采用泄爆管的粉尘爆炸在泄放过程中的压力特性＊

喻健良，闫兴清，李 迪

（大连理工大学化工机械学院，辽宁 大连116024）

爆炸泄放技术广泛应用在气体及粉尘爆炸防护领域。相比敞口泄放，采用泄爆管能将可燃介质、燃烧产物及冲击波排放至安全区域，故被国内外泄放设计标准所推荐。但是由于泄爆管的存在，爆炸泄放过程的压力特性比敞口泄放复杂很多。研究表明，使用泄爆管时容器内最大爆炸超压要高于敞口泄放［1－3］。W.Bartknecht［2］基于一系列实验结果提出了泄爆管泄放设计关系式。文献［3］采用该关系式，在获得敞口泄放最大爆炸超压的基础上，依据泄爆管长度对超压进行修正。R.M.Kasmani［4］认为泄爆管的存在增大了泄放物压力损失，导致爆炸超压变高，并指出W.Bartknecht的计算方法过于保守。

相比敞口泄爆，下列因素对泄爆管内泄放过程中超压有影响：二次爆炸现象、介质摩擦损失、泄放介质惯性和Helmholtz振动。B.Ponizy［5－6］对气体爆炸时采用泄爆管泄放的火焰及压力特性进行了实验，发现火焰在进入泄爆管后会出现类似爆炸的燃烧，导致容器与泄爆管压差为负，介质由泄爆管向容器逆流，增强了容器内扰动，使残余可燃介质反应，从而使容器内最大爆炸超压增大。G.Ferrara等［7］通过CFD方法对采用泄爆管的气体爆炸进行了数值模拟，探讨了二次爆炸引起的机械效应和化学效应、介质惯性及摩擦损失等因素，认为二次爆炸是影响容器内超压的关键。A.D.Benedetto等［8］、R.Lautkaski［9］依据气体爆炸时泄爆管泄放实验结果，建立了泄放设计半经验关系式。目前，泄爆管泄放过程中上述各因素的作用机理还未完全清楚，针对粉尘爆炸泄放过程各因素研究开展较少。

本文中拟进行泄爆管内粉尘爆炸泄放过程压力特性实验，通过改变泄爆管长度、粉尘质量浓度探讨二次爆炸发生规律及对爆炸超压的影响。

1 实验装置

实验装置如图1，实验容器为内径68mm，高305mm的钢制圆筒，顶端通过法兰连接内径25mm的钢制泄爆管，管长LT可变，末端敞口。采用2层聚酯薄膜作为泄爆膜，置于容器及泄爆管间，其破膜压力pv通过压力曲线得到。采用高压电极放电点火，电极距容器底部100mm。采用4个压电式压力传感器测量系统压力：传感器Pc布置在容器内，距泄爆膜66mm；传感器P1、P2布置在泄爆管内，分别距泄爆膜120和450mm；传感器P3布置在泄爆管末端。底端通过法兰盖封闭，法兰盖加工成碗状，中间焊接蘑菇状喷嘴，如图2所示。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic of experimental device

图2 底端碗状法兰盖及蘑菇状喷嘴Fig.2 Bottom blank flange and nozzle

2 结果分析与讨论

实验发现，当泄爆管长度LT＜1 500mm时，容器及泄爆管内压力特性类似。图3所示为LT＝900mm，质量浓度ρ＝300g／m3，pv＝0.262MPa时，容器内测点pc及泄爆管内测点P1、P2和P3的典型压力时程曲线。

图3 容器及泄爆管内压力随时间变化Fig.3 Pressure time profile in vessel and relief pipe

图3中，t0＝6.92ms，容器压力达到破膜压力pv，膜破，容器压力降低。压力波传至P1、P2和P3的时间分别为7.39、8.11和9.3ms。测点P1、P2、P3测得的峰值压力在9.3ms时为0.156MPa，在10.02ms时为0.127MPa，在10.97ms时为0.109MPa。说明压力波在泄爆管中的传播逐渐衰弱。各测点压力增到峰值后迅速降低至0。

然而，当泄爆管长度LT≥1 500mm，质量浓度ρ≥500g／m3时，泄放过程的压力特性与图3不同。图4所示为LT＝1 500mm，ρ＝500g／m3，pv＝0.252MPa时各测点的压力时程曲线。

图4 容器及泄爆管内压力随时间变化Fig.4 Pressure time profile in vessel and relief pipe

图4中，t0＝8.35ms，容器压力达到破膜压力pv，膜破，容器压力降低。t1＝8.82ms，压力波传至测点P1，P1处压力陡增至峰值p1（k）。在t2＝9.54ms时，压力波传至测点P2，P2处压力陡增至峰值p2（k）。p2（k）低于p1（k），说明压力波在衰减。测点P1和P2处的压力在达到各自峰值后下降，但在t＝11.45ms时几乎同时再次上升，出现二次峰值，其值高于一次峰值。同时，容器内也出现二次峰值ps＝0.267 MPa，高于破膜压力pv。在t3＝11.45ms时，压力波传至测点P3。P3处也出现二次峰值现

实验流程如下：依据所需质量浓度称量铝粉，将其均匀铺在碗状法兰盖内，组装容器、泄爆膜及泄爆管。打开控制系统控制电磁阀开启，使储气室内0.4MPa空气流经喷嘴后扬起铝粉。延迟50ms后，点火电极放电，同时压力传感器采集数据。当容器内压力达到破膜压力时，泄爆膜破裂，压力及火焰经泄爆管泄放至大气。

开展2μm铝粉在表观质量浓度ρ＝300、500、800、1000和1200g／m3，泄爆管长度LT＝600、900、1 200、1 500和1 800mm下的爆炸泄放实验，分析容器及泄爆管内压力变化特性。每组实验均进行多次。象。

分析认为，容器及泄爆管内二次压力峰值的出现，与泄爆管泄放过程中的二次爆炸有关。图5所示为泄爆管泄放过程中二次爆炸现象示意图。

图5 泄爆管泄放过程中的二次爆炸现象Fig.5 Secondary explosion in dust explosion vented through relief pipe

图5（a）为泄爆膜破裂前火焰的传播情况。因火焰较压力波有所滞后，因此泄爆膜打开时火焰未传播至泄放口。火焰进入泄爆管时，通道几何形状的变化对火焰面起到强烈的扰动作用致使火焰前端形成一突前的尖端，火焰面因强烈扰动而变形及褶皱，分为许多细小火焰流，热量极易通过管壁释放出去，使火焰在入口处被淬熄。

若火焰最终熄灭，如图5（b），则容器及泄爆管内各点压力达到峰值压力后持续降低至常压，压力特性如图3所示。但是，若火焰最终未被熄灭，则在管内传播一定距离后引燃未燃粉尘，如图5（c），反应释放的热量及介质膨胀导致泄爆管内处于下降过程的压力波再次上升，管内形成如图4所示的二次压力峰值，即为二次爆炸。管内二次爆炸产生的压力波将向两侧传播。向外侧传播的压力波将使介质更快泄放至大气。但向内传播的压力波与泄放方向相反，导致泄放被阻碍及扰动，使容器内残余未燃粉尘反应，在容器内产生二次压力峰值。

根据上文描述，能否发生二次爆炸主要受到以下因素影响：未燃粉尘在泄爆管内的质量浓度；火焰进入泄爆管后能否引燃粉尘。前者主要与粉尘质量浓度和泄爆管长度有关，后者主要与泄爆管径和进入泄爆管的火焰速度有关。在泄爆管径和进入泄爆管的火焰速度确定时，对不同泄爆管长度、不同粉尘质量浓度的爆炸泄放进行了大量实验，每组实验均重复6次。

实验发现，当LT≥1 500mm，粉尘质量浓度ρ≥500g／m3时，泄放过程出现二次爆炸的频率在50%以上。因此，在本实验条件下，LT＝1 500mm、ρ＝500g／m3为二次爆炸发生的阈值。二次爆炸发生时，容器内二次压力峰值ps与破膜压力pv（一次峰值）的关系较为复杂，目前规律性尚未得出。

分析认为，影响粉尘爆炸泄放的因素较多，如放置粉尘的均匀程度、扬尘的均匀程度、反应的均匀性、泄爆膜破膜形状等等，导致实验中二次爆炸以概率方式出现。因此，进一步提高实验稳定性，研究泄爆管内二次爆炸机理及规律，明确二次峰值与一次峰值的关系，以充分评估泄爆过程中的压力特性，是亟待解决的问题。

3 结 论

泄爆管泄爆过程中存在二次爆炸现象。二次爆炸发生后，产生的压力波将向泄爆管出口及容器内传播，使泄放过程出现阻碍及扰动，导致容器内残余的未燃粉尘燃烧，出现二次压力峰值。在本实验条件下，当泄爆管长度LT＝1 500mm、粉尘质量浓度ρ＝500g／m3时，二次爆炸出现的概率超过50%。对二次爆炸现象机理及规律性（如影响二次爆炸发生的其他因素，是否存在发生二次爆炸的泄爆管长度阈值或粉尘质量浓度阈值等）必须进一步关注。

［1］Siwek R.Explosion venting technology［J］.Journal of Loss Prevention in Process Industries，1996，9（1）：81－90.

［2］Bartknecht W.Explosion protection－Fundamentals and applications［M］.Berlin：Springer－Verlag，1993：89－105.

［3］Swift I.NFPA 68guide for venting of deflagrations：What’s new and how it affects you［J］.Journal of Loss Pre－vention in the Process Industries，1989，2（1）：5－15.

［4］Kasmani R M，Andrews G E，Phylaktou H N，et al.Vented gas explosion in a cylindrical vessel with a vent duct［C］∥Proceedings of the third European Combustion Meeting.Conference Center Bureau of MAICH.Greece，2007：1－6.

［5］Ponizy B，Leyer J C.Flame dynamics in a vented vessel connected to a duct：1.mechanism of vessel－duct interaction［J］.Combustion and Flame，1999，116（1）：259－271.

［6］Ponizy B，Leyer J C.Flame dynamics in a vented vessel connected to a duct：2.mechanism of vessel－duct interaction［J］.Combustion and Flame，1999，116（2）：272－283.

［7］Ferrara G，Benedetto A D，Salzano E，et al.CFD analysis of gas explosions vented through relief pipes［J］.Journal of Hazardous Materials，2006，137（2）：654－665.

［8］Benedetto A D，Russo P，Salzano E.The design of duct venting of gas explosions［J］.Process Safety Process，2008，27（2）：164－172.

［9］Lautkaski R.Duct venting of gas explosions：Revision of two proposed engineering correlations［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012，25（2）：400－413.