超細冷氣溶膠抑制地下儲庫油氣爆炸試驗研究

超細冷氣溶膠抑制地下儲庫油氣爆炸試驗研究

0氣體抑爆試驗研究地下儲油儲油是中國儲油方法的之一。它具有重要的軍事和經(jīng)濟價值，對安全非常重要。油氣爆炸事故大多數(shù)發(fā)生在受限空間,如罐室、引洞、洞庫上下主坑道、支坑道、各類管道等,研究表明:受限空間有利于氣體爆炸加速發(fā)展,決定著油氣爆炸發(fā)展的最終形式和爆炸破壞力。目前氣體抑爆技術(shù)已從被動泄壓抑爆轉(zhuǎn)向用水霧、水幕、惰性粉塵、ABC粉等主動抑爆、阻爆技術(shù),但抑爆的過程和機理理論上還很不完善,試驗研究也很不充分,使得主動安全防治技術(shù)的科學(xué)性、有效性、經(jīng)濟性受到影響。油氣爆炸抑爆過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程,包含著流體力學(xué)、燃燒化學(xué)、化學(xué)動力學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜控制機理,其中的湍流、壓力波、火焰、抑爆劑等的相互作用還沒有合理理論可以解釋,因此試驗是研究可燃氣體抑爆過程必不可少的基本手段。本文針對地下儲庫受限空間的特點,采用超細冷氣溶膠抑爆新技術(shù)建立了油氣爆炸及其抑爆模擬試驗系統(tǒng),進行系統(tǒng)的油氣爆炸及其抑爆試驗研究,并對試驗結(jié)果進行對比分析,以期得到相應(yīng)的抑爆機理和抑爆裝置的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。這對進一步研制油氣爆炸抑爆裝置具有重要的參考價值和理論指導(dǎo)意義。1模擬試驗研究1.1模擬操作操作地下儲庫受限空間油氣抑爆模擬試驗系統(tǒng)如圖1所示。試驗裝置由4段內(nèi)徑為267mm的水平模擬坑道組成,長度分別為3m、2m、1m、3m,總長為9m,起爆端用法蘭密封,另一端可封閉也可根據(jù)實際需要做開口試驗。抑爆段長度為1m,位置可靈活放置以進行強爆炸抑爆試驗和弱爆炸抑爆試驗,根據(jù)試驗需要可進行側(cè)噴和正噴,側(cè)噴由坑道兩側(cè)的5套噴灑裝置組成,正噴是將噴頭設(shè)置在坑道的軸線上,根據(jù)前期研究的氣體爆炸基本參數(shù)和傳感器的最小響應(yīng)時間在模擬坑道上合理布置。在距點火端0.89m、1.76m、2.3m、3.65m、4.38m、5.25m、6.15m設(shè)置壓力傳感器,距點火端0.73m、1.00m、2.25m、3.85m、4.85m、5.75m設(shè)置火焰?zhèn)鞲衅??？拥纼蓚?cè)設(shè)有成對的觀察窗,以便監(jiān)測火焰的傳播情況。1.2超聲冷氣溶膠抑爆劑的研制爆炸介質(zhì)是用體積分數(shù)為1.0%～2.0%的油蒸氣,試驗在常溫、常壓下進行,試驗包括以下步驟:1)測試系統(tǒng)的調(diào)試、校準和安裝,壓力和火焰?zhèn)鞲衅鞯臉硕?2)模擬坑道的通風;3)啟動油氣霧化循環(huán)系統(tǒng),加完油料后循環(huán)15min以上,待測得的油氣濃度穩(wěn)定后關(guān)閉循環(huán)回路,準備點火;4)啟動抑爆系統(tǒng),等待觸發(fā);5)點火起爆,觸發(fā)控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)以及抑爆系統(tǒng);6)每次試驗完成后開啟通風閥對坑道通風,準備下一次試驗。抑爆劑采用自制的平均粒度小于5μm的超細冷氣溶膠粉體,通過一系列的復(fù)合改性處理,改進了配方,主要組分有基料、抗振實性添加劑、分散助劑、防潮劑、膨松劑、粉碎助劑、復(fù)合改性劑等,工藝上增加粗磨、超細化、防聚結(jié)處理、硅化處理、疏水處理、疏油處理等,使其具有對火焰的強抑制、強窒息作用和對熱輻射的遮隔、冷卻作用而大幅提高其抑爆效能。圖2為本文所研制的超細冷溶膠抑爆劑。圖中(a)是經(jīng)過氣流粉碎未經(jīng)改性處理的冷氣凝膠粉體,可以看出,粒子粒徑較大,且團聚。這是由于冷氣溶膠在粉碎過程中粒子的粒度急劇減小,表面效應(yīng)增強,導(dǎo)致粒子團聚。經(jīng)過改性處理后,粒子的惰性、分散性、防水性、流動性、均勻性都得到了明顯的改善,如圖2(b)所示,超細冷氣溶膠的粒度大多數(shù)在5μm以下,且分散均勻。2結(jié)果與討論2.1未抑爆時范圍內(nèi)各部位壓力對比曲線在給定的濃度條件下(以油氣體積分數(shù)1.8%為例),利用自制的超細粉體抑爆劑對抑爆過程進行了可行性與有效性研究,抑爆試驗爆炸沖擊波壓力測試結(jié)果如圖3(b)所示。為更加清晰地說明抑爆效果,本文給抑爆時和未抑爆時的各對應(yīng)測點上的壓力對比曲線,如圖3所示。未抑爆時整個試驗坑道的爆炸壓力均在0.4MPa以上,最高達0.63MPa;若在爆炸初期成功抑爆,火焰在抑爆段已被撲滅,爆炸波的傳播受到有效抑制,沒有后續(xù)能量的補充,爆炸波和火焰都來不及得到應(yīng)有的發(fā)展,因此整個試驗坑道的爆炸壓力均低于0.1MPa,最高約為0.09Mpa,比未抑爆時要低得多。系統(tǒng)試驗表明,自制的超細粉體抑爆劑具有優(yōu)良的爆炸抑制性能(實現(xiàn)抑爆在本文研究中定義為:在受限空間中油氣爆炸燃燒波無法穿越抑爆區(qū)即為抑爆成功,具體表現(xiàn)在抑爆區(qū)前有火焰和爆炸超壓,在抑爆區(qū)后沒有火焰且爆炸超壓衰減迅速并趨于零,因燃燒已停止,沒有后續(xù)的燃燒放能為補充),是一種具有高效抑制油氣爆炸的超細粉體。2.2石油爆炸的抑爆因素2.2.1抑爆劑抑爆機理經(jīng)過多次重復(fù)性試驗驗證,在相同工況下采用不同的噴射方式,其抑爆試驗結(jié)果有較大的差異。圖4為抑爆劑沿爆炸傳播垂直方向噴射的試驗結(jié)果,圖5為抑爆劑沿爆炸傳播迎面噴射的試驗結(jié)果。圖4中沿爆炸傳播的垂直方向噴射沒能完全抑制住油氣爆炸,但從壓力測試來看(如圖6所示),爆炸沖擊波壓力有明顯下降,如圖3(a)所示。爆炸沖擊波在抑爆區(qū)受到抑制,以其中一個測點為例,油氣著火起爆后,壓力隨即上升,當進入抑爆區(qū)后,爆炸受到抑爆劑的抑制作用,壓力上升得到控制,壓力波動變緩甚至下降,穿過抑爆區(qū)后,由于沒能完全抑制住爆炸火焰,致使抑爆區(qū)后的油氣又被點燃爆炸,故壓力曲線又出現(xiàn)上升,形成典型的雙峰形式。說明抑爆劑起到了一定的作用,但爆炸火焰仍穿透了抑爆區(qū),引爆了后面的油氣混合物,從而導(dǎo)致抑爆失敗。圖5中沿爆炸傳播的迎面噴射完全抑制住了油氣的爆炸傳播,主要原因是抑爆劑有效地控制了爆炸火焰的傳播。就其抑爆機理而言,油氣爆炸過程中,是壓力波和火焰相互正反饋作用驅(qū)動爆炸發(fā)展的過程,因此要抑制住爆炸,就必須破壞這兩者的耦合機制,減輕其相互作用的影響。采用垂直于爆炸傳播方向的噴射方式,其與火焰的作用面接觸不夠充分,抑爆劑作用的時間減少,導(dǎo)致抑爆效果變差。抑爆劑所形成的抑爆區(qū)厚度也較小,導(dǎo)致作用范圍相對較小,極易被穿透力強的爆炸火焰穿透,使得誘導(dǎo)火焰跟著加速通過抑爆區(qū),同時壓縮后面的未燃氣體引起溫度升高,引爆未燃氣體,導(dǎo)致抑爆失敗。與此相反,如果迎著火焰?zhèn)鞑シ较驀娚湟直瑒?就會在抑爆區(qū)形成以噴頭為中心的扇形區(qū)域與爆炸火焰面充分作用,隨著壓力沖擊波的前行,這個扇形抑爆區(qū)段也會被附帶著跟隨行進,邊緣面就往后移,其始終能在一定范圍和時間內(nèi)作用于受限空間內(nèi)的油氣爆炸,從而能比垂直噴射更好地抑制油氣爆炸的傳播。2.2.2高壓驅(qū)動源噴射壓力影響保持其他影響因素不變(抑爆劑25g),考慮噴射壓力的影響。高壓氣體驅(qū)動源的壓力分別為0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1.0MPa,研究火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫?shù)變化,得到的試驗結(jié)果如圖7所示。設(shè)置在模擬坑道距點火端3.85m處的火焰?zhèn)鞲衅靼惭b在抑爆噴頭后面,當抑爆成功時,沒有火焰通過。當壓力為0.8MPa時,抑爆區(qū)后的火焰?zhèn)鞲衅饕呀?jīng)接收不到火焰信號,說明此時火焰已被抑制,無火焰向后傳播,火焰速度為零。當為其他壓力時,仍有火焰經(jīng)過,爆炸抑制沒有完全抑制住火焰的傳播,速度重新開始加速上升。如圖7所示,高壓驅(qū)動源的噴射壓力對抑爆效果有著重要的影響。從圖7可以看出:當噴射壓力是0.8MPa時,抑爆段后面的第一個火焰?zhèn)鞲衅鳑]有識別到火焰,說明爆炸火焰已熄滅,爆炸得到抑制。而在其他情況下,此處的火焰?zhèn)鞲衅饔行盘?說明爆炸火焰仍然存在。因此噴射壓力較小較大都不利于爆炸抑制,在這之間存在著一個臨界值,也就是最優(yōu)值即0.8MPa。當壓力較小時,噴射出的粉體速度較小,動量較小,與火焰作用力不強,與爆炸沖擊波的動量交換也較小,很容易被快速通過的爆炸波沖散,不能有效阻擋或減緩爆炸波的沖勢,從而使爆炸波帶動火焰穿過抑爆區(qū),引爆后面的油氣混合物;當壓力較大時,噴射出的粉體形成一個倒錐形,使其很大一部分粉體集中在中心與爆炸波火焰相互作用,導(dǎo)致其與爆炸波作用面積減小,從而不能完全有效地把爆炸波火焰截斷,使其從邊緣薄弱地帶繞過引燃后面未燃混合氣體,使燃燒爆炸繼續(xù)進行。在本文試驗條件下,最佳抑爆效果的噴射壓力臨界值約為0.8MPa。2.2.3超細粉體抑爆劑分散布置方式為了研究不同布置方式對抑爆效果的影響,試驗時分為集中式布置和分散式布置兩種方式,前者將兩個抑爆劑儲存器順次集中布置在噴射系統(tǒng)上,使其所儲存的抑爆劑在高壓氣源作用下一起噴入抑爆區(qū)內(nèi),布置的位置距點火端2.5m處。后者則將兩個抑爆劑儲存器分開,一個在距點火端2.5m處,另一個在距點火端4m處。兩次的抑爆劑總量相同,均為25g。圖8(a)為集中布置時抑爆區(qū)3.65m處壓力變化曲線圖。顯然在爆炸火焰面到達抑爆區(qū)之前,爆炸壓力在火焰和爆炸壓力波的耦合作用下逐漸增強,壓力迅速增大,通過抑爆區(qū)后,因抑爆劑的化學(xué)物理抑制作用,約在1.5m范圍內(nèi)壓力不斷衰減,穿過抑爆區(qū)后,由于火焰未能完全撲滅,對壓力波繼續(xù)起支持作用,從而使其在通過抑爆區(qū)后繼續(xù)增長,出現(xiàn)二次爆炸增強,從壓力曲線看出現(xiàn)典型的雙峰形式。圖8(b)為超細粉體抑爆劑分散布置情況下相應(yīng)測點處壓力傳感器所測試的壓力變化曲線,壓力波在抑爆劑作用下不斷衰減,壓力低于集中式布置,且壓力波動范圍較小,從壓力抑制角度看,爆炸抑制效果明顯,優(yōu)于集中式布置。可以從火焰速度來分析布置方式的影響,圖9為火焰平均速度的變化曲線。曲線1為空白試驗(即無抑爆劑),此時爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔捎趬毫Σê突鹧娴鸟詈献饔貌粩嗉铀?。曲線2為噴射系統(tǒng)集中布置的情形,爆炸火焰在抑爆區(qū)被部分抑制衰減后,繼續(xù)前行通過抑爆區(qū)后,得到可燃氣體混合物的補充和燃燒能量的加入,使其速度繼續(xù)回升。曲線3為噴射系統(tǒng)分散布置的情況,爆炸被完全抑制。從以上分析可知,噴射系統(tǒng)的布置方式對抑爆效果具有明顯的影響,在用量相同時,分散布置具有更好的抑爆效果。分散布置相當于在火焰?zhèn)鞑ミ^程中設(shè)置了兩道抑爆墻,可以使抑爆劑對抑爆區(qū)域的抑爆作用增強,加長了抑爆距離,在空間上形成一個更為有效的抑爆區(qū)段,使爆炸火焰在穿過第1道墻后不能進行有效的能量補充而在第2道墻時被完全抑制住,抑爆效果較明顯。2.2.4超細粉體抑爆劑用量試驗根據(jù)2.2.2和2.2.3節(jié)的結(jié)果,保持其他因素不變(噴射壓力0.8MPa時),采用分散布置方式研究抑爆劑用量對其抑爆效果的影響,如圖10所示。在受限空間內(nèi)油氣混合物被點火后,由于受限空間的約束,壓力波和火焰相互耦合,使得火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?當傳播至距點火端2.25m處時,達到速度峰值,此后進入抑爆段,與不同量的抑爆劑發(fā)生動量交換、能量傳遞和化學(xué)反應(yīng),使得火焰速度明顯減小,不同抑爆劑用量下抑爆區(qū)3.65m處壓力傳感器所測壓力曲線的比較如圖11所示。隨著抑爆劑量的增加,壓力下降的幅度越大。當增加到25g時,抑爆段后的壓力波動幅度已經(jīng)很小。在其他量時,爆炸沖擊波在抑爆區(qū)受到一定程度的抑制,穿越抑爆段區(qū)后又重新增強。由圖11可知,當抑爆劑量為25g時,油氣混合物爆炸被成功抑制。結(jié)果表明超細粉體抑爆劑濃度低于某臨界值時,雖然對爆炸有一定的抑制作用,但不能完全抑制。只有抑爆劑濃度大于某臨界值時,油氣爆炸才可能被完全抑制。通過多次試驗得到抑爆劑臨界質(zhì)量濃度為0.232kg/m3。3高壓抑爆試驗結(jié)果分析1)自制的超細粉體抑爆劑對油氣爆炸具有很好的抑爆效果,是一種高效抑制油氣爆炸的超細粉體。2)噴射方式對抑爆效果影響較大,在相同試驗條件下,迎著火焰?zhèn)鞑シ较驀娚湟直瑒┑囊直?/p>