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管道内天然气爆炸传播规律研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-08-06  来源:燃气信息港杂志  作者:陈升国  浏览次数:5
   

摘  要:本文采用理论分析、实验研究相结合的方法研究了管道内天然气爆炸火焰及压力波的传播规律。为进一步揭示管道天然气爆炸的传播规律提供相关的基础数据。

关键词:管道;天然气爆炸;火焰;压力波;传播规律

 

 0、引言

在天然气安全生产过程中,天然气爆炸是企业生产经营中最重要的灾害之一。管道天然气爆炸可以看作甲烷-空气混合气体在外界火源诱导激发下的爆炸过程,从时间上分成点火和传播两个阶段,爆炸的破坏性主要体现在传播阶段[1]。通常情况下,管道天然气爆炸的传播形式多为亚音速传播的爆燃波,传播阶段的天然气爆燃火焰波和冲击波是造成破坏的主要因素[2]。目前国内外对管道内天然气爆炸事故的成灾及致灾机理认识不清[3];对天然气输送管道隔抑爆设施的研究还缺乏可靠实验基础理论的支持[4-6]

本文主要针对天然气输送管网体系,研究天然气爆炸传播过程中火焰及其压力波的传播规律,从而为预防天然气输送管道燃爆事故的发生奠定了理论基础,同时也为天然气爆炸事故调查分析提供一定的理论依据。

1、天然气爆炸传播机理

管道内天然气爆炸传播是预混可燃气体爆炸火焰和压力波在管状有限空间内传播的问题。其爆炸的化学机理和传播的物理机制如下:

(1)天然气爆炸的化学反应机理有热反应机理和链反应机理[7-8],甲烷发生燃烧和爆炸是热反应和链反应机理共同作用的结果,两者相互促进,从而使甲烷的链式反应持续进行下去。链式反应的历程包括链引发、链持续和断链反应三个阶段。

(2)天然气爆炸传播是火焰和压力波共同传播的过程[9]。在管道端头点火后混合气体燃烧。由于壁面对球形波的影响诱发湍流,使运动速度急剧加大。已燃和未燃的气体,在同样的压力梯度下,密度小的已燃气体的速度变化比密度大的未燃气体的速度变化大,产生速度差,压力梯度增大,提高了火焰面的传播速度。但是火焰面在向管道开口方向和端头方向上的加速程度不一样。通常,火焰的传播速度逐渐加快,达到最大值;然后由于热损失、内摩擦以及膨胀负压的作用使传播到一定距离时火焰速度减慢至熄灭。

(3)冲击波在传播过程中,边界上受到管道壁的制约及管道壁面粗糙度的影响而发生气流的折转,形成反射现象。可以分成规则反射和非规则反射两类,取决于波的入射角,见图1。当入射角φ较小并随着入射角φ的逐渐增大时,能实现规则反射。但当φ增加到临界值以上时,入射角大于对应于这一马赫数下气流最大可能的折转角,而使反射气流顺利折转出现马赫反射[10]


2、管道内天然气爆炸实验

为研究管道内天然气爆炸火焰及压力波传播的变化规律,在最佳爆炸浓度范围(9%~10%)内连续进行了三次管道天然气爆炸传播实验。

2.1 实验装置系统

①管道实验系统:选用DN700mm钢质管道,管道全长93m;

②点火系统:采取8﹟工业电雷管的桥丝和引火头在12V的电压下进行点火;③配气系统:由压力泵、量程计和输送管道组成;

④搅拌系统:由SL-6水环真空泵、1m3储气罐、YB2-160M-4防爆型三相电动机和镀锌循环管道组成;

⑤数据采集系统:采用PXI-50612动态信号综合测试系统,压力传感器采用陕西宝鸡生产的CYG系列固态高频响压阻式压力传感器,火焰传感器电源采用12V稳压直流电源。2.2实验过程

该实验是在中煤科工集团重庆研究院气体粉尘爆炸防治技术实验室进行的。整个实验过程大致分为以下六步:第一步需精确,测试系统的调试、校准,压力和火焰传感器的标定和安装;第二步需严实,在管道一端进行封膜处理,并在此端口附近摆放3~5只隔爆水槽,以免压力波损坏设备设施及环境;第三步需准确,进行实验用天然气-空气混合气体充气搅拌(大约搅拌35分钟左右)并不断测量其浓度;第四步需及时,点火起爆,进行数据采集;第五步需彻底,开启防爆门对管道内进行通风,以免造成不必要的危害;第六步需牢记,拆回实验装置,并进行定期检查和保养。

实验中共布置了9个压力传感器和9个火焰传感器。图2给出了测点布置的示意图。

 

图2 测点布置

为了测试管道内天然气爆炸火焰及压力波传播的变化情况,在常温常压下对浓度在最佳爆炸范围(9%-10%)内的天然气-空气混合气体连续进行了三次实验,由于第一次充气不够充分,加之实验的复杂性和成本的昂贵性,天然气浓度测试为8.8%后未做重新充搅。每次实验的条件如表1所示:

 

表1 DN700管道天然气爆炸实验条件

 

序号

天然气浓度/%

封膜(0.12mm塑料膜)/层

点火能量/mJ

点爆位置/m

1

8.8

2

375

1.3

2

9.1

2

375

1.3

3

9.5

2

375

1.3

 

实验时,在点火后很快(大约不到2s)就听见一声巨响,地动山摇,震耳欲聋,一股光亮的火焰飞速窜出开口端并伴有大量的烟雾。压力波冲破了密封的塑料膜并压碎了所有的隔爆水槽,用手摸管壁有热的感觉但不烫手。

2.3实验结果及分析

2.3.1实验数据的采集

在管道内引爆天然气后,数据采集系统自动采集了管道内已布置测点的压力和火焰呈现时间。表2和3为爆炸实验数据。爆炸压力波和火焰的波形如图3和4所示。

表2 DN700管道天然气爆炸压力实验数据

测点位置/m

8.8%

9.1%

9.5%

最大压力/MPa

压力呈现时间/ms

最大压力/MPa

压力呈现时间/ms

最大压力/MPa

压力呈现时间/ms

4.9

0.179

825

0.352

645

0.492

576

13.3

0.138

835

0.238

653

0.459

585

21.7

0.122

844

0.224

660

0.418

592

30.1

0.081

852

0.190

669

0.314

600

38.5

0.145

860

0.213

677

0.391

607

46.9

0.891

890

0.915

709

0.970

638

55.3

0.140

925

0.203

749

0.383

681

63.7

0.124

965

0.167

796

0.351

730

72.1

0.231

1013

0.259

849

0.442

785

 


 
 

 


 

 

2.3.2管道内天然气爆炸压力波及火焰传播规律分析

(1)管道内天然气爆炸最大爆炸压力时空变化特征

从图5中可以看出:①爆源点的最大压力值并不是整个天然气爆炸过程的最大值。②冲击波最大压力值在爆源点附近先降低,然后上升到某一峰值再逐渐衰减。③最大压力值在衰减过程中不是单调衰减,有点起伏。



管道内天然气爆炸压力波压力呈现以上特点,是与天然气爆炸传播物理机制密切相关的。

管道各测点的最大爆炸压力呈现时间是指测点获得压力最大值的时刻,并不是初始压力感应时刻,这两者之间存在一个迟滞时间Δt。因此不能用最大爆炸压力呈现时间来计算爆炸过程中压力波传播的速度。图6表示DN700mm管道内天然气-空气混合气体爆炸过程中各测点最大爆炸压力呈现时间变化情况。从图中可看出在爆源附近各测点的最大爆炸压力呈现时间间隔较短,到后面就间隔时间增长了。

管道内天然气爆炸最大压力Pm减去初始压力P0除以到达最大压力所需的时间,即为天然气爆炸平均升压速率,依据此定义并结合表2可得出三次不同天然气浓度实验条件下天然气爆炸平均升压速率,如表4所示:

表4 DN700管道天然气爆炸平均升压速率

天然气浓度/%

初始压力/MPa

最大压力/ MPa

所需时间/s

平均升压速率/MPa/s

8.8

0.179

0.891

0.065

10.95

9.1

0.352

0.915

0.064

8.80

9.5

0.492

0.970

0.062

7.71

 

从表4中我们可发现,随着天然气浓度的增大,其爆炸平均升压速率反而在减小。

(2)管道内天然气爆炸火焰传播速度变化特征

在DN700mm管道内各测点布置了火焰传感器并用采集系统记录了火焰到达该点的时间,每两个传感器之间火焰的平均速度可用下式来进行计算。

                                               (1)

式中L—相邻两个火焰传感器之间的距离;

    T1—火焰前锋到达第一个传感器的时刻;

    T2—火焰前锋到达第二个传感器的时刻。

图7为管道内天然气爆炸火焰到达各测点时刻的变化情况。从图中可以看出,火焰到达各测点的时间随距爆源的距离而单调均匀上升,而且各曲线的斜率变化不大,即火焰传播速度变化不大。


利用公式(1)计算得到各测点间的火焰传播速度,如表5所示,把它们绘制成图8,表示天然气爆炸火焰速度沿管道的变化情况。

由表5和图8可看出:①爆源附近火焰传播速度较小,上升到某一峰值后又衰减。管道内天然气爆炸传播分为点火与传播两个阶段。在起始阶段火焰传播速度较小,但是在火焰前方由于前驱冲击波的作用,被加热和压缩,使燃烧加速。从而加速了气体膨胀,但膨胀又使燃烧衰减,制约气体进一步扩张。因此火焰加速存在一个临界速度,若火焰加速到这个临界速度便不再增加,而是逐渐衰减。②在靠近管道末端处火焰传播速度有所上升。原因可能是端口附近摆放的隔爆水槽可视为障碍物,会产生扰动从而加速火焰的传播。

3、 结论

(1)爆源点的最大压力值并不是整个天然气爆炸过程的最大值。如第一次实验用浓度8.8%的天然气时爆源点的最大压力值为0.179MPa,而在46.9m测点处的最大值则为0.891Mpa。

(2)冲击波最大压力值在爆源点附近先降低,然后上升到某一峰值再逐渐衰减。如第一次实验中爆源点最大压力值为0.179MPa,在30.1m测点处下降到0.081MPa,在38.5m测点处上升到0.145MPa,在46.9m测点处达到最大值0.891MPa,然后在63.7m测点处衰减至0.124MPa。

(3)最大压力值在衰减过程中不是单调衰减,有点起伏。如第三次实验中在46.9m处开始衰减,先在63.7m测点处减到0.351MPa,而在72.1m测点处又上升到0.442MPa。第一次和第二次实验数据所得曲线也有如此规律。另外,随天然气浓度的增大,其爆炸平均升压速率反而在减小。

(4)爆源附近火焰传播速度较小,上升到某一峰值后又衰减。管道内天然气爆炸传播分为点火与传播两个阶段。靠近管道末端处火焰传播速度有所上升。

 

 

参考文献

[1] 徐景德,徐胜利,杨庚宇.矿井瓦斯爆炸传播的试验研究[J].煤炭科学技术,2004(7):55-57.

[2] 黎体发,张莉聪,徐景德.瓦斯爆炸火焰波与冲击波伴生关系的实验研究[J].矿业安全与环保,2005,32(2):4-6.

[3] 司荣军. 井瓦斯煤尘爆炸传播规律研究[D]. 青岛:山东科技大学,2007.

[4] 王大龙,周心权,张玉龙,曹洋. 煤矿瓦斯爆炸火焰波和冲击波传播规律的理论研究与实验分析[J]. 矿业安全与环保,2007,34(2):172~176

[5] 王新,李润之,张延松. 瓦斯煤尘引起沉积煤尘爆炸传播实验研究[J]. 中国安全科学学报,2009,19(4): 73~7

[6] 王磊.瓦斯浓度对瓦斯爆炸传播的影响研究[D].青岛:山东科技大学,2009.

[7] 李润之,司荣军,张延松,王磊. 输送管道内低浓度瓦斯爆炸传播实验研究[J]. 山东科技大学学报,2009,28(1):35~39

[8] 吴兵. 矿井半封闭空间瓦斯爆燃过程热动力学研究[D]. 北京:中国矿业大学,2003.

[9] 司荣军.矿井瓦斯煤尘爆炸传播规律研究[D] . 青岛:山东科技大学,2007.

[10] 徐景德. 矿井瓦斯爆炸冲击波传播规律及影响因素研究[D]. 北京:中国矿业大学,2003.

 

 


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