自由基增长倍数，k1，k2，k3，k4，k5是基元反应的反应速率常数。

2　实验测定

2.1实验装置

钩藤猝倒病可用3亿CFU/克哈茨木霉菌20～50倍，或10亿个/克枯草芽孢杆菌800～1 000倍，或8%井冈霉素A水剂100～125倍，或10%苯醚甲环唑1 000～2 000倍，或43%戊唑醇悬浮剂WG 2 500～4 000倍，或1%申嗪霉素悬浮剂800～1 000倍喷雾防治，在苗床或育苗盘出现初始发病中心时及时普防。

实验装置系统如图1所示，主要分为5个部分：爆炸容器，配气系统，控制系统，测量系统和清洁系统。爆炸容器容积为20 L，材质为不锈钢，最大内径30 cm，内部空间高36 cm，工作压力0～2 MPa(绝压)。配气系统通过燃爆/抑爆试验专用高纯蒸气发生装置产生恒温条件下的油气饱和蒸汽压，采取分压法配制油气在爆炸容器中的浓度。控制系统的作用是实现各个设备、器件、阀门的顺序联动，从而使实验安全可靠进行。测量系统用于采集油气环境中的爆炸强度相关参数。清洁系统用于清理实验测试后爆炸容器、连接管路中的残余气体和抑爆剂，以排除残留物对下次实验测试结果准确性的影响。

图1实验系统结构

2.2实验样品

实验所用可燃液体蒸气为实验室油气，类似93#汽油，主要成分为C4～C12环烷烃和脂肪烃。相关资料[5]表明：汽油为第3.1类低闪点易燃易挥发性液体，闪点为-50 ℃，沸点为40～200 ℃，爆炸极限为1.3%～6.0%(V/V)。汽油蒸气与空气接触会形成爆炸性混合物，遇到明火或高热，即满足燃烧3要素后极易发生燃烧爆炸。

2.3实验条件

实验为密闭式定容爆炸测试，环境温度22～26 ℃，相对湿度54%～58%RH，起爆前爆炸容器初始压力为0.1 MPa；点火方式采用化学点火头点火，点火能量约为200 J；进样方式为油气自动进样；测量系统设置精度为0.1%FS，数据采集时间1 000 ms，采样间隔时间为0.2 ms。

使用真空泵将爆炸容器中的空气抽出，使20 L球内成负压状态；其次往容器中通入油气，控制油气的体积分数，观测爆炸容器中的压力变化；然后打开储粉室连通爆炸容器的阀门，使高压空气经气粉两相阀由分散喷嘴高速喷入爆炸容器中；经设定的点燃延迟时间后启动点火；完成实验。油气点火操作后的燃烧或爆炸可以通过测定出的过压值Pex相对于初始压力值Pi而判定，两者之差≥0.05 MPa，即Pex≥Pi+0.05 MPa则判定为发生爆炸[6]。

3　实验分析

3.1油气浓度对爆炸强度的影响

爆炸压力的大小决定了爆炸破坏的猛烈程度，压力数值越大，形成的破坏就越严重，是衡量爆炸的重要参数之一[7]。实验最初从一个大于LEL的油气浓度，采用化学点火引爆油气，测定出此浓度下油气的最大爆炸压力pmax。体积分数以0.5%为步长变化，直至能明显地确定出最大爆炸压力pmax的最大值，从而确定最大爆炸压力pmax时的油气浓度C。

实验采用燃爆/抑爆试验专用高纯蒸气发生装置恒定40 ℃饱和蒸汽压下的油气。在当前实验条件下，由多种油气浓度的实验对比发现，体积分数为2%时未发生爆炸；在2%～3.5%范围内，爆炸压力随着油气体积分数的增加而升高，上升幅度较大；达到3.5%时，爆炸压力达峰值，为0.828 MPa；随着油气浓度的进一步增加，爆炸压力随之下降，下降幅度较小。该趋势与文献[8-9]中的描述相似。

3.2点燃延时对爆炸强度的影响

给定油气浓度C，在相同实验设定条件下，改变点燃延迟时间分析油气爆炸压力随时间的演变规律，分析最大爆炸压力pmax、最大爆炸压力到达时间t1、最大压力上升速率(dp/dt)max、最大爆炸指数Kmax随点燃延时tld的变化趋势，研究油气环境爆炸强度的影响因素特征。实验设定油气体积分数3.5%，采用化学点火方式，实验结果见表2。

表2　点燃延时对油气爆炸强度的影响

图2点燃长延时变化下油气爆炸压力-时间曲线

由图2可知，点燃延时对油气爆炸压力有一定影响。初始时，混合气体湍流强度较大，强湍流度影响使爆炸特性参数值偏大。点燃延时210 s前爆炸压力-时间曲线变化不大；点燃延迟时间为210 s时爆炸产生的峰值压力下降明显，爆炸弛豫时间延后。

由图3(a)可见，随着点燃延迟时间的增长，pmax一直在微量变化着，压力变化在0.05 MPa以内，变幅最大达6.7%，达到压力峰值的时间延后了65.4 ms。推测其主要原因为湍流状态下油气-空气混合气体分子扩散时出现不规则脉动现象，反应物间的混合加剧，爆炸反应过程的传热传质增强，释放出较多的能量，致使燃烧速率大大增加，从而大大缩短了燃烧时间，热损失减小，导致爆炸超压较高[10]。

由图3(b)可见，随着点燃延迟时间的增长，(dp/dt)max先上升后下降，变幅最大达63.1%。点燃延时210 s时，爆炸容器内油气-空气混合气的湍流状态减弱，油气最大压力上升速率(dp/dt)max显著降低。通过对dp/dt的分析，说明油气-空气混合越不均匀，湍流度越大，油气爆炸反应速率越大，加剧其爆炸激烈程度。推测其主要原因是由于点燃延迟时间短，油气-空气混合气体在爆炸容器中仍呈现湍流状态，在这种情况下燃烧火焰面出现扭曲，扩大了已燃区和未燃区间的接触面，致使反应中热传递与游离基的运输更方便快捷，加剧了反应物的质量消耗速率。

最大爆炸指数是由爆炸容器的容积V和爆炸时的最大压力上升速率(dp/dt)max按照公式Kmax=(dp/dt)max×V1/3而确定的常数[11]，故最大爆炸指数-点燃延时图(图3(c))与图3(b)呈现出相同的趋势。

图3点燃延时对油气爆炸强度的影响

4　结论

(1)使用化学点火的方式，运用20 L球形爆炸参数测试装置分析了油气浓度变化对爆炸压力的影响。在40 ℃饱和蒸汽压下，测定出油气的最大爆炸压力体积分数为3.5%，最大爆炸压力pmax为0.828 MPa(表压)。

(2)点燃延时对密闭空间油气爆炸强度有一定的影响，随着储粉室中高压气流喷射带来的高速扰动，爆炸容器内部油气-空气混合气体呈现湍流状态，最大爆炸压力pmax变幅不大，最大变幅为6.7%，达到压力峰值的时间延后了65.4 ms。

(3)随着点燃延迟时间的增长，最大爆炸压力上升速率(dp/dt)max呈现出先上升后下降的趋势，变幅最大达63.1%。点燃延时210 s时，爆炸容器内油气-空气混合气的湍流状态减弱，油气最大压力上升速率(dp/dt)max显著降低，表明油气环境爆炸的强度减弱。

[1]王晶晶. 干粉抑制可燃液体蒸气爆炸条件优化与效果评定[D].太原:中北大学,2014.

[2]曹玮.磷酸铵盐干粉抑制瓦斯爆炸的实验研究[D].西安:西安科技大学,2011.

[3]戴晓静.磷酸二氢盐抑爆剂的制备与抑制作用研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[4]程方明.超细粉体抑制甲烷—空气预混气爆炸实验研究[D].西安:西安科技大学,2008.

[5]胡广霞,段晓瑞.防火防爆技术[M].北京:中国石化出版社,2012：52.

[6]EN 14034-1-2004, Determination of the maximum explosion pressure pmax of dust clouds[S].

[7]SILVESTROV V V. Effects of medium surrounding explosive charge housing on behavior of explosive chamber housing[J]. The Physics of Combustion and Explosion,1994,30(2):89-95.

[8]任常兴,李晋,张欣，等.超细冷气溶胶抑制油气预混爆炸实验研究[J].中国安全生产科学技术，2012,8(10):28-31.

[9]陈思维,杜杨,王博.油罐中油气爆炸规律研究[J].安全与环境学报,2007,7(3):102-104.

[10]毕明树,杨国刚.气体和粉尘爆炸防治工程学[M].北京:化学工业出版社,2012：71.

[11]GB/T 803—200,空气中可燃气体爆炸指数测定方法[S].

Research on the Explosion Intension of Flammable Liquid Vapor in Confined Spaces

ZHANG Fa1REN Changxing2LYU Tianhao3LIU Shuyang3

(1.FireBureauofZhejiangProvinceHangzhou310014)

Using 20 L spherical explosive devices, with the change of ignition delay, the effect factors and change laws of explosion under certain concentration of oil and gas concentration have been studied. The test results indicate that with the increase of oil and gas concentration, the maximum explosion pressure of oil and gas tends from rising to decline. Ignition delay affects the explosion intension and it will be less violent over a certain time after explosion.

confined spacesflammable liquid vaporoil and gasexplosion intension

公安部消防局应用创新课题(2013XFCX14)。

张发，男，1988年生，硕士，研究方向：消防材料学。

2015-08-21)