程浩力，刘德俊

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001）

障碍物对管道中预混火焰压力发展的实验研究*

程浩力，刘德俊

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001）

研究了管路中甲烷爆炸过程中火焰传播规律和加速机理以及由于障碍物引起的火焰加速而导致的管内压力上升现象。研究结果表明，障碍物的存在对甲烷爆炸过程中火焰传播规律以及管内压力的影响十分巨大，障碍物的存在将使瓦斯爆炸过程中火烙的传播速度迅速提高，导致压力大幅度上升。加速作用的机理主要是由于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈造成的。

爆炸；火焰；障碍物；加速机理；湍流

管道是石油及化学工业生产中的主要设备，由于它们具有圆长的受限密闭空间特性，可燃气体被点燃后，燃烧产物膨胀会压缩周围的气体而产生流动，障碍物的存在会把这种流动诱发为湍流从而大大地提高燃烧速率，当存在连续障碍物时（如管路上的阀门、测试仪器等附件），湍流会被不断加强，火焰不断被加速，从而有可能在火焰正前方产生激波，当其达到一定强度时就产生爆炸，从而对装置或设备及人员造成巨大的危害，因此研究障碍物下的湍流加速火焰具有其重要的现实意义。

1 燃烧基本理论

1.1 甲烷的燃烧原理

物质燃烧原理是指物质燃烧的发生、发展和终止的本质和机理。历史上出现各种燃烧理论，包括热力爆燃理论、链式反应理论和湍流燃烧理论等[1-2]。通过活性粒子（自由基或原子）使一系列反应相继连续发生，像链条一样自动发展下去，这类反应称之为链式反应[3]。链式反应是一种常见的复杂反应，如高分子化合物的聚合、石油的裂解、以至燃烧和爆炸反应都与链反应有关。由于链式反应理论能够对燃烧中的大量现象进行圆满的解释，因此本文将以链式反应机理为基础分析甲烷的燃烧原理。

当甲烷-空气混合气体吸收点火源的一定能量后，某些气体分子链即行断裂，离解成游离基。游离基有很大的化学活性，成为反应的活化中心。在适当的条件下，每一反应可生成两个以上的新游离基。此过程不断循环使游离基越来越多；同时，反应产生的能量也使更的气体分子离解成游离基，这样分解下去，游离基越来越多，反应也愈来愈快，最终可以发展成燃烧或爆炸式的氧化反应。但对于链反应，不管其形式如何都是由四部分[4]组成：游离基的存在→链引发→链传递→链终止。甲烷氧化反应机理是总反应所包含的各个基元反应的集合，在较低温度下（T＜900 K）甲烷的链式反应机理可简化为主要的10步[5]反应进行：

1.2 湍流火焰加速机理

火焰加速的主要机理是湍流。初始层流火焰在一定条件下会转变成湍流火焰，使火焰加速。这种转变主要通过以下两种机制实现：1）当雷诺数足够大时，在火焰前的未燃气体流动中形成湍流；2）压力波与火焰的相互作用形成湍流。

在有阻碍物的部分受限容器（如工艺设备，管道等）中，在爆炸火焰速度可能加速到每秒数百米。刚发生湍流时，湍流强度较低，旋涡只会使火焰表面产生褶皱，增加火焰的有效燃烧速率。当燃烧速度增加后，将会产生更强的膨胀流，之后便导致流速增加，而高的流速又将加大湍流的强度，这样火焰会逐渐的丢失它的原来的光滑的表面，内部也发生变化。于是湍流的旋涡又倾向于分裂火焰前驱，从而导致一个更高的燃烧速率，高的燃烧速率将又会产生更强的膨胀流和湍流。这样，就会形成火焰加速的正反馈，其反馈机理如图1[6]所示。

图1 可燃气体爆炸过程的正反馈Fig.1 Positive feedbackloopcausing flame accelerationdue to turbulence.

2 实验方法及实验装置

实验气体为空气与99.9%的甲烷的混合气体。实验选用体积分数分别为7.5%，10.1%（最佳浓度）及11.5%的甲烷-空气混合气体。其中障碍物选择多层金属丝网。

实验管道长径比为118.8，其中总长10.45 m，Φ108 mm×10 mm。本实验用8个测孔，配备5个压力传感器和3个火焰传感器进行实验测试，管道上测孔的布置如表1所示。

表1 测点位置表Table 1 Locationof testpoints

当进行爆炸实验时，管道两端均处于封闭状态。障碍物加装在管道中部变径部分，管道示意图见图2。

图2 管道示意图Fig.2 Sketchmapof experimental pipeline

3 实验结果及分析

3.1 火焰加速传播实验研究

图3 没有障碍物时4、6测点火焰信号Fig.3 Flame wave of eachtestpointinpipeline withoutobstacle

障碍物导致火焰加速的机理可以从障碍物对火焰传播过程的影响看出。甲烷火焰传播过程中火焰传感器记录的光电信号曲线见图3和图4。4号测点在火焰传播方向上障碍物前方，6号测点在障碍物之后。图3表示没有障碍物时管道内火焰传播信号，图4表示存在障碍物作用下火焰传播信号。

图4 有障碍物时4、6测点火焰信号Fig.4 Flame wave of eachtestpointintube withobstacle

由图3和图4可以看出，与无障碍物时相比，当有障碍物存在时，火焰到达各对应的光电传感器的时间缩短，表明火焰的传播速度加快。图3中未加障碍物时，障碍物后方测点6的信号持续时间远比障碍物前方测点4的时间短。而在图4中，障碍物后方测点6的信号持续时间明显超过障碍物前方测点4的时间。这说明，金属丝网对火焰的扰动作用明显。另外，在实验过程中，当有障碍物存在时，火焰传播时爆炸声响很大，而无障碍物时声响明显减弱，这种现象也可以表明有障碍物时的火焰传播速度比无障碍物时的快。

3.2 爆炸波传播特性实验研究

测试管道超压情况压力传感器布置选取表1中的1、3、4、5、7测点。

将安装多层丝网结构及不加多层丝网结构时管道内各测点处的压力情况绘于图5。位于横坐标0 m处的虚线表示多层丝网结构，无间距叠放。图中蓝色曲线表示管道内不安装抑爆结构时各测点处的最大超压值。压力波自左向右传播，横轴为各测点距多层丝网结构的距离。

从图5中可以看出：管道内存在障碍物比没有障碍物时的爆炸压力大，障碍物对气体爆炸后障碍物后方压力上升速率的影响更大，原因是障碍物的存在加剧了火焰传播过程中的湍流现象，使爆炸波的传播发生变化，从而增大气体爆炸的冲击波超压。当火焰在进入多层丝网结构时，多层丝网结构起到了障碍物的作用，火焰通过丝网后被分为许多细小火焰，增大了燃烧表面积。同时，金属网促进了火焰湍流程度的加强，使得火焰产生许多皱褶，加快已燃气体于未燃预混气的混合，缩短了混合时间，提高了燃烧速度。燃烧的加强使得管道内压力迅速上升，其值高于未装多层丝网结构时的最大超压值。

图5 障碍物对管道各测点最大超压分布的影响Fig.5 Influence of obstacle onoverpressure of eachpoint

图6 障碍物前后压差趋势Fig.6 Pressure difference inpipeline

图6为加装20目不同层数金属丝网后，障碍物前后压差趋势图。从图6中可以看出障碍物阻碍能力越大，障碍物前后压差越大越大。所以，当在管道中设置阻火器或其他仪器时，应充分考虑到仪器及管道在事故发生后的承压能力。

4 结论

通过上述实验研究，可以得出以下结论：

（1）障碍物对甲烷燃烧爆炸过程中火焰传播以及压力具有重要影响。适当的障碍物可以使火焰传播速度迅速提高。衰减速度变慢，波及范围扩大。

（2）在管道中适当设置障碍物对火焰的传播具有加速作用，这种加速作用的机理归因于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈。

（3）在设计易燃气体管路时，为了防止出现事故时可燃气体火焰的加速传播以及超压，造成更严重的破坏，应该尽量减少不必要的障碍物，在管路上合理配置各种仪器。

[1]Kenneth K.Kuo．Principle of combustion[M].郑楚光，袁建伟，米建春，译．武汉：华中理工大学出版社，1991.

[2]岑可发.高等燃烧学[M].杭州：浙江大学出版社，2002.

[3]周霖.爆炸化学基础[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[4]魏伴云.火灾与爆炸灾害安全工程学[M].武汉：中国地质大学出版社，2004.

[5]谢兴华，李寒旭.燃烧理论[M].江苏：中国矿业大学出版社，2002.

[6]Dag Bjerketvedt，Jan Roar Bakke，Kees van Wingerden.Gas Explo sionHandbook[J].Journal of Hazardous Materials，1997，52：1-150.

Experimental Study on Influence of Obstacles on Overpressure Development of Premixed Flame in Pipeline

CHENGHao-li，LIU De-jun
（College of PetroleumEngineering，Liaoning ShihuaUniversity，Liaoning Fushun113001，China）

The flame propagation and its acceleration mechanism in gas explosion were studied.An investigation of overpressure development due to flame acceleration induced by obstacles has also been studied.The results show that the obstacle plays a significant role on the flame propagation and overpressure development in pipeline.When there are barriers，the velocity of f1ame transmission increases very quickly，which results in high increase of the overpressure. The mechanismof accelerationis to the positive feedbackof turbulentcombustioncausedby obstacles.

Explosion；Flame；Obstacle；Mechanismof acceleration；Turbulent

TQ560

A

1671-0460（2010）04-0357-03

2010-03-01

程浩力（1984-），男，2008年毕业于河北科技大学安全工程系，现为辽宁石油化工大学油气储运工程在读硕士研究生，主要从事油气管道输送技术及安全和海底管道腐蚀及剩余寿命评估研究。E-mail：cheng_paper@163.com。