球形抑爆材料抑制中尺度密闭空间油气爆炸研究

2020-08-24赵亚东蒋新生谢威何东海

当代化工 2020年6期

赵亚东　蒋新生　谢威　何东海

摘要：为了研究球形抑爆材料对油气爆炸超压的抑制作用和阻止火焰传播的性能，搭建了Φ700 mm× 3 300 mm中尺度圆管密闭空间试验台架。测定在装有非金属球形抑爆材料时92#汽油蒸气与空气混合气体中的爆炸超压及火焰传播速度，并与空爆和装有金属网架下的试验结果进行对比。结果表明：在该试验条件下，球形抑爆材料可以使油气爆炸最大超压下降68.28%，削弱湍流发展和震荡加强过程;虽然没有完全阻止火焰传播，但球形抑爆材料可以使火焰持续时间缩短70.13%，减小火焰强度;抑爆试验后少量球形抑爆材料发生局部失稳、变形，大体上状态良好。

关键词：球形抑爆材料;中尺度密闭空间;油气爆炸;抑爆

中图分类号：X932 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）06-1017-06

Experimental Study on Suppression of Gasoline-Air Mixture Explosion

in Narrow-confined Space Using Non-metallic Spherical Anti-explosion Material

ZHAO Ya-dong¹， JIANG Xin-sheng¹， XIE Wei²， HE Dong-hai¹

（1. Department of Petroleum Supply Engineering， Logistical Engineering University， Chongqing401331， China;

2. PLA Military Representative Office to Daqing Petrochemical Company， Daqing Heilongjiang 163000， China）

Abstract： In order to study the inhibitory effect of non-metallic spherical anti-explosion material on the overpressure of gasoline-air mixture explosion and the performance of preventing flame propagation， a ?700 mm×3 300 mm mesoscale circular tube confined space experimental bench was set up. The explosion overpressure and flame propagation speed in a mixture of 92# gasoline vapor and air when non-metallic spherical anti-explosion materials were installed were measured and compared with the experimental results under air explosion and with a metal grid. The results showed that，under this experimental condition， the spherical anti-explosion material reduced the maximum overpressure of gasoline-air mixture explosion by 68.28%， and weakened the turbulence development and oscillating strengthening process; although the flame propagation was not completely prevented， the spherical anti-explosion material shortened the flame duration by 70.13%， reduced the flame intensity; after the explosion suppression experiment， a small amount of spherical anti-explosion materials were locally unstable and deformed， and generally in good condition.

Key words： Spherical anti-explosion material; Mesoscale confined space; Gasoline-air mixture explosion; Explosion suppression

油料作為一种重要的能源和原料，对经济发展、社会稳定和国家安全都起着重要作用。然而油料挥发、泄漏产生的油气遇到明火、高热能等容易发生火灾爆炸事故，对油库安全事故分析显示，着火爆炸事故占事故总数的42.4%^[1]。随着我国国防石油储备战略的建立，各类军用油料储运工程设备设施大型化、信息化、智能化建设加快，对油料的供应与储藏量加大，导致大型油罐数量增加，对油料的输运、周转和储存过程提出了新的挑战，同时也对油料储运工程安全防护能力建设提出了更高要求。

为了预防此类安全事故，提高油料储运安全防护能力，阻隔防抑爆材料被大量研究。阻隔防抑爆材料是具有特殊的阻燃、抑爆、抗冲击和防静电等性能的金属或非金属材料，既可以应用于防爆，又可以用来抑爆，它的功能性质取决于所处的应用场所，非常具有应用和研究价值。

早在20世纪60年代，美国、加拿大等国就开始了阻隔防抑爆材料的研究。为了减少各类用油装备的油箱发生火灾爆炸事故，在油箱中填充网状金属材料，最常见的是网状铝合金材料^[2]。最初主要在军事上应用，经过大量试验，美军于1982年颁布了用于飞机燃油箱防爆的网状铝合金防护材料的美国军用规范MIL-B-87162^[3]。我国民用方面也有多家公司研究和生产铝合金抑爆材料。

非金属防抑爆技术常用聚酯或聚醚作为防抑爆材料，在高分子抑爆材料领域，美国研制的高分子抑爆材料在武器装备上已经大量应用，并制定了军用标准，现已更新到第三代抑爆材料。俄罗斯研制的材料与美国第一代抑爆材料相当，并制定了俄标，一直沿用至今。

国内高分子抑爆材料的研制起步较晚。20世纪90年代，由引进俄装备所带动，开展了聚酯型抑爆材料的国产化研究工作。田宏^[4]等对燃油箱填充用防火抑爆网状泡沫材料进行了研究，曲芳^[5]等进行了填充俄制网状聚氨酯泡沫油箱的燃油冲刷静电试验研究，蒋新生^[6]等、谢威^[7]等对中尺度受限空间和狭长受限空间内网状材料抑制油气爆炸进行了研究。

目前国内正在研发一种新型具有薄壁骨架结构的球形非金属阻隔防爆材料，相较网状金属材料和网状聚氨酯，球状外形对各种管线、异型油箱的装填更加容易并且方便清洗。周友杰^[8]等对铝合金、聚氨酯泡沫、球形非金属等3大类阻隔防爆材料的基本性能进行了测试，认为球形非金属抑爆材料可以安全地在油箱油罐中填充使用。鲁长波^[9]等对不同起爆能量的激波管、等效静爆试验和30 mm 杀爆燃弹炮击试验模拟实际应用中球形阻隔抑爆材料的防爆性能。但是现有研究一般都针对油箱类的密闭空间，对于中尺度的储油密闭空间球形非金属阻隔防爆的性能研究较少。因此，本文以92#汽油蒸气为介质，对比空爆和抑爆条件下的超压和火焰传播情况，研究了球形抑爆材料对中尺度密闭空间油气爆炸的抑制作用，为该材料的应用提供试验和理论依据。

1 试验

1.1 试验系统

试验系统主要包括试验台架、测试系统（HC体积分数测试系统、瞬态数据采集系统、压力传感器、火焰强度传感器）以及辅助系统（油气雾化系统、高能无干扰点火器）。

1.1.1 试验台架

搭建F700 mm×3 300 mm的中尺度圆形密闭管道试验台架，管道壁厚为10 mm，可耐压6 MPa。一侧设置为点火端，另一侧为用铁丝网架装填球形抑爆材料的抑爆段，P1、P2、P3、P4为4个压力测点，其间隔为650 mm，F1、F2、F3、F4为4个火焰强度测点，其间隔为650 mm，如图1所示。

1.1.2 测试系统

試验初始油气体积分数的测量采用北京均方理化科技研究所生产的GXH-1050分析仪。压力传感器采用宝鸡秦明传感器有限公司生产的CYG1163型扩散硅高频动态压力传感器，用其对爆炸超压进行测量;火焰传感器选用CKG100光电型火焰传感器，其能准确地测量火焰强度变化以及火焰持续时间。动态数据采集系统采用江苏东华测试技术有限公司生产的DH8301型高性能动态信号测试分析系统，压力与火焰传感器均连接至该系统。

1.1.3 辅助系统

配气循环单元采用油气雾化装置与2X-8旋片式真空泵组成循环配气系统。

高能无干扰点火单元采用成都新辰光电研究所生产的WGDH-5型高能无干扰点火器，点火能量设置为与实际油气爆炸事故点火源能量相近的1.5 J。

1.2 材料及测试依据

1.2.1 材料

单个球形抑爆材料的相关参数如下。

体积：平均约1.111×10³mm³;

重量：平均约1.836 5 g;

材料密度：约1 653 kg·m^-3;

体积质量：438.431 kg·m^-3;

孔隙率：约73.5%。

其单个球形抑爆材料的形状如图2所示。

将球形抑爆材料塞满提前加工好的3 m长的金属网架组成抑爆段，约27.6万个球形抑爆材料。球形抑爆材料在网架内部的朝向完全是任意的，无规律可循。

1.2.2 测试依据

（1）《道路运输车辆油箱及液体燃料运输罐体阻隔防爆安全技术要求》（JT/T 1406-2016）^[10];

（2）《油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用规范》（GJB 8455-2015）^[11]。

1.3 方案

试验设定初始油气体积分数为1.81%，点火能量为1.5 J。填充材料为塑料球形抑爆材料，装入3 m长的铁丝网架中，其留空率为3.2%，满足AQ 3001—2005^[12]指标要求。

3个试验分别为燃爆试验、金属网架燃爆试验、爆炸抑制试验。为了保证单一变量，在同样的试验条件下，做了单独针对金属网架的爆燃试验，减小网架对抑爆试验数据的影响。为了保证试验的可重复性，抑爆试验做3组，记为a、b、c组。

试验时，首先配制油气体积分数为1.81%的预混气体。雾化后的汽油经油气循环系统进入试验管道，当油气浓度达到试验浓度时，关闭雾化装置停止供油，继续循环10 min使气体充分混合均匀，然后静置2 min。当各测点的油气浓度差保持在0.3%以内视为试验管道中的油气混合均匀，可以进行试验。

1.3.1 爆燃试验

（1）按照图1进行油气燃爆试验布置，点火位置在左侧法兰端盖中心;

（2）利用真空泵往密闭管道中喷入油气，使油气体积分数达到1.9%～2.0%范围，并静置30 min;

（3）关闭管道各个阀门，点火并通过数据采集系统采集压力及火焰参数;

（4）在数据采集完毕储存好之后，等待安全等候时间，再打开阀门进行排除尾气操作。

1.3.2 金属网架爆燃试验

文献^[13-14]表明金属丝网对火焰也有一定的淬息作用，对爆炸产生的压力也有一定的影响^[15-16]，故针对金属网架对爆炸的影响进行了研究，采用在只填充金属网架的工况下进行了爆炸试验。将金属网架从右端填入管道，安装好法兰盖，其余操作步骤同爆燃试验。

1.3.3 爆炸抑制试验

在完成好油气燃爆试验和金属网架燃爆试验后，将金属网架直立，然后往其内部加入球形抑爆材料直至装满，末端用金属端盖封装，如图3。

从右端往管道内填充金属网架，图4为填充过程，安装好法兰端盖，其后步骤同燃爆试验，得到3组数据。

2 结果与分析

2.1 爆炸压力结果对比与分析

2.1.1 对比

对DHDAS动态信号采集分析系统采集的压力数据进行处理和分析，得到了整个爆炸过程中压力随时间的变化过程曲线图，如图5、图6。

2.1.2 爆炸压力结果分析

从图5中可以看出，空爆试验和金属网架爆炸试验中P1、P2、P3、P4号压力的时变趋势较为一致，大致可分为爆炸升压、湍流加强、爆炸衰减3个阶段，加强到燃烧结束时超压达到最大值。对比图6，4个测点的超压值大大减小，可以认为球形抑爆材料对爆炸压力波具有抑制作用。因为材料本身具有一定弹性，而且网格结构也对压力波和振动有一定抑制作用。在图6（c）中，P3、P4压力测点最大压力值明显升高，推测是在燃烧进行到管道末端时压力波震荡加剧，并影响到P3，但由于球形抑爆材料对压力波的抑制作用并未传回P1、P2。

从得到的数据可以看出，该密闭试验管道的最大燃爆超压值约585.75 kPa，只填充金属网架时的最大爆炸超压为537.2 kPa，下降了8.29%，说明金属网架对爆炸存在抑制作用，但是对本次试验结果影响不大。而加入球形抑爆材料之后，前两组试验的平均最大超压值为124.115 kPa，平均约下降了78.81%，抑爆效果较好。但是，第3组抑爆试验的最大超压出现在P4，且达到了309.15 kPa，远大于前3个测量点（P1、P2、P3）的最大超压，按规范抑爆成功最大超压应低于140 kPa。

为了分析第3次抑爆试验超压大于140 kPa的具体原因，将试验装置进行拆解分析，如图8。

其原因一方面可能是随着试验次数的增加，部分球形抑爆材料由于受到多次强冲击作用而出现了结构性失稳，如图9;另一方面可能是爆炸使得金属网架的密封端出现了断裂，增加了末端的燃烧空间，如图8。

2.2 爆炸火焰结果对比与分析

2.2.1 对比

空爆及金属网架爆炸火焰强度见图10。

3组抑爆试验的火焰强度见图11。

2.2.2 分析

图10、图11中，均用电压值代替火焰强度。图10可以看出，添加金属网架后火焰强度有所减小，这说明金属网架对火焰也有抑制作用，不可完全忽略。对比图11，火焰持续时间大大缩短，且a、b两组F4测点火焰强度降低明显;c组中F3、F4测点火焰强度值较高，与空爆最大火焰強度值相当。

由数据可以看出，金属网架对火焰的确存在抑制作用，通过金属网的火焰强度大幅降低，而后又逐渐上升，最终约为空爆的54.8%;球形抑爆材料虽然没有完全阻止火焰的通过，但是火焰的持续时间极短，缩短了70.13%，抑爆成功的情况下，末端的火焰强度很小，约为空爆最大火焰强度值的18.39%。

3 结论

按照《道路运输车辆油箱及液体燃料运输罐体阻隔防爆安全技术要求》（JT/T 1406-2016）和《油箱油罐填充用阻隔防爆材料通用规范》（GJB 8455-2015）的基本试验要求，对填装有球形抑爆材料的密闭空间在介质为92#汽油的条件下，进行了爆炸抑制对比试验，结果表明：

1）加入金属网架对球形抑爆材料抑制爆炸的影响不大，不影响最终结果的评判;