原油管道氮气抑爆实验研究*

高建丰，何笑冬，周韶彤

(1.浙江海洋大学 石化与能源工程学院 ，浙江 舟山 316022； 2.临港石油天然气储运技术国家地方联合工程实验室 ，浙江 舟山 316022)

0 引言

油气管道总里程数是评价各国油气发展现状标准之一，据估计中国目前已经建成和计划再建的管道里程数将达到16万km[1-2]。随着油气需求的增加与管道大量参与运输工作，油气管道发生的危害次数不断增多。由于长距离油气管道的封闭性，在管道内极易产生易燃易爆的危害气体，一旦受到外部危害因素影响，若在管道内产生诱发点燃可燃气体的火源，很有可能在密闭管道内发生爆炸，造成严重的管道事故[3-5]。如“8·12”莫斯科输油管道爆炸事件，由于管道长久失修造成人员伤亡[6]。油气是国家的战略物资，研究油气管道爆炸特性与抑爆技术对预防油气管道爆炸具有一定的参考价值。

杜杨、蒋新生等[7-12]以汽油为工质，实验测得了汽油的爆炸特性并通过数值模拟的方法得以证实；刘振翼、张璇等[13-14]研究了温度对爆炸极限的影响，但是没有测出具体的爆炸压力数值；蒯念生等[15]研究了不同点火能量的爆炸实验，得出点火能量越大，爆炸所需时间也会相应缩短；吴松林、王世茂等[16-18]通过建立管道泄漏模型，得出了在开口状态下油气爆炸压力的变化；曲志明等[19]研究了可燃气体爆炸实验，得出了可燃气体爆炸的压力峰值，但对惰性气体抑制爆炸研究还没有深入。综合近年来国内外对管道油气爆炸研究发现，大多研究以替代原料(甲烷等)研究油气爆炸，对原油油气管道爆炸研究较少。通过实验研究结合理论分析的方法，模拟油气管道爆炸实验测得爆炸压力与火焰传播速度，分析得出爆炸极限与压力上升速率等参数，同时研究充入氮气对实验参数的影响。

1 氮气抑制原油油气爆炸实验研究

1.1 实验系统设计

实验系统主要分为实验装置与信息收集装置。具体实验装置与布置见图1。

1.油汾锅；2.搅拌泵；3.管道；4.点火杆；5.高能点火器；6.压力传感器；7.火焰传感器；8.数据采集器；9.计算机；10.氮气瓶；11.流量计。图1 油气管道爆炸实验系统Fig.1 Oil and gas pipeline explosion experimental system diagram

1.2 狭长管道爆炸装置

实验在6.2 m的无缝钢管实验管道进行，管道留有传感器预留孔，具体位置见表1所示。点火系统采用电容器充电放电式可调式高能点火器(KTGD-B型，能量级为0～22.5 J)；搅拌系统由加热装置和搅拌罐2部分组成，加热装置采用GSC-20C恒温循环槽；泰斯特动态采集系统(TST6400，采集频率每通道采样率20 Msps)，高精度数字式压力传感器(CY301，量程为0～5 MPa)，检测仪器(POT400-IR-Ex)。图2为狭长管道爆炸装置。

图2 狭长管道爆炸装置Fig.2 Explosive device for narrow pipes

实验在常温常压的外界环境下进行。实验过程按照如下步骤进行：

1)实验设备调试与配气，校准及检查装置密闭性，利用油气浓度检测仪检测实验所需气体浓度；

2)点火阶段，进行能量为20 J点火引爆(出现爆炸反应则进行下一个实验，若管道压力未达到升高7%以上时可再进行5次实验，5次都没有压力的明显变化则判定为油气浓度未达到爆炸要求)；

3)实验爆炸数值采集阶段，通过smartsenor软件对数据进行初步成像与提取；

4)废气排尽后再进行不同浓度油气爆炸实验。

2 实验结果与分析

2.1 油气浓度对爆炸最大压力的影响

依据点火阶段管道油气是否爆炸，采用渐近法用较小的浓度变化寻找油气爆炸极限区间。可以测得在油气浓度为4.32%～14.25%时，管道内油气爆炸压力数值变化较明显。具体压力数值见表2。

表1 监测点位置Table 1 Monitoring points position m

2.2 氮气抑制原油油气爆炸实验

2.2.1 氮气对油气爆炸极限的影响

原油管道爆炸应该具备油气与氧气在满足引发爆炸的条件(爆炸极限)下出现，目前研究抑制原油管道爆炸应从爆炸时化学的链式反应与削弱爆炸过程中热量集聚的2个方面考虑。在爆炸区间内分别充入浓度为0%～ 30%的不同浓度的氮气，研究氮气浓度的变化对管道油气爆炸的抑制作用，具体见图3所示。

实验中所分析的原油管道爆炸极限区间是评判氮气对原油管道爆炸具备抑制作用的实验体现。结合表1与图3可知，当充入氮气浓度少于5%时，爆炸区间变化不明显；在氮气浓度在5%～10%时爆炸区间缩减最明显，且随氮气浓度的增加，爆炸上限较爆炸下限变化更快；氮气浓度大于27%以后，爆炸上限与下限几乎重合，很难发生油气爆炸。原油管道的氮气含量所占体积分数越高时，发生爆炸的油气浓度所需要的范围越窄，当氮气的体积分数大于27%时管道内未出现爆炸现象，实验结果符合理论分析的结果。

表2 管道内部最大压力值Table 2 Maximum pressure inside the pipe kPa

图3 N2对油气爆炸极限的影响Fig.3 Curve of the effect of N2 on the explosion limit of oil and gas

2.2.2 氮气对油气爆炸压力的抑制作用

对原油管道采取充入氮气的主要目的在于抑制管道发生爆炸时破坏力，其原理一方面是减少助燃气体(氧气)，另一方面是减弱爆炸时的化学链式反应，研究爆炸时压力数据是体现爆炸威力的直接实验体现。选取6组不同油气浓度向管道装置内通入5种不同体积分数的氮气，实验管道具体爆炸压力见图4与图5。

随着氮气充入量不断增加，油气浓度越高的爆炸压力下降幅度较油气浓度低的更大，氮气的抑制爆炸的效果越明显。由图5发现氮气浓度的增加不仅降低了爆炸压力上升的速率，同时延长了爆炸压力达到峰值的时间，且爆炸压力降幅更明显，这是因为油气浓度较高时，发生爆炸所需氧气量更多，当管道充入足量氮气能够排除管道内的氧气，浓度越高的油气浓度发生爆炸的峰值下降的越明显。实验中随着管道内充入氮气体积分数不断上升，管道内的氧气不断被充入的氮气所置换，减少了管道内油气分子与氧分子的直接接触，使本应该非常活跃的活化分子失去能量来源，减弱爆炸所产生的的压力大小。

图4 不同油气体积分数随N2增加的上升段爆炸压力变化曲线Fig.4 Explosion pressure curve of different oil and gas volume fractions with increasing N2

图5 不同N2浓度下油气的最大爆炸压力变化与上升速率曲线Fig.5 Curve of maximum explosion pressure and rising rate of oil and gas under different N2 concentrations

2.2.3 氮气对火焰传播速率的抑制作用

影响管道内发生爆炸的另一个因素是管道爆炸时能量的积累，管道内能量积累速率越快，产生的爆炸威力越大，因此研究原油管道发生爆炸时火焰传播速率能间接评判氮气的抑爆作用。为了更好地观察氮气对油气爆炸的抑制机理，实验选取了爆炸压力最大峰值的浓度与前后2组油气浓度展开了氮气对管道内爆炸火焰传播速度的实验，实验结果如图6所示。

将不同监测点的火焰传播速度数据拟合为曲线，以便更直观地观察不同监测点火焰传播速度变化，由图6可知，管道内充入氮气能有效地抑制爆炸时火焰传播的速度，氮气浓度越高爆炸火焰传播速度所受影响越大，且在实验管段的1.45，3.15和4.85 m距离处爆炸火焰传播速度也被相应减弱。结合图3与图4,可知随氮气充入量不断增加，爆炸极限范围不断缩短，与此对应，图6(d)在所测爆炸时火焰传播速度的数据越少，直至所测速度为常量(即管道内几乎无爆炸发生，传播速度不变)，火焰的平均传播速率有所减弱，例如在9.23%油气浓度时不同氮气浓度下的火焰传播速度分别为46.54，40.53和14.12 m/s，爆炸传播速度降幅较大。因此，在原油管道内充入氮气能有效减弱爆炸所产生的冲击对管壁的的破坏。充入的氮气不仅将爆炸时化学链式反应中所产生的活化基失去活性，还同时吸收了管道内大量积累的能量，减弱了火焰的传播速度。

图6 油气浓度为8.30%，9.23%和10.21%时火焰传播速度与火焰传播平均速度变化曲线Fig.6 Flame propagation speed at 8.30%, 9.23% and 10.21% and average speed of flame propagation

3 结论

1)常温常压下测得在油气浓度为4.32%～14.25%时，管道内油气爆炸压力数值变化较明显，即此区间为实验管道油气爆炸极限区间。在低油气浓度的爆炸区间内，相近油气浓度的爆炸压力等爆炸特性上升较快，高浓度的爆炸区间内，变化较缓慢，在9.23%的油气浓度时爆炸特性变化最明显。

2)在氮气浓度在0%～30%时爆炸区间范围不断缩减，且随氮气浓度的增加，爆炸上限较爆炸下限变化更快，当充入的氮气体积分数大于27%时爆炸上限与下限接近重合，化学链式反应的活化分子失去能量来源，达到了氮气抑制管道油气爆炸的效果。

3)随着氮气充入量不断增加，油气浓度高的爆炸压力下降幅度较油气浓度低的更大，氮气的抑制爆炸的效果越明显。管道内充入氮气能有效地抑制爆炸时火焰传播的速度，氮气浓度越高爆炸火焰传播速度所受影响越大，管道内能量聚集越困难，且在实验的不同管段距离点火处爆炸火焰传播速度也被相应的减弱。