如何有效抑制爆轟是研究管道阻火器的首要問題

在石油工業(yè)中，阻火器廣泛應(yīng)用于石油及石油產(chǎn)品的儲(chǔ)罐上和輸送石油氣體的管線上。當(dāng)儲(chǔ)存輕質(zhì)石油產(chǎn)品的油罐遇到外界明火或雷擊火花時(shí)，就有可能引起燃燒或發(fā)生爆炸，為防止此危險(xiǎn)應(yīng)安裝阻火器。阻火器常用于輸送易燃?xì)怏w的管道上，假若管道上的易燃?xì)怏w被引燃，氣體火焰就可能傳播到整個(gè)管網(wǎng)，為了避免，也應(yīng)采用阻火器。阻火器的作用就是試圖在火焰發(fā)生發(fā)展的初期就能抑制火焰的傳播，或者即使發(fā)生爆轟，利用阻火器也能有效抑制。

作為阻爆抑爆的關(guān)鍵部件，阻火器一旦失效，會(huì)造成大量的人員傷亡和嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失。但國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)報(bào)道相對(duì)較少，而且，針對(duì)管道阻火器內(nèi)的爆轟情況，由于較為復(fù)雜，相關(guān)的研究成果更少。

Cubbage采用城市煤氣—空氣的預(yù)混氣體對(duì)波紋型阻火器進(jìn)行阻爆轟實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在波紋的高度足夠小，阻火單元厚度足夠薄的情況下，可發(fā)生淬熄現(xiàn)象，且阻火器沒有產(chǎn)生機(jī)械損傷。Cubbage指出，當(dāng)阻火單元包含在外殼內(nèi)，且外殼尺寸相對(duì)于管道尺寸呈擴(kuò)張趨勢(shì)時(shí)，殼體會(huì)使爆轟火焰速度降低，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣適用于其他燃料—空氣的預(yù)混氣體。

Maas等采用城市煤氣—空氣、甲烷—空氣的預(yù)混氣體，在D=50 mm、L= 42m的管道中進(jìn)行了阻爆轟實(shí)驗(yàn)研究。測(cè)試時(shí)，氣體分別處于靜止、流動(dòng)狀態(tài)。點(diǎn)火裝置分別安裝在阻火器上下游。結(jié)果顯示，在當(dāng)時(shí)的測(cè)試條件下，阻火器可以阻擋強(qiáng)烈的爆轟，但受條件限制并沒有測(cè)量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)如火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

Kersten等建立了透明實(shí)驗(yàn)裝置并在其中放置阻火器，對(duì)歐洲阻火器新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，并采用高速攝像機(jī)拍攝了爆燃火焰、DDT過程以及爆轟火焰在阻火器內(nèi)傳播的圖像。在實(shí)驗(yàn)中觀察到火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象可分為兩種：(1)間接火焰?zhèn)鞑ィ椿鹧嫦仍谧杌饐卧獌?nèi)淬熄，然后被反應(yīng)組分或者燃燒氣體重新點(diǎn)燃；(2)直接火焰?zhèn)鞑ィ丛谙嗤瑮l件下，火焰直接傳播到被保護(hù)側(cè)。爆轟實(shí)驗(yàn)采用乙烯—空氣預(yù)混氣體，阻火器安裝在管道末端。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，由于入射激波和反射激波疊加產(chǎn)生的加熱氣體，使其點(diǎn)火側(cè)的燃燒亮度明顯增加。在強(qiáng)爆燃實(shí)驗(yàn)中，火焰穿透阻火器時(shí)伴隨球形鋒面和強(qiáng)光亮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在爆燃轉(zhuǎn)爆轟的過程中，爆炸超壓值和火焰?zhèn)鞑ニ俣榷加酗@著提升，對(duì)火焰的直接觀察能夠?yàn)閮?yōu)化阻火器提供依據(jù)。

可以看出，雖然相關(guān)學(xué)者取得了一定的進(jìn)展，但總體來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，主要有兩方面原因：一方面，由于受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備造價(jià)高、實(shí)驗(yàn)參數(shù)控制困難、實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度和可靠性不高以及實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)測(cè)困難等諸多因素的影響，對(duì)管道阻火器內(nèi)爆轟火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究還不夠完善，即使是同樣的實(shí)驗(yàn)條件，不同文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也相差很大；另一方面，經(jīng)檢驗(yàn)合格的阻火器在實(shí)際使用中還是會(huì)發(fā)生阻火失效，以致產(chǎn)生爆轟現(xiàn)象等重大爆炸事故，這說明對(duì)爆轟火焰在管道阻火器內(nèi)的傳播規(guī)律的研究在系統(tǒng)性和深入程度及爆轟阻火器的設(shè)計(jì)與選型方面還存在一些欠缺。

相對(duì)爆燃來講，人們對(duì)爆轟波的認(rèn)知要遲得多。爆轟強(qiáng)大的破壞能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人們對(duì)爆燃波的把握與理解，也因此引起眾多學(xué)者的研究興趣，尤其是如何有效抑制爆轟，是所有研究爆燃和爆轟首先需要面對(duì)的問題。因此，本文基于高精度的阻爆轟實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了爆轟火焰在管道阻火器內(nèi)傳播過程的實(shí)驗(yàn)研究。主要分析丙烷—空氣、乙烯—空氣、氫氣—空氣預(yù)混氣體爆轟火焰在不同規(guī)格的管道阻火器內(nèi)的傳播與淬熄的規(guī)律。充分考慮可燃?xì)怏w組分、管道幾何尺寸、管道壁面粗糙度等多因素耦合的影響，研究預(yù)混火焰在管道阻火器內(nèi)的傳播特性，如火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈▔毫Φ葏⒘康淖兓?guī)律，對(duì)阻火器抑制爆轟的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行初步的探討。同時(shí)本文利用經(jīng)典的傳熱學(xué)理論并結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出了阻火單元厚度與爆轟火焰速度之間的關(guān)系，提出了丙烷—空氣、乙烯—空氣、氫氣—空氣預(yù)混氣體爆轟條件下的安全阻火速度的計(jì)算公式，為工業(yè)裝置阻火器的設(shè)計(jì)和選型提供更為準(zhǔn)確的參考依據(jù)。