水平管道泄爆面开启压力对甲烷爆燃压力的影响*

吕鹏飞，朱澍成，刘开沅，庞 磊，杨 凯

(1.北京石油化工学院 安全工程学院，北京 102617;2.北京市安全生产工程技术研究院，北京 102617)

0 引言

市政排污管线等典型约束空间内往往积聚可燃气体，极易发生气体爆炸事故并造成严重后果，例如，2013年山东省青岛市“11·22”中石化东黄输油管道泄漏爆炸特别重大事故，原油泄入排水暗渠后，现场处置人员采用液压破碎锤在暗渠盖板上打孔破碎，产生撞击火花并引起暗渠内油气爆炸，事故造成62人死亡、136人受伤，直接经济损失近7.52亿元[1]。而泄爆作为常用的1种爆炸灾害控制措施，通过泄爆面能够释放爆炸压力，进而改变约束空间爆炸流场分布及灾害效应。因此，针对泄爆面特征参数开展约束空间可燃气体爆炸特性及灾害传播规律研究尤为必要。

当前，研究者围绕泄爆面特征参数对受限空间可燃气体爆炸过程的影响开展了相关研究。任少峰等[2]研究了泄压比对管道内爆炸压力与火焰速度的影响，结果表明泄压比不同造成泄压比与爆炸压力、火焰速度峰值关系的差异。胡俊等[3]对柱形容器甲烷/空气预混气的顶端开口泄爆过程进行了实验研究，结果表明不同的泄爆口面积产生的泄流率不同，并造成容器内火焰面的发展、变形、燃烧速率的差异。王志荣等[4]实验研究了泄爆口直径对容器可燃气体泄爆过程中外部压力变化特性的影响，结果表明随着泄爆口直径的增加，容器外部最大压力上升速率及峰值压力均相应增大。刘斐斐等[5]模拟研究了管道内氢气爆燃转爆轰及其抑制过程，结果表明泄爆口位于管道中部时能降低管道内爆轰超压，起到较好的泄爆效果。Wan等[6]实验研究了直管中侧向泄爆口位置对甲烷/空气混合气火焰传播特性的影响，结果表明缩短侧向泄爆口与点火源之间的距离可以显著增强泄放效果。Chao等[7]实验研究了圆柱状泄压容器内点火位置对甲烷爆炸超压峰值的影响，发现中部点火时超压形成“双峰值”现象。曹勇等[8]研究了不同点火位置及破膜压力条件下氢气的泄爆特性，发现前端、中端、尾端3种点火位置的内部压力峰值均随破膜压力的增加而增大。王超强等[9]研究了有泄爆口时点火位置对甲烷/空气爆炸超压和火焰形态的影响，结果表明中心点火时爆炸超压峰值最大，尾部次之，前端最小，而且前端点火对火焰的影响远小于中心点火和尾部点火。杨凯等[10]研究了大尺度障碍物与泄爆面协同作用对天然气爆炸的影响规律，发现室内火焰速度呈现明显的阶段性特征，并在泄爆面附近产生波动。乔丽等[11]模拟研究了甲烷/空气混合气体在管道内的爆炸特性，结果表明随着泄爆压力的增加，管道中甲烷爆炸最大压力下降趋势变缓。文虎等[12]模拟研究了泄爆口强度对管道内可燃气体爆燃特性的影响，结果表明随着泄爆口承压能力的增加，管道内压力峰值、温度峰值均相应增大。王志荣等[13]模拟研究了泄爆压力对泄爆过程的影响，发现当泄爆压力较低时泄爆后容器内压力存在先增加后下降的现象。Kasmani等[14]实验研究发现，泄爆面开启压力对最大爆炸超压和火焰速度的影响具有非线性关系。

综合目前研究成果发现，尽管研究者对约束空间内可燃气体爆燃过程的泄爆影响开展了相关研究，但主要集中在泄爆口尺寸、泄爆口位置、点火位置、障碍物、泄爆面开启压力等因素对约束空间内爆炸流场的影响，未充分结合实际泄爆结构及泄爆特点，对泄爆过程中泄爆面及外部流场的研究不足，制约了约束空间爆燃灾害机理的揭示及防治技术的发展。鉴于此，本文以含有泄爆面的水平管道数值模型为例，研究泄爆面不同开启压力对水平管道内部、泄爆面和外部流场的影响，可为约束空间气体爆炸灾害防治及相关标准制定提供依据。

1 数值方法

1.1 数值模型

研究水平管道泄爆面不同开启压力对甲烷爆燃压力的影响，借助三维流体动力学模拟软件Fluidyn-MP进行模拟，该软件是由法国Fluidyn公司开发的多物理场仿真软件，可用于三维受限、半受限和开放空间的爆炸仿真，软件中假设可燃气体爆炸为单步不可逆化学反应，采用有限体积法对包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程组进行求解，解决气体爆炸过程中的气体动力学行为，并通过湍流模型模拟气体爆炸中的湍流行为。

1.2 模型验证

为验证数值模型的准确性，将数值模拟结果与作者开展的水平管道内甲烷空气混合物爆燃压力实验结果进行对比。在长度为4.4 m，截面尺寸为0.1 m×0.1 m的管道中进行，管道左侧封闭且为点火端、右侧开口，点火源距左侧断面0.1 m，管道内甲烷体积分数约为9.5%。在管道上安装3个压力传感器，分别为测点1、测点2和测点3，距点火源距离分别为0.7，1.5，3.1 m。根据实验条件，利用流体动力学软件Fluidyn-MP建立数值模型，保持管道尺寸、测点位置、甲烷浓度、环境参数与实验一致，管壁设置为绝热光滑。采用边长为0.01 m的正方体网格对模型进行划分。

将模拟结果与实验数据进行对比可知，数值模拟与实验时各测点压力时程曲线变化趋势相近，均随时间的增加整体呈现先增大后减小，而后出现反复振荡。3个测点的压力峰值绝对误差均值为3.81 kPa，相对误差均值为3.18%，其原因与实验管道的粗糙度、壁面散热、压力传感器的精度和灵敏度等因素有关。通过数值模拟与实验的对比验证，本文的数值模拟结果具有较高的置信度，采用的数值方法较为可行。

2 研究方案

研究水平管道泄爆面不同开启压力对甲烷爆燃压力的影响，建立数值分析模型如图1所示。模型中水平管道长5 m、左端封闭且为点火端、右端开口，并在水平管道右端泄爆面外侧建立长度为2.5 m的空气域，管道截面尺寸为0.1 m×0.1 m。在模型内设置11个监测点，位置均在管道的中轴线上，其中水平管道内布置有1～5监测点，测点1和测点5分别距管道左右两端0.5 m，相邻测点间距为1 m；测点6布置在泄爆面内侧，测点7位于泄爆面中心，测点8布置在泄爆面外侧，相邻测点间距为0.01 m；空气域中布置有9～11监测点，相邻测点间距为1 m，测点9距泄爆面0.5 m。

图1 模型结构示意

模拟过程中点火位置在水平管道内距左侧端面0.01 m处，采用层流点火模型。模拟时对气体成分进行简化处理，假设甲烷/空气混合物充满整个水平管道内部，保持甲烷体积分数为9.5%。将水平管道右端泄爆面开启压力分别设置为0，20，40，60，80，100 kPa，将管壁设置为绝热光滑，采用边长为0.01 m的正方体网格对模型进行划分，设置初始压力为101.325 kPa，初始温度为298 K。

3 结果与讨论

3.1 水平管道内爆燃压力峰值分析

对水平管道内各测点爆燃压力峰值差异对比分析，得到泄爆面不同开启压力条件下水平管道内1～5监测点爆燃压力峰值变化如图2所示。

图2 泄爆面不同开启压力条件下水平管道内爆燃压力峰值曲线

由图2可知，在泄爆面不同开启压力条件下，水平管道内各测点爆燃压力峰值总体趋势相似，随着距离的增加整体呈现为逐渐衰减；与泄爆面开启压力0 kPa相比，当泄爆面开启压力分别为20，40，60，80，100 kPa时，测点的爆燃压力峰值逐渐增大，增幅均值分别为11.7%，24.6%，30.9%，38.6%，44.8%；与测点1相比，随着泄爆面开启压力的增大，测点2～5的爆燃压力峰值呈减小趋势，降幅均值分别为4.24%，1.78%，2.6%，1.7%，0.82%，0.68%，由此可知，随着泄爆面开启压力的增加，各测点间的爆燃压力峰值差异逐渐减小。

由图2可知，当泄爆面开启压力为0 kPa时，泄爆面处于开口状态，爆炸波传播到水平管道右端泄爆面时压力泄放，造成管道内邻近泄爆面的测点5爆燃压力峰值衰减显著且为最小值；当泄爆面开启压力分别为20，40，60，80，100 kPa时，爆炸波传播到水平管道右端泄爆面时，泄爆面开启需要积聚一定的能量，随着泄爆面开启压力的增加，所需积聚的能量也随之增大，水平管道内化学反应能够较为充分的进行，造成管道内各测点的爆燃压力峰值相应增大并减小了测点间爆燃压力峰值的差异。整体来看，在泄爆面不同开启压力条件下水平管道内存在爆燃压力积聚和泄放的双重效应，与泄爆面开启压力为0 kPa时相比，随着泄爆面开启压力的增加，水平管道内压力积聚作用占主导地位。

3.2 泄爆面泄爆特征

由于测点6布置在泄爆面内侧，测点7位于在泄爆面中心，测点8布置在泄爆面外侧空气域，且相邻测点间距为0.01 m，为进一步分析泄爆面泄爆特征，得到水平管道泄爆面不同开启压力条件下测点6～8的压力时程变化曲线如图3所示。

由图3(a)可知，当泄爆面开启压力为0 kPa时，水平管道右端处于开口状态，随着时间的增加各测点爆燃压力整体呈现先增大后减小，而后出现反复振荡，其中泄爆面内侧测点6的爆燃压力峰值为104.592 kPa，泄爆面上测点7的爆燃压力峰值为104.559 kPa，泄爆面外侧测点8的爆燃压力峰值为104.527 kPa，三者均大于大气压101.325 kPa，表明爆燃压力正常传出泄爆面；当泄爆面开启压力为20 kPa时，爆燃压力峰值为121.325 kPa时泄爆面将开启，由图3(b)可知，随着时间的增加各测点爆燃压力先逐渐增大，在某一时刻达到峰值后急剧下降，而后出现振荡但振荡幅值较小，其中泄爆面内侧测点6的爆燃压力峰值为121.346 kPa，泄爆面上测点7的爆燃压力峰值为116.341 kPa，泄爆面外侧测点8的爆燃压力峰值为109.543 kPa，表明泄爆面发生了泄爆现象，而且泄爆后泄压效应造成泄爆面及外部空气域爆燃压力的衰减；当泄爆面开启压力分别为40，60，80，100 kPa时，由图3(c)～(f)可知，各测点的爆燃压力时程曲线与图3(b)相似，而且泄爆面内侧测点6的爆燃压力峰值均大于泄爆面开启所需的压力，泄爆面上测点7和泄爆面外侧测点8的爆燃压力峰值均小于泄爆面开启所需的压力，可见，泄爆面均发生了泄爆现象。得到泄爆面不同开启压力条件下泄爆面开启时间变化曲线如图4所示。

由图4可知，泄爆面开启时间与泄爆面开启压力具有正相关性，即随着泄爆面开启压力的增加，泄爆面开启时间近似呈线性增大。随着泄爆面开启压力的增加，发生泄爆所需积聚的能量随之增大，水平管道内化学反应能够较为充分的进行，延长了泄爆面开启的时间。

图4 泄爆面不同开启压力条件下泄爆面开启时间变化曲线

3.3 水平管道外爆燃压力时程变化

泄爆面发生泄爆后将对水平管道外部流场产生影响，以水平管道外侧空气域内9～11监测点为分析对象，得到泄爆面不同开启压力条件下各测点爆燃压力时程变化曲线如图5所示。

由图5可知，在泄爆面不同开启压力条件下，水平管道外侧各测点的爆燃压力时程变化趋势相似，随着时间的增加爆燃压力整体呈现先增大后减小，而后出现振荡并逐渐趋于稳定，而且随着泄爆面开启压力的增加，各测点的爆燃压力峰值不断增大。与水平管道内和泄爆面附近测点的爆燃压力时程变化曲线相比，水平管道外侧测点的爆燃压力峰值和振荡幅值均显著衰减。分析认为，当水平管道内部积聚的压力大于泄爆面开启压力时，泄爆面发生开启，管道内压力泄放到外部空气域并在开敞空间内继续传播，与泄爆面开启前相比，由于缺乏持续爆炸反应释放的能量补充，在泄爆面外侧随着传播距离的增加爆燃压力急剧衰减，同时由于泄爆面外侧处于开敞空间，气体流动造成的压力变化能够迅速恢复到平衡状态，减弱了气体振荡，因此造成各测点爆燃压力峰值和振荡幅值较小。

图5 泄爆面不同开启压力条件下水平管道外爆燃压力时程变化曲线

3.4 水平管道外爆燃压力峰值分析

对水平管道外侧空气域内各测点爆燃压力峰值差异对比分析，得到泄爆面不同开启压力条件下9～11监测点爆燃压力峰值变化如图6所示。

图6 泄爆面不同开启压力条件下水平管道外爆燃压力峰值曲线

由图6可知，在泄爆面不同开启压力条件下，水平管道外侧空气域内各测点的爆燃压力峰值变化总体趋势相似，随着与泄爆面距离的增加，爆燃压力峰值逐渐衰减，而且随着泄爆面开启压力的增加，同一测点的爆燃压力峰值逐渐增大；与泄爆面开启压力0 kPa相比，当泄爆面开启压力分别为20，40，60，80，100 kPa时，测点爆燃压力峰值逐渐增大，增幅均值分别为1.2%，1.9%，2.4%，3.9%和5.4%，可见随着泄爆面开启压力的增加，测点的爆燃压力峰值增幅逐渐增大；与测点9相比，随着泄爆面开启压力的增加，测点10和测点11的爆燃压力峰值逐渐减小，降幅均值分别为1.08%，1.53%，2.2%，3.1%，3.95%，4.85%，可见测点间的爆燃压力峰值差异逐渐增大。

4 结论

1)水平管道内存在爆燃压力积聚和泄放的双重效应，随着泄爆面开启压力的增加，水平管道内压力积聚作用占主导地位，造成测点的爆燃压力峰值增大而且测点间爆燃压力峰值差异逐渐减小。

2)在泄爆面不同开启压力条件下，泄爆后泄压效应造成泄爆面及外部空气域爆燃压力衰减，泄爆面开启时间与泄爆面开启压力具有正相关性，随着泄爆面开启压力的增加，泄爆面开启时间近似呈线性增大。

3)与水平管道内和泄爆面附近测点相比，水平管道外侧测点的爆燃压力峰值和振荡幅值均显著衰减，而且随着泄爆面开启压力的增加，测点爆燃压力峰值及测点间爆燃压力峰值差异均逐渐增大。