含弱约束端面直角管道汽油蒸气爆炸及七氟丙烷抑爆研究*

王子拓，蒋新生，蔡运雄，余彬彬，王春辉

(陆军勤务学院，重庆 401311)

0 引言

近年来，国内外油库安全事故频发，经统计分析发现，往往在洞库坑道、管道、管路系统等受限空间中易发生可燃气体爆炸事故[1-2]，在受限空间中初始的爆炸可能会经历DDT过程发展成为爆轰，造成人员财产的重大损失。

国内外学者针对单一可燃气体[3-6]受限空间爆炸进行大量研究，取得一定成果，但是单一可燃气体爆炸规律不能完全揭示汽油蒸气等多组分可燃混合物的爆炸规律。针对可燃气体爆炸抑制的实验研究，超细粉体[7-8]、细水雾[9-10]和多孔网状材料[11-12]成为常用的抑爆介质，通过实验对比均取得较好的抑爆效果。由于洞库坑道、管路系统中汽油蒸气爆炸抑制需要洁净、无污染的抑爆介质，否则会造成管路堵塞，甚至污染油品，因此抑爆气体是更佳的选择。罗振敏等[13]开展N2和CO2对LPG爆炸影响的实验，结果显示N2和CO2均会缩小LPG的爆炸极限，且CO2比N2效果更好。七氟丙烷作为1种气体抑爆介质已在消防领域取得不错的应用，但是在洞库管路系统等实际工况下的应用较少，鉴于洞库安全防护的迫切需求，本文采用主动式抑爆装置对直角管道汽油蒸气爆炸进行抑制，对比是否填充七氟丙烷条件下爆炸特性参数，为洞库管路系统安全防护实际应用提供理论和技术支持。

1 实验系统和方案

1.1 实验系统

依托于洞库管路系统搭建直角形管道实验台架，由2段长4.8 m，2段长2.5 m和2段长2.45 m的钢制管道以及4个三通和1个弯头组成，内径150 mm，壁厚5 mm，耐压6 MPa。由于直角管道内形成的狭长受限空间会加速燃烧爆炸的发展，使得最初的爆燃发展成为爆轰，为了实验的安全，在管道另一端用铝箔纸进行封口，当压力达到一定泄爆压力时，冲破铝箔纸起到泄压作用。每段管道一侧和末端均有螺纹孔，可以安装压力传感器、火焰传感器。每段管道两端均装有球阀，用于连接汽油蒸气循环管路。测试仪器选用北京均方理化科技研究所生产的GXH-1050红外线分析器，测量线性误差不大于2% FS、重复性误差不大于1%；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，量程为5 MPa；火焰传感器采用成都泰斯特公司研制生产的CKG100光电型火焰传感器，压力传感器、火焰传感器和点火系统的安装位置均在图1中进行标示，Ai(i=1,2,3,4)为i号火焰传感器，Bi(i=1,2,3,4,5,6)为i号压力传感器，Ci(i=1,2)为i号汽油蒸气浓度测试接口,其中，A1，B1，A2，B2，C1，B3分别距点火端0.5，1，4.2，4.7，6.7，8.75 m；B4，C2，A3，B5，A4，B6分别距泄压端8.75，8.25，7.75，4.7，4.1，1 m。动态数据采集系统选用东华测试技术股份有限公司DH8301型动态信号测试分析系统，配套操作软件为DHDAS软件，其瞬态采样频率从10 Hz到3 MHz多种档位可供选择，实验中选择20 kHz。在另一端口采用TVC-GC-P100BAC型高速摄影仪记录爆炸过程中管道端口破裂时的火焰图形，其采样频率从1 FPS到500 FPS多种档位可供选择，本实验选用500 FPS。点火系统采用成都新辰光电研究所WGDH-5型高能无干扰点火器，其原理为输入的交流电，通过升压整流变换成直流脉动电流，对贮能电容充电，当电容器充满电时，放电电流传输至点火杆半导体电嘴，形成高能电弧火花，电火花提供汽油蒸气爆炸初始能量，点火位置在左侧法兰端盖中心，点火能量为1.5 J。

图1 实验系统示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

七氟丙烷提前充入主动式抑爆装置，从点火端起第1个，第2个三通口安装抑爆装置的火焰传感器，第4个三通口安装主动式抑爆装置，直角管道另一端用铝箔纸封口，搭建的实验系统如图1所示。

1.2 抑爆装置

主动式抑爆装置包括高压储气瓶、电子触发器、引线、喷嘴、连接法兰、保护罩、压力表、铭牌和火焰传感器，抑爆器通过法兰与直角管道连接。高压储气瓶上安装有压力表，可以实时观察瓶内的压力值。电子触发器的最小触发电压为5 V，通过调节连接杆，使喷嘴对爆炸火焰进行轴向喷射，可以最大限度地增大喷射面积，抑爆介质填充七氟丙烷。整个抑爆过程在10 ms左右，可在火焰到达主动式抑爆装置前喷射出抑爆介质，主动式抑爆装置示意如图2所示。

图2 主动式抑爆装置示意Fig.2 Schematic diagram of active explosion suppression device

1.3 实验方案

现有研究结果表明，狭长受限空间汽油蒸气爆炸实验[14]中，使得爆炸特性参数达到最大的汽油蒸气体积分数在1.5%～1.7%之间，故实验选取汽油蒸气体积分数为1.3%，1.5%和1.7%，为验证分析七氟丙烷的抑爆效果，在3种汽油蒸气浓度下分别开展空爆实验和七氟丙烷抑爆实验，为保证实验的可靠性，每组实验进行5次。

具体实验步骤如下：首先按照要求连接线路，并检查可行性，然后向汽油蒸气循环系统装置内添加适量的92号汽油，在真空泵的驱动下，使汽油蒸气通过管路进入直角管道并在管路中不断循环，随后用HC浓度测试仪检测管道两端和拐角处的汽油蒸气体积分数，若这3个点处汽油蒸气体积分数相差小于0.3%，则认为管道内汽油蒸气循环均匀。最后关闭汽油蒸气循环管路进出口阀门，利用点火器在管道端口点火，通过动态数据采集系统对爆炸特性参数进行采集。空爆实验时，将安装主动式抑爆装置及其火焰传感器的三通端口用法兰密闭连接，其余步骤相同。先进行空爆实验，后进行七氟丙烷抑爆实验。

2 实验结果与讨论

2.1 汽油蒸气爆炸变化规律

不同汽油蒸气体积分数下爆炸超压值变化曲线如图3所示，随着汽油蒸气初始体积分数的增加，直角管道沿线B5测点最大爆炸超压值呈现先增大后减小的趋势，由于在直角管道末端采用铝箔纸封口，以达到末端泄压的目的，故管道初始阶段的最大爆炸超压要小于密闭直角管道，升压反应时间滞后于密闭直角管道，点火延迟时间更长[15]。

图3 不同汽油蒸气体积分数下爆炸超压值变化曲线Fig.3 Variation curves of explosion overpressure under different gasoline vapor volume fractions

不同初始汽油蒸气体积分数爆炸超压参数见表1，随着初始汽油蒸气体积分数的增大，爆炸发展速度加快。这是因为初始汽油蒸气体积分数比较低时，汽油蒸气与空气混合气体属于贫燃料混合物，爆炸释放的能量主要取决于汽油蒸气空气混合物中的汽油蒸气体积分数;随着初始汽油蒸气体积分数的增加，汽油蒸气和氧气比例逐步升高，汽油蒸气与空气逐步反应完全，当汽油蒸气与空气达到化学当量比时，汽油蒸气和氧气几乎全部耗尽，释放能量最大;通过对比直角管道沿线6个爆炸超压测点，发现B2较B1测点爆炸超压有明显下降趋势，这是因为点火后点火端处汽油蒸气空气混合物燃烧产生的燃烧波，促使直角管道中压力和温度迅速升高，燃烧波与压力波迅速向后传播，推动汽油蒸气空气混合物向管道后面移动，降低了管道前段部分汽油蒸气体积分数，增大了燃烧接触的距离，所以单位体积里爆炸产生的能量减少，最大爆炸超压出现下降趋势。

表1 不同初始汽油蒸气体积分数爆炸压力参数Table 1 Explosion pressure parameters under different initial gasoline vapor volume fractions

不同初始汽油蒸气体积分数爆炸火焰参数见表2，低初始汽油蒸气体积分数下，汽油蒸气与空气混合气体属于贫燃料混合物，燃烧速率低，产生的爆炸超压和火焰强度小，火焰持续时间长。当初始汽油蒸气体积分数升高后，汽油蒸气与空气混合物反应速率加快，燃烧速率增大，加之狭长受限空间内发生DDT过程，使得火焰传播速度急剧加大。这与图3中的爆炸超压趋势相似，可以明显看出火焰与压力之间的相互作用。

表2 不同初始汽油蒸气体积分数爆炸火焰参数Table 2 Explosion flame parameters under different initial gasoline vapor volume fractions

2.2 七氟丙烷对爆炸超压的影响

不同工况下爆炸超压值变化曲线如图4所示，不同汽油蒸气体积分数下B5号传感器所测爆炸超压值变化趋势相同。不同工况下爆炸压力参数见表3，1.3%汽油蒸气体积分数下，喷入抑爆介质相比未抑爆时爆炸超压下降91.06%。1.5%汽油蒸气体积分数下，喷入抑爆介质相比未抑爆时爆炸超压下降34.57%。1.7%汽油蒸气体积分数下，喷入抑爆介质相比未抑爆时爆炸超压下降50.92%。

图4 不同工况下爆炸超压值变化曲线Fig.4 Variation curves of explosion overpressure under different working conditions

爆炸超压值的降低是由于爆炸火焰被抑爆介质扑灭，化学反应不能持续进行。当液态七氟丙烷喷入管道后迅速汽化吸热，进而降低燃烧反应的活性，从而降低反应进行的速率；同时体积迅速膨胀，降低了管道内汽油蒸气和氧气体积分数，使得汽油蒸气分子与氧气分子作用的机会减少，根据分子碰撞理论，汽油蒸气分子与活化分子碰撞的概率降低，使得链式反应中断，达到抑制爆炸燃烧反应的进行。

2.3 七氟丙烷对火焰的影响

1.7%初始汽油蒸气体积分数下A4测点火焰传感器记录的有无七氟丙烷抑爆情况下的火焰强度变化曲线如图5所示。

表3 不同工况下爆炸压力参数Table 3 Explosion pressure parameters under different working conditions

图5 1.7%汽油蒸气体积分数火焰强度变化情况Fig.5 Variation of flame intensity of 1.7% gasoline vapor volume fraction

高速摄影仪拍摄的爆炸过程中管道端口破裂时的部分图片如图6所示。由图6(a)～(b)可知，铝箔纸在爆炸压力波的作用下破裂，随后火焰开始喷出，刚开始火焰喷出端口时呈亮白色，此时氧气充足燃烧充分；随后火焰继续喷射，由亮白色变为橘红色，此时氧气出现局部不足，汽油蒸气未能完全燃烧。由图6(b)可知，最先破裂的铝箔纸被高速高压的爆炸压力波冲击并粉碎，整个过程耗时90 ms，由此可见狭长受限空间中汽油蒸气爆炸在爆燃转化为爆轰后的爆炸压力值极大、火焰传播速度极快，具有极强的破坏力。

图6 部分高速摄影仪图片Fig.6 Some high-speed camera pictures

由图6(c)～(d)可知，铝箔纸在爆炸压力波的作用下破裂，随后未见火焰喷出。这是因为七氟丙烷的喷入大大延缓了火焰的传播，减弱了爆炸超压值，直至火焰被完全熄灭，由此可见，七氟丙烷有效抑制了爆炸燃烧反应的进行。

3 结论

1)未喷入七氟丙烷抑爆介质时，随着汽油蒸气体积分数由1.3%升高到1.5%，1.7%，爆炸强度随之增大，表现为爆炸特性参数的增强：最大爆炸超压由135.68 kPa增大为213.92 kPa，260.72 kPa，增幅达57.67%和92.16%，对应的火焰强度由471.72 mV增大到1019.38 mV，增幅为53.72%，对应的火焰传播速度由34.26 m/s增大到104.91 m/s，增幅为67.34%。

2)通过主动式抑爆装置喷入七氟丙烷抑爆介质时，爆炸超压峰值对比未抑爆时明显降低，分别下降91.06%，34.57%和50.92%。

3)通过主动式抑爆装置喷入七氟丙烷抑爆介质时，火焰强度对比未抑爆时明显降低，降幅达到99.83%，并且火焰传播速度几乎降为0，火焰持续时间随之缩短几乎为0。

4)实验现象和数据分析表明，七氟丙烷通过物理和化学抑制方法有效降低最大爆炸超压和火焰发展，对汽油蒸气爆炸抑制起到重要作用，为洞库管路系统阻隔防爆研究提供理论依据和实际参考，具有重要指导意义。