封闭体系内丁烷-空气预混气体爆炸的试验研究❋

张宇庭 徐振洋 闫祎然 宋家威 秦 涛

辽宁科技大学矿业工程学院(辽宁鞍山，114051)

0 引言

随着我国城镇化的推进与城市范围的扩大，规模庞大的油气管道与城镇给排水、供配电的涵洞、暗渠等邻近或交错布置等问题非常突出。 油气长途运输管道在城市地下管线中广泛存在。 然而，当管线泄露，油气涌入这些排水管道、暗渠等密闭空间中，极易达到气体爆炸极限且难以及时被检测，从而增加了封闭空间内可燃气体爆炸的可能性。

为了保证可燃性气体在可控范围内高效地释放能量，并且能够预防或减少运送过程中的事故损失，学者们对封闭空间内的可燃性气体爆炸参数以及机理进行了大量研究。

关于单相多组分爆炸，多集中于对甲烷-空气混合物爆炸的影响因素和机理的研究。 李哲等[1]对不同浓度梯度的甲烷-空气预混气体进行了爆炸试验，结果表明，爆炸压力上升速率以及爆炸温度都随浓度梯度的增大而呈现先增大、后减小的趋势。Huang 等[2]利用高压爆炸室进行了乙烷/丙烷-空气混合物的点火爆炸试验，研究了压力的变化对爆炸以及气体易燃性的影响。

关于密闭空间中的两相爆炸，多集中于气、固及气、液两相的耦合作用及机理研究。 Garcia-Agreda等[3]利用标准的20 L 爆炸球对甲烷-烟尘中不同浓度的粉尘与气体进行爆炸试验，测量了不同工况下的动态压力、爆燃指数和可燃性极限，为气、固两相爆炸研究提供了依据。 Song 等[4]模拟了当惰性岩尘与煤尘沉积于管道底部时预混甲烷气体局部点燃后的爆炸情况，获得了两相燃烧机制，并定量地评价了岩尘对爆炸能量的惰性影响。 Wang 等[5]在封闭管道中进行了一系列不同的液体类型和液体高度的试验，研究了多相条件下气体爆炸模式分类标准、易燃性极限、最大爆炸压力的传播和爆炸波能量分布标准。 Thomas 等[6]在圆筒形密闭容器底部蓄水的条件下，开展了乙炔-空气爆燃和乙炔-氧气爆轰试验，结果表明，爆炸的峰值压力在液相和气相差别不大，而液相峰值压力的持续时间明显延长。 由此可见，单一利用气体爆炸传播机理研究连续流体与气体两相爆炸的过程是不合适的。 因此，如何预测底部蓄水的暗渠气体爆炸动态压力过程有待于研究。

针对封闭管道内丁烷-空气预混气体的爆炸特性进行研究。 通过对含水管道与无水管道进行试验，分析了浓度变化对丁烷-空气预混气体爆炸压力、火焰传播速度特征的影响。 基于非稳态压力场、火焰传播特征，研究典型因素对气体爆炸压力和爆炸指数的影响。 为耐压装置可能发生失效情况提供参考依据，对可燃气体爆炸的控制措施和防护技术、减小气体爆炸事故损失提供基础指导。

1 试验

1.1 试验系统

试验系统主要由不锈钢方形管道、点火电极、压力传感器、光电传感器、真空泵、循环泵以及多通道数据采集系统组成。 爆炸系统示意图见图1。

图1 爆炸试验系统装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the explosion test system

爆炸试验管道全长约为2 m，方形管道横截面尺寸为168 mm ×138 mm。 点火系统主要由BYR-300 型高能电火花点火装置、点火控制线、电极针和电源线组成，点火方式为脉冲点火，保证为气体爆炸提供足够点火能量。 在距离点火端350 mm 与1 350 mm 处，各放置2 个BYR-1706P 型压力传感器，位于管道正上方与底部，测量范围为-0.1 ～2.0 MPa。BYR-1706G 型光电传感器布置在正上方压力传感器的两侧，每两个间隔100 mm，测量范围为0～5 000 KLD(kullback-leibler dirergence， KL 散度)，输出信号为0～5 V，供电范围为DC 5～24 A。 BYR-029A 型多通道数据采集控制系统主要由传感器、控制面板、数据采集器、数据接收器组成，系统采样间隔为0.2 ms。

1.2 试验方案

首先，用真空泵机将管内抽至负压，利用集气袋将气瓶内的丁烷通过数显压力传感器定量地通入管内。 之后，打开空气阀门，使管内压力达到平衡状态，并利用循环泵机使管道内的气体预混至少5 min。 设置点火延迟时间、点火时间和数据采集时间。 确定系统阀门全部处于闭合状态后，开启点火控制系统。 引爆后，对系统采集数据进行记录。 对于含水管道爆炸试验，首先，将一定体积(500、1 000、1 500 mL)的水注入密闭管道内，其余步骤与无水管道试验相同。

2 结果与分析

2.1 丁烷-空气预混气体爆炸压力变化特征

通过试验系统中距离点火源最近的压力传感器5 采集不同体积分数丁烷引爆后的管内压力变化数据，得到了当丁烷体积分数分别为4%、5%、6%、7%、8%时丁烷-空气预混气体的爆炸压力随时间的变化曲线，如图2 所示。 当预混气体中的丁烷体积分数不同时，无论是最大爆炸压力还是最大爆炸压力出现的时间都存在一定的差异，但所有浓度曲线都呈现先上升、后下降的趋势。 不同体积分数丁烷-空气预混气体爆炸的压力变化曲线可主要划分为压力上升第一阶段、压力上升第二阶段、压力下降阶段3 个阶段[7-8]。

图2 不同体积分数丁烷爆炸压力随时间的变化曲线Fig.2 Explosion pressure-time curves of butane with different volume fractions

以体积分数5%的丁烷为例:在第21.6 ms以前，管道内处于短暂恒定状态。直到封闭管道内预混气体被点燃后，火焰从点火源附近开始向四周扩散，此时，爆炸压力进入压力上升的第一阶段。 由于反应初期参与燃烧反应的丁烷气体量较少，所以在压力上升的第一阶段中，升压速率较低，火焰传播表现为层流燃烧[9]。 由图2 可以看出，不同体积分数的丁烷预混气体压力上升第一阶段持续时间存在一定差异。 其中，丁烷体积分数为5%时，持续时间最短，直到爆炸发生后91.6 ms 才结束。 在这一阶段中，燃烧生成的热量导致预混气体中活性分子的化学键断裂，化学键的断裂会产生有催化燃烧反应的自由基，并且这些自由基会循环地参与反应，导致系统热量不断增多，且产热速率加快[10]。 理想气体状态方程[11]

式中:p为压强；V为体积；n为物质的量；T为温度；R为气体常数，取(8.314 41 ±0.000 26) J/(mol·K) 。

由式1 可知，由于系统热量的积累，封闭管道内的受热气体膨胀，导致管内压力指数型上升，直到压力上升的第一阶段结束都处于增长的趋势。

图3 为体积分数5%的丁烷预混气体燃烧压力时序图。 由图3 可知，压力上升第一阶段结束在爆炸发生后第91. 6 ms，结束时压力达到了0. 207 MPa。 此阶段结束后，压力经历了短暂的平缓后再持续升高，压力上升速率先变慢、后变快，此时为压力上升第二阶段。

图3 体积分数为5%的丁烷预混气体燃烧压力时序图Fig.3 Combustion pressure sequence diagram of butane premixed gas with a volume fraction of 5%

该阶段的爆炸压力升高趋势持续了239.8 ms，达到最大爆炸压力0.532 MPa 后才结束，而在压力上升阶段出现了升压速率升高、降低、再升高的现象。 这是由于开始时火焰燃烧的剧烈程度加大，且火焰面积不断增大，使得火焰在接触管道壁面之前升压速率持续升高[12]。 之后，随着火焰与管道壁面的接触面积不断增大，由于管道壁面的温度低于火焰温度而产生导热作用；同时，火焰的纵向传播受阻导致爆炸能量的损失，两者的作用阻碍了管道内的爆炸压力的增长，致使在一段时间内压力上升趋势变得较为缓慢。 在这之后，爆炸压力上升速率加快，该情景可参照可燃气体升压速率的三次方定律进行考虑[13]。 火焰沿管道横向持续传播，丁烷燃烧产生的增压效果逐渐增大；其次，管道壁面的导热作用对火焰传播压力的影响开始变弱；同时，火焰发展受到空间限制的影响也逐渐变弱，两者效果作用使得升压速率增大，直到系统压力达到最大爆压时，压力上升第二阶段才结束。

对于体积分数5%的丁烷预混气体，在爆炸发生的331.4 ms 以后，进入压力下降阶段。 封闭管道内的丁烷与氧气被大量消耗后，爆炸能量开始降低，已燃烧区域的温度开始下降。 根据理想气体状态方程可知，靠近点火源附近的已燃区域气压降低，此时燃烧产生的水蒸气开始凝结，并且管壁导热现象依然存在，导致气体爆炸压力呈现下降趋势。

对各浓度的丁烷预混气体爆炸压力进行分析，绘制出爆炸过程中的最大升压速率随丁烷气体浓度变化的特征曲线，如图4 所示。 从图4 中可以看出:丁烷体积分数为5%时的升压速率最大；并且随着丁烷浓度增大，最大升压速率的变化梯度逐渐减小。根据图4 中升压速率由大到小对应的丁烷体积分数为:5%、4%、6%、7%、8%。 在图4 中，曲线表现为中间高、向两侧递减的趋势，表明爆炸压力上升速率随丁烷在预混气体中的体积分数变化呈近似线性的关系，同时也反映出最大升压速率可作为评估丁烷气体爆炸强度的一个重要指标，可较为直观地分析丁烷-空气预混气体爆炸威力的强弱。

图4 不同体积分数丁烷-空气预混气体燃烧的最大升压速率Fig.4 Maximum pressure rise rate in combustion of butane premixed gas with different volume fractions

2.2 丁烷-空气预混气体爆炸火焰速度变化特征

通过对系统中光电传感器捕捉的火焰信号进行分析计算，得出不同浓度丁烷与空气预混气体爆炸时火焰最大速度、平均速度以及加速度曲线，如图5所示。 由图5 可知，当丁烷体积分数在4%～7%时，无论是火焰最大速度、平均速度还是火焰加速度都呈现先增大、后减小的趋势，并且在体积分数为5%时达到峰值。

图5 不同体积分数丁烷-空气预混气体燃烧的火焰传播速度参数Fig.5 Flame propagation speed parameters in combustion of butane premixed gas with different volume fractions

火焰的加速与燃烧物的热膨胀、系统产热量、边界层效应等相关。 在燃烧初期，即火焰接触管道壁面之前，火焰的加速主要因为燃烧物的热膨胀使得燃烧气体的体积增加，燃烧物体积随时间增加量为

式中:Vb为丁烷气体体积；σ为体积膨胀系数，σ ＝ρa/ρb；ρa为未燃烧气体的密度；ρb为已燃烧气体的密度；A为火焰的总表面积；SL为层流火焰传播速度。

根据Arrhenius 方程可知[14-15]，气体反应速率常数为

式中:Ea为表观活化能；R为摩尔气体常量；T为热力学温度；A为引入的频率因子，与反应物分子间相互碰撞的概率相关。

由式(3)可知，在其他试验条件相同的情况下，对于不同体积分数的丁烷预混气体燃烧，燃烧反应速率与频率因子呈线性关系，且与反应温度呈指数关系，表现为在接近当量浓度下燃烧反应最为剧烈，气体分子间碰撞概率最高[16]。 由此可见，在最接近丁烷浓度当量，即丁烷体积分数为5%时，气体燃烧反应速率最大。 在单位时间内，丁烷-空气预混气体的放热量

式中:k为气体反应速率常数；Q为单位体积内预混气体反应放热量；V为密闭管道总体积。

由式(4)可知，预混气体在单位时间内的放热量与气体反应速率k呈线性关系。 结合式(3)可知，单位时间放热量受到反应物分子间的碰撞概率影响，当预混气体中的丁烷体积分数为5%时，由于接近当量爆炸，分子碰撞概率较大，使得单位时间内放热量较其他浓度时大，燃烧物的热膨胀与热量的突增促使火焰向前发展。 所以，丁烷体积分数为5%时，火焰传播速度及加速度最大[17]。 由于试验系统中氧气与丁烷所占体积比约为4∶1，并且在相同的浓度梯度下进行试验，当丁烷体积分数在6%或以上，即富燃料燃烧时，火焰速度相较于丁烷体积分数在4%或以下的贫燃料燃烧要大。 这是因为，富燃料燃烧时可燃物分子与助燃物分子间的碰撞概率要比贫燃料燃烧时高，使得气体反应速率较大[18-19]。 对比图5 中的3 条曲线可知，火焰传播加速度曲线的变化幅度较大，相比之下，最大火焰速度与平均速度曲线较为平缓。 因此，火焰传播的加速度可作为判定气体爆炸强度的重要指标。

2.3 含水管道爆炸压力变化特征

根据分别布置在管道上、下部的压力传感器采集的数据，绘制出在丁烷体积分数为5%时含水管道与无水管道内爆炸压力的变化曲线，如图6 所示。

图6 含水管道与无水管道中体积分数5%的丁烷预混气体爆炸压力的变化曲线Fig.6 Variation curves of explosion pressure of butane premixed gas with a volume fraction of 5% in water containing pipelines and anhydrous pipelines

压力记录表明，在底部蓄水的情况下，气相与液相的压力变化趋势基本相同，并且在保证预混气体被顺利点燃、管道内产生轰鸣声、各传感器成功记录数据并传输至计算机(即试验成功进行)的前提下，发现含水量的多少对试验结果的影响并不明显。

但是对比无水情况下的爆炸压力曲线，可以明显看出，含水管道内爆炸压力变化趋势较为平缓，不仅最大爆炸压力较小，而且达到最大爆压的时间以及最大爆压的持续时间都较长于无水管道中的爆炸。 出现这一类现象是因为预混气体在被点燃后火焰面与连续的水体的接触面积逐渐增大，可燃气体分子与水分子发生碰撞，导致大量可燃气体分子未能参与燃烧反应，使得气体反应速率降低，热量和热膨胀的传递受到阻碍[20]。 此外，水体作为冷却剂在气体燃烧的过程中起到了一定的抑制与缓冲作用，使得爆炸压力波传播受限，这共同导致了爆炸压力变化平缓。

3 结论

利用方形密闭试验管道研究了丁烷体积分数的改变对丁烷-空气预混气体爆燃特性的影响，并在底部蓄水的管道内对体积分数5%的丁烷预混气体进行燃烧试验，得出以下结论:

1)在相同浓度梯度下，丁烷体积分数为5%时，燃烧最为激烈。 丁烷-空气预混气体的燃烧压力发展过程大致可以分为3 个阶段:压力上升第一阶段、压力上升第二阶段、压力下降阶段。 压力上升第一阶段开始于燃烧初始时期，在燃烧压力变化曲线第一次到达拐点并出现短暂平缓时结束。 此阶段中，管道内升压速率呈持续上升趋势。 之后，升压速率开始下降，燃烧压力变化趋于平缓。 进入压力上升第二阶段后，丁烷燃烧的增压效果逐渐变大，升压速率再次升高，并且在结束时达到最大爆炸压力。 最后，管内水蒸气凝结，且可燃气体含量减少，进入压力进入下降阶段。

2)燃烧火焰最大速度、加速度、最大升压速率都是丁烷-空气预混气体在不同浓度下燃烧的敏感影响因素。 而加速度和最大压升速率可作为有效的指标参考，评判丁烷气体爆炸强度的大小。

3)在含水管道内进行体积分数5%的丁烷-空气预混气体爆炸试验。 压力记录结果显示，气相与液相压力变化趋势基本一致。 但对比无水管道的爆炸压力变化曲线可知，无论是气相压力或液相压力，含水管道的压力曲线都较为平缓，并且到达最大压力的时间有所延后。