有无泄压条件下的管道油气爆轰实验研究

蒋新生， 谢 威， 魏树旺， 徐建楠， 周 毅

(1.陆军勤务学院 油料系，重庆 401311； 2.95809部队，河北 沧州 061000)

现代石油化工行业的迅速发展，但是由于行业化工类产品的易燃易爆等性质，导致其安全事故频发，其中火灾爆炸事故的占比较大，同时往往产生严重损失和破坏后果，影响恶劣。因此，石油化工行业的安全建设和事故预防日益重要[1]。尤其是像输油管道、排油沟、油库呼吸管路[2]等此类狭长结构的受限空间，一旦引发油气爆炸，即使是弱点火能量，也将因为层流火焰的加速和火焰面的褶皱而产生激波，使得层流火焰转变成湍流火焰，最终形成爆轰，造成破坏，酿成大型油气爆炸安全事故[3-4]。现阶段，国内外专家针对甲烷[5]、氢气[6-7]等单一可燃气体与氧气混合物以及瓦斯[8-9]等混合物在狭长受限空间条件下的爆炸及泄压[10-12]的研究较多，而针对油气一类的混合物的爆炸及泄压研究并不广泛。由于油气混合物组分的复杂性及危险性，一般采用模拟管道对狭长空间的油气爆炸特性进行研究[13-14]，而对产生爆轰的管道油气爆炸强度规律研究则更少。

因此，为探究长距离狭长受限空间在有无泄压条件下的油气爆轰超压及火焰传播规律，以实际油库呼吸管路为背景，将23.3 m细长管路作为实验台架，对细长管路的爆炸进行模拟实验。并以文献[13]中提及的油气爆炸超压最大体积分数1.75%作为初始油气体积分数，进行密闭和泄压管内油气爆炸两组对比实验。同时，为力求实验的可视化，采取在泄压管道末端架设高速摄影仪的方式对油气泄爆产生的火焰画面进行捕捉，以便分析在泄压条件下产生的油气爆轰火焰。通过对实验数据及关键现象的合理分析，研究密闭和泄压条件下油气爆轰波发展规律的区别，以期为石油安全工程及防护设计提供参考。

1 实验系统和方案

1.1 实验系统

如图1所示，依托于油库呼吸管路系统，搭建了细长实验管道，由2根长管和5根短管组合而成，总长23.3 m，直径150 mm，壁厚10 mm，这在。密闭工况下在管道末端用法兰密封，有泄压工况则采用薄膜替代法兰作密封，一旦压力上升到较大值，薄膜将被破坏形成泄压条件。在做泄压管道爆炸实验时，利用FASTCAM-ultima512型高速摄影仪记录喷出火焰情况，拍摄速度为1 000帧/秒。压力传感器量程为5 MPa。压力传感器、火焰速度传感器、火焰强度传感器以及点火器安装位置已在图中进行了标注，Pi表示i号压力传感器，Vi表示i号火焰速度传感器，Fi表示火焰强度传感器。其中，P1-P6压力传感器分别距离点火端4.7 m，11.2 m，13.7 m，17.25 m，19.5 m，22.3 m，V1-V8火焰速度传感器分别距离点火端1.5 m，3.2 m，6.2 m，9.2 m，12.2 m，14.2 m，16.75 m，20 m，F1和F2火焰强度传感器分别距离点火端13.2 m和21.8 m。

图1 实验管道示意图Fig.1 Sketch map of experiment pipe

1.2 实验方案

本实验采用文献[13]中的油气爆炸超压最大时的体积分数1.75%作为初始油气体积分数，进行密闭管道和泄压管道的油气爆炸对比实验研究，点火能量为1.5 J，每组实验进行三次，以保证实验数据的可靠性。在实验之前，先对密闭管道的气密性进行检验，通过真空泵的抽吸作用，使管道内形成一定真空度，在一定时间内压力计测得压力基本保持稳定则说明管道的气密性良好。然后，待管道的初始压力恢复至1 bar后，利用配气系统将油气雾化蒸发后循环通入管道内，直至油气体积分数测试仪的示数稳定在1.75%，再进行高能点火操作。整个实验过程利用高频压力传感器采集管道内的瞬态压力值并记录其超压变化过程，以及火焰速度传感器的数据求得各段的火焰传播平均速度，用火焰强度传感器来采集火焰的持续时间。

2 结果与讨论

2.1 超压变化规律

经三次实验测得管道各测点的最大爆炸超压值的平均值，如表1所示。

表1 不同工况管道沿线最大超压值

为更好分析管道的油气爆燃转爆轰超压规律，对密闭和泄压状况下采集到的管道沿线的最大超压值进行多项式拟合分析，得到了一个较好的拟合关系式。

密闭管道最大超压沿程分布拟合函数为：

Pmax(x)=400+487.5x-108x2+7.5x3-0.15x4

泄压管道最大超压沿程分布拟合函数为：

分别对拟合出来的管道最大超压沿程分布函数进行求导，得到密闭管道的一个极小值点出现在x=10.4 m处；而泄压管道的一个极小值点出现在x=10.04 m处。依据拟合结果可以预测，不论密闭还是泄压，在该长直管道中的爆炸距起爆点10～14 m为爆燃转爆轰区间。将表1数据及拟合曲线绘制成图，如图2所示。

图2 不同管道沿线最大超压变化拟合曲线Fig.2 Fitting curves of maximum overpressure in different pipes

由图2可以看出，管道不管是泄压还是密闭，管道沿线的最大超压值都达到3.4 MPa，但在起始阶段的爆炸超压值会有一个下降，其原因一方面是由于之前较高的前驱波压力前锋推动燃料向管道中后部运动，增大了燃烧反应的距离，使前半段油气体积分数有所降低，因此单位体积内补充的能量相应减少，从而出现最大超压值随传播距离增大而下降的现象[15]；另一方面，起始阶段距离较长，受管道钢壁结构限制及散热抑制的影响，内部产生的冲击振荡会部分抵消。

此外，从图2中可以很明显地看出，在长度达到11.2 m之前，最大爆炸超压值基本在1 MPa以下，但是在此之后，最大爆炸超压值发生突变，上升趋势明显，最大超过了3 MPa，此时已经达到爆轰状态。同时，还可以看出在11.2 m之前的起始阶段，相同位置上有泄压时的最大爆炸超压要小于密闭管道，这是因为有泄压管道中爆炸产生的压力波将随着管道开口端泄放到外部环境中，爆炸超压变化曲线只是记录了前驱冲击波的经过，而闭口管道由于存在反射波的往复振荡叠加激励效应，因此最大超压值将会大于开口管道相同位置上的最大超压值。但是在11.2 m之后，泄压管道超压上升速率高于密闭管道，特别是在17.25 m的位置，开口管道最大超压值达到3 414.02 kPa，而闭口管道相同位置的最大超压值只有1 825.92 kPa，这是因为闭口管道存在反射压力波，对火焰传播造成阻滞作用，延缓了爆轰波的形成，油气燃烧提供给压力波的能量小于开口管道，因此最大超压上升趋势明显小于开口管道。但是，在靠近端部的19.5 m和22.3 m两个位置，开口管道最大超压值逐渐减小，而闭口管道逐渐增大，上升到3 638.96 kPa，这是因为这两个位置靠近管道末端，开口管道对油气爆炸产生的压力波起到泄压作用，因此最大超压值有了明显的下降趋势，而闭口管道最大超压值则持续增大。

当密闭管道某一处被破坏产生泄压时，管道内的状态将发生跃迁，处于图2两条拟合曲线的中间态。可以看出，破坏产生在两曲线交叉点A之前时对管道爆炸的防护是有利的；破坏产生在交叉点A和B之间时，将导致管道爆炸的增强；破坏点在交叉点B之后时，就是所谓的末端泄放，虽然能够达到最终降压目的，但是其对体系的保护作用是后发性的，而且要求体系的整体承压设计必须大于管道产生爆轰的最大超压。

图3 密闭和泄压管道超压变化曲线Fig.3 Changing curve of overpressure in closed and open pipes

为更好对比密闭和有泄压两种工况下管道超压变化规律，选取管道末端17.25 m处P4压力传感器所测超压变化曲线(图3)进行分析。

可以看出，在密闭工况下，超压变化趋势存在4个阶段：点火延迟、前驱超压、压力波反射、振荡衰减。油气被点燃后，燃烧都比较缓慢，火焰以层流状态进行传播，末端产生的超压值很小，此为点火延迟阶段；而当前驱冲击波到达压力传感器位置，爆炸超压值迅速上升，过后爆炸超压值迅速下降，此为前驱超压阶段；油气爆炸产生的压力波达到管道末端然后反射回来引起的爆炸超压回升或者振荡加强，此为压力波反射阶段；之后，可以很明显地看出有两组波峰，每一组就是正向和反向的压力波，但是两个方向的压力波到达传感器的时间间隔在延长，由2、3阶段的7.7 ms延长到4阶段的23.3 ms和28.5 ms，并且同一方向的压力波到达传感器的时间也在延长，同时超压峰值也在降低，此时为振荡衰减阶段。

而在有泄压的工况下，超压变化趋势分为：点火延迟、前驱超压、负压回流、平稳恢复四个阶段。由于没有反射波的激励作用，所以不仅管道初始阶段的最大爆炸超压值小于密闭管道，升压反应时间也会滞后于密闭管道，从而点火延迟阶段的时间要长一些, 如表2。对于有泄压的前驱超压阶段，前驱冲击波到达压力传感器位置，爆炸超压值迅速上升，达到了3 414.02 kPa，并且上升速率远远大于闭口管道，已经处于爆轰阶段，其持续时间比密闭管道要短。而且不同于密闭管道，由于管道末端开口，油气爆炸产生的压力波会通过末端进入到外界开敞空间，喷出时会产生膨胀波，膨胀波回流经过压力传感器时会产生一定强度的负压。而且由于管道末端开口，所以不会产生压力波往复振荡衰减的现象，而是由负压逐渐平稳恢复到外界大气压。

表2 不同工况管道各阶段的持续时间

2.2 火焰传播速度变化规律

图4为三次实验不同管道火焰传播速度随距离的变化关系拟合曲线图。可以看出，由于管道中的波前未燃气体已经经过压缩，点燃后产生很大的能量，管道中的火焰传播速度不断增大，与此同时，管道长度的增加也使得火焰不断加速，最终压力波和火焰阵面重合，发展为爆轰。对比两种工况，油气爆炸超压在管道前段基本趋于一致，但是随着距离的增加，密闭管道后段的火焰传播速度明显小于泄压管道，这是因为密闭管道的后段由于密闭而形成的反射压力波对火焰阵面推进的阻碍作用越来越明显，影响了火焰阵面与前驱冲击波的重合，所以达到爆轰的时间要晚于泄压管道，使得火焰传播速度小于相同位置的开口管道。

图4 不同管道火焰传播速度拟合曲线及表达式Fig.4 Fitting curves and expressions of flamepropagation in different pipes

2.3 火焰强度变化规律

图5为三个管道不同位置火焰强度传感器采集的火焰强度变化曲线，为将图上数据清晰呈现，将其重要参数汇总在表3，其中耗时指的是火焰从F1传至F2所需的时间。

图5 不同管道不同位置火焰强度变化曲线Fig.5 Changing curve of flame intensity in differentpositions of different pipes

传感器火焰强度/mV火焰持续时间/s到达时刻/s耗时/s密闭管道F11 235.700.0380.166密闭管道F21 473.130.0090.1790.013泄压管道F11 518.730.0280.176泄压管道F21 477.580.0060.1830.007

由表3可以看出，随着火焰传播距离的增大，管道火焰强度从1 235.70 mV增大到1 473.13 mV，而泄压管道的火焰强度从1 518.73 mV减小到1 477.58 mV，这与图3爆炸超压变化趋势相一致，说明了火焰阵面与压力波的相互作用。此外，由火焰强度的波动和持续情况，也表明了该位置火焰形态变化是否剧烈，由图5可以看出，F1处的火焰变化比F2剧烈，密闭管道比泄压管道剧烈。

火焰持续时间也能看出火焰传播速度的相对大小，两种管道中F2的火焰持续时间均小于F1，说明火焰传播速度在增大，而且有泄压管道的火焰持续时间均小于密闭管道，说明泄压管道火焰传播速度均大于相同位置上的闭口管道；此外，密闭管道中火焰从F1传播到F2耗时0.013 s，而泄压管道仅用时0.007 s，也说明了这个问题。

2.4 泄压管道的可视化研究

由于管道爆轰产生的超压较大，出于对安全的考虑，没有设置透明管段，所以只能在泄压管道末端利用高速摄影仪进行火焰拍摄来实现细长管道油气爆炸泄爆实验的可视化研究。本实验开口部分点火前用铝箔纸封口进行油气循环，采用高速摄影仪对管道开口部分影像进行采集，采集频率为1 000帧/秒。

为将所拍摄图片的时间节点与压力变化时间相对应，截取泄压工况下末端P6压力传感器压力跃升(0.181 s)前(图3)的一段曲线，如图7所示。

在图6中可以很明显地看到爆炸超压变化曲线存在2个压力波峰，第1个波峰是由于管道中油气不断燃烧爆炸产生的前驱冲击波而持续上升，而导致下降的原因是在压力作用下铝箔纸被破坏导致了压力泄放，第2个波峰则是反射波，所以可以判断破膜时间为第1个波峰时间，为0.106 s。

图6 P6爆炸超压部分变化曲线Fig.6 Part changing curve of overpressure of P6

图7 部分高速摄影仪图片Fig.7 Part of pictures photographed by high speed camera

图7为高速摄影仪拍摄的开口管道油气爆炸的部分图片。铝箔膜在0.106 s在初始微弱前驱冲击波的作用下破裂；而后在0.184 s开始有火焰喷出；在0.189 s时火焰完全喷出，经测量，火焰长度为3 m左右，火焰呈椭球型，宽度为1.5 m左右，大部分火焰区域为高亮白色，此时氧气充足，油气完全剧烈燃烧；在0.196 s时火焰基本喷射完毕，此时火焰为橙红色，这是因为局部氧气不足，油气未能完全燃烧。在图7中可以看出，之前先行破裂喷出的铝箔膜被高速高压的爆轰波追赶并被冲击粉碎，从火焰喷出到熄灭的整个过程仅持续90 ms，可见呼吸管路油气爆炸在形成爆轰之后的火焰传播速度极快，爆炸超压值较高，具有很强的破坏力。若在泄压后方存在发生二次爆炸或者重新起燃的条件，则将引发新一轮的破坏，因此，需要对存在泄压口、通风口等管道出口处设置一定安全泄放距离，最低应不得少于3 m。

3 结 论

本文以实际油库呼吸管路为背景，利用23.3 m细长管道实验台架在密闭和泄压条件进行了油气爆炸模拟对比实验，并分析和拟合了两种工况下的细长管道油气爆炸超压和火焰速度发展规律，对泄压条件下的泄爆口火焰进行了可视化研究。

研究结果表明：

(1)密闭和泄压两种工况下的细长直管道发生爆轰时，最大超压值都在3 MPa以上，甚至有继续增大的趋势。密闭管道的沿程最大超压先略有下降，后持续快速上升，其压力变化趋势分为点火延迟、前驱超压、压力波反射、振荡衰减四个阶段；泄压管道的沿程最大超压先略有下降，后快速上升再下降，最大超压产生距末端的一定距离处，其超压变化趋势分为点火延迟、前驱超压、负压回流、平稳恢复四个阶段。在起始阶段的爆炸超压值，两种工况都会有一个下降过程，且泄压管道发生爆轰的时间早于密闭管道。

(2)不管是泄压还是密闭管道，管道长度的增加使火焰不断加速，最终导致爆燃转爆轰。在该细长管道中，距起爆点10 m～14 m为爆燃转爆轰区间，对设置合理的泄放位置具有参考意义。一旦管道的弱约束处被破坏产生泄压，则将使火焰进一步加速，爆燃赚爆轰的过程将提前。不同长度管道所处的超压状态依据破坏点所处的位置而定，本文仅考虑了单个泄压点的状况，多个破坏点及不同破坏程度等情况的具体规律还有待进一步研究。

(3)火焰传播速度从发生爆轰后开始急剧增大，而且泄压管道的增大速率比密闭管道更大。泄压条件下的油气爆炸管口喷射火焰长约3 m，宽约1.5 m，呈椭球型，对实际工程中的泄压安全距离具有参考价值，避免发生二次破坏。