超细冷气溶胶抑制地下储库油气爆炸试验研究

超细冷气溶胶抑制地下储库油气爆炸试验研究

0气体抑爆试验研究地下储油储油是中国储油方法的之一。它具有重要的军事和经济价值，对安全非常重要。油气爆炸事故大多数发生在受限空间,如罐室、引洞、洞库上下主坑道、支坑道、各类管道等,研究表明:受限空间有利于气体爆炸加速发展,决定着油气爆炸发展的最终形式和爆炸破坏力。目前气体抑爆技术已从被动泄压抑爆转向用水雾、水幕、惰性粉尘、ABC粉等主动抑爆、阻爆技术,但抑爆的过程和机理理论上还很不完善,试验研究也很不充分,使得主动安全防治技术的科学性、有效性、经济性受到影响。油气爆炸抑爆过程是一个复杂的物理化学过程,包含着流体力学、燃烧化学、化学动力学等多学科交叉的复杂控制机理,其中的湍流、压力波、火焰、抑爆剂等的相互作用还没有合理理论可以解释,因此试验是研究可燃气体抑爆过程必不可少的基本手段。本文针对地下储库受限空间的特点,采用超细冷气溶胶抑爆新技术建立了油气爆炸及其抑爆模拟试验系统,进行系统的油气爆炸及其抑爆试验研究,并对试验结果进行对比分析,以期得到相应的抑爆机理和抑爆装置的关键设计参数。这对进一步研制油气爆炸抑爆装置具有重要的参考价值和理论指导意义。1模拟试验研究1.1模拟操作操作地下储库受限空间油气抑爆模拟试验系统如图1所示。试验装置由4段内径为267mm的水平模拟坑道组成,长度分别为3m、2m、1m、3m,总长为9m,起爆端用法兰密封,另一端可封闭也可根据实际需要做开口试验。抑爆段长度为1m,位置可灵活放置以进行强爆炸抑爆试验和弱爆炸抑爆试验,根据试验需要可进行侧喷和正喷,侧喷由坑道两侧的5套喷洒装置组成,正喷是将喷头设置在坑道的轴线上,根据前期研究的气体爆炸基本参数和传感器的最小响应时间在模拟坑道上合理布置。在距点火端0.89m、1.76m、2.3m、3.65m、4.38m、5.25m、6.15m设置压力传感器,距点火端0.73m、1.00m、2.25m、3.85m、4.85m、5.75m设置火焰传感器。坑道两侧设有成对的观察窗,以便监测火焰的传播情况。1.2超声冷气溶胶抑爆剂的研制爆炸介质是用体积分数为1.0%～2.0%的油蒸气,试验在常温、常压下进行,试验包括以下步骤:1)测试系统的调试、校准和安装,压力和火焰传感器的标定;2)模拟坑道的通风;3)启动油气雾化循环系统,加完油料后循环15min以上,待测得的油气浓度稳定后关闭循环回路,准备点火;4)启动抑爆系统,等待触发;5)点火起爆,触发控制系统、采集系统以及抑爆系统;6)每次试验完成后开启通风阀对坑道通风,准备下一次试验。抑爆剂采用自制的平均粒度小于5μm的超细冷气溶胶粉体,通过一系列的复合改性处理,改进了配方,主要组分有基料、抗振实性添加剂、分散助剂、防潮剂、膨松剂、粉碎助剂、复合改性剂等,工艺上增加粗磨、超细化、防聚结处理、硅化处理、疏水处理、疏油处理等,使其具有对火焰的强抑制、强窒息作用和对热辐射的遮隔、冷却作用而大幅提高其抑爆效能。图2为本文所研制的超细冷溶胶抑爆剂。图中(a)是经过气流粉碎未经改性处理的冷气凝胶粉体,可以看出,粒子粒径较大,且团聚。这是由于冷气溶胶在粉碎过程中粒子的粒度急剧减小,表面效应增强,导致粒子团聚。经过改性处理后,粒子的惰性、分散性、防水性、流动性、均匀性都得到了明显的改善,如图2(b)所示,超细冷气溶胶的粒度大多数在5μm以下,且分散均匀。2结果与讨论2.1未抑爆时范围内各部位压力对比曲线在给定的浓度条件下(以油气体积分数1.8%为例),利用自制的超细粉体抑爆剂对抑爆过程进行了可行性与有效性研究,抑爆试验爆炸冲击波压力测试结果如图3(b)所示。为更加清晰地说明抑爆效果,本文给抑爆时和未抑爆时的各对应测点上的压力对比曲线,如图3所示。未抑爆时整个试验坑道的爆炸压力均在0.4MPa以上,最高达0.63MPa;若在爆炸初期成功抑爆,火焰在抑爆段已被扑灭,爆炸波的传播受到有效抑制,没有后续能量的补充,爆炸波和火焰都来不及得到应有的发展,因此整个试验坑道的爆炸压力均低于0.1MPa,最高约为0.09Mpa,比未抑爆时要低得多。系统试验表明,自制的超细粉体抑爆剂具有优良的爆炸抑制性能(实现抑爆在本文研究中定义为:在受限空间中油气爆炸燃烧波无法穿越抑爆区即为抑爆成功,具体表现在抑爆区前有火焰和爆炸超压,在抑爆区后没有火焰且爆炸超压衰减迅速并趋于零,因燃烧已停止,没有后续的燃烧放能为补充),是一种具有高效抑制油气爆炸的超细粉体。2.2石油爆炸的抑爆因素2.2.1抑爆剂抑爆机理经过多次重复性试验验证,在相同工况下采用不同的喷射方式,其抑爆试验结果有较大的差异。图4为抑爆剂沿爆炸传播垂直方向喷射的试验结果,图5为抑爆剂沿爆炸传播迎面喷射的试验结果。图4中沿爆炸传播的垂直方向喷射没能完全抑制住油气爆炸,但从压力测试来看(如图6所示),爆炸冲击波压力有明显下降,如图3(a)所示。爆炸冲击波在抑爆区受到抑制,以其中一个测点为例,油气着火起爆后,压力随即上升,当进入抑爆区后,爆炸受到抑爆剂的抑制作用,压力上升得到控制,压力波动变缓甚至下降,穿过抑爆区后,由于没能完全抑制住爆炸火焰,致使抑爆区后的油气又被点燃爆炸,故压力曲线又出现上升,形成典型的双峰形式。说明抑爆剂起到了一定的作用,但爆炸火焰仍穿透了抑爆区,引爆了后面的油气混合物,从而导致抑爆失败。图5中沿爆炸传播的迎面喷射完全抑制住了油气的爆炸传播,主要原因是抑爆剂有效地控制了爆炸火焰的传播。就其抑爆机理而言,油气爆炸过程中,是压力波和火焰相互正反馈作用驱动爆炸发展的过程,因此要抑制住爆炸,就必须破坏这两者的耦合机制,减轻其相互作用的影响。采用垂直于爆炸传播方向的喷射方式,其与火焰的作用面接触不够充分,抑爆剂作用的时间减少,导致抑爆效果变差。抑爆剂所形成的抑爆区厚度也较小,导致作用范围相对较小,极易被穿透力强的爆炸火焰穿透,使得诱导火焰跟着加速通过抑爆区,同时压缩后面的未燃气体引起温度升高,引爆未燃气体,导致抑爆失败。与此相反,如果迎着火焰传播方向喷射抑爆剂,就会在抑爆区形成以喷头为中心的扇形区域与爆炸火焰面充分作用,随着压力冲击波的前行,这个扇形抑爆区段也会被附带着跟随行进,边缘面就往后移,其始终能在一定范围和时间内作用于受限空间内的油气爆炸,从而能比垂直喷射更好地抑制油气爆炸的传播。2.2.2高压驱动源喷射压力影响保持其他影响因素不变(抑爆剂25g),考虑喷射压力的影响。高压气体驱动源的压力分别为0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1.0MPa,研究火焰传播速度和爆炸压力参数变化,得到的试验结果如图7所示。设置在模拟坑道距点火端3.85m处的火焰传感器安装在抑爆喷头后面,当抑爆成功时,没有火焰通过。当压力为0.8MPa时,抑爆区后的火焰传感器已经接收不到火焰信号,说明此时火焰已被抑制,无火焰向后传播,火焰速度为零。当为其他压力时,仍有火焰经过,爆炸抑制没有完全抑制住火焰的传播,速度重新开始加速上升。如图7所示,高压驱动源的喷射压力对抑爆效果有着重要的影响。从图7可以看出:当喷射压力是0.8MPa时,抑爆段后面的第一个火焰传感器没有识别到火焰,说明爆炸火焰已熄灭,爆炸得到抑制。而在其他情况下,此处的火焰传感器有信号,说明爆炸火焰仍然存在。因此喷射压力较小较大都不利于爆炸抑制,在这之间存在着一个临界值,也就是最优值即0.8MPa。当压力较小时,喷射出的粉体速度较小,动量较小,与火焰作用力不强,与爆炸冲击波的动量交换也较小,很容易被快速通过的爆炸波冲散,不能有效阻挡或减缓爆炸波的冲势,从而使爆炸波带动火焰穿过抑爆区,引爆后面的油气混合物;当压力较大时,喷射出的粉体形成一个倒锥形,使其很大一部分粉体集中在中心与爆炸波火焰相互作用,导致其与爆炸波作用面积减小,从而不能完全有效地把爆炸波火焰截断,使其从边缘薄弱地带绕过引燃后面未燃混合气体,使燃烧爆炸继续进行。在本文试验条件下,最佳抑爆效果的喷射压力临界值约为0.8MPa。2.2.3超细粉体抑爆剂分散布置方式为了研究不同布置方式对抑爆效果的影响,试验时分为集中式布置和分散式布置两种方式,前者将两个抑爆剂储存器顺次集中布置在喷射系统上,使其所储存的抑爆剂在高压气源作用下一起喷入抑爆区内,布置的位置距点火端2.5m处。后者则将两个抑爆剂储存器分开,一个在距点火端2.5m处,另一个在距点火端4m处。两次的抑爆剂总量相同,均为25g。图8(a)为集中布置时抑爆区3.65m处压力变化曲线图。显然在爆炸火焰面到达抑爆区之前,爆炸压力在火焰和爆炸压力波的耦合作用下逐渐增强,压力迅速增大,通过抑爆区后,因抑爆剂的化学物理抑制作用,约在1.5m范围内压力不断衰减,穿过抑爆区后,由于火焰未能完全扑灭,对压力波继续起支持作用,从而使其在通过抑爆区后继续增长,出现二次爆炸增强,从压力曲线看出现典型的双峰形式。图8(b)为超细粉体抑爆剂分散布置情况下相应测点处压力传感器所测试的压力变化曲线,压力波在抑爆剂作用下不断衰减,压力低于集中式布置,且压力波动范围较小,从压力抑制角度看,爆炸抑制效果明显,优于集中式布置。可以从火焰速度来分析布置方式的影响,图9为火焰平均速度的变化曲线。曲线1为空白试验(即无抑爆剂),此时爆炸火焰传播速度由于压力波和火焰的耦合作用不断加速。曲线2为喷射系统集中布置的情形,爆炸火焰在抑爆区被部分抑制衰减后,继续前行通过抑爆区后,得到可燃气体混合物的补充和燃烧能量的加入,使其速度继续回升。曲线3为喷射系统分散布置的情况,爆炸被完全抑制。从以上分析可知,喷射系统的布置方式对抑爆效果具有明显的影响,在用量相同时,分散布置具有更好的抑爆效果。分散布置相当于在火焰传播过程中设置了两道抑爆墙,可以使抑爆剂对抑爆区域的抑爆作用增强,加长了抑爆距离,在空间上形成一个更为有效的抑爆区段,使爆炸火焰在穿过第1道墙后不能进行有效的能量补充而在第2道墙时被完全抑制住,抑爆效果较明显。2.2.4超细粉体抑爆剂用量试验根据2.2.2和2.2.3节的结果,保持其他因素不变(喷射压力0.8MPa时),采用分散布置方式研究抑爆剂用量对其抑爆效果的影响,如图10所示。在受限空间内油气混合物被点火后,由于受限空间的约束,压力波和火焰相互耦合,使得火焰传播速度加快,当传播至距点火端2.25m处时,达到速度峰值,此后进入抑爆段,与不同量的抑爆剂发生动量交换、能量传递和化学反应,使得火焰速度明显减小,不同抑爆剂用量下抑爆区3.65m处压力传感器所测压力曲线的比较如图11所示。随着抑爆剂量的增加,压力下降的幅度越大。当增加到25g时,抑爆段后的压力波动幅度已经很小。在其他量时,爆炸冲击波在抑爆区受到一定程度的抑制,穿越抑爆段区后又重新增强。由图11可知,当抑爆剂量为25g时,油气混合物爆炸被成功抑制。结果表明超细粉体抑爆剂浓度低于某临界值时,虽然对爆炸有一定的抑制作用,但不能完全抑制。只有抑爆剂浓度大于某临界值时,油气爆炸才可能被完全抑制。通过多次试验得到抑爆剂临界质量浓度为0.232kg/m3。3高压抑爆试验结果分析1)自制的超细粉体抑爆剂对油气爆炸具有很好的抑爆效果,是一种高效抑制油气爆炸的超细粉体。2)喷射方式对抑爆效果影响较大,在相同试验条件下,迎着火焰传播方向喷射抑爆剂的抑爆