填充多孔材料后狭长空间内火焰传播特性的试验分析

员亚龙，杜一村，张宏，冯宪周

(中国船舶集团有限公司第七一三研究所 郑州市特种场所火灾防护技术重点实验室，郑州 450015)

在舰艇中，可燃气体主要是石油、柴油、煤油等油类物质挥发的可燃蒸气，近些年LNG船的发展也极其迅速，其中也存在天然气泄露的风险，这些气体一旦进入狭长空间中，浓度达到气体爆炸的极限范围内，遇到火源后，极易发生爆燃事故。

学者们对受限空间内可燃气体的燃烧爆炸特性进行了大量研究，也对其爆燃防治方法进行了探讨。现阶段对多孔材料在阻隔防爆方面的研究多集中在网状铝合金、硅酸铝棉和泡沫陶瓷等材料，对多孔非金属复合材料的研究报道较少。为此，考虑采用多孔聚丙烯复合材料，在20 L爆炸球和水平管道组成的气体爆炸测试平台中，探究其对狭长空间内可燃气体爆燃火焰传播特性的影响。

1 试验系统和试验方案

1.1 试验系统

气体爆炸测试平台包含5个部分：爆炸测试管道系统(①～⑥)、配气及点火系统、数据采集仪器、高速摄影仪、同步控制器，见图1。

图1 试验平台组成示意

爆炸测试管道由1个20 L爆炸球，3节长度均为2 000 mm、直径60 mm的圆管道和1节长度为500 mm、内边长60 mm的方管道组成，气密性良好，其中3节圆管道划分为6段区域(用于填充多孔材料)，并给每段区域编上序号(见图1)，每段区域500 mm。20 L爆炸球和圆管道上分别安装3个微型压力传感器，连接到数据采集仪上，用于采集管道内的压力数据参数，传感器编号由左到右为1#、2#和3#，分别位于20 L爆炸球、④号管道和⑥管道上方；方管道两侧有可视窗，可视窗长度为400 mm，高速摄影仪可通过可视窗拍摄管道内火焰传播的图像，并根据图像计算出火焰锋面的传播速度。

本试验采用的可燃气体是体积分数约为9.5%的甲烷与空气的预混气体，将其充满在试验管道中，在20 L爆炸球内引爆点火药头，将其作为起爆容器，从而点燃整个管道内的预混气体。

试验材料是以聚丙烯为基体，添加适量成分的阻燃剂、协效剂、增韧剂和相容剂制备而成的多孔聚丙烯复合材料，其直径为50 mm，长度为1 000 mm，实物见图2。

图2 多孔聚丙烯复合材料实物

1.2 试验方案

首先分析甲烷-空气预混气体在狭长空间内的爆燃传播特性，即未填充多孔材料时，获得试验过程中相应的火焰图像、火焰速度和爆炸压力等参数。

最后，探究填充多孔聚丙烯复合材料对甲烷-空气预混气体在狭长空间内爆燃传播特性的影响。具体试验方案：分别在圆管道的6个不同位置区域填充1节1 000 mm的多孔聚丙烯复合材料，获得试验过程中相应的火焰图像、火焰速度和爆炸压力等参数。

2 结果与分析

2.1 甲烷-空气爆燃传播特性分析

未填充多孔材料时，甲烷-空气预混气体火焰传播情况见图3。

图3 甲烷-空气预混火焰传播情况

可视窗内出现火焰开始计时，火焰充满可视窗结束计时，在相同间隔时间截取部分火焰图片。观察图3可知，在0～1.8 ms之间，火焰处于传播的初期阶段，火焰亮度较低，这是由于狭长空间内的温度较低，气体燃烧不充分，前端火焰不断对周围的可燃气体进行预热，导致火焰亮度较低且火焰较为离散；在1.8～4.2 ms之间，狭长空间内的气体温度不断上升，在高温作用下，可燃气体的燃烧反应越来越剧烈，燃烧产生的热量也越来越多，火焰较为明亮且火焰形状的离散现象明显减少。由图3可知，火焰在狭长空间内传播时，中部火焰的传播速度要明显高于上下两侧火焰的传播速度，这是由于管道上下壁面对火焰的摩擦效应和传热效应，导致了传播速度的差异；火焰在传播过程中有上浮的趋势，这是由于甲烷空气密度较小，导致管道上方的可燃气体浓度略高，火焰燃烧较为充分，预热也最先完成，所以传播初期火焰会浮于上方，当空间内温度升高时，火焰燃烧更为充分，温度效应的影响逐渐降低，该现象逐渐消失。

火焰速度与锋面位置情况的关系见图4，可视窗出现火焰前锋开始计时，火焰前锋穿出可视窗结束计时，以火焰锋面水平方向传播的速度为火焰传播速度，火焰锋面距离可视窗左端的位置作为锋面位置。如图所示，在火焰传播初期，火焰速度处于加速阶段，随着狭长空间内温度逐渐升高，预混气体的燃烧越来越剧烈，使得火焰锋面速度逐渐加快；随着爆燃火焰的继续传播，火焰锋面的速度不断震荡，这是由于火焰的传播速度要远低于爆炸冲击波的传播速度，冲击波传播到狭长空间末端的壁面后会发生反射，当反射波的传播与火焰的传播方向相反时，会产生抑制作用，降低火焰的传播速度；当反射波与火焰的传播方向相同时，会产生耦合作用，加速火焰的传播速度，因此抑制作用和耦合作用会造成火焰传播速度处于震荡阶段。在2.0 ms左右时，火焰锋面的传播速度最快，达到了243.43 m/s，表明这个阶段冲击波与火焰的耦合作用最大，最利于火焰的传播。对火焰在可视窗内的传播过程进行计算，得出火焰锋面传播的平均速度为153.85 m/s，表明甲烷-空气预混气体的爆燃火焰在狭长空间内的传播速度极快，需要采取相应的措施抑制火焰的传播。

图4 火焰锋面位置与传播速度的关系

甲烷-空气预混气体在狭长空间传播过程中，不同位置传感器采集到的压力见图5。

由图5可知，1#、2#和3#传感器监测到的最大压力分别为285、231和301 kPa，产生该现象的原因：20 L爆炸球内的可燃气体总量多于管道④，因此1#传感器采集的最大爆炸压力要高于2#传感器采集的压力；随着爆炸冲击波的传播，会不断压缩狭长管道内的可燃气体，因此管道末端会聚集大量的可燃气体，且燃烧反应也越来越剧烈，使得末端的最大爆炸压力值最高。管道末端的最大爆炸压力上升速率为8.15 MPa，也明显高于另外两个传感器采集到的最大爆炸压力上升速率，这是由于爆燃火焰在传播过程中，化学反应越来越充分，释放的能量越来越多，因此导致最大爆炸压力上升速率达到最高。

图5 管道爆炸压力柱状图

2.2 多孔材料的影响

将多孔聚丙烯复合材料分别填充至狭长空间内的不同位置，拍摄火焰传播图像，计算火焰传播速度，采集传播过程中的爆炸压力等参数。当材料填充在①、②、③和④位置时，未拍摄到火焰传播图像，表明火焰没有穿过多孔材料继续传播，因此多孔聚丙烯复合材料对甲烷-空气预混气体爆燃火焰在狭长空间内的传播有明显的抑制作用。

将多孔材料填充至⑤和⑥位置时，甲烷-空气预混气体火焰传播情况见图6。

图6 填充至不同位置火焰传播情况

观察图6可知，与未填充多孔材料相比，火焰亮度明显降低，火焰形状的离散现象也更加严重，火焰通过可视窗所需要的时间也明显增加，表明填充多孔聚丙烯复合材料对火焰的传播有抑制作用。

对比图6a)和b)发现，左图中火焰的亮度更低，火焰形状的离散程度也更为明显，甚至出现了火焰回流现象，且火焰锋面穿过可视窗消耗的时间更长。产生这种现象的原因是由于多孔材料填充在位置⑤，与可视窗位置相邻，火焰在可视窗传播过程中，更快接触到多孔材料，多孔材料因其结构的特殊性，有分散火焰的作用，降低了火焰的亮度；其次，冲击波接触到多孔材料后，产生的反射波也较为凌乱，其与火焰接触后，造成了火焰形状的离散现象更为明显，甚至产生了回流现象，导致火焰的传播速度更慢。

将多孔聚丙烯复合材料填充至a)⑤和b)⑥位置时，火焰锋面位置与传播速度情况见图7。

图7 填充至不同位置火焰锋面位置与传播的速度变化

由图7可知，在传播初期，火焰锋面速度均不断加速，达到速度的最高值，此阶段，反射波对火焰的抑制作用不明显；随后火焰锋面速度不断下降，直至处于震荡阶段；图7a)和b)两图中，火焰锋面速度出现了负值，结合锋面位置的变化，表明火焰在传播过程中出现了回流，即当火焰与冲击波的耦合作用小于抑制作用时，会导致火焰出现回流现象，当火焰与冲击波的耦合作用大于抑制作用时，火焰会沿着正方向传播，但火焰锋面速度整体处于震荡趋势。图7a)中火焰锋面的平均速度为42.55 m/s，最大速度为85.46 m/s，图7b)中火焰锋面的平均速度为47.62 m/s，最大速度为99.72 m/s，与未填充多孔材料时火焰传播速度相比，火焰锋面的平均速度和最大速度降低的最大幅度分别为72.34%和了64.89%，表明该材料对甲烷-空气预混气体爆燃火焰在狭长空间内的传播有明显的抑制作用。

将多孔材料填充至不同位置时最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率见图8。

图8 不同填充位置的压力变化

观察图8可知，随着多孔材料的填充位置距离起爆位置越来越远，管道内的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率的整体趋势也逐渐上升；与图5相比，填充多孔材料后管道末端的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率的最大抑制效果分别85.38%和79.63%，表明多孔材料距离起爆位置越近，对爆炸冲击波传播的抑制作用越明显，管道中的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率也就越低。

2.3 多孔材料对爆燃传播特性抑制机制分析

多孔聚丙烯复合材料的结构特殊，类似于三维网络结构，可通过聚丙烯复合材料的细丝将内部空间分割成若干个小空间，当火焰经过多孔材料时，会被分散进入这些小空间，火焰在内部传播的时候不断与壁面碰撞，该过程会加速空间内部热量与外界的传递，降低热量的集聚，到达一定程度后，导致火焰发生淬熄现象；此外，多孔材料的壁面会消耗大量链式反应所需的自由基，导致火焰传播中的化学反应被抑制，从而达到阻隔火焰在多孔材料内的传播过程。当冲击波进入多孔材料的小空间后，会跟材料内部的壁面进行碰撞和反射，在不断的碰撞和反射过程中，冲击波会消耗大量的能量；此外，由于多孔聚丙烯复合材料有一定的韧性，具有吸波减震的作用，会抑制冲击波的发展和传播，降低其带来的爆炸压力。

多孔聚丙烯复合材料对甲烷-空气预混气体爆燃火焰在狭长空间内传播的抑制主要分为“冷壁效应”和“器壁效应”，“冷壁效应”通过加快内部热量的流失来抑制火焰的传播；“器壁效应”通过消耗链式反应的自由基来抑制其传播。这两种机制在耦合作用下，共同抑制了甲烷-空气预混气体爆燃火焰在狭长空间内的传播。

3 结论

1)甲烷-空气预混气体爆燃火焰在狭长空间内的传播速度迅速，也会产生较大爆炸压力。

2)填充多孔材料后，火焰在狭长空间内的传播速度和产生的爆炸压力有明显下降趋势，表明多孔材料对爆燃火焰在狭长空间内的传播有明显的抑制作用。

3)多孔聚丙烯复合材料通过加快热量与外界的传递和消耗链式反应所需的自由基达到对爆燃火焰传播的抑制作用。