细水雾协同滑动装置对甲烷/空气预混气体爆炸特性的影响

段玉龙，李元兵，杨燕铃，龙凤英，俞树威，黄 俊，卜云兵

（重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331）

甲烷通常存在于矿山、石化、建筑等行业，具有易燃易爆、燃烧热值高等特点。甲烷一旦发生燃烧爆炸，产生的冲击波和火焰辐射将对周围建筑物和人员造成不可逆转的后果[1]。因此，对甲烷爆炸抑制技术和方法的研究具有重要意义。

水具有良好的灭火、阻爆功能，因其清洁、经济、高效的特点，在各领域被推广应用。为更好地提升水的阻隔抑爆效率，通常将其雾滴化，常见的雾化方式为超声波雾化和压力雾化[2]。陆守香等[3]认为，细水雾抑制爆炸火焰的效果受水雾浓度、雾通量及火焰到达水雾区域时的传播速度等因素影响。Wingerden[4]发现粒径为20～200 μm 的细水雾对燃气爆炸的抑制效果最佳。Medvedev 等[5]发现雾滴粒径越小，抑制作用越好。张鹏鹏[6]发现超细水雾量充足时抑爆效果较好。随着对细水雾研究的深入，学者们开始研究细水雾与其他物质的协同抑爆作用。Yu 等[7]、余明高等[8-9]在细水雾基础上分别添加荷电和N2，用以探讨两者协同作用下对甲烷爆炸的抑制效果，实验结果表明，协同作用下抑制效果较普通细水雾更强。裴蓓等[10]研究了CO2-双流体细水雾协同作用对管道甲烷爆炸的抑制作用，当CO2增压至0.4 MPa，喷雾时间大于3 s 时，无法引爆气体。贾海林等[11-12]通过在超细水雾中分别添加NaCl、MgCl2和NaHCO3，探讨其协同作用对可燃气体的抑制作用，结果表明，NaCl 超细水雾对火焰的抑制和超压的衰减作用优于MgCl2和NaHCO3。迄今为止，关于滑动装置方面的研究较少，Duan 等[13]通过自主研制的滑动气密装置探究了甲烷爆炸特征，结果表明，滑动气密装置能在约束火焰燃烧范围的同时降低未燃区域爆炸超压。

本工作在结合细水雾抑制甲烷爆炸研究的基础上，探究细水雾协同滑动装置对甲烷爆炸火焰的焠熄和超压的衰减作用，为预防、抑制管道内可燃气体爆炸提供新的思路和理论依据。

1 实验装置

如图1 所示，实验系统包含配气系统、爆炸管道、点火系统、图像采集系统和压力采集系统。甲烷和空气分别通过气体流量计进入爆炸实验管道，经排气孔排出（实验采取四倍体积排空法）。爆炸实验管道为长方体透明有机玻璃管道，横截面尺寸为10 cm × 10 cm，长100 cm，水平放置（矩形管和圆形管中气体爆炸火焰的变化特征相同[14]）。自制点火系统由点火头、12 V 高频脉冲点火器和点火开关组成。泄爆口位于管道右端上部，使用PVC 薄膜密封[15]。摄像系统由高速摄像机和电脑组成，采样频率为4 000 s-1。压力采集系统由2 个压力传感器和PCB 压力数据采集仪组成，自动触发采集（频率为50 kHz，时长为600 ms）。滑动装置由尺寸为10 cm × 10 cm × 1 cm 的高强度轻质碳板、LED 灯和线径为1.5 mm、弹性系数为0.42 N/mm 的弹簧组成，压力传感器位置如表1 所示。

图1 爆炸实验系统Fig. 1 Experimental system

表1 压力传感器位置Table 1 Distribution of pressure sensors along the pipeline

喷雾采用压力雾化方式，喷雾系统包括双流体喷头[10]、水槽和空气压缩机。细水雾喷头安装于距点火源33 cm 处，喷雾压力0.1 MPa，喷雾角度为105°，流量为0.108 L/min。实验中甲烷的体积分数（ φ）分别为7.5%、9.5%和11.5%，为避免实验误差，每种工况重复实验3 次，实验工况如表2 所示。

表2 实验工况Table 2 Experimental conditions

2 实验结果与分析

2.1 超 压

图2 和图3 为甲烷预混气体爆炸后沿路径的两测量点P1、P2所测的动态超压数据。由P1、P2所测数据可知，无细水雾时，当甲烷的体积分数为9.5%时滑动装置对未燃区域压力具有衰减作用，甲烷体积分数为7.5%和11.5%时装置两侧超压峰值相等。添加细水雾后，当甲烷体积分数为7.5%时超压衰减最大，下降幅度为38.67%；甲烷体积分数为9.5%和11.5%时超压分别衰减37.33%和26.32%（见表3）。

图2 滑动装置作用下甲烷爆炸超压变化Fig. 2 Overpressure changes of methane explosion under the action of sliding device

图3 细水雾协同滑动装置作用下甲烷爆炸超压变化Fig. 3 Overpressure changes of methane explosion under the action of water mist and sliding device

表3 细水雾作用下P1 和 P2 测量点处压力Table 3 Pressure at P1 and P2 measuring points under the action of water mist

图4 为相同测量点添加细水雾后压力峰值与无细水雾时的对比。添加细水雾后，燃烧区（P1处）超压峰值无明显增加，甲烷体积分数为9.5%和11.5%时略有下降。细水雾破坏指形火焰结构，火焰湍流加剧，但受装置约束作用，火焰湍流燃烧范围较小，且装置反向压缩，并在细水雾协同作用下火焰加速焠熄，致使燃烧区域超压并未大幅增加。对P2测量点压力峰值进行分析。添加细水雾后，当甲烷体积分数为7.5%时，压力峰值下降4.8 kPa，降幅34.29%；甲烷体积分数为9.5%时，压力峰值下降4.0 kPa，降幅22.22%；甲烷体积分数为11.5%时，压力峰值下降7.6 kPa，降幅44.71%。

图4 添加细水雾与无细水雾工况下压力对比Fig. 4 Pressure comparison chart between water mist added and no water mist

分析压力数据可知，添加细水雾工况下燃烧区内（P1）压力峰值无明显降低，未燃区内（P2）压力峰值有明显衰减，说明细水雾可以增加装置与管道的密封性，有效降低未燃区超压峰值。

2.2 火焰前锋

图5 和图6 为无细水雾和添加细水雾后两种不同条件下火焰前锋传播示意图。从图5 和图6 可以看出，各工况下甲烷爆炸火焰均可熄灭，但火焰焠熄时间和效果有所差异。

图5 滑动装置存在下火焰前锋传播示意图Fig. 5 Schematic diagram of flame front propagation in the presence of a sliding device

图6 添加细水雾工况下火焰前锋传播示意图Fig. 6 Schematic diagram of flame front propagation under the condition of adding water mist

无细水雾条件下，爆炸火焰历经球形、指形、平板、郁金香等阶段演变，甲烷体积分数为9.5%时各阶段火焰形状发育最完整（见图5(b)）。爆炸火焰在郁金香燃烧阶段时，火焰上下唇瓣首先与装置接触，部分火焰裙边受装置作用发生焠熄。火焰继续发展，逐渐形成无固定形态燃烧，受装置阻挡，在装置处再次形成平板火焰。随着燃烧强度的降低，装置发生反弹并压缩火焰，此时火焰在装置处形成“月牙形”。添加细水雾条件下，在火焰指形形态向前传播至细水雾喷头处（距点火源33 cm），细水雾开始作用。喷射雾滴破坏指形火焰结构，扰乱火焰发展形态，加速火焰向前传播。喷头安装至管道上方，上层火焰受到扰乱，因而火焰上层传播速度略快于下层。

滑动装置的压缩可有效避免装置刚性受力，保护装置的同时降低燃烧区超压峰值；装置反向压缩迫使火焰在装置处产生大量碰壁效应，加速火焰焠熄。添加细水雾后，压缩火焰受碰壁效应影响的同时，还受水雾作用，火焰焠熄所需时间更短（见图6、图7）。

图7 展示了不同工况下爆炸火焰的焠熄时间。由图7 可知，无细水雾工况中，甲烷体积分数为11.5%时，火焰持续时间最长，为232.75 ms；添加细水雾后，其火焰焠熄时间缩短至163.75 ms，降幅为29.65%。甲烷体积分数为9.5%时，火焰持续时间由184.25 ms 缩短至146.00 ms，降幅为20.76%。甲烷体积分数为7.5%时，添加细水雾对火焰焠熄效果并不明显，仅缩短3.50 ms。细水雾存在条件下甲烷体积分数为11.5%时的爆炸火焰焠熄效果最优，9.5%次之，7.5%最差。

图7 火焰焠熄时间Fig. 7 Flame quenching time

图8 为火焰前锋传播速度和装置滑移速度变化曲线。由图8 可以看出，各工况下火焰传播均出现两次峰值。无细水雾时，速度峰值“1”出现于火焰指形加速传播时期。随后火焰向平板形态转变，燃烧面积减小，燃烧强度降低，速度下降。速度峰值“2”出现于郁金香时期，此时未燃区压力释放，造成燃烧区泄压，促使火焰加速向前传播，由于泄爆口置于管道上部，故火焰上唇传播较快（见图5）。添加细水雾后，速度峰值“1”为指形火焰加速期。速度峰值“2”是由于喷射水雾打破火焰传播形态，火焰湍流加剧所形成的（见图6）。

图8 火焰前锋传播速度和滑动装置滑移速度Fig. 8 Propagation velocity of flame front and sliding velocity of sliding device

分析图8 可知，添加细水雾后，爆炸火焰传播速度均有所提升，其中甲烷体积分数为11.5%时上升幅度最大，由无细水雾时的7.2 m/s 上升至11.7 m/s，升幅62.50%；7.5%次之，由5.9 m/s 上升至7.1 m/s，升幅20.34%；9.5%时由11.5 m/s 上升至12.3 m/s，升幅6.96%。

细水雾作用下装置滑移速度有所提升，添加细水雾后装置滑移速度上升幅度为甲烷体积分数7.5% 时最大，11.5% 时次之，9.5% 时最小。且装置反弹速度均增大，其中甲烷体积分数为9.5% 和11.5%时装置反弹过程中速度增加最大，分别由无细水雾时的4.6 m/s 增加至7.9 m/s；2.9 m/s 增加至7.9 m/s（见图8(b)、图8(c)），此时火焰焠熄所需时间明显缩短（见图7），这是细水雾加速爆炸火焰焠熄的关键。

3 结 论

（1）从超压特性分析：无细水雾条件下，滑动装置对未燃区（P2）超压无明显衰减作用；细水雾协同作用下燃烧区（P1）超压峰值无明显增加，但其对未燃区（P2）超压峰值有明显衰减作用，超压峰值较无细水雾时分别下降34.29%、22.22%和44.71%。

（2）从火焰传播结构分析：装置对火焰传播具有约束作用，装置反弹过程增加碰壁效应现象。细水雾滴对火焰形态有冲毁作用，加速火焰结构变化。火焰接触装置后被阻挡，随后被装置反向压缩至细水雾作用范围，加速火焰焠熄，甲烷体积分数为7.5%、9.5%和11.5%时的火焰焠熄所需时间分别缩短3.50、38.25 和69.00 ms。装置反向压缩过程中火焰在装置处呈“月牙”形态。

（3）从火焰、装置速度分析：添加细水雾后，两者速度均有明显提升；甲烷体积分数为11.5%时火焰传播速度上升最大，上升62.50%；甲烷体积分数为7.5%时装置滑移速度上升最大，上升83.87%；甲烷体积分数为9.5%和11.5%时装置反弹速度最大，火焰焠熄所需时间缩短最明显。

（4）细水雾协同滑动装置对甲烷爆炸抑制和扑灭作用优于单独的滑动装置，可将爆炸超压有效控制在燃烧区内，降低未燃区超压峰值，能进一步减少二次火灾爆炸的可能性。