（安全技术及工程专业论文）水平管道内可燃气体爆炸压力研究.pdf

r e s e a r c ho fe x p l o s i v ep r e s s u r eo fc o m b u s t i b l eg a s 一 i nh o r i z o n t a ip i p e a b s t r a c t i ni n d u s t r i a lp r o c e s s i n g ，s e v e r ed a m a g e sa r eu s u a l l yc a u s e db ye x p l o s i v ep r e s s u r ei n e x p l o s i o na c c i d e n t s t h e r e f o r e ，ad e t a i l e da n ds y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h ev a r y i n gr u l e so fg a s e x p l o s i v ep r e s s u r ea n di t sr e l a t e dp a r a m e t e r sw i l lh e l pp r o v i d eam o r es o l i df o u n d a t i o nf o r e x p l o s i o n - p r o o fa n dc o u n t e r - e x p l o s i o nm e a s u r e s i nt h i sp a p e r t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u sa b o u tc o m b u s t i b l eg a se x p l o s i o nw a s i n t r o d u c e d ， b o t hw i t h i na n do u t s i d ec h i n a ，t og i v ea na c c o u n to ft h em a j o rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f i n n e r - p i p ee x p l o s i o n s b ys e l e c t i n gt w oc o m b u s t i b l eg a s e so fd i f f e r e n tc h e m i c a la c t i v e n e s sa s t h er e s e a r c ht a r g e t st ob ee x p e r i m e n t e d ，t h i sp a p e ri n t e n d st or e s e a r c ha n da n a l y z et h e e x p l o s i v ep r e s s u r eo fc o m b u s t i b l eg a s e sa n di t sv a r y i n gr u l e so fp r e s s u r ed i f f u s i o n b a s e do nt h eh o r i z o n t a lp i p ee x p e r i m e n td e v i c e s ，at e s t i n gs y s t e mo fc o m b u s t i b l eg a s e s e x p l o s i v ep r e s s u r ei ss e tu p ae x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fa c e t y l e n ea n dm e t h a n e ，w h i c ha r et w o c o m b u s t i b l eg a s e so fd i f f e r e n tc h e m i c a la c t i v e n e s s ，i sc a r r i e do u t r e f e r r i n gt ot h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nv a l u e s ，t h em a x i m u me x p l o s i v ep r e s s u r e so ft h o s et w og a s e sw h e nt h e ye x p l o d e a r em e a s u r e d i no r d e rt of i n do u th o wm u c ht h el e n g t ho ft h ep i p ec a ni n f l u e n c et h e m a x i m u m e x p l o s i v ep r e s s u r eo fc o m b u s t i b l eg a s e s ，t h e r ed i f f e r e n to fp i p e sa l ea d o p t e d i nt h e e x p e r i m e n t i nt h e0 7 mp i p e ，s e n s o r sa r ei n s t a l l e ds ot h a tar e s e a r c ha b o u th o wt h ed i f f e r e n t l o c a t i o n so fs e n s o r sw i l li n f l u e n c et h em e a s u r e m e n to ft h ee x p l o s i v ep r e s s u r eo fc o m b u s t i b l e g a s e sc a na l s ob ec a r r i e do u t t h er e s u l t so ft h em e a s u r e m e n ti n c l u d es u c hd a t aa st h e m a x i m u me x p l o s i v ep r e s s u r eo fb o t hc o m b u s t i b l eg a s e sa n dt h et i m es p a nt or e a c h i n gt h a t m a x i m u me x p l o s i v ep r e s s u r e t h ed a t ai n d i c a t et h a tt h em o r ea c t i v et h ec o m b u s t i b l eg a si s ， t h em o r ee f f e c t i v et h er e a c t i o no ft h ec o m b u s t i b l eg a si s ，t h eh i g h e rt h ee x p l o s i v ep r e s s u r ei s a sw e l la n dt h e r e f o r et h em o r ed a n g e r o u st h ee x p l o s i o nw i l lb e t h i sp a p e ra l s om a k e sa c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ei n n e r - p i p et u b ea x i a lp r e s s u r ea n dr a d i a lp r e s s u r e ，b a s e do nw h i c h ， t h ei n f l u e n t i a le f f e c t so ft h er e f l e c t i o nw a v e sm a d eb yc o m b u s t i b l eg a s e so nt h ed i f f u s i o no f f i r ea r ea l s os t u d i e d m e t h a n e ，t h el e s sa c t i v eg a s ，h a sak i n do fr e f l e c t i o nw a v et h a tc h o k e s b a c kf i r em o r ee f f e c t i v e l y ，a n dap h e n o m e n o no ff i r e c o u n t e r a c t i o ni sa l s oo b s e r v e d w h e r e a s t h ea c e t y l e n e ，t h em o r ea c t i v eg a s ，h a sar e f l e c t i o nw a v ct h a th a sas m a l l e ri n f l u e n c eo nt h e s p e e do ff i r ed i f f u s i o nd u r i n gt h ep r o c e s so ft h ed i f f u s i o nt h ee x p l o s i v ef i r e t h er e s e a r c ha b o v ew i l le n r i c ht h ee x p l o s i o nt h e o r yo fm e t h a n ea n da c e t y l e n ea n d p r o v i d er e f e r e n c ef o r t h ep i p e - e x p l o s i o n p r o o fa n dt h eg a s - e x p l o s i o n p r o o ft h e o r i e s k e yw o r d s ：m e t h a n e ，a c e t y l e n e ，e x p l o s i v ep r e s s u r e ，g a se x p l o s i o n ，h o r i z o n t a lp i p e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 名： 导师签名： 中北大学学位论文 1 1 本课题研究的目的和意义 1 、引言 爆炸事故是危害人类生产和生活的一类主要事故，它已造成了惨重的人身伤亡和财 产损失，而且随着工业的发展和人类生活水平的提高，爆炸事故越来越频繁，预防和减 少爆炸事故损失的研究也越来越重要。从气体被用于工业以来，可燃性气体和分解爆炸 性气体所造成的火灾与爆炸灾害很多，危险很大【。在可燃气体燃烧和爆炸过程中，总 是伴随着压力和温度的显著升高，所有的燃烧爆炸造成的灾害损失都与燃烧及压力冲击 波有关。压力波的力学破坏和爆炸火焰引起的可燃物燃烧是可燃气体爆炸时的两种主要 破坏手段。压力波和燃烧火焰构成了爆炸波，爆炸波的传播和燃烧扩展可能会造成邻近 设备连续性地二次爆炸，将造成更为严重的人员及财产损失。基于可燃气体爆炸的巨大 破坏性，研究其引发破坏的模式，提出防爆减灾的措施意义重大。 管道是工业上的常见设备，是天然气、煤气、石油运输和化工介质流通的重要工具。 一般管道建设的投资可占工程总投资的3 0 左右。通常情况下，运输可燃气体的管道是 安全的，这是因为在管网所输送的易燃易爆气体中不含氧气或其它氧化剂，火焰不可能 在没有氧化剂的纯净燃气中产生和传播。但是在某些特殊的意外条件下，例如因施工不 当、地震、年久失修或其它不可预见的意外事故，就有可能造成管道网某处的破裂。如 果管道是采用低压输送燃气的，就有可能在管道破裂处造成局部压力降低，引起外界空 气进入管道网，使下游管网内的燃气成为与空气的预混气。当该预混气达到爆炸极限时 就具备了产生回火和导致产生爆炸的必要条件。一旦遇到雷击、明火或各种其它偶然情 况产生的点火因素时，就有可能点燃局部预混气体，并且火焰将沿着未燃预混气的分布 方向传入石油产品及其他可燃气体的储罐内，引发更大的灾难。因此，研究气体爆炸在 管道内的传播一直是个很活跃的学术课题1 2 j 。 大多数可燃气体是以碳原子形成的碳氢共价键结构，共价键形成时，有能量释放而 使体系的能量降低。反之，共价键断裂时则必须从外界吸收能量。分子中只含有碳和氢 两种元素的有机化合物叫做碳氢化合物，简称烃。气态烃类分子结构中的价键越多，化 1 中北大学学位论文 学活泼性越强，火灾爆炸危险性越大。在烷烃系列化合物中，甲烷碳原子的四个价键都 和氢原子相结合；而其他烷烃分子中，碳原子的四个价键，除以单键与其他碳原子互相 结合成碳链外，其余的价键也都和氢原子相结合，即完全为氢原子所饱和。因此烷烃又 称为饱和烃。炔烃结构特征是分子中具有碳碳三键。在炔烃分子中，和三键碳原子直接 相连的氢原子的性质比较活泼，容易被某些金属原子取代，生成金属炔化物【3 1 。 甲烷是瓦斯的主要组成，属易燃性气体，在我国统配煤矿中，具有瓦斯爆炸危险性 的矿井占9 0 以上，因此重大事故的发生都有瓦斯的参与。矿井瓦斯爆炸是煤矿重大恶 性事故之一，同时又是一个十分复杂的理论与实验技术课题。如何有效地防治煤矿瓦斯 爆炸事故的发生，对煤矿安全生产具有十分重要的意义1 4 1 。乙炔是最重要的炔烃，属分 解爆炸性气体，是一种火灾爆炸危险性很大的可燃气体，其体积爆炸界限为 2 3 8 0 7 。它不仅是一种有机合成的重要基本原料，而且又大量地用作高温氧炔焰的 燃料1 5 1 。有关安全规范根据燃爆性气体的电火花引爆试验结果将其分类分组分级，以便 根据不同种类、不同危险级别和组别，分别采取相应的安全防护措施。对燃爆性气体的 分类分级，是根据其传爆能力大小得出的“最大试验安全间隙 ，或者按其最小点燃电 流的大小与甲烷点燃电流相比较而得出的“最小点燃电流比 来划分的。分为两类( i 类、i i 类) 和i 、i ia 、i ib 、c 四个等级。仅甲烷属i 类燃爆性气体，乙炔属于i ic 类燃爆性气体。因此选用甲烷与乙炔两种不同活性的气体为研究对象，可为今后的安全 技术课题提供数据支持【6 j 。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪7 0 年代以来，预防可燃气体爆炸事故已成为各国事故预防技术发展的重点 研究对象之一，引起国内和国际社会的广泛重视。目前，可燃气体爆炸的研究工作已有 很多。国外，挪威的c m r ( c h r i s t i a nm i c h e l s e nr e s e a r c h ) 、荷兰t n o ( t h en e t h e r l a n d s o r g a n i z a t i o nf o ra p p l i e ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ) 、丹麦的s h e l lg l o b a ls o l u t i o n s 等专业研究机构 得以先后成立，九十年代它们联合欧共体的一些其它研究机构，先后进行了 m e r g e ( m o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi n t og a se x p l o s i o n s ) ，e m e r g e ( e x t e n d e d m o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi n t og a se x p l o s i o n s ) 等项目的研究；国内，从事可燃 气体爆炸研究的单位主要有：中国科学院、中国科技大学、中国矿业大学、南京理工大 2 中北大学学位论文 学、北京理工大学、大连理工大学等用。 1 2 1 国内研究现状 煤科总院重庆分院的何朝远1 8 】对瓦斯煤尘共存条件下爆炸的危险性进行了实验研 究。实验是在2 0 升试验装置中进行的，分别把浓度为1 、2 和3 的瓦斯加入到煤尘 当中，测量了煤尘爆炸的下限浓度、最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率。结果表明： 瓦斯的存在降低了煤尘的爆炸下限、提高了最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率，从 而增大了爆炸的危险性，也降低了最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率所对应的煤尘 浓度。 徐景德1 9 】等利用长5 1 8 m 的模拟巷道研究了瓦斯浓度、火源位置对瓦斯爆炸火焰传 播的影响。通过对比两条不同尺寸的实验巷道，发现瓦斯爆炸火焰传播存在明显的尺寸 效应，即两个尺度不同的同形状巷道内爆炸传播参数不是简单的遵循流体力学相似规 律。 林柏泉【1 0 ，1 1 1 等采用专用的瓦斯爆炸实验腔体( 8 0 m m 8 0 m m ，长2 4 m ) 比较系统的研究 了管内瓦斯爆炸过程中火焰传播状况，认为障碍物存在的情况下，火焰的传播速度约在 2 0 倍处长径比达到最大值，随后逐渐衰减熄灭，原因是障碍物的存在加剧了火焰传播过 程中的湍流现象，而湍流又加速了火焰传播，同时障碍物的存在有可能产生激波；讨论 了瓦斯爆炸过程火焰厚度变化特性，有障碍物时火焰厚度常常小于无障碍物情形，设置 的膜片( 并设4 个障碍物) 距爆炸源较近时火焰厚度明显增大；火焰阵面前附近区域与管 封闭段附近区域温度变化较为陡峭，而火焰阵面后一段区域的温度变化较平缓，且火焰 阵面附近温度较高，在障碍物附近温度很快上升到最大值，然后温度开始下降。 王从银、何学秋【1 2 i 认为管内瓦斯爆炸火焰传播具有高内聚力特性，火焰传播过程中 沿管道横断面分布不均匀，主要反应区发光体是沿管子底部向前传播的；又分析了瓦斯 爆炸阻隔失效的原因，将爆炸压力曲线分为前驱压力波区、负压区和爆炸产物膨胀产生 的正压区。 邓君香、严传俊1 1 3 1 等选取爆震室的三种不同工作状态，采用乙炔与空气混合气对单 次爆震波进行了对比实验研究，研究了爆震室的封闭程度对爆震波产生的影响规律，发 现在爆震室完全封闭状态下，能产生充分发展的爆震波：爆震室一端封闭、另一端敞口 3 中北大学学位论文 状态下爆震强度明显下降。 喻健良、周崇、刘润杰【1 4 】对预混乙炔气体在圆形管道内的爆燃过程进行了实验研究， 根据实验结果将超压的变化过程分为四个阶段，将气体燃烧的变化过程分为三个阶段。 并对各阶段中超压和火焰传播状况进行了分析。 国内学者对受限空间气体爆炸也进行了一些数值模拟研究工作：如郭文军利用特征 线方法对一维密闭容器中气体爆炸进行了模拟研究，得到了压力和密度等随时间变化的 计算数据【1 5 1 ；毕明树等采用均匀能量释放模型，对管道内气体爆炸进行了数值计算，获 得了受限空间气体爆炸压力和压力上升速率【1 6 1 7 1 ；沈玉玲等利用气体爆炸理论，对管道 中煤气爆炸问题进行了数值模拟【1 8 】。 1 2 2 国外研究现状 由于受限空间工业气体爆炸具有破坏性大和复杂性强等特点，世界各国投入大量人 力、财力对其进行了深入广泛的研究。国外关于容器或管道内气体爆炸的研究起步较早， 己经取得了大量的研究成果。如b a r t k n e c h t 对封闭容器内的可燃气体爆燃进行了大量的 实验研究，探讨了容器体积对可燃气体爆燃强度的影响，提出了立方根定律，该定律已 被国际标准i s 0 6 1 8 4 “e x p l o s i o np r o t e c t i n gs y s t e m 所采用1 1 9 】。研究者通过大量实验研 究了密闭容器中爆炸发展规律，建立了描述容器内气体爆炸发展过程的理论模型，并得 出定容爆炸压力应当是爆炸最大压力的结论闭j 。 二十世纪五六十年代，国外研究者研究了容器或管道尺寸、形状以及气体性质对爆 炸的影响。b r o w n 曾在1 9 5 9 年研究了连接管道长度和直径对气体爆炸压强的影响，得 出了“跟连接管道的长度相比，管道直径对最终的爆炸压强的影响更大 的结论1 2 l 】。 p h y l a k t o u 和a n d r e w s 对容器管道系统气体爆炸进行了初步的实验研究，主要研究了引 燃源位置和气体浓度对气体爆炸强度的影响，得出了气体浓度对气体爆炸强度有较大的 影响的结论，即气体浓度在理论混合比附近时，爆炸压强和压强上升速率最高1 2 2 1 。研究 还发现当气体浓度较低时，气体爆炸上升速率比较接近于单个密闭容器内气体爆炸，而 且起爆容器内压力上升速率高于另外一个容器。 b a r t k n e c h t 在标准大气压下，对甲烷空气火焰在一个长为4 0 m 、直径为1 4 m 的管道 内的传播进行了测量【2 3 1 。结果发现：点火端封闭、出口端开放时的火焰速度最大；当管 4 中北大学学位论文 道两端均封闭时初始阶段火焰加速很快，但1 5 m 2 0 m 后火焰开始减速；点火端开放而 另一端封闭时火焰速度很低。 可燃气体从点火到发生爆轰的距离称为转变距离。s t e e n 和s c h a m p e l 对可燃气体在 管道内的转变距离进行了研究，其实验条件如压力、温度、气体混合物等均设定为与工 业上的实际情况相同，并得到了如下结论：转变距离随着管道直径的增加而增大；转变 距离随着初始压力和管道初始湍流度的增加而减小，随着初始温度减小而减小【矧。 近年来，随着计算流体动力学的蓬勃发展，国内外研究者采用数值模拟方法对气体 爆炸进行了研究。关于密闭空间可燃气体爆炸数值模拟研究，国外已进行了大量的研究 工作。如n e t t l e t o n 在其管道内可燃气体爆炸的实验中得出一个基本结论：在爆燃转爆轰 的过程中，压力和火焰阵面的速度都达到最大值 z s l 。c h r i s t o p h 在管道( 内径6 9 m m ，壁 厚l o m m ，长2 5 m ) 内进行可燃性气体实验，并得到如下结论：爆燃转爆轰的过程发生 在大约一个管径的很短范围内；在爆燃转爆轰过程中，与火焰亮度的瞬间增加相比，火 焰阵面速度增加相对平缓，在正负5 个管径的范围内只增加最大火焰速度的2 0 1 2 6 1 。 u l r i c h 利用火焰轨迹方法对密闭管道内可燃气体混合物爆炸过程进行了数值模拟，该方 法可以预测管道内最大爆炸压力和压力上升速率以及火焰到达管道内某处时的时间【2 丌。 f a i r w e a t h e r l 对爆炸管中气体爆炸火焰传播进行了数值模拟研究，得出了“管道中爆炸 超压主要是由于障碍物产生的湍流燃烧引起的 的结论i 捌。m c i h e l e l 2 9 1 采用a u t o r e a g a s 软件对管道系统内气体爆炸进行了数值模拟，结果发现，容器管道系统内气体爆炸产生 的峰值压力和压力上升速率比单个管道高很多，并且指出管道直径对气体爆炸强度影响 较大。s a k 柚o 【删等后来也采用此软件对管道内设有障碍物的可燃气体混合物爆燃过程进 行了数值模拟，指出气体不会发生准爆轰或c j 爆轰现象，软件模拟结果与大量实验 结果相符的很好。 1 3 本文的研究内容 目前，国内外在气体爆炸的实验研究与理论研究方面开展了大量卓有成效的工作。但迄今为止， 在气体爆炸压力传播和测试方面的研究存在不足，有待进一步研究或完善，另外也很少从气 体化学活性这个角度来进行对比研究和探讨。冈此本文主要开展以下研究工作： ( 1 ) 查阅相关文献资料，选择两种不同活性气体即甲烷、乙炔作为实验研究对象； 5 中北大学学位论文 ( 2 ) 计算甲烷、乙炔爆炸产生最大压力时的理论浓度，并通过实验进行验证，同时 得到两者的p - t 曲线。 ( 3 ) 在不同长度的管道内进行可燃气体爆炸实验，对比分析管道长度对可燃气体爆 炸及其最大爆炸压力的影响； ( 4 ) 在传感器安装位置不同的情况下进行可燃气体爆炸实验，对比分析传感器安装 位置对爆炸压力测试结果的影响； ( 5 ) 研究了管道内轴向压力与径向压力的比例关系，在此基础上研究了不同活性可 燃气体反射波对爆炸过程中火焰传播的影响作用。 6 中北大学学位论文 2 1 甲烷气体爆炸 2 1 1 甲烷的产生 可燃气体爆炸的基本理论 甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、坑气及煤气的主要成分之一。据德国核 物理研究所的科学家经过试验发现，植物和落叶都产生甲烷，而生成量随着温度和日照 的增强而增加。另外，植物产生的甲烷是腐烂植物的1 0 到1 0 0 倍。他们经过估算认为， 植物每年产生的甲烷占到世界甲烷生成量的1 0 到3 0 。 工业用甲烷主要来自天然气、烃类裂解气、炼焦时副产的焦炉煤气及炼油时副产的 炼场气，煤气化产生的煤气也提供一定量的甲烷。 有机物在无氧环境中，经腐败菌分解后，再经甲烷菌作用，即有甲烷生成。如纤维 素在湖沼污泥中腐败分解生成的脂肪酸、醇，以及共存的二氧化碳和氢等，都能在甲烷 菌作用下最终生成甲烷。其生成反应中较主要的有： c h 3 c o o h _ c h 4 + c d 2 4 c h 3 0 h _ 3 c h 4 + c 0 2 + 2 h 2 0 c d 2 + 4 h 2 呻c h 4 + 2 h 2 0 天然气中甲烷的成因之一即是此类生物的腐败分解。采用生化过程，将生物物质( 可 再生能源) 加工为富含甲烷的燃料气，现已引起各国重视，将成为解决世界能源问题的 重要途径之一【3 1 1 。 2 1 2 甲烷的基本特性 甲烷( c h 。) 是无色无臭气体，其熔点1 8 2 5 c ，沸点一1 6 1 5 c ，气体密度0 7 1 6 3 k g m 3 ， 微溶于水，能溶于酒精和乙醚。甲烷是煤矿瓦斯和天然气的主要成分，其性质非常稳定， 到7 0 0 以上才分解称乙烯和乙炔。 甲烷与空气的混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险，其燃烧热为8 8 9 5 k j t o o l ， 7 中北大学学位论文 体积爆炸极限为5 3 - 1 5 ，空气中的燃点为5 8 0 。甲烷燃烧时发出青白色火焰，生成 的产物主要为一氧化碳、二氧化碳。甲烷常用作燃料和标准气、校正气使用，还可作为 太阳能电池、乙烃、氢气、合成氨、炭黑、甲基化合物、二硫化碳、氢氰酸、等的生产 原料。甲烷与五氧化溴、氯气、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其他强氧化剂接 触时可发生剧烈反应。 甲烷宜储存于阴凉、通风的库房内，应远离火种、热源，库房的温度不宜超过3 0 ， 且应与氧化剂等分开存放。甲烷储存禁止使用易产生火花的机械设备和工具，并应备有 泄露应急处理设备。夏季应早晚运输，防止日光曝晒。公路运输时要按规定路线行驶， 勿在居民区和人口稠密区停留。铁路运输时要禁止溜放【3 2 1 。 2 1 3 甲烷的爆炸机理 甲烷爆炸必须符合以下3 个条件才能发生，缺一不可：甲烷与空气混合气体中， 甲烷的体积分数是5 1 5 ；氧气体积分数 1 2 ；高温热源( 温度高于6 5 0 ) 存在的时间大于瓦斯的引火感应期。 在常温常压条件下，甲烷空气混和物在点火源作用下，它的爆炸反应为： c h 4 + 2 d 2 c ! d 2 + 2 h 2 0 + 8 3 1 k t o o l 从上式可以看出，此“爆炸”是一个氧化，放热过程，发生的热量很多，温度达2 0 0 0 。c 以上。每一摩尔的甲烷与氧完全反应还可以释放8 3 1 k j 的能量，并迅速膨胀，对周界形 成突然上升的力的作用，这就是爆炸压力。和冲击波一样，爆炸压力波也是非周期波， 介质随压力波一起运动，压力波对其传播路径上的一切障碍都产生压力。因此对管道形 成很大的压力。 甲烷在空气中达一定浓度后即具有爆炸性，瓦斯爆炸是一种剧烈而迅速的支链反 应，在高温下，甲烷支链反应如下： 首先，在点燃源的作用下，发生以下反应： c h 4 + m 呻c h 3 + h + m c h 4 + d 2 呻c h 34 - h 2 0 8 中北大学学位论文 0 2 七m 一2 0 + m 其次，甲烷再和产生的自由基发生反应： c h 。+ d 呻c h 3 + h o c h 4 + 日呻c h 3 + h 2 c h4 + h o _ c h 3 + h p 其中，高温下反应出现的氧自由基和氢自由基是引起爆炸反应的关键环节，水分子 可以与上述支链反应的一些自由基或原子作用，如： 矸+ 2 d - h 2 + o h d + h 2 0 - o h + o h h 0 2 + h 2 0 h 2 0 2 + o h 尽管这些作用的活化能较高，但在体系中存在大量的水分子时，这些反应是存在的。 它们降低了体系中的h 、o 等连载体的浓度，使系统的反应活化下降。自由基( 自由原 子) + 水滴一销毁。由此可见，在瓦斯爆炸链反应中，水可以抑制瓦斯爆炸的链式反应 过程【3 3 3 4 1 。 2 2 乙炔气体爆炸 2 2 1 乙炔的产生 乙炔是最重要的炔烃，它不仅是一种有机合成的重要基本原料，而且又大量地用作 高温氧炔焰的燃料。工业上可用煤、石油或天然气作为原料生产乙炔，所以乙炔是个可 以大量生产而又成本低廉的工业产品。 1 碳化钙法生产乙炔焦炭和石灰在高温电炉中反应，得到碳化钙( 电石) 。 3 c + o d _ i 葡r 口g + c o 碳化钙作为产品出厂。需要乙炔时，在现场使电石与水反应，即得到乙炔。 c a c 2 + 2 h 2 0 c h _ c h + c h ( 0 目) 2 9 中北大学学位论文 此方法在工业上使用已久，耗电量大，但生产工艺比较简单。 2 由天然气或石油生产乙炔甲烷是天然气的主要成分，在1 5 0 0 c 的高温下，甲烷 能通过一系列的反应生成乙炔。这是一个强烈的吸热反应。因此工业上又使一部分甲烷 同时被氧化( 加入氧气) ，由此产生热量来供给由甲烷合成乙炔所需要的大量热量。所 以此法又叫做甲烷的部分氧化法。 2 c h 4 1 静h c - 明+ 3 h 2 4 c h 4 + o l c h 毫c h + 2 c 0 七h 2 反应的产物包括乙炔、一氧化碳和氢气。分离乙炔后得到一氧化碳和氢气的混合物，又 叫做“合成气 ，可作为基本有机合成( 例如合成甲醇) 的基本原料。 为了避免乙炔在高温下分解为碳和氢，要求反应中生成的乙炔迅速地冷却，所以甲 烷通过反应区的时间必须很短，一般只有o 0 1 至0 1 秒。在天然气资源丰富的国家，此 方法的成本较低，适宜大规模生产。基于同样的原理，石油的低沸点馏分也可以在一定 的温度下裂解或与氢气一起在高温下裂解，得到以乙炔为主的或以乙烯或乙炔两者为主 的裂解气体，此法已应用于工业生产中【3 5 1 。 2 2 2 乙炔的基本特性 乙炔( c 2 h ：) 又称电石气，在常温常压下为具有麻醉性的无色可燃气体，纯净乙炔 气体无气味，工业制得的因含有磷化氢( 眠p ) 、硫化氢( 日，s ) 等杂质而具有特殊气味。 熔点为8 1 i * c ，沸点为一8 3 8 c 密度为1 1 7 4 7 k g m 3 ，比空气轻。微溶于水，溶于酒精、 丙酮、苯、乙醚等。乙炔极易燃烧，燃烧反应热为1 2 9 8 4 k j m o l ，引燃温度3 0 5 * ( 2 ，在空 气中燃烧时冒出大量黑烟，是一种火灾爆炸危险性很大的可燃气体，比氢气的危险度还 要高一个等级。乙炔不仅可用于气焊、气割，还是合成橡胶、合成纤维和塑料的单体。 乙炔分解爆炸所需的能量很小，爆炸威力却很大。乙炔与空气混合会形成爆炸性混合物， 其体积爆炸界限为2 3 一8 0 7 。当空气的乙炔含量在7 7 左右时，所需点火能最小， 只需0 0 2 m j 。乙炔与氧气混合物的爆炸浓度范围更广，为2 3 一9 3 。压力愈高，分解 爆炸于容易发生。乙炔能与空气形成极易燃烧和爆炸的混合物。 1 0 中北大学学位论文 乙炔还可以与汞、银、铜、钴、钾、碘、氯、氢化钠、硝酸银、硝酸汞等发生反应 生成爆炸性化合物，因此不能用使用含铜6 6 以上的黄铜、含铜银的焊接材料和含汞的 压力表。在高压下乙炔很不稳定，火花、热力、摩擦均能引起乙炔的爆炸性分解而产生 氢和碳。因此，在乙炔的发生和使用管道中的乙炔的压力一般均保持在1 个大气压以下 1 3 6 1 o 储存时通常将乙炔溶解在丙酮等溶剂及多孔物中，装入钢瓶内，钢瓶应存放在阴凉 通风干燥之处，库温不宜超过3 0 。要远离火种、热源，避免阳光直射，要与氧气、压 缩气体、氧化剂、氟、氯、溴、铜银汞、铜盐、汞盐、银盐、过氧化有机物、炸药、毒 物、放射性材料等隔离。设备管道应接地，并严格密封。 2 2 3 乙炔的爆炸机理 乙炔分子中含有不饱和键，分子结构不稳定，当乙炔受热或受压时可以发生聚合、 加成、爆炸性分解等反应。在温度到达2 0 0 - 3 0 0 时，乙炔分子开始发生聚合反应，形 成更为复杂的化合物。例如苯( c 。日。) 、苯乙烯( c 8 h 。) 等。形成苯的聚合反应可写为： c ：h 2 3 c 6 h 6 + 2 1 0 j m 。f 反应放出的热量使乙炔的温度升高，从而促使聚合反应的速率加快，放出的热量更 多，以致形成恶性循环。当温度达到7 0 0 、压力超过0 1 5 m p a 时，未聚合的乙炔分子 便发生爆炸性分解。乙炔分解的反应方程式可写为： c 2 h ：一2 c ( 固) + h 2 + 2 2 6 4 d f 即分解后生成固体碳和氢气。因该反应发热量很大，所以若无热损失时，火焰温度可高 达3 1 0 0 c ，如在密闭容器内发生分解爆炸，其压力可为初始压力的9 - 1 0 倍。如果在管 道中发生乙炔分解爆炸，则火焰易被加速形成爆轰，爆轰时产生的压力为初压的2 0 5 0 倍，破坏力很大【3 7 1 。 乙炔产生分解爆炸的难易度与其压力有很大关系。低压时需要较大的能量才 能发火，高压时稍加能量便能发火。图2 1 是最小发火能与乙炔压力的关系。随着 压力的下降，所需发火能将逐渐增大，低于某压力时，火焰便不再传播，此压力 1 1 中北大学学位论文 界限称为分解爆炸的临界压力。 01 0约4 0 最小发火能( 1 咖 图2 1 乙炔压力与最小发火能量的关系 以前，广泛采用1 4 0 k p a 作为乙炔的临界压力，但后来的研究结果表明：即使 在大气压时，若有巨大的发火源，乙炔也能发生分解爆炸。这样，乙炔在大气压 情况下，在空气中的爆炸范围订正为2 5 - 1 0 0 ( 体积) 2 3 管道内可燃气体爆炸形式及特点 可燃气体爆炸大致划分为两种模式：爆燃与爆轰。爆燃与爆轰虽然都是带有化学反 应的燃烧波，但二者有很大的区别【3 引。 爆燃是一种带有压力波的燃烧。当燃烧阵面后边界有约束或障碍时，燃烧产物就可 以建立起一定的压力，波阵面两侧就建立起一个压力差，这个压力差( 或称压力扰动) 以 当地的音速向前传播，即压力波。由于这个压力波传播速度比火焰阵面快，行进在火 焰阵面之前，因此也称为前驱压力波，火焰阵面是在已被扰动的介质中传播的。爆燃波 在行径过程中形成三个流场区域( 双波三区结构) ，如图2 2 所示： 1 2 o 8 6 4 2 他 富t 善也r 出 中北大学学位论文 ll 毛2 p a 皇u 2b 码梳b 吩艨u o = 0毛n 仁码毋乃地卜! 事吩曷n = 岛五乃 l c 1 五j r l i q 而泊 螺燃波阵面1 l 可驱冲击波阵面 比内能；u 粒子速度；c 音速；t 绝热指数 0 区一可燃混合物的初始状态；1 区一前驱冲击波通过后的状态： 2 区一爆燃波阵面( 火焰面) 通过后的状态 图2 2 爆燃过程的两波三区结构 爆燃是一种不稳定状态的燃烧波，它可以因约束的减弱，排气及时而使压力波减弱， 直至压力波消失，爆燃就沦为定压燃烧。相反，如果爆燃的后边界约束增强，例如在密 闭管道情况下，压力波强度则增大，火焰加速，直至火焰阵面追赶上前驱压力波阵面， 火焰阵面和压力波阵面合二为一。成为一个带化学反应区的强冲击波，即爆轰波1 3 9 1 。 管道内可燃气体点燃后，多数情况下，特别是在初始阶段，都是以爆燃形式传播的。 爆燃的发生、发展及其后果主要与下述因素有关： ( 1 ) 燃料类型与混合物的浓度； ( 2 ) 管道的形状、直径及长度； ( 3 ) 点火源的类型、强度及位置； ( 4 ) 管道的粗糙度、障碍物的形状与数量及其分布； ( 5 ) 管道的密闭或泄压情况，等等。 爆轰是由于足够强烈的冲击波在爆炸物中传播引起的，冲击波使爆炸物逐层受到冲 击压缩，使其温度和压力上升，激起高速的化学反应，反应释放的能量又支持冲击波稳 定传播。这种带有化学反应稳定传播的冲击波称为爆轰波。爆轰波中化学反应阵面( 反 应区) 和冲击波阵面合在一起，以同一速度行进。 爆轰是气体爆炸的最高形式，其特征是超音速传播的带化学反应的冲击波，跨过波 阵面，压力和密度是突跃增加的；爆燃波则相反，它是一个膨胀波，跨过波阵面，压力 和密度都是下降的【删。 在大气压力下，燃料一空气混合物中的爆轰波速通常为1 5 0 0 2 0 0 0 m s ，峰值爆炸压 1 3 中北大学学位论文 力通常为1 5 - - - - 2 0 m p a 。对于甲烷空气混合物来说，在浓度为9 5 ( 体积) 时，c j 爆轰 速度为1 8 0 2 m s ，c - j 爆轰压力为1 7 4 m p a ，温度为2 7 8 1 k 。甲烷空气混合物的最大爆 炸威力出现在浓度为9 5 - - - - 1 0 ( 体积) 的情况下。 2 4 可燃性气体爆炸的基本参数 可燃性气体爆炸的基本参数有理论混合比、爆炸极限、火焰速度和燃烧速度、绝对 火焰温度、最大爆炸压力、压力上升速率、点火能及点火温度等。 ( 1 ) 理论混合比 在常温常压下，可燃性气体在空气中完全燃烧时，空气中的可燃性气体的浓度c 0 称 之为理论混合比或完全燃烧组分。 若可燃性气体的分子式用e 以q 吒来表示( f 代表卤族元素) ，则燃烧反应可表示 为： 呱q e + ( 疗+ 半) q q + 譬印 眩， 式中n 、m 、a 、七分别为可燃性物质中碳、氢、氧及卤族元素的原子数。 对链烷烃类气体，其分子式用g h m 表示，则其理论混合比可按下式计算： c 。：j ! 业l ( 体积) 。2 0 2 0 9 5 + n o 。泠删 ( 2 2 ) 式中刀。1 m o l 可燃性气体完全燃烧时所需要的氧摩尔数。 当空气中可燃气体浓度低于理论混合比时，生成物虽然相同，但燃烧速度变慢，直 至某一浓度以下，火焰便不再传播；若可燃性气体浓度高于理论混合比时，则其碳元素 不能氧化成二氧化碳而只能氧化成一氧化碳，这便叫做不完全燃烧，这时火焰速度变慢。 甚至在某一浓度上没有火焰传播，像这样使火焰不再传播的浓度界限，称为爆炸界限或 燃烧界限。 ( 2 ) 爆炸极限 可燃性气体或蒸汽与空气组成的混合物，并非在任何混合比例下都会发生燃烧或爆 炸，而且混合的比例不同，燃烧速度( 这里指火焰蔓延速度) 也不刚4 2 1 。有实验得知， 1 4 中北大学学位论文 当混合物中可燃性气体浓度接近于理论混合比时，燃烧最快或是最剧烈。若浓度比理论 混合比的浓度减少或增加，则火焰蔓延速度降低。当浓度低于或高于某一极限值，火焰 便不在蔓延。 爆炸极限分为爆炸上限和爆炸下限。可燃性气体或蒸汽与空气组成的混合物能使火 焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸汽的爆炸下限；同样，能使火焰蔓延的最高浓度， 称为该气体或蒸汽的爆炸上限。爆炸下限与爆炸上限之间称为爆炸范围。浓度在爆炸上 限以上或者爆炸下限以下的混合物，则不会着火或爆炸。混合物浓度在爆炸下限以下时， 含有过量空气，由于空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延，同样，浓度在爆炸上限以上 时，含有过量的可燃性物质，而空气非常不足( 主要是氧不足) ，火焰也不能蔓延。但此 时若补充空气，同样有火灾或爆炸的危险，故上限以上的混合气体不能认为是安全的。 爆炸极限一般用可燃性气体或蒸汽在混合物中的体积百分数来表示，有时也可用单 位体积中可燃物的含量来表示【克立方米( m 3 ) 或毫克升( m g ，】l ) 】。 爆炸极限的计算方法有按理论混合比计算、用爆炸下限计算爆炸上限、根据脂肪族 化合物的含碳原子数计算爆炸极限、根据闪点计算爆炸极限等，对于链烷烃类可燃性气 体，常用理论混合比计算和用爆炸下限计算爆炸上限两种方法其爆炸上限和爆炸下限。 按理论混合比计算爆炸极限时，计算公式为： k - 0 5 5 , ( 2 3 ) 式中：o 5 5 常数； c 0 可燃性气体完全燃烧时的理论混合比。 然而爆炸极限不是一个固定的值，它随着外界条件的变化而变化。影响爆炸极限的 主要因素有以下几点： 可燃性混合物的初始温度 初始温度越高，则爆炸极限范围越大，即爆炸下限降低而爆炸上限升高。因为系统 温度升高，其分子内能增加，使原来不燃的混合物成为可燃、可爆系统。 环境压力 一般情况下，环境压力增大，爆炸范围扩大。这是因为系统压力升高，其分子间距 更为接近，碰撞几率增高，因此使燃烧或爆炸的反应更为容易：如果环境压力降低，则 1 5 中北大学学位论文 爆炸极限范围缩小，当压力接近某个值时，其爆炸下限和爆炸上限重合，此时的压力被 称为临界压力。若压力降至临界压力以下，系统便成为了不爆系统。由实验可知，压力 对爆炸上限影响较大而对爆炸下限影响较小。 惰性介质及杂质 混合物中所含惰性气体越多，则爆炸极限的范围越小，惰性气体的浓度提高到一定 值后，可使混合物不爆炸，而惰性介质对爆炸上限的影响较爆炸下限更为明显。 点火源 点火源，如火花的能量、热表面的面积、火源与混