强点火作用下C3HF7对甲烷-空气爆炸的抑制

蔡 闯，陈先锋，员亚龙，黄楚原，袁必和,2，代华明

（1.武汉理工大学安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070；2.武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081）

在石化、煤化及天然气行业中，可燃气体输送管道爆炸火灾已经成为主要灾害事故[1-2]。气体爆炸会破坏管道的结构、周围各类建筑及仪器设备，造成重大人员伤亡和经济损失，所以亟需寻找新型绿色环保、阻火抑爆性能优越的抑爆剂。目前，国内外许多研究机构对于卤烃类物质抑制甲烷[3-5]、氢气[5-6]、乙烯[7]爆炸的阻火抑爆机理进行了大量的实验研究和理论分析，以降低爆炸事故造成的严重危害。七氟丙烷（C3HF7）是一种新型灭火剂，由于不含Br、Cl元素，对大气臭氧层不造成危害，且具有优良的阻火抑爆效果，已经成为当今抑爆剂研究的热点。

针对七氟丙烷浓度、可燃气体浓度对容器内的压力变化及火焰传播特征的影响，相关学者已开展了一些实验研究。朱熹[8]发现在20 L球内，8%甲烷-空气预混气体在不同浓度的七氟丙烷作用下，最大爆炸压力呈现出先增大后减小的趋势，当七氟丙烷的体积分数为3%时达到峰值。薛少谦[9]发现在20 L爆炸特性测试系统中，利用高压气瓶向达到常压的20 L球充入七氟丙烷对球内部的9.5%甲烷-空气预混气体进行惰化，当七氟丙烷的体积分数为17.4%时，20 L球内的混合气体无法被点燃。任常兴等[10]发现利用分压法配置丙烷和七氟丙烷混合气体，对于4%丙烷-空气预混气体，其爆炸火焰传播速度会随着七氟丙烷浓度的增加而逐渐减小，但低浓度的七氟丙烷会使可燃预混气的最大爆炸压力呈略微上升趋势。李一鸣[11]发现在可视化竖管道中充入七氟丙烷惰化甲烷-空气预混气体，当七氟丙烷的体积分数在5%以下时，会加速当量比为0.6的甲烷-空气预混气体爆炸火焰的传播，且最大爆炸压力大于对照组；当七氟丙烷的体积分数在3%以下时，会加速当量比为0.8的甲烷-空气预混气体爆炸火焰的传播。Li等[12]发现七氟丙烷能有效减弱E10（10%乙醇和90% 92号无铅汽油的预混物）爆炸，当七氟丙烷的体积分数从1%增加到10%时，1.0 mL E10爆炸的最大爆炸压力降幅从30%变为60%。魏树旺等[13]发现在21 m长的油气爆炸管道实验系统中，提前向抑爆区喷入3 、4和5 kg七氟丙烷作为抑爆介质时，管道内的最大爆炸压力随着七氟丙烷质量的增加逐渐减小，火焰强度逐渐减弱。

上述针对七氟丙烷抑爆效果的研究中，将七氟丙烷与可燃气体在一个狭小封闭空间内完全预混来分析七氟丙烷的抑爆效果[8-11]。但在实际的可燃气管道运输过程中，发生爆炸的管段不存在七氟丙烷，管道爆炸的防治是利用抑爆装置在爆炸火焰还未到达前喷撒出抑爆介质，在抑爆范围内形成一定浓度的抑爆屏障来阻断爆炸火焰的传播。因此有必要开展在固定管段充入七氟丙烷阻断爆炸火焰传播的实验研究。本工作将系统研究在强点火条件下[14]不同浓度七氟丙烷对甲烷-空气预混气体爆炸的抑制效果，分析爆炸火焰在抑爆区的传播过程和各管段爆炸压力参数的变化，找到七氟丙烷阻断9.5%甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播的临界浓度，为气体爆炸的防治技术和抑制手段提供改进思路和指导依据。

1 七氟丙烷的抑爆原理

七氟丙烷（C3HF7），英文名为Heptafluoropropane，能从物理、化学两方面对爆炸火焰进行抑制。七氟丙烷的物理特性：临界温度高（101.7 ℃），临界压力低（2.912 MPa），标准大气压下的沸点低（-16.4 ℃），所以在常温下可液化储存。在密闭可视化气体爆炸实验平台中，当爆炸火焰传播至抑爆区时，七氟丙烷分子可以隔断部分甲烷与氧气分子的接触，起到窒息作用，减弱爆炸火焰强度及爆炸反应链的形成，七氟丙烷浓度越高，氧窒息作用越明显。另外，七氟丙烷对爆炸火焰的化学抑制作用占主导地位，这也是它优于二氧化碳、氮气等抑爆剂的原因。七氟丙烷属于大分子，分子量为170，化学键会在爆炸高温条件下断裂，产生含氟的自由基，并与燃烧反应过程中产生链反应的O·、H·、OH·等活性自由基发生化学反应，从而中断燃烧过程中化学链反应的传递[15]。故可使用七氟丙烷作为抑爆剂抑制爆炸火焰传播。

2 实验系统及方法

2.1 实验系统

图1 水平管道爆炸特性测试系统Fig.1 Horizontal pipeline explosion characteristic test system

实验系统如图1所示，由水平管道爆炸传播测试管道系统、配气系统、点火系统、高速摄影系统、数据采集系统及同步控制系统组成。水平气体爆炸传播测试管道系统由20 L爆炸球（顶部设有引爆保险丝头）和组合管道构成，组合管道包括3段内径60 mm、管长2.00 m、壁厚10 mm的圆管道和1段管道尺寸为0.5 m × 60 mm × 60 mm（壁厚20 mm）的方管道，通过法兰、螺栓连接，总长6.50 m，总长径比L/D= 108。方管道设有尺寸为420 mm × 72 mm的观察窗，用以观察火焰传播形态。圆管道设有8个螺纹孔，方管道设置4个螺纹孔，以便安装探测器及充装气体。在尾部端面法兰上安装实心圆盘，使爆炸在密闭空间内进行。选取实验管道中间2.5 m长的管段为七氟丙烷抑爆区。管道系统内设置3个CYG1508型压力传感器（量程为0～4 MPa，测量误差小于20 kPa），分别设置在20 L爆炸球内、距20 L球3.3 m处的抑爆区内和5.8 m处的管道末端。点火系统由延时点火器、起爆线、引爆保险丝头等组成。本次实验所使用的起爆源为5 J标准点火药头加20 L球内甲烷-空气预混气体，其爆炸能量远高于本次实验对象9.5%甲烷-空气预混气体的最小点火能0.391 5 mJ[16]，可在20 L球所形成的相对受限空间中产生较强的起爆能量，形成强点火[14]，然后向组合管道传播。实验采用HIOKI 8861-50型存储记录仪记录和存储爆炸压力数据，采样速率为10 kHz。采用Fastcam SA1.1高速摄像机记录火焰传播图像，拍摄速率为 1 000 s−1。

2.2 实验方法

实验中所用的9.5%甲烷-空气预混气体的配制由配气仪完成。根据实验设计方案，计算出需要的甲烷及空气的体积，通过电脑控制配气仪，可得到体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气体。配气前先用真空泵将管道抽至真空状态，随后利用配气仪控制通入甲烷-空气预混气体的体积至常压。然后利用Alicat质量流量计控制流量（量程为0～20 L/min，精度为 ± 0.4%读数 ± 0.2%满量程），在七氟丙烷抑爆区管段等间距均匀设置了4个进气口充入七氟丙烷，设置在管道末端的出气口可排出多余的甲烷-空气预混气体，始终保持管段压力为常压。配气时间为10 s，配完气后及时关闭进气口及出气口，保证实验在密闭条件下进行。由于七氟丙烷的施放速度较小，且七氟丙烷的相对分子质量为170，属于大分子，故七氟丙烷抑爆介质在管道内的扩散速度较低[17]。在同步控制系统控制下，5 s后开始点火并记录爆炸压力数据和火焰传播图像。改变抑爆区的七氟丙烷浓度，重复上面步骤。为保证数据的可靠性，各工况进行3组实验，当所测爆炸压力峰值误差小于5%时[18]，认为该工况数据真实准确。

3 实验过程与结果分析

3.1 实验过程

此次的实验平台是内径为60 mm的水平管道，将管道中2.5 m长的管段（1段圆管道、1段方管道）做为七氟丙烷抑爆区。抑爆区的体积约为7.5 L，设计充入抑爆区的C3HF7体积分数分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%，具体设计方案见表1。将6个浓度梯度的实验现象与实验对照组进行对比，研究在强点火条件下不同浓度七氟丙烷对甲烷-空气预混气体爆炸的抑制效果，分析爆炸火焰在抑爆区的传播过程和各管段爆炸压力参数的变化，找到七氟丙烷阻断9.5%甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播的临界浓度，为气体爆炸的抑制手段提供指导依据。

表1 七氟丙烷体积对照表Table 1 Heptafluoropropane volume comparison table

3.2 结果分析

3.2.1 七氟丙烷对爆炸火焰传播过程的影响

观察窗设置于抑爆区末端，可观测爆炸火焰能否通过抑爆区，图2显示了抑爆区内七氟丙烷体积分数分别为0%、1%、2%、3%、4%时对应的方管道处火焰发展图像。需要指出的是，不同七氟丙烷浓度工况下，火焰发展对应单独的时间列，各时间列之间没有可比性；方管道玻璃窗口的长度为0.4 m。

从图2（a）中可以清晰地看到，火焰刚进入观察窗范围内时，火焰明亮且火焰结构连续，为明显的层流燃烧；到t= 230 ms时，形成平面火焰结构, 火焰开始向反方向传播；到t= 242 ms时，火焰锋面内凹，开始正向加速传播。根据火焰结构与压力波的理论，当预混气体被点燃后，以点火源为中心，火焰沿各方向向未燃气体传播，火焰表面积迅速增大，而在火焰面预混气体的反应过程中大量热量的放出导致火焰面前方未燃气体被压缩，逐渐形成各向的压缩波。在非绝热燃烧阶段，前驱压缩波在管道尾部封闭端面发生反射后与火焰相向运动，阻碍火焰向前传播，使火焰出现Tulip结构或锋面变平。当反射冲击波在点火端封闭端面处再次发生反射后，与火焰同向运动，使火焰加速向前传播。由于实验管道长径比（L/D= 108）较大，火焰锋面受到流场振荡的影响，呈现出周期性的加速减速传播现象[19]。

图2 七氟丙烷浓度对9.5%甲烷-空气爆炸火焰传播过程的影响Fig.2 Effect of heptafluoropropane concentration on 9.5% methane-air explosion flame propagation process

由图2（b）～图2（e）可知，随着七氟丙烷体积分数的增大，火焰传播速度逐渐减缓，火焰亮度逐渐减弱，但体积分数在4%以下时，火焰传播速度相比于对照组加快。当体积分数为 1%时，火焰能快速通过观察窗，火焰变得没有对照组明亮，且混杂了蓝色火焰，火焰结构不连续；当体积分数为2%时，火焰亮度进一步减弱，由于七氟丙烷的作用，甲烷无法完全燃烧；当体积分数为3%及4%时，观察窗范围内只能观察到零星火焰，但爆炸火焰仍能通过抑爆区。如图3所示，当体积分数为5%时，只能观测到片状火焰，且迅速消失，无法传播到观察窗靠管道末端一侧；当体积分数为6%时，只能观测到点状火焰，并迅速消失，无法传播到观察窗靠管道末端一侧。

图3 七氟丙烷浓度为5%及6%时对甲烷-空气爆炸火焰传播过程的影响Fig.3 Picture of effect of heptafluoropropane concentration of 5% and 6% on methane-air explosion flame propagation

综合各工况可以看出，当七氟丙烷的体积分数为1%～4%时，爆炸火焰通过观察窗的时间比对照组更短，李一鸣等[11]也曾发现低浓度的七氟丙烷加速当量比为0.6的甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播，这是由于七氟丙烷在分解后的类燃料性质[9,11]会促使热当量比增加，从而促进爆炸反应加剧，所以低浓度的七氟丙烷不仅无法抑制爆炸火焰的传播，而且与对照组相比，会使火焰传播速度加快。七氟丙烷的体积分数从1%增加至4%时，整体火焰传播过程逐渐减缓；当体积分数达到5%时，爆炸火焰无法通过长度为2.5 m的抑爆区，达到了阻断爆炸火焰传播的目的。相比于任常兴等[10]以最大爆炸压力处作为火焰传播接触球壁时刻及球体半径为参数来计算爆炸火焰传播速度，高速摄影采集的数据更可靠。同时，在魏树旺等[13]研究的基础上，找到了本实验工况下七氟丙烷阻断9.5%甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播的最小体积分数。

3.2.2 七氟丙烷对爆炸压力的影响

图4为不同七氟丙烷体积分数下甲烷-空气预混气体最大爆炸压力曲线。如图4中黑色曲线所示，当抑爆区内七氟丙烷的体积分数为0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%时，I号传感器探测到的最大爆炸压力分别为0.236、0.238、0.227、0.226、0.221、0.208 和 0.193 MPa。当抑爆区内七氟丙烷的体积分数为1%时，爆炸压力峰值高于无抑制剂的工况；随着七氟丙烷体积分数的增大，最大爆炸压力逐渐减小；当体积分数超过5%时，由高速摄影记录可知爆炸火焰未通过抑爆区，位于抑爆区后的甲烷-空气预混气体未发生爆炸，此时的最大爆炸压力降幅明显增大；当体积分数为6%时，最大爆炸压力已达到最小值0.193 MPa。

图4 不同七氟丙烷浓度下甲烷-空气预混气体最大爆炸压力Fig.4 Pictures of maximum explosion pressure of methaneair mixture under different heptafluoropropane concentrations

如图4中红色曲线所示，当抑爆区内七氟丙烷的体积分数为0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%时，位于抑爆区内的II号传感器探测到的最大爆炸压力分别为0.192、0.176、0.179、0.213、0.172、0.180 和0.178 MPa。当体积分数为1%～3%时，最大爆炸压力逐渐增大，在体积分数为3%时达到最高值0.213 MPa，与空爆对照组相比，增幅高达10.9%。原因是在爆炸高温条件下七氟丙烷会发生热分解，产生以氟化氢为主要成分的全氟烃类，使密闭空间内分子量增加，随着抑爆区内七氟丙烷体积分数的升高，热分解产生的氟化氢质量浓度越大，进而导致抑爆区内最大爆炸压力增大。同时，七氟丙烷在分解后具有类燃料性质，会促使热当量比增加，从而使爆炸反应加剧。七氟丙烷既具有抑爆的物理化学性能，其热分解后的产物又会促进爆炸反应。当体积分数为1%～4%时，抑爆区内的最大爆炸压力呈现先增大后减小的趋势，体积分数为3%时达到峰值，与朱熹等[8]发现的规律相吻合；在其他5种工况下，爆炸压力峰值始终小于无抑制剂工况，说明合理使用七氟丙烷的用量，可以抑制爆炸反应的进行。

如图4中蓝色曲线所示，当抑爆区内七氟丙烷的体积分数为0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%时，位于管道末端的III号传感器探测到的最大爆炸压力分别为0.227、0.226、0.225、0.220、0.207、0.195 和0.193 MPa，随着七氟丙烷体积分数的增大，爆炸压力峰值逐渐减小，且始终低于无抑爆剂的工况。当抑爆区没有充入七氟丙烷时，最大爆炸压力为0.227 MPa；而当抑爆区七氟丙烷的体积分数为5%和6%时，最大爆炸压力分别为0.195 和0.193 MPa，下降了14.09%和14.98%。可以看出，抑爆区七氟丙烷的体积分数越大，管道末端的最大爆炸压力越小，七氟丙烷的阻火隔爆效果越好。

3.2.3 七氟丙烷对爆炸升压速率的影响

图5为不同七氟丙烷浓度下甲烷-空气预混气体爆炸升压速率曲线。当抑爆区内七氟丙烷的体积分数为0%、1%、2%、3%、4%、5%和6%时，I、II、III号传感器探测到的最大爆炸升压速率如表2所示。可以看出：I号传感器探测到20 L球内的最大爆炸升压速率随着七氟丙烷体积分数的增大而减小；II号传感器探测到抑爆区内的最大爆炸升压速率呈现出不一样的规律，当七氟丙烷的体积分数为1%和2%时，与对照组相比，降幅分别为28.7%和4.6%，说明在七氟丙烷的体积分数为2%时，高温条件下七氟丙烷分解产生的类燃料性质对甲烷-空气预混气体爆炸的促进作用占据主导地位，使得最大爆炸升压速率升高。当七氟丙烷的体积分数为2%～5%时，抑爆区内的最大爆炸升压速率随着七氟丙烷体积分数的增大而减小，说明此时七氟丙烷抑爆的物理化学性能占据主导地位，减弱了爆炸波的威力；III号传感器探测到管道末端的最大爆炸升压速率在总体趋势上随着七氟丙烷浓度的增加而逐渐减小。从表2可以看出，当七氟丙烷的体积分数为5%时，I、II、III号传感器探测到的最大爆炸升压速率的降幅比前4组实验显著增大，与对照组相比，降幅分别为46.1%、46.7%、41.5%，说明七氟丙烷的体积分数达到5%后，长度为2.5 m的七氟丙烷抑爆区能阻断9.5%甲烷-空气预混气体爆炸火焰的传播，使管道各处爆炸压力上升速率显著降低。

图5 不同七氟丙烷浓度下甲烷-空气预混气体爆炸升压速率曲线Fig.5 Explosion rate of pressure rise for methane-air premixed gas under different heptafluoropropane concentrations

表2 不同七氟丙烷浓度下甲烷-空气预混气体爆炸最大爆炸升压速率Table 2 Maximum rate of pressure rise of methane-air premixed gas explosion under different heptafluoropropane concentrations

4 结 论

借助高速摄影技术，开展了强点火作用下不同浓度C3HF7对甲烷-空气爆炸火焰传播的抑制研究，分析实验现象及数据，得到如下结论。

（1）在强点火作用下，对于长度为6.5 m的封闭管道，当抑爆区长度为2.5 m时，七氟丙烷阻断9.5%甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播的最小体积分数为5%。

（2）对甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播的影响：当七氟丙烷的体积分数为1%～4%时，爆炸火焰通过观察窗的时间比对照组更短，低浓度的七氟丙烷不仅无法阻断爆炸火焰的传播，而且与对照组相比，会使火焰传播速度加快；当七氟丙烷的体积分数达到5%时，爆炸火焰无法通过长度为2.5 m的抑爆区，达到了阻断爆炸火焰传播的目的。

（3）对实验管道内爆炸压力方面的影响：当七氟丙烷的体积分数为1%～6%时，爆炸源及管道末端处的爆炸压力峰值随着七氟丙烷体积分数的增加而逐渐减小；当七氟丙烷的体积分数为3%时，抑爆区处的爆炸压力峰值与对照组相比增幅为10.9%。在其他5种工况下，抑爆区内的爆炸压力峰值始终小于对照组。研究表明，七氟丙烷对甲烷-空气预混气体爆炸有良好的抑制作用，在使用过程中可根据使用场所合理确定七氟丙烷用量，保证抑爆区域内七氟丙烷浓度达到抑爆浓度以上。