崔洋洋，王志荣，刘明翰，张锎，马龙生，蒋军成（南京工业大学安全科学与工程学院江苏省危险化学品本质安全与控制技术重点实验室，江苏 南京210009）



丝网结构对连通容器气体爆炸的二次抑制效果

崔洋洋，王志荣，刘明翰，张锎，马龙生，蒋军成
（南京工业大学安全科学与工程学院江苏省危险化学品本质安全与控制技术重点实验室，江苏 南京210009）

摘要：实际生产中大多数储罐、反应器的进料口和卸料口都是与管道相连而形成连通结构，为考查丝网结构对连通容器内气体爆炸的二次抑制作用，以甲烷-空气混合物为研究对象，利用球形容器与管道构成的连通容器进行了抑爆实验，对比分析了单次抑爆与二次抑爆效果，并分析了不同目数和层数的丝网结构对连通容器的二次抑爆效果的影响。结果表明：丝网结构二次抑爆效果优于单次抑爆。当单次抑爆失效时加入40目5层丝网结构进行二次抑爆效果最好；加入60目1层、3层丝网结构无抑爆效果，加入5层、7层、9层丝网结构抑爆效果明显，而且抑爆作用随丝网层数增加而增强。因此，在工程设计中应根据实际情况综合考虑，选用合适的抑爆次数及抑爆结构。关键词：爆炸；连通容器；单次抑爆；二次抑爆；丝网结构；抑爆影响；甲烷；混合物

2015-07-29收到初稿，2015-11-05收到修改稿。

联系人：王志荣。第一作者：崔洋洋（1990—），男，硕士研究生。

Received date: 2015-07-29.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51376088，21436006) and the Natural Science Foundation for Colleges and Universities in Jiangsu Province (11KJA620001，10KJB620001).

引　言

在工业生产过程中，储存各种可燃气体的容器、装置往往与管道相连，形成连通容器。与单容器相比，连通容器可能会发生更加猛烈的爆炸[1-3]。Gvozdeva[4]通过实验发现正激波在一定条件下经过压缩多孔材料上的反射后会显著衰减。Robert[5]在装置中添加聚合泡沫和铝合金丝网进行抑爆研究，结果显示多孔材料壁面具有削弱横波的作用，但不一定都能抑爆。Zhang等[6-7]研究了氮气、氩气对天然气/空气混合物爆炸特性的影响，发现氮气对爆炸的抑制效果比氩气更好，混合气体的最大爆炸压力对天然气浓度的增加先增大后减小，初始压力越小，最大爆炸压力越小。郭长铭等[8-9]采用有限速率燃烧模型对管道内甲烷预混气体爆炸后被惰性气体熄灭的过程进行了数值模拟研究，发现二氧化碳喷入量低于12 kg·s-1时不能使管内火焰熄 灭，二氧化碳喷入量大于16 kg·s-1时能大大降低管道内混合气体温度，同时降低甲烷和氧气浓度，导致火焰在二氧化碳喷入口所在管道截面处熄灭。祝钊等[10-11]通过实验证实多孔钢板等吸收材料既有吸收横波、削弱爆轰波的作用，又能够加强湍流、恢复爆轰波。Hojo等[12-14]对管道内多层丝网结构的淬熄性能做了系统的研究，得出临界淬熄速度与丝网结构几何参数之间具有一定的关系的结论，还发现丝网的淬熄性能与其材质无关。邓军等[15]采用自主改进的20 L近球形抑爆实验系统进行了Mg(OH)2、CO2气体及两者同时添加抑制瓦斯爆炸的实验，发现Mg(OH)2和CO2气体均对瓦斯爆炸具有一定的抑制作用。张巨峰等[16]研究了抑爆材料对可燃气体爆炸火焰传播的影响，发现多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播具有很大的影响，可以完全淬熄较弱的爆炸火焰。喻健良等[17-20]研究了多层丝网结构对混合气体燃烧爆炸的抑制作用，实验研究了临界淬熄速度、临界淬熄超压和熄爆参数与多层丝网抑爆结构几何参数之间的关系，并得出该关系的经验公式。

这些研究主要是针对简单结构的单一管道或单次抑爆结构进行的，在单管道和单容器爆炸中爆炸传播过程较为简单。与单容器或单管道相比，连通容器会形成不同的爆炸传播过程，事故造成的后果也比单容器或单管道事故造成的后果严重。与单次抑爆相比，二次抑爆的原理更加复杂，并不是简单的叠加效果。但目前国内外对于结构相对复杂的连通装置的二次抑爆研究较少。因此，本工作将丝网目数和层数进行不同组合，在连通容器的不同位置处嵌入丝网，采用对比实验和数据处理的方法分析研究了二次抑爆与单次抑爆的抑爆效果，并进一步探索了丝网目数、层数和抑爆位置等影响因素对丝网结构二次抑爆的影响。

图1　连通容器结构示意图Fig.1　Schematic diagram of linked spherical vessels1—ignition position; 3—gas inlet/outlet; 2,4—pressure transducer; ①②③—wire mesh position

1　实验装置与方法

1.1实验装置

连通容器由球形容器和3段管道组成，如图1所示。球形容器的尺寸为：直径350 mm，体积22 L。管道为圆形管道，每段长度均为2000 mm，内径为60 mm。球形容器和管道通过法兰连接，而且均安装压力变送器。球形容器上安装点火器和真空压力表，并留有充、抽气口。

1.2实验方法

由于甲烷的化学计量浓度为9.46%，本实验环境下甲烷的浓度为10%。丝网结构的参数见表1。实验采用不锈钢金属丝网，将丝网结构安装于连通容器法兰连接处。首先用真空泵将连通容器抽真空，再充入事先用SY-9506型配气仪配好的10%的甲烷-空气混合气体至常压，静止一段时间，然后在球内用点火能量为6 J的高能电子点火器点火引爆容器内的混合气体，利用安装在连通容器上的高频压力变送器采集数据，并通过USB总线数据采集仪及配套分析软件进行数据的记录和处理。

表1　3种丝网的几何参数值Table 1　Geometrical parameters of three kinds of wire mesh

1.3实验方案

本工作开展的丝网结构对连通容器二次抑爆效果的研究，主要研究了单次抑爆与二次抑爆的效果，并通过改变二次抑爆时丝网结构研究丝网结构对二次抑爆效果的影响。实验均在密闭条件下进行。起爆位置位于球形容器中心，并根据实验要求在1号位、2号位、3号位嵌入丝网。程长德等[21]用管道将两球相连进行试验研究，并得出40目5层与60目7层为该系统临界抑爆层数的结论。本工作针对球接管连通容器系统进行实验，得到相似结论，即单次抑爆时40目3层与60目5层对球接管连通容器的抑爆作用不明显，而40目5层与60目7层对球接管连通容器有明显的抑爆效果。本工作分别采用40目3层与60目5层进行二次抑爆实验，发现40目3层无明显二次抑爆效果，因此本工作均采用60目5层为主要研究对象研究二次抑爆作用。表2为连通容器内丝网结构二次抑爆的实验方案，每组实验进行3次平行实验。

2　实验结果与分析

2.1二次抑爆效果的研究

如表2中A组，采用60目5层丝网结构，研究无丝网、单次抑爆与二次抑爆的不同抑爆效果。无丝网、单次抑爆与二次抑爆时爆炸压力随时间的变化如图2所示。为了进一步研究丝网结构对连通容器气体爆炸抑爆效果的综合影响，结合冲击波超压-冲量伤害准则概念，引入爆炸强度指数K，用于表示爆炸强度，定义其为最大爆炸压力与最大爆炸压力上升速率的乘积，单位为MPa2·s-1。K越大，说明爆炸的危险性越大，抑爆的效果越差。最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及爆炸强度指数见表3。

表2　连通容器二次抑爆的实验方案Table 2　Experiment scheme of explosion double-suppression in linked vessels

图2　不同抑爆次数时爆炸压力随时间的变化Fig.2　Explosion pressure history under set of different times of explosion suppression

表3　不同抑爆次数时的爆炸特征值Table 3　Explosion characteristic value under set of different times of explosion suppression

通过图2可以看出，丝网结构的单次抑爆效果不明显，而二次抑爆效果非常显著。二次抑爆时管道末端的压力波动明显变小。根据表3所示，单次抑爆时最大爆炸压力小幅减小，而爆炸强度指数则有所降低。二次抑爆时，最大爆炸压力和爆炸强度指数都有明显的减小。在单次抑爆与二次抑爆的比较中发现，60目5层丝网结构作为单次抑爆材料时并没有显著的抑爆效果。根据程长德等[21]的研究可知，在单次抑爆失效时，若要系统达到理想的抑爆效果，必须使用60目7层或9层甚至更厚的丝网结构。而实验结果发现单次抑爆失效的情况下60目5层作为二次抑爆材料时系统最大压力却出现了大幅下降。这主要是因为，单次抑爆时，当火焰和爆炸波到达丝网结构时，丝网结构对爆炸冲击波进行阻隔，吸收了部分爆炸热能，但不足以对爆炸产生抑制作用。二次抑爆时，第二处丝网结构对爆炸冲击波进行二次阻隔，并且再一次吸收爆炸热能，由于丝网结构的存在，火焰在管道内的加速现象也被抑制，压力波和火焰不能够通过丝网，抑爆效果明显。管道末端压力波动减小的主要原因在于二次抑爆时压力反射波经过丝网的过滤及削减，波动明显减小。

研究发现，在二次抑爆时可采用60目5层作为二次抑爆材料，减少物料输送的阻碍，从而减小输送物料所需动力，节省能源。因此，在工业生产中可根据实际情况采用二次抑爆或多次抑爆的方法，在增强连通容器安全性能的同时减少抑爆材料对物料输送的阻碍作用。

2.2目数对连通容器二次抑爆效果的影响

如表2中B组，采用5层丝网结构研究丝网目数对连通容器二次抑爆效果的影响。1号位丝网目数不同时爆炸压力随时间的变化如图3所示，最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及爆炸强度指数见表4。2号位丝网目数不同时爆炸压力随时间的变化如图4所示，最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及爆炸强度指数见表5。

通过图3、图4及表4和表5可以看出：当1号位丝网结构固定为60目时，2号位为40目时的抑爆效果最好；当2号位丝网结构固定为60目时，1号位为40目时的抑爆效果最好。这主要是因为，20目丝网结构孔隙率较大，金属体积分数小，对爆炸冲击波的阻隔作用以及对热量的吸收有限，爆炸压力波及火焰能轻易穿过。40目与60目丝网结构孔隙率较小，金属体积分数较大，能够有效地吸收爆炸能量，因此对爆炸有较好的抑制作用。而40目丝网结构与60目相比，其金属体积分数大于60目丝网结构，40目丝网结构具有更好的抑爆作用。因此，在不阻碍物料运输的情况下，可选用金属体积分数较大的丝网结构作为工业中连通容器的抑爆材料。

图3　1号位丝网目数不同时爆炸压力随时间的变化Fig.3　Explosion pressure history under set of different mesh number at position 1

表4　1号位丝网目数不同时的爆炸特征值Table 4　Explosion characteristic value under set of different mesh number at position 1

图4　2号位丝网目数不同时爆炸压力随时间的变化Fig.4　Explosion pressure history under set of different mesh number at position 2

2.3丝网层数对连通容器二次抑爆效果的影响

如表2中C组，采用60目丝网结构研究丝网层数对连通容器二次抑爆的影响。丝网嵌于1、2号位时爆炸压力随时间的变化如图5所示，最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及爆炸强度指数见表6。丝网嵌于1、3号位时爆炸压力随时间的变化如图6所示，最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及爆炸强度指数见表7。

通过图5、图6及表6和表7可以看出：当丝网结构放于1、2号位（或1、3号位），而且1号位丝网层数固定为5层、2号位（或3号位）丝网层数为1层或3层时，系统无明显的抑爆效果；当2号位（或3号位）丝网层数为5层、7层、9层时，系统具有明显的抑爆效果，并且随2号位（或3号位）丝网层数增加抑爆效果愈好。通过表6和表7可以看出，当丝网层数为3层时，系统最大爆炸压力虽无明显下降，但爆炸强度指数却有所减小，这说明3层已经开始对系统有抑爆效果，但效果不明显。以上现象主要是因为，当系统爆炸波传至1号位时，虽然爆炸压力并未下降，但部分爆炸热量被丝网结构吸收，爆炸冲击波一定程度上也受到丝网结构的阻隔。当2号位（或3号位）的丝网层数为1层或3层时，由于丝网结构网孔率较大，金属体积分数较小，对爆炸冲击波的阻隔作用以及对热量的吸收较弱，压力波和火焰能正常穿过丝网结构，系统无明显抑爆效果。当二次抑爆位置的丝网层数为5层、7层或9层时，丝网厚度变大，网孔率变小，金属体积分数增大，吸收的能量较多，阻隔作用增强，丝网结构抑爆效果明显。因此，在实际应用中可根据需要适当增加丝网层数，以达到更好的抑爆效果。

表5　2号位丝网目数不同时的爆炸特征值Table 5　Explosion characteristic values under set of different mesh number at position 2

图5　2号位丝网层数不同时爆炸压力随时间的变化Fig.5　Explosion pressure history under set of different wire-mesh layers at position 2

图6　3号位丝网层数不同时的爆炸压力随时间的变化Fig.6　Explosion pressure history under set of different wire-mesh layers at position 3

表6　2号位丝网层数不同时的爆炸特征值Table 6　Explosion characteristic values under set of different wire-mesh layers at position 2

表7　3号位丝网层数不同时的爆炸特征值Table 7　Explosion characteristic values under set of different wire-mesh layers at position 3

3　结　论

（1）与单次抑爆相比，二次抑爆的效果优于单次抑爆。首次抑爆失效后进行二次抑爆时，可选用目数或层数小于单次抑爆临界值的丝网结构。

（2）用60目5层丝网结构模拟单次抑爆失效时，采用40目5层作为二次抑爆丝网结构进行抑爆时的抑爆效果最好。由此可见二次抑爆效果随丝网结构金属体积分数的增大而变好。

（3）用60目5层丝网结构模拟单次抑爆失效时，二次抑爆丝网结构为60目1层或3层时无明显抑爆作用，5层、7层、9层抑爆效果显著。

（4）二次抑爆作用随丝网层数增加而增强。当系统最大爆炸压力下降到一定程度后，下降幅度减小，因此在工业生产中可优先选用比临界抑爆层数略厚的丝网作为抑爆结构。

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Double-suppression effect of wire mesh on gas explosion in linked vessels

CUI Yangyang，WANG Zhirong，LIU Minghan，ZHANG Kai，MA Longsheng，JIANG Juncheng
(Jiangsu Key Laboratory of Hazardous Chemicals Safety and Control，College of Safety and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，Jiangsu，China)

Abstract:A series of experiments were conducted to study double-suppression effect of multi-layer wire-mesh structure on methane-air mixture explosion in a spherical vessel connected with pipelines. Explosion double-suppression effect was analyzed for explosion suppression structures with different layers and meshes. The most reasonable multi-layer wire-mesh structure was obtained. The combination of different layer number and mesh number had different explosion suppression effect on the linked vessels. Compared with single-suppression effect，the double-suppression effect was much better. Based on 5-layer 60-mesh，which had little single-suppression effect，the double-suppression effect was more effective while the 5-layer 40-mesh was adopted as doublesuppression structure. 1-layer 60-mesh or 3-layer 60-mesh had little suppression effect，but 5-layer was different. When the layer of wire-mesh was more than five，the effect was significant，and the more the number of layers was，the better the explosion suppression effect was. Thus，in actual explosion protection design，the best explosion suppression structure should be decided by taking into account of the comprehensive effect of the times of suppression and layer number and mesh number of wire-mesh structure.

Key words:explosions; linked vessels; single-suppression; double-suppression; wire-mesh; explosion suppression; methane; mixtures

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151216

中图分类号：TE 687；TQ 086

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）04—1618—08

基金项目：国家自然科学基金项目（51376088，21436006）；江苏省高校自然科学基金项目（11KJA620001，10KJB620001）。

Corresponding author:WANG Zhirong，wangzhirong@njtech.edu.cn