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摘要：為了研究阻火器阻火性能的影響因素，搭建了阻火器阻火性能測試平臺，對阻火器阻火性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)以一臺DN100阻爆然型阻火器為樣機(jī)，在相同規(guī)格試驗(yàn)管路、相同點(diǎn)火距離，不同管路長度的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，得到阻火器阻火成功與失敗時測試點(diǎn)處的火焰速度和爆炸壓力值，研究發(fā)現(xiàn)爆炸壓力和火焰速度都是阻火器阻火性能的重要參數(shù)。

關(guān)鍵詞:   阻火器; 阻火性能；火焰速度；爆炸壓力

1.     引言阻火器是裝置運(yùn)行過程中發(fā)生火災(zāi)等意外情況下阻止火焰向源頭傳播的安全裝置，廣泛應(yīng)用于儲罐、管道、排風(fēng)、火炬等系統(tǒng)。作為阻止災(zāi)害發(fā)生的最后一道安全屏障，其阻火性能至關(guān)重要。火焰與流動的相互作用，涉及火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ァ⒒鹧娌环�(wěn)定性等基本環(huán)節(jié)，因此一直是燃燒研究的重點(diǎn)課題之一。在工業(yè)災(zāi)害中，壓力波作用于火焰會進(jìn)一步加快燃燒速度，同時火焰會失穩(wěn)而誘發(fā)湍流，甚至可能出現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象。管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程是一個加速、加壓的燃燒爆炸過程，所造成的危害極大。管道波紋阻火器作為一類安全設(shè)備，其核心部件阻火單元允許介質(zhì)流通，阻止火焰?zhèn)鞑ァ�國�?nèi)外不少學(xué)者研究了爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣取�壓力變化等宏觀參數(shù)，也研究了火焰陣面結(jié)構(gòu)特性及其影響因素等微觀特性，多作為實(shí)驗(yàn)室課題對管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進(jìn)行研究，對于阻火器產(chǎn)品的阻火性能和測試試驗(yàn)方法研究很少^[1-4]。本文將從火焰速度和爆炸壓力對阻火器阻火性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.    阻火器阻火機(jī)理

對于阻火器的工作原理，目前主要有兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為壁面?zhèn)鳠嶙饔檬亲杌鹌髂軌蜃杌鸬闹饕�原因，而另一種則認(rèn)為器壁效應(yīng)對火焰的熄滅影響很大^[21]。

（1）傳熱作用

阻火器能夠阻止火焰繼續(xù)傳播并迫使火焰熄滅的因素之一是傳熱作用。我們知道，阻火器是由許多細(xì)小通道或孔隙組成的，當(dāng)火焰進(jìn)入這些細(xì)小通道后就形成許多細(xì)小的火焰流。由于通道或孔隙的傳熱面積很大，火焰通過通道壁進(jìn)行熱交換后，溫度下降，到一定程度時火焰即被熄滅。

（2）器壁效應(yīng)

根據(jù)燃燒與爆炸連鎖的反應(yīng)理論，認(rèn)為燃燒與爆炸現(xiàn)象不是分子間直接作用的結(jié)果，而是在外來能源（熱能、輻射能、電能、化學(xué)反應(yīng)能等）的激發(fā)下，使分子鍵受到破壞，產(chǎn)生具備反應(yīng)能力的分子（稱為活性分子），這些具有反應(yīng)能力的分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，首先分裂為十分活潑而壽命短促的自由基。這樣自由基又消耗又生成如此不斷地進(jìn)行下去。已知可燃?xì)怏w自行燃燒的條件是：新產(chǎn)生的自由基數(shù)等于或大于消失的自由基數(shù)。當(dāng)然，自行燃燒與反應(yīng)系統(tǒng)的條件有關(guān)，如溫度、壓力、氣體濃度、容器的大小和材質(zhì)等。隨著阻火器通道尺寸的減小，自由基與反應(yīng)分子之間碰撞幾率隨之減少，而自由基與通道壁的碰撞幾率反而增加，這樣就促使自由基反應(yīng)降低，當(dāng)通道尺寸減小到某一數(shù)值時，這種器壁效應(yīng)造成了火焰不能繼續(xù)進(jìn)行的條件，火焰即被阻止。

不同試驗(yàn)條件下，火焰淬熄的原因可能不同，但就爆燃火焰在通道中傳播而言，一般認(rèn)為壁面?zhèn)鳠崾腔鹧嫦�滅的主要原因�?/span>

3.    試驗(yàn)裝置

阻火性能試驗(yàn)裝置主要包括試驗(yàn)管路、高精度配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)中，利用配氣系統(tǒng)向管路中充入指定濃度的可燃?xì)怏w，并采用火花塞點(diǎn)火。通過安裝壓力傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳎瑴y量火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c爆炸壓力值。

3.1配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)，電氣控制部分，氣體濃度分析儀及配套閥門和管路組成，如圖1所示。該配氣系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、動態(tài)混合配氣的要求，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)配氣的最高誤差精度要求為0.1%、流量不低于1 m³/min，實(shí)現(xiàn)動態(tài)配氣的最高誤差要求為0.2%。氣源經(jīng)減壓器和穩(wěn)壓器粗調(diào)再經(jīng)各調(diào)節(jié)閥控制，進(jìn)入混合器。計(jì)算機(jī)根據(jù)所要配混合氣各組成氣體的濃度比及各氣源氣體濃度，確定電氣控制參數(shù)，向執(zhí)行閥門發(fā)送控制信號，利用閥門的動作，控制各組成氣體進(jìn)行混合的流量。計(jì)算機(jī)實(shí)時監(jiān)控配氣過程并記錄過程數(shù)據(jù)。控制程序根據(jù)濃度差異，調(diào)節(jié)電磁調(diào)節(jié)閥開度，變動其通流面積，經(jīng)反饋控制進(jìn)行連續(xù)配氣^[6]。

圖1 配氣系統(tǒng)

3.2采集系統(tǒng)

在試驗(yàn)中，需要對火焰速度和壓力變化進(jìn)行實(shí)時的采集。由于火焰?zhèn)鞑サ乃俣群芸欤�所以對采集板卡的要求很高。本系統(tǒng)基于NI高性能的PXIExpress平臺，配合以高精度、具有隔離性能的數(shù)據(jù)采集板卡，可以實(shí)現(xiàn)對壓力、溫度、應(yīng)變、電壓、電流等信號的準(zhǔn)確采集，同時保證了系統(tǒng)的安全性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4.    試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用丙烷—空氣混合氣體，丙烷濃度為4.2%^[7]，試驗(yàn)壓力為101.3Kpa，點(diǎn)火方式為火花塞點(diǎn)火，點(diǎn)火電壓為12KV。保護(hù)側(cè)管道長度為50D，點(diǎn)火距離為40D。第一次阻火試驗(yàn)阻火器前端管道長度為40D，第二次阻火試驗(yàn)阻火器前端管道長度為50D，管道點(diǎn)火端用盲板密閉，另一端用PE薄膜封閉。通過保持點(diǎn)火距離不變，得到不同長徑比下測試點(diǎn)處不同火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫χ担�獲得阻火器阻火與否的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣記錄^[8]。

4.2測試結(jié)果

圖3為第一次阻火試驗(yàn)測試信號圖，其中a)、b)為阻火器前端測速信號，c)為壓力信號，d)為阻火器后端火焰探測信號，由圖中a)、b)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出此次火焰到達(dá)測試點(diǎn)處的火焰速度為220m/s，由d)可知該處火焰?zhèn)鞲衅魑刺綔y到火焰存在，證明阻火器此次阻火成功。由c)可知火焰到達(dá)測試點(diǎn)處的最大爆炸壓力為0.17MPa。

 

圖3 第一測阻火試驗(yàn)測試信號

圖4為第二次阻火試驗(yàn)測試信號圖，由圖中a)、b)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出此次火焰到達(dá)測試點(diǎn)處的火焰速度為133m/s，由d)可知該處火焰?zhèn)鞲衅魈綔y到火焰存在，證明阻火器阻火失效。由圖4中c)可知火焰到達(dá)測試點(diǎn)處的最大爆炸壓力為0.36MPa。

圖4 第二次阻火試驗(yàn)測試信號

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)針對丙烷—空氣混合氣體爆燃傳播過程中，火焰速度和爆炸壓力進(jìn)行了研究，試驗(yàn)過程分別按兩種不同的點(diǎn)火方案進(jìn)行。

（1）一般情況下，火焰速度、爆炸壓力會隨著阻火端長徑比的增大而增加，直到達(dá)到穩(wěn)定爆轟。封閉管道內(nèi)的爆燃過程是一個復(fù)雜的傳播變化過程，在不同長徑比，相同點(diǎn)火距離的情況下，測試火焰?zhèn)鞑ニ俣然驂毫χ党霈F(xiàn)波動現(xiàn)象，兩組測試過程的測量值分別是火焰速度133m/s、爆炸壓力為0.36MPa，阻火失敗；火焰速度220 m/s、爆炸壓力為0.17MPa，阻火成功。由圖3、圖4中a)、b)可以看出火焰?zhèn)鞲衅鞯幕鹧嫘盘栠^程是兩個從有到無的反復(fù)過程，可見火焰陣面在此測試點(diǎn)處有震蕩過程存在，即火焰沒有在遇到阻火單元處熄滅。

（2）由圖3、圖4中c)可以看到，壓力波在測試點(diǎn)處的震蕩明顯。壓力波與火焰的相互作用，包括壓縮波、反射壓縮波及稀疏波對火焰的作用。由圖3中c)可以看到，壓力信號有多個波峰，峰值由大到小，直至出現(xiàn)負(fù)壓，說明燃燒過程結(jié)束，管內(nèi)形成短時負(fù)壓^[8]；由圖4中c)可以看到，壓力信號有多個波峰，峰值逐步增大再減小，直至出現(xiàn)負(fù)壓，說明燃燒過程持續(xù)，多種壓力波出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，直至氣源耗盡。

5  結(jié)論

從火焰?zhèn)鞲衅骱蛪毫�傳感器的信號可以看到，管道�?nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程伴隨著流場壓力的變化，表征為火焰和壓力波的震蕩。在相同點(diǎn)火距離，不同點(diǎn)火位置情況下，出現(xiàn)高火焰速度情況下阻火器阻火成功，低火焰速度情況下阻火器阻火失敗的試驗(yàn)結(jié)果。可見，以火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅�炸壓力為特征的火焰�(zhèn)鞑ツ芰渴亲杌鸪蓴〉年P(guān)鍵，而阻火速度并不是阻火器成功阻火的唯一標(biāo)準(zhǔn)，爆炸壓力也是一個重要參數(shù)。