丝瓜络对甲烷/空气预混气体的阻火抑爆性能

2021-12-03贺云龙张玉铎袁必和陈先锋陈文涛杨满江陈公轻

高压物理学报 2021年6期

贺云龙，张玉铎，袁必和，陈先锋，陈文涛,2，杨满江，王馨，陈公轻

（1. 武汉理工大学安全科学与应急管理学院，湖北武汉 430070；2. 中国职业安全健康协会，北京 100011；3. 中国船舰研究设计中心，湖北武汉 430064）

作为重要能源及典型易燃易爆物质，甲烷在工业领域被广泛应用，然而其一旦发生爆炸可能会造成严重的经济损失和人员伤亡，因此研究甲烷爆炸抑制机理、研发高效的抑爆技术对保障工业安全生产具有重要意义。多孔材料因其内部复杂的网状结构而具有良好的阻火性能和吸波减振特性，因此被广泛应用于阻火防爆领域。多孔材料按照材质可分为金属和非金属多孔材料。国内外对于多孔材料阻火抑爆性能的研究主要集中于填充长度、填充位置和材料材质等因素对现有多孔材料阻火抑爆性能的影响，以及不同结构材料的抑爆性能，着重研发更加高效、低成本、装填灵活的新型多孔材料。陈鹏等[1]研究了金属丝网对甲烷-空气预混气体爆炸时的火焰淬熄和吸波减振效果，发现金属丝网一方面表现出障碍物加速效果，使其超压峰值增大，另一方面当丝网达到一定层数时会使火焰淬熄。程方明等[2]研究了多孔材料放置于不同位置时对爆炸火焰传播的影响，结果表明多孔材料作为障碍物增大了火焰传播速度与边缘长度，缩短了传播时间。崔洋洋等[3]研究了丝网结构对容器管道开口系统气体爆炸的影响，并通过数学模型进行拟合，发现随着丝网层数的增加，最大泄爆压力先增加后趋于稳定。Joo 等[4]对比泡沫陶瓷与陶瓷球的抑爆能力，发现在管道中填充陶瓷球的抑爆性能优于泡沫陶瓷。Wang 等[5]研究了多孔障碍物长度与阻塞率对甲烷-空气预混气体燃烧的影响，发现气体浓度一定时，火焰传播速度随多孔障碍物间距及阻塞率的变化表现出抑制和增强两种效果。Kitagawa 等[6]采用实验和数值模拟的方法研究了冲击波在聚氨酯泡沫中的衰减效应，发现与非固定泡沫相比，冲击波在固定泡沫中的动量损失所产生的冲击衰减效果更显著。邢志祥等[7]研究了以聚丙烯为基体的非金属多孔材料对管道超压的抑制效果，并对填充密度和留空率对管道超压的抑制关系进行了拟合，提出降低留空率、增加填充密度可有效改善材料的阻火抑爆性能。张新等[8]通过对材料母粒进行改性，制成聚丙烯阻隔抑爆材料，并对其阻火抑爆性能进行测试，指出材料材质是影响传热、吸波特性的主要因素。以上研究揭示了传统材料的缺陷，例如：传统金属材料的密度高、易氧化，氧化后阻爆性能明显下降；聚合物材料存在易燃、熔融物易黏附设备内壁、力学性能差等缺陷。以上缺陷极大地限制了多孔材料在抑爆领域的应用，迫切需要研发新型高性能多孔阻火抑爆材料。丝瓜络作为生物质材料，成本低廉，且其内部是由多层丝状纤维交织而成的网状结构，具有优良的力学性能，因此丝瓜络可能具有优异的阻火隔爆性能。

本研究以自主搭建的气体爆炸管道实验系统作为阻火隔爆测试平台，改变丝瓜络的填充长度和填充位置，引燃甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气体产生爆炸冲击波及火焰，根据火焰传播图像、最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和火焰传播速度等参数，探究丝瓜络在不同填充工况下的阻火隔爆性能，基于多孔淬熄效应和障碍物加压效应分析其作用机理，探究体现材料最佳阻火隔爆性能的搭配参数（填充长度、填充位置），为丝瓜络在阻火防爆领域的应用提供试验依据。

1 试验设备与方案

1.1 试验材料及爆炸介质

硬质丝瓜络表面呈黄白色，体轻质韧，如图1所示。硬质丝瓜络是由天然纤维交织而成的网状结构，具有孔隙率高、比表面积大、强度和韧性高等特点。将直径为60 mm，长度分别为5、8 和10 cm 的丝瓜络装填于不同填充位置的爆炸管道内，在20 J 点火能量下引爆甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气体，进行阻火抑爆试验。

图1 硬质天然丝瓜络Fig. 1 Rigid sponge of natural luffa

1.2 试验装置及流程

试验装置如图2 所示，主要包括：试验管道系统、配气系统（LFIX-2000 配气仪）、点火系统、高速摄像系统（10 000 帧每秒）、数据采集系统。试验管道由3 节长度2 m、内径60 mm、外径80 mm、壁厚10 mm 的圆形管道和一节长度0.5 m、截面内边长60 mm 的方形管道通过法兰连接而成。每节圆形管道上下各设置4 个螺栓孔，用于装配精密检测仪器。方形管道前后两侧设置2 块长度为0.4 m 的高强透明有机玻璃板作为可视窗，用于观察记录火焰传播图像。试验管道上装配了3 台压力传感器（CYG-508微型高压传感器），均布置于圆形管道的螺栓孔上，距起爆端距离分别为1.2、2.5 和6.3 m，管道尾部装有用于排出尾气的球阀。

图2 试验装置示意图Fig. 2 Schematic diagram of test device

试验流程如下：(1) 将各设备按照图2 所示进行连接并检查；(2) 依照试验方案将材料装填于管道指定位置；(3) 将管道抽至真空，并按预设配比充入甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气体；(4) 确保各系统处于正常准备状态后，通过控制端点火引发爆炸，对试验数据进行采集；(5) 打开尾部球阀，排出管内废气；(6) 重复试验（每组工况测试3 次，取其均值）。

1.3 试验方案

在点火能、预混气体配比等条件一定的情况下，最大爆炸压力和火焰传播速度是评价材料阻火抑爆性能的重要参数[5]。火焰传播速度为高速摄影仪下可视窗内火焰前锋在特定时刻的瞬时速度。按照上述试验流程完成试验，试验分组如下。

(1) 研究填充位置和填充长度对最大爆炸压力和火焰传播速度的影响。按照预先设计，对填充位置分别为A（距点火端1.9 m）、B（距点火端4.4 m），填充长度分别为5、8 和10 cm 的丝瓜络进行阻火防爆试验，记录管道爆炸压力和火焰传播速度。同时对同一位置不同长度、同一长度不同位置的阻火抑爆性能进行对比分析。

(2) 测定空管状态下的最大爆炸压力和火焰传播速度。将未填充材料时管道内预混气体爆炸的各项数据作为对照组，与填充丝瓜络的测试数据进行对比。

2 试验结果及讨论

2.1 抑爆性能分析

图3 和图4 分别给出了3 种不同长度的丝瓜络填充于位置A时，管道内3 个不同位置的压力传感器测得的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率。相对于空管道，位置A填充3 种不同尺寸的丝瓜络对甲烷最大爆炸压力与最大爆炸压力上升速率均有明显抑制作用。不同填充长度时的抑爆性能表现为：10 cm 最优，5 cm 次之，接着是8 cm，0 cm 最差。丝瓜络的抑爆作用主要体现在以下两方面。

图3 填充于位置A 时最大爆炸压力随填充长度的变化Fig. 3 Variation of maximum explosion pressure at filling position A with filling length

图4 填充于位置A 时最大爆炸压力上升速率随填充长度的变化Fig. 4 Variation of the maximum explosive pressure rising rate at filling position A with filling length

(1) 多孔材料的吸波减振作用。由于多孔材料内部复杂的孔道结构，当爆炸波进入孔道时与孔壁反复碰撞，导致爆炸波能量大幅度衰减，从而有效地降低了爆炸冲击波压力峰值。

(2) 多孔材料的障碍物加压作用。丝瓜络在管道中作为障碍物对爆炸冲击波形成反射，使火焰阵面变形，火焰在经过丝瓜络前后受反射波和高压气流的影响向两侧不断产生卷吸和褶皱，导致火焰传播结构发生扭曲，从而使大量未燃气体与高温燃烧气体混合，火焰传播由层流转变为湍流，同时障碍物场中火焰漩涡的交互作用增加了火焰阵面能量释放率，使压力快速上升，压力峰值增大，且随着丝瓜络填充长度的增加，其障碍物加压效果更为显著[9]。

因此，多孔材料对于管道气体爆炸产生双重作用。本研究的3 次平行试验结果均表明，丝瓜络填充长度为8 cm 时的最大爆炸压力与填充长度为5 cm 时的最大爆炸压力相差较小，此现象归结为：前者的障碍物加压和吸波减振作用均强于后者，但其填充长度的绝对差值较小，双重作用的综合效果是形成了一定的抵消效应，导致以上现象。

习近平立足中国特色社会主义现代化建设实际，放眼全球经济发展，直面发展带来的生态环境问题，提出了关于生态文明建设的重要论述，显示了坚持以人民为中心发展的使命感、对中国特色社会主义建设事业推进的责任感和对全球生态问题关注的危机感，具有重要的历史地位和深远的时代价值。

通过比较不同测点的抑爆效果，发现测点1 所测得的抑爆效果最显著。相对于无填充状态，在位置A分别装填长度为5、8 和10 cm 的丝瓜络时，最大爆炸压力分别下降68.67%、67.88%和73.90%，最大爆炸压力上升速率分别下降65.21%、36.79%和71.72%。

将3 种不同长度的丝瓜络填充于位置B时的爆炸压力数据进行处理，绘制如图5、图6 所示的爆炸压力变化图。

图5 填充于位置B 时最大爆炸压力随填充长度的变化Fig. 5 Variation of maximum explosion pressure at filling position B with filling length

图6 填充于位置B 时填充管道最大爆炸压力上升速率随填充长度的变化Fig. 6 Variation of the maximum explosive pressure rising rate at filling position B with filling length

相对于无填充状态，位置B填充3 种不同尺寸的丝瓜络对最高爆炸压力和最高爆炸压力上升速率均有抑制作用，但具体抑爆效果明显劣于填充在位置A处。具体表现在以下3 个方面。

(1) 丝瓜络填充于位置B处时，测点1 测得的抑爆效果明显弱于填充在位置A处时。主要原因在于：封闭管道中特定位置的爆炸压力主要与压力波的波动频率、气流振荡和压力波反射叠加有关，波幅则主要与正向压力波和反射压力波的叠加效果有关[10]。爆炸能量在传播过程中处于不断发展提升的状态，填充位置B与测点1 及点火端的距离均大于位置A，爆炸冲击波传至位置B时已经得到充分发展，经丝瓜络后，一部分被阻隔吸收，另一部分又经反射传向管道前端形成叠加效应，导致填充于位置B时，测点1 的爆炸压力值大于填充于位置A工况条件。

(2) 丝瓜络填充于位置B时，测点2 测得的抑爆效果明显弱于填充于位置A时。主要原因在于：丝瓜络填充于位置A时距离点火端较近，抑制了爆炸冲击波的发展，而丝瓜络填充于位置B时，测点2 的状态与测点1 类似，导致测点2 所测抑爆效果明显弱于丝瓜络填充于位置A时。

(3) 材料填充长度分别为8 和10 cm 时，丝瓜络于测点2、测点3 的压力上升速率近似，最大爆炸压力上升速率分别下降了32.62%、34.70%。其主要原因在于燃烧火焰和爆炸波在传至位置B的过程中由于湍流、管道温度等因素的影响发展壮大，导致长度相差较小的两种材料对于爆炸的抑制效果近似。

2.2 阻火性能分析

2.2.1 火焰传播图像分析

对高速摄影仪拍摄的可视窗口内的火焰传播图像进行处理，发现将3 种不同长度的丝瓜络分别填充于位置A时，可视窗内没有观察到火焰传播过程，即火焰未能穿过丝瓜络进行传播，说明3 种长度的丝瓜络于位置A填充时均达到了阻火效果。将材料填充于位置B时，可视窗口均观察到了明显的火焰传播过程，以可视窗内开始出现火焰为时间起点，分别截取相同时间间隔内4 种工况下的火焰图像如图7 所示。

图7 不同长度丝瓜络作用下的火焰传播图像Fig. 7 Flame propagation images with different filling lengths of luffa sponge

通过对比空管状态与填充状态的火焰图像可以发现，相比空管状态，填充状态下火焰的亮度明显变暗，火焰锋面出现褶皱，且随着材料填充长度的增加，这种现象变得更明显，在材料填充长度为10 cm 时出现显著的火焰离散现象。其原因在于：湍流增加了预混气体的浓度，加快了爆炸压力上升速率，导致管道内气体剧烈燃烧，此时的火焰稳定、明亮；由于无障碍物阻隔，传至管道末端反射回来的爆炸波对火焰锋面产生干扰，导致空管状态下火焰锋面更规整[1]。在填充丝瓜络后，丝瓜络对火焰起到一定的分散作用，导致火焰亮度变暗；另一方面，丝瓜络作为障碍物还会对传播而来的爆炸波产生一定的反射作用，低强度的反射波使火焰锋面变得平整，高强度的反射波使火焰出现回流和离散现象。随着填充长度的增加，反射波也随之增加，达到一定强度时将出现火焰回流和离散现象[11-13]。

对不同工况下爆炸测试后的丝瓜络截面进行对比分析，如图8 所示。丝瓜络作为天然材料，经过火焰传播后，仅表面具有轻微的灼烧现象，内部网状结构均保持完整。由于爆炸冲击波的作用，火焰在管道内快速通过，并未对丝瓜络造成持续灼烧；丝瓜络表面轻微灼烧现象源自火焰通过丝瓜络时的短暂灼烧和后续火焰回流作用[14]。

图8 不同长度丝瓜络爆炸测试后数码照片Fig. 8 Digital photographs of luffa sponge with different lengths after explosion test

2.2.2 火焰传播速度分析

火焰传播速度是对材料阻火防爆性能评价的重要参数[6]。材料填充于位置A时，可视窗口未观测到火焰，说明3 种长度的丝瓜络均阻断了爆炸火焰的传播。因此，仅对填充于位置B时的火焰传播速度进行分析。4 种工况下不同时刻火焰传播速度如图9 所示。

图9 填充于位置B 时不同填充长度下火焰传播速率随时间的变化Fig. 9 Flame propagation rate versus time under different filling lengths at filling position B

0～1 ms 内的爆炸火焰传播速度曲线的斜率近似固定，可视为火焰的稳定加速阶段。主要原因在于：此时管内温度不断升高，预混气体加速燃烧，导致火焰在向前传播过程中速度不断增大，空管状态下可视窗观测的火焰最大传播速度为131.94 m/s；此外，由于压力波的传播速度大于火焰传播速度，当火焰传播至一定距离后火焰锋面受管道末端和丝瓜络反射回来的爆炸波影响，出现剧烈的波动现象，且在填充丝瓜络的状态下，这种爆炸反射波对火焰传播速度的影响最显著[15-16]。

将不同工况下的火焰传播速度进行对比，发现相对未填充状态，丝瓜络填充长度分别为5、8 和10 cm 时火焰最大传播速率分别下降了29.33%、34.12%和53.28%，说明3 种填充长度的丝瓜络对火焰传播速度均起到了一定的抑制效果，并以填充长度为10 cm 时的抑制效果为最佳。

丝瓜络作为阻火材料对火焰具有淬熄效应，对火焰传播产生抑制作用；另一方面，丝瓜络作为障碍物可以增加湍流强度，使燃烧更加剧烈。对3 种填充长度下的火焰传播速度曲线进行分析，可以发现，在火焰传播后期，填充长度为5 和8 cm 时，火焰传播速度出现了明显的上升。这是由于丝瓜络的障碍物加速作用对火焰传播产生了一定的促进作用[17]。填充长度为10 cm 时没有出现上述情况，说明填充长度为10 cm 时获得了更好的阻火效果。