氧气管道燃爆机理分析和能量计算

周亮 苏苗印

(杭州杭氧化医工程有限公司 杭州 310014)

0 引言

氧气作为一种化学性质较为活泼的助燃气体，本身不具有爆炸性，但高纯度氧气会和周围物质剧烈燃烧，甚至发生燃爆。为了减少氧气燃爆事故引发的危害，近年来，大多数国家根据本国大量试验数据和工程经验，编制了氧气管道的安全技术规定，大大提高了氧气管道的安全性[1]。

氧气管道燃爆事故具有偶然性和难以量化的问题，这为氧气管道安全防护设计带来一定难度。本文将从氧气燃烧机理及影响因素分析入手，探讨氧气浓度、固体颗粒和氧气压力对氧气燃爆性能的影响，结合氧气管道特性分析了点火源类型及特点，通过推导得出氧气管道燃爆的爆炸当量计算方法，为氧气管道安全防护设计提供一定依据。

1 氧气管道燃烧变量

燃烧是复杂的物理化学过程，燃烧的产生必须同时具备三要素：①可燃物：如木材、酒精、油品等；②助燃物：如氧气、氯气等；③点火源：如明火、电火花、摩擦火花等[2]。燃烧速度的影响因素除了可燃物和助燃物的化学反应速度等化学条件外，还包括可燃物和助燃物的接触混合速度等物理条件，最终取决于两者中的较慢者。氧气管道中氧气浓度、氧气压力和固体颗粒物尺寸等为常见物理条件变量，而氧气管道的主材、残留油脂、杂质废渣等为化学条件变量。

1.1 氧气浓度影响

大多数物质的着火温度随氧浓度的增大而降低，例如，常压条件下，烟煤在空气中的着火温度为400 ℃左右，而在纯氧时的着火温度会降至250 ℃；甲烷气在空气中着火温度为540 ℃左右，而在纯氧条件下的着火温度比在空气中的着火温度低50～100 ℃[2]。由于富氧环境也能降低金属的着火温度，导致部分金属的着火温度低于熔化温度，变为可燃物质。比如铁丝在空气中不能发生连续的燃烧反应，而在纯氧环境中能形成火星四射的剧烈燃烧，并放出大量的热。

一般工业用标准氧纯度多数为≥99.5%，输送高纯度氧气的金属管道在满足燃烧条件下会通过链式反应连续燃烧。而且，外泄氧气吹身或者液氧喷溅到身体，人的身体会因毛发、衣物充满氧遇到火源而引发燃烧，导致严重烧伤事故。

1.2 固体颗粒物尺寸影响

金属在纯氧条件下非常容易燃烧，产生大量的光和热。研究表明，小颗粒固体的比表面积有较多的反应活性点，且相互间的传热性能较好，所以，固体颗粒的粒径越小，其着火温度一般越低，表1为不同粒径铁粉的着火温度实验结果。可见，铁粉的着火温度很低，而且，铁粉一旦燃烧，产生的燃烧热量很大(1 kg铁粉燃烧释放7 260 kJ的热量)。

表1 不同粒径铁粉的着火温度数值

1.3 氧气压力影响

氧具有强氧化和助燃特性，当氧气与可燃物并存，且点火源激发能充足时，会引起燃烧；当氧气与可燃物均匀混合且浓度在爆炸极限范围内，则会发生爆炸。另外，如果当氧气压力足够大，燃烧反应速率足够快，单位时间内释放出大量热量，则燃烧传播速度非常快，燃烧极为剧烈，可能产生爆燃现象。经试验证实，随着氧压力提高，着火温度会降低，表2为纯氧环境中不同压力下铁和低碳钢的着火温度。由此可见，超高压氧环境会造成金属物质变得极易燃烧。

表2 不同压力下铁和低碳钢的着火温度数值

1.4 可燃物杂质影响

可燃物在氧气中燃烧着火温度比空气中低，氧气管道中比较常见的可燃物为残留氧化皮、焊渣、油脂、纤维或橡胶杂质、有机物等管道残留杂质，这些物质在氧气中的最低着火温度如表3所示[3]。管道残留杂质着火温度比钢材低得多，这些物质在高纯氧的管道中被引燃后，会在管道中发生剧烈氧化还原反应，引起燃烧事故。所以，氧气管道安装过程脱脂和清理不彻底是导致氧气管道燃烧最为重要的原因之一。

表3 不同物质在氧气中燃烧的着火温度

2 点火源影响因素

点火源作为燃烧的启动能量，是燃烧发生的激发能源，氧气管道中最为常见的点火源为固体颗粒摩擦碰撞、静电火花、绝热压缩生热和动静部件间摩擦等。

2.1 固体颗粒摩擦碰撞

管道安装后残留焊渣、氧化皮或铁屑等固体杂质随气流在氧气管道中高速运动，不断撞击管道内壁，产生摩擦热。摩擦热来不及和气流充分换热，使得固体颗粒本身和管壁温度升高。摩擦热E来源于固体颗粒的动能P，而固体颗粒的动能P与流体的固体颗粒撞击次数、固体运动速度、颗粒质量有关，如式(1)所示。式中动能P部分转化成摩擦热H，其转化率μ取决于固体颗粒特性、管道粗糙度和固体颗粒形状等。

(1)

式中，H为摩擦热，W；N为单位时间内撞击次数；μ为摩擦热转化率；m为固体颗粒质量, kg；v为固体运动速度, m/s。

另外，高速运动的固体颗粒与管道内壁摩擦会导致静电转移，而分散颗粒在完全干燥的环境中会使得静电电位越来越高，两者间的电位差可能高达4 000～6 000 V，产生静电激弧火花。可见，在气体流动驱动下，固体颗粒由于摩擦热与静电电位使得固体颗粒释放能量超过最小点火能量，导致燃烧事故发生。

2.2 绝热压缩生热

当高压氧气快速流入低压区域，如快速打开管道设备的截断阀门或开启氧气压缩机，下游低压区域的氧气被急速压缩，来不及均衡压力，也来不及和周围交换热量，近似等熵绝热压缩过程，压缩后的氧气温度理论计算如式(2)：

T2=T1(P2/P1)(K-1)/K

(2)

式中，T2为压缩后气体温度，K；T1为压缩前气体温度，K；P2为压缩后气体压力，Pa；P1为压缩前气体压力，Pa；K为等熵绝热指数，一般取1.4。

如果将压缩前的氧气取常温常压状态(T1=20 ℃，P1=0.1 MPa)，则压缩后的氧气计算温度如表4。

表4 不同物质在氧气中燃烧的着火温度

表4显示，压缩后的高温氧气足以点燃周围环境内着火温度较低的可燃物，导致燃烧发生。

3 氧气管道燃爆当量

从上述分析可以看出，由于氧气管道残留氧化皮、铁锈或油脂等在高压纯氧环境中着火温度较低，受固体颗粒摩擦碰撞、静电火花或绝热压缩等点火源影响，当激发能达到一定程度时，燃烧迅速发生，管道本体被点燃。钢管燃烧释放大量热量，温度急剧上升，管内气体急剧膨胀。之后，氧气击穿管壁后导致管道内外压力坡度越大，燃烧变得更为剧烈，火势进一步加大，发生燃爆事故。

3.1 氧气管道燃烧能量计算

计算冲击波的破坏力，首先计算燃爆释放的能量，氧气管道燃烧时的可燃物主要为管道本体，主要取氧气管道为计算对象。氧气管道燃烧释放的能量理论值如式(3)：

E1=MQ1

(3)

式中，E1为氧气管道燃烧能量，kJ；M为氧气管道计算质量，kg；Q1为氧气管材燃烧热，kJ/kg。

式(3)所述氧气管道计算质量M的范围应包括连续燃烧管段，比如快速切断阀、阻火器或豁免材料等具有阻燃能力设施之间的连接管段，或者上下游设备之间的连接管段(当无阻火措施时)。

3.2 氧气管道燃爆能量TNT当量

高压气流冲出氧气管道，燃烧迅速扩散，发生燃爆。氧气管道燃爆TNT当量指表达式可以近似用式(4)表示[4]：

(4)

式中，q为氧气管道燃爆能量TNT当量, kg；Q2为TNT爆炸能量，约为4 200 kJ/kg；β为氧气管道的TNT当量系数。

氧气管道的燃爆能量TNT当量系数β是一个难以量化的综合系数，由管材不完全燃烧产生，不仅受氧气管道材质、工作压力、氧气流速等物理及化学条件影响，还受氧气管道周围环境影响。根据工程经验分析β可以取值0.08～0.1，在考虑防护时，如设置防护墙时，为提高防护安全可靠性，取高值。

3.3 氧气管道燃爆超压计算

如果需要计算氧气管道燃爆带来的破坏力，还应计算出冲击波的超压值，式(5)为爆炸超压值的常用半经验公式[5]：

(5)

式中，△P(R)为在半径为R时实际爆炸冲击波超压值，MPa；△P0(R)为在半径为R时1 000 kg TNT爆炸冲击波超压值，MPa；α为爆炸实验模拟比。

为计算爆炸超压值，先以无限空气介质中1 000 kg TNT爆炸时冲击波的峰值超压值为参考，见图1，结合公式(5)，计算出不同爆炸半径R下氧气管道燃爆的超压值。然后根据超压值计算结果判断管道燃爆事故对人员或建筑物的伤害半径，以此综合判断事故产生的影响。

图1 1 000 kg TNT爆炸超压值分布

(6)

如果管道在钢板、混凝土、岩石一类刚性地面时，由于反射效果，可看成2倍装药量在无限空间爆炸，则计算公式也可以采用经验公式(7)。

(7)

4 事故示例分析

以氧气调压站内的氧气管道周围设置防护墙为例，防护墙的总长度为20 m，壁厚为8 mm的DN300氧气管道与阀门布置在防护墙内，则防护墙内氧气管道燃爆TNT当量计算结果代入式(4)计算后的结果为：

计算结果可知，该设置条件下的氧气管道爆燃产生的冲击波>0.1 MPa，在伤害半径范围内，会造成大部分人员死亡。为防止氧气阀门操作时发生意外事故，需确保人员在墙外操作阀门，通过防护墙体隔绝爆炸冲击波对人员的伤害，也防止应力波向四周传播。

5 结论

(1)氧气有支持燃烧的性质，预防氧气管道燃爆事故的发生关键在于控制点火源，可通过以下方式实现：安装过程彻底清理管内残留可燃物质，控制氧气管道流速减少固体颗粒冲击产生的摩擦热和静电电位，缓慢开启阀门避免引发绝热压缩等。

(2)除从源头上辨识潜在的危险外，应采取有效措施限制氧气管道燃爆事故后危险的扩散和传播，如设置防护墙防止爆炸冲击波伤害操作人员和周围设施等。文中分析了氧气管道爆燃后的压力分布规律，可以用于预测和评估氧气管道燃爆事故冲击波的影响，以利于设计人员将事故风险控制在可接受的范围内。

(3)氧气管道燃爆是非常复杂的变化过程，应从设计、安装、使用、管理等各个环节进行分析，并从气动学、热力学等理论和实验等多方面加强研究，为氧气管道的工程设计提供更多依据。