细长密闭管道内油气爆炸特性研究

王 波， 杜 扬， 李国庆， 袁广强， 王世茂

(后勤工程学院 供油系，重庆 401311)

细长密闭管道内油气爆炸特性研究

王 波， 杜 扬， 李国庆， 袁广强， 王世茂

(后勤工程学院 供油系，重庆 401311)

针对长径比对密闭管道内汽油蒸汽和空气的混合气爆炸特性的影响进行实验。研究表明：细长密闭管道内的油气爆炸压力为两阶段上升，而压力上升速率曲线呈现出“双峰”结构；最大爆炸压力和取得最大pmax值的最佳油气浓度均随管道长径比L/D的增加逐渐减小；达到最大爆炸压力所需时间随管道长径比L/D的增加呈线性关系增加，且靠近最佳油气浓度的油气受管道长径比的影响较小，而偏离最佳油气浓度较远的油气受管道长径比的影响较大；随着油气浓度的增大，第二个压力上升速率峰值先呈指数增长，达到峰值之后呈负指数下降；当油气浓度低于临界浓度时，第二个压力上升速率峰值比第一个压力上升速率峰值低，而高于临界浓度时则反之；第一个和第二个压力上升速率峰值及取得最大(dp/dt)max2值的油气浓度均随管道长径比L/D的增加而降低。这些规律性的结论可为管道的防抑爆设计提供理论依据和重要参考。

细长密闭管道；油气；爆炸；长径比；爆炸压力

可燃气体已被广泛地应用于化工、能源和动力等行业，然而在储存、输送及使用可燃气体的各个环节中皆存在爆炸风险，容易发生爆炸事故[1-3]。在密闭空间中，由于爆炸压力得不到释放，即使是一个较慢的燃烧过程也会产生压力[4-5]。常规泄爆装置是基于长径比L/D<3的容器中的实验数据设计的[6]，对这类小长径比容器中的缓慢爆燃现象比较有效，由于缺乏长管中的爆炸数据，当为大长径比容器设计防爆装置时，就无理论依据可依。因此，对细长密闭管道中的油气爆炸特征参数进行研究，能为防抑爆装置的研制、配置提供理论依据，对于爆炸灾害的早期监测与控制具有重大的实际意义。

国内外学者已对密闭空间中可燃气体的爆炸特性开展了相关研究。徐景德等[7-8]通过两种不同尺度巷道内可燃气体爆炸对比实验，发现可燃气体爆炸传播过程中存在明显的尺寸效应。崔益清等[9]研究了球形容器接管后接管长度对球形容器内和管道末端甲烷气体爆炸强度的影响。Razus等[10-12]研究了多种碳氢燃料-空气混合物在长径比L/D=1～2.5的密闭圆柱形容器中的爆炸特性，发现爆燃指数KG受到容器的长径比影响。Phylaktou等[13]研究了乙烯-空气混合气在长径比L/D=21.6的密闭管道中的火焰传播，得到了火焰各个传播阶段中的压力上升速率和火焰速度。Bi等[14]数值模拟研究了甲烷-空气预混气在长径比L/D=6～10.35的密闭管道中的爆燃传播，发现最大火焰速度随长径比L/D的增大线性增加。以上研究都证实了管道的尺度、长径比对爆炸参数有影响，但同时可以看出：一方面，目前国内的研究主要是集中在以煤矿井下巷道为模型的密闭空间内，针对以输油输气管线为模型的研究较少；另一方面，已有研究对象主要是甲烷、乙烯等单一成分气体，针对成分复杂的油气混合物研究较少。本文研究的油气指的是具有复杂组分的93#汽油挥发气和空气的混合气，重点研究长径比对密闭管道内油气爆炸特性的影响。

1 实验装置与方法

油气爆炸实验系统,如图1所示，由实验管道、压力采集系统、油气雾化循环系统、点火系统、油气体积分数测试系统等组成。在实验中使用了5种不同长径比的钢制管道和一个球形容器，其尺寸参数,如表1所示，直径10 cm的圆管有三节，长度分别为86 cm、71 cm、86 cm，可以自由组合成管道C1、C2、C3，在法兰连接处使用密封垫圈以保证结合部位的气密性。压力采集系统采用TST6300动态采集系统，最高采样率200 ksps，压力传感器采用ZXP610型压阻式压力传感器，量程为0～2 MPa，安装于管端法兰中心上。点火系统采用WGDH-5型高能无干扰点火器，点火头安装于另一端法兰中心上，点火器点火是通过电容器充电放电实施的，根据W=(CU2)/2可以换算得到点火能量，在实验中采用1 μF电容、1 500 V电压，即点火能量为1.125 J。

图1 实验系统示意图

每次实验前先对管道进行充气。分压原理配气方法主要用于常温下为气态的可燃气体，针对汽油这种特殊介质并不适用，因此设计了专用的配气系统。图1所示的油气雾化循环系统由电磁式空气泵、球阀、油瓶、三通等组成，空气泵的流量为50 L/min。配气时，只开球阀1、球阀4，利用空气泵产生的高压气流使汽油“沸腾”而迅速挥发产生汽油蒸汽，充入管道。待充入一定蒸汽后，关闭球阀1、球阀4，打开球阀2、球阀3，对混合气进行循环搅拌。为了保证油气混合均匀，每次循环15 min，循环结束后，关闭气体入口和出口球阀。在点火之前静置30 s，保证管道内气体处于静止状态，从而降低循环时产生的湍流对爆炸的影响。

表1 密闭容器的尺寸参数

2 实验结果及分析

2.1 密闭容器中油气爆炸压力的基本特征

为了研究密闭容器中油气爆炸压力的变化规律，对三种不同形状容器中的压力数据进行了分析。由图2可知，密闭容器中油气爆炸压力呈现出两种不同的形态：在圆管C0和方管R中，压力为两阶段上升；而在球形容器S中，压力却为单一阶段上升。由此可知，爆炸压力与容器的形状密切相关。在管道中，初期的火焰以半球面的形状向前传播[15]，但由于受到径向管壁的约束，某一时刻火焰会与管壁接触，火焰触壁必然会引起热损失的增加，导致压力上升速率下降，压力上升的第一阶段结束。随后进入压力上升的第二阶段，此阶段是爆炸反应释热和管壁散热共同作用的结果。显然，火焰传播过程中的第一次触壁是压力两阶段上升的内因。而球形容器具有中心对称性，在容器中心点火后，火焰以球状向外传播，球面壁对各个方向上火焰的约束是一致的，球形容器中的爆炸为单纯超压爆炸[16]，压力为单一阶段上升。因此压力的两阶段上升是细长密闭管道等狭长密闭空间中油气爆炸的特有规律。通过图2和表2可知，压力上升的两阶段持续时间不同，且第一阶段的持续时间t1总比第二阶段的持续时间t2长。对于圆管C0中的1.35%、1.72%和2.11%等三个浓度，t1、t2之间的差值分别为28.3 ms、15.9 ms、31.3 ms，说明两阶段的持续时间之差与油气浓度有关。而在方管R中，t1、t2之间的差值为54.85 ms,即t1=2t2。

对应于压力的两阶段上升，圆管C0和方管R中的压力上升速率呈现出“双峰”结构，而球形容器S中为“单峰”结构。为了区别爆炸传播过程中第一阶段和第二阶段的压力上升速率，本文引入了“第一个压力上升速率(dt/dt)1”和“第二个压力上升速率(dt/dt)2”两个术语。由图2和表2可知，压力上升速率的双峰高低与油气浓度有关。在圆管C0中，油气浓度<1.35%时，第一个压力上升速率峰值(dt/dt)max1比第二个压力上升速率峰值(dt/dt)max2大，而油气浓度>1.72%时则反之，因此1.35%和1.72%之间必然存在一个浓度使得这两个值的相对大小发生转变，对于1.72%和2.11%两个浓度，(dt/dt)max2分别是(dt/dt)max1的2.09倍、2.15倍，而在方管R中，两者的差值为36.83 bar/s。

(a) 圆管C0中油气浓度1.35%

(b) 圆管C0中油气浓度1.72%

(c) 方管R中油气浓度1.38%

(d) 球形容器S中油气浓度1.18%

表2 密闭容器中油气爆炸的特性参数

Tab.2 Characteristic parameter in closed vessels for explosion of gasoline-air mixture

容器浓度/%第1阶段的持续时间t1/ms第2阶段的持续时间t2/ms第一个压力上升速率峰值/(bar·s-1)第二个压力上升速率峰值/(bar·s-1)C01.3589.661.3135.16101.631.7262.746.8141.63296.582.11124.893.555.68119.85R1.38109.754.8588.2651.43S1.18262.25-58.74-

2.2 细长密闭管道内的pmax、Tmax及(dp/dt)max的变化

密闭容器中气体爆炸的演变规律常用最大爆炸压力pmax、达到最大爆炸压力所需时间Tmax及最大压力上升速率(dt/dt)max等参数来表征[17]，本文也从这三个参数着手，对汽油蒸汽和空气的混合气爆炸特性进行了分析。

2.2.1 最大爆炸压力pmax

油气浓度对最大爆炸压力的影响,如图3所示，采用了圆管C0和C1中的压力数据进行绘图。由图3可知，最大爆炸压力受到油气浓度和长径比的影响，对于汽油蒸汽和空气的混合气，随着油气浓度的增大，最大爆炸压力呈现出先增大后减小的变化规律，Razus等也得到了类似的结论，这是可燃气体和空气的混合物爆炸的一个共同特征。Law等[18]研究发现这种变化规律是由反应产物的分解及分解引起的放热减少引起的，因为低浓度侧反应产物的分解程度比高浓度侧更高，同时伴随着较低的热量释放，达到峰值之后就会在高浓度侧发生转变。由图3还知，不同油气浓度下爆炸产生的峰值压力差别很大，这与爆炸过程中的反应放热密不可分。当量比Ф常被用来表示燃料-氧化剂混合物的构成，当量比定义为[19]

(1)

式中:A/F为空气-燃料比；F/A为燃料-空气比；下标stoic为化学当量值的英文缩写。由式(1)可知，当Ф>1时，为富燃料混合物；当Ф<1时，为贫燃料混合物；当Ф=1时，表示化学反应中燃料刚好能耗尽氧气。根据燃烧学理论，取得最大pmax值的最佳油气浓度对应的化学当量比略>1，因此油气浓度越靠近最佳油气浓度，爆炸反应越充分，放热量越大，峰值压力越大，而越靠近油气的爆炸下限和上限，爆炸反应越不完全，放热量越小，峰值压力也就越小。同时，在所有管道中，最佳油气浓度位于1.5%～2%，随着管道长径比的增加，最佳油气浓度会减小，圆管C0中的最佳油气浓度为1.87%，而圆管C1中为1.82%。在整个浓度范围内，圆管C1中的最大爆炸压力均比圆管C0中的最大爆炸压力小，这是由增加的热损失引起的，因为圆管C1比圆管C0长，那么火焰与管壁的接触时间自然就会更长，引起的热损失就更多。

图3 油气浓度对最大爆炸压力的影响

长径比L/D对最大爆炸压力的影响,如图4所示。当油气浓度为一定值时，随着管道长径比L/D的增加，最大爆炸压力逐渐减小，Bi等在数值模拟长密闭管道内甲烷/空气爆燃时也得到了类似的结果。最大爆炸压力随长径比的增加而减小现象与管壁传热密切相关，因为管道的长径比越大，火焰与管壁之间的接触时间更长，火焰经过管壁会传递更多的热量到大气中，因而减少了可用于气体压缩和加热的热量。

2.2.2 达到最大爆炸压力所需时间Tmax

油气浓度对达到最大爆炸压力所需时间的影响,如图5所示，采用了圆管C1和C2中的数据进行绘图。由图5可知，达到最大爆炸压力所需时间受到油气浓度和长径比的影响，对于汽油蒸汽和空气的混合气，随着油气浓度的增大，达到最大爆炸压力所需时间呈现出先减小后增大的变化规律。在整个浓度范围内，圆管C2中的Tmax值均比圆管C1中的大，这是由管道容积和火焰传播过程的热损失大小决定的。同时，在所有管道中，取得最小Tmax值的油气浓度位于1.5%～1.85%。

图4 长径比L/D对最大爆炸压力的影响

图5 油气浓度对达到最大爆炸压力所需时间的影响

Fig.5 Influence of initial concentration on time to maximum explosion pressure

长径比L/D对达到最大爆炸压力所需时间的影响如图6所示，当油气浓度为一定值时，随着管道长径比L/D的增加，Tmax呈线性关系逐渐增加，Tmax与长径比之间的线性关系为：浓度为1.97%时，Tmax=0.005 1x+0.141，R2=0.972；浓度为2.1%时，Tmax=0.010 8x+0.194，R2=0.986；浓度为2.35%时，Tmax=0.029 5x+0.321，R2=0.971。由2.2.1节可知，最佳油气浓度在1.8%左右，由图6可知，靠近最佳油气浓度的1.97%和2.1%两个浓度受管道长径比的影响较小，而偏离最佳油气浓度较远的2.35%受管道长径比的影响较大。

2.2.3 第一个压力和第二个压力上升速率

油气浓度对第一个压力上升速率峰值的影响,如图7所示，采用了圆管C0、C1和C2中的数据进行绘图。由图7可知，第一个压力上升速率峰值受到油气浓度和长径比的影响，对于汽油蒸汽和空气的混合气，随着油气浓度的增大，第一个压力上升速率峰值呈现出先增大后减小的变化规律。在整个浓度范围内，较大长径比管道中的第一个压力上升速率峰值均比较小长径比管道中的大，当油气浓度靠近爆炸上下限时，两种长径比管道中的第一个压力上升速率峰值离得较近，而当油气浓度在1.25%～2%时，两种长径比管道中的峰值差值较大。

图6 长径比L/D对达到最大爆炸压力所需时间的影响

图7 油气浓度对第一个压力上升速率峰值的影响

Fig.7 Influence of initial concentration on the first maximum rate of pressure rise

油气浓度对第二个压力上升速率峰值的影响,如图8～图10所示，随着油气浓度的增大，第二个压力上升速率峰值先呈指数增长，达到峰值之后呈负指数下降。当油气浓度低于临界浓度时，第二个压力上升速率峰值比第一个压力上升速率峰值低，而管道C0、C1和C2中的临界浓度值分别为1.48%、1.3%、1.25%。根据表面燃烧理论可知，火焰面积与质量燃烧速率成正比，因此也与压力上升速率成正比。在管道中，初期的层流火焰以半球面的形状向前传播，由于径向管壁的约束，火焰在某一时刻会与管壁接触，火焰触壁将引起热损失的增加，同时还会使得大部分火焰面积突然消失，引起质量燃烧速率下降，从而导致热释放速率减少，因此压力上升速率的降低是高热损失和低热释放速率共同作用的结果。陈东梁等[20]研究发现当甲烷含量接近当量值时，预混气体火焰传播中会形成Tulip火焰结构。当油气浓度高于临界浓度时，第二个压力上升速率峰值比第一个压力上升速率峰值高，这是因为当油气浓度大于临界值时，预混火焰在向前传播过程中，火焰阵面逐渐形成了Tulip火焰结构，在Tulip火焰阵面中出现了卷曲、褶皱，火焰面积不断加大并大于半球形火焰时的面积，燃烧速率大幅提高，热释放速率得到加强，压力上升速率峰值更高。而针对甲烷、乙烯、氢气等单一成分气体，Phylaktou等研究发现在整个浓度范围内第二个压力上升速率峰值低于第一个压力上升速率峰值。

图8 圆管C0(L/D=2)中的最大压力上升速率

图9 圆管C1(L/D=8.6)中的最大压力上升速率

图10 圆管C2(L/D=15.7)中的最大压力上升速率

Fig.10 Maximum rate of pressure rise in the tube C2 withL/D=15.7

取得最大(dp/dt)max1值的油气浓度受管道长径比的影响较小，维持在1.6%左右，而取得最大(dp/dt)max2值的油气浓度随着管道长径比的增加而降低，管道C0、C1和C2中的值分别为1.84%、1.6%、1.47%，且临界浓度也会跟着降低。尽管随着管道长径比的增加，最大爆炸压力将减小，也足以破坏大多数结构，但最大(dp/dt)max2值将在更低的油气浓度下取得，此浓度在储存、输送及使用可燃气体过程中是很容易形成的，因此我们应该重视大长径比管道的加固和泄爆设计工作。

长径比L/D对最大压力上升速率的影响,如图11所示，当油气浓度为一定值时，第一个和第二个压力上升速率峰值均随着管道长径比L/D的增加而降低，这是因为当长径比L/D增加时，火焰和管壁之间的接触时间变长，热损失增加，而可用于气体反应的热量就相对减少。由图11可知，存在一个临界长径比15.7，当管道长径比<15.7时，最大压力上升速率随长径比的增加下降较快，而当管道长径比>15.7时，最大压力上升速率下降缓慢。

图11 长径比L/D对最大压力上升速率的影响

3 结 论

针对细长密闭管道内汽油蒸汽和空气的混合气爆炸特性进行了实验研究，通过分析爆炸参数得出如下结论：

(1) 细长密闭管道内的油气爆炸压力为两阶段上升，火焰传播过程中的触壁是压力两阶段上升的内因，同时压力上升速率曲线呈现出“双峰”结构。

(2) 最大爆炸压力受到油气浓度和长径比的影响。随着管道长径比L/D的增加，最大爆炸压力逐渐减小，取得最大pmax值的最佳油气浓度也逐渐减小。

(3) 随着管道长径比L/D的增加，达到最大爆炸压力所需时间呈线性关系逐渐增加，而且靠近最佳油气浓度的油气受管道长径比的影响较小，偏离最佳油气浓度较远的油气受管道长径比的影响较大。

(4) 随着油气浓度的增大，第二个压力上升速率峰值先呈指数增长，达到峰值之后呈负指数下降。当油气浓度低于临界浓度时，第二个压力上升速率峰值比第一个压力上升速率峰值低，而高于临界浓度时则反之。第一个和第二个压力上升速率峰值均随着管道长径比L/D的增加而降低，同时取得最大(dp/dt)max2值的油气浓度及临界浓度也随着管道长径比的增加而降低。

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Tests for explosion characteristics of gasoline-air mixture in an elongated closed tube

WANG Bo, DU Yang, LI Guoqing, YUAN Guangqiang, WANG Shimao

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

Tests for effects of aspect ratioL/Don explosion characteristics of gasoline-air mixture in a closed tube were performed. The results showed that explosion pressure of gasoline-air mixture in an elongated closed tube rises in the form of two stages, the pressure rise rate curve presents a double-peak configuration; the maximum explosion pressure and the optimal gasoline-air concentration to get the maximumpmaxvalue decrease gradually with increase inL/Dratio; the time to reach the maximum explosion pressure increases linearly with increase inL/Dratio, and the gasoline-air mixture near the optimal gasoline-air concentration is less affected by the aspect ratioL/Din comparison with those far from the optimal gasoline-air concentration; the second peak of pressure rise rate increases exponentially firstly and decreases in a negative exponential form after reaching the peak with increase in gasoline-air concentration; when the gasoline-air concentration is lower than the critical concentration, the second peak of pressure rise rate is lower than the first peak, while the result is the opposite when the gasoline-air concertration is higher than the critical concentration. All the first and second peaks of pressure rise rate and the gasoline-air concentration to get the maximum (dp/dt)max2value decline with increase inL/Dratio. These conclusions provided a theoretical basis and an important reference for the explosion proof design of pipelines.

elongated closed tube; gasoline-air mixture; explosion; aspect ratioL/D; explosion pressure

国家自然科学基金项目(51276195)

2016-06-23 修改稿收到日期：2016-09-09

王波 男，博士，1988年生

杜扬 男，博士，教授，1958年生

X932

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.09.013