基于1 m3泄爆装置的墨粉爆炸泄压机制研究*

陈钰方，刘柏清，武星军，徐伟巍，丁建旭，王继业，王 彦，杨 娟

(广州特种机电设备检测研究院 国家防爆设备质量检验检测中心，广东 广州 510760)

0 引言

我国对涉粉尘爆炸潜在风险行业安全问题愈发重视，先后出台了一系列的国家标准和相关规定，如国家标准《粉尘防爆安全规程》(GB 15577—2018)[1]和应急管理部颁布实施的《工贸企业粉尘防爆安全规定》(中华人民共和国应急管理部令第6号)[2]。爆炸防护技术既是安全生产的基础保障，又是提高安全生产水平最直接有效的方法[3]。粉尘爆炸防护技术主要包括惰化、简单泄爆、无焰泄爆、抑爆和隔爆等方法，其中，由于简单泄爆装置的成本低廉且安装方便，目前已被工贸行业的相关企业大量采用。应用爆炸泄压装置可以有效地降低爆炸发生后工业装置内的超压荷载，防止爆炸波对主体设备造成严重破坏。受控爆炸压力作为爆炸泄压研究的主要参数，当前已有一些学者开展了粉尘浓度、反应容器中障碍物、泄压口比率、着火位置等影响因素对受控爆炸压力的影响规律的研究[4-7]，研究结果虽然使人们对粉尘爆炸机理有了更深程度的认识，有效提升了粉尘爆炸防控水平，但粉尘爆炸是涉及多学科交叉耦合的非线性问题，经科学探究和实践经验积累所形成的爆炸泄放技术有关的标准规范仍与实际应用的预期存在一定差距，难以匹配复杂多变的涉可爆粉尘的生产工艺。因此，粉尘爆炸机理和泄放效应，特别是大尺度条件下的研究需要进一步加强，为泄爆技术的发展和可靠应用提供科学的理论指导。

墨粉是1种典型的可燃爆粉尘，易被静电、火花等微小能量点燃源点燃，具有强爆炸性和高爆炸敏感度等特性。随着墨粉循环再利用工程的发展，墨粉应用的行业范围得到极大拓展，用量激增的墨粉在工业生产中的安全风险愈发凸显[8]。目前，针对墨粉爆炸的研究重点多集中于墨粉的爆炸特性[8-9]，鲜有关于在大尺度条件下墨粉爆炸泄爆发展过程的报道，因此，开展针对性的墨粉爆炸泄爆研究，加强对泄爆过程中燃烧与热流关系的探究，能够为爆炸泄压技术的开发和安全泄压措施的制定提供科学依据。

基于自主研发的爆炸泄压试验平台，在不同泄爆开口尺寸、墨粉浓度和泄爆片惯性条件下，开展受控爆炸压力与外场火焰演化规律的研究，以期为墨粉爆炸减灾技术的发展提供有益的理论指导。

1 试验系统与工况设置

进行爆炸泄压试验的系统主要包括1 m3柱形爆炸测试装置、控制系统和数据采集系统。

1)1 m3柱形爆炸测试装置如图1所示，该装置主要由反应釜、粉尘分散装置和点火装置组成，其中反应釜容积为1 m3，长1.5 m，密封条件下最大可承受3 MPa的爆炸压力。粉尘分散装置的主要作用是在反应釜中产生均匀的粉尘云爆炸环境。在反应釜的2侧对称设置体积均为5 L储粉罐，气粉两相电磁阀用于连通储粉罐和分散喷头。当电磁阀获得开启信号后，阀芯快速打开，储粉罐内的预设高压气体携运罐内粉尘快速通过分散喷头至反应釜内，并形成可燃爆性粉尘云。在本试验中，点火装置采用2.4 g化学点火头引燃反应釜中的粉尘云。

图1 试验装置

2)控制系统的主要作用是实现对整个试验过程的远程控制，其功能包括：反应釜舱门的开启和关闭、储粉罐进气、粉尘扩散相关参数的设置、点火指令、对爆炸测试装置中的各项系统运行指征进行动态监测以及试验后反应釜内吹扫等。

3)数据采集系统主要包括反应釜内爆炸压力测试以及外场火焰发展测试模块。其中反应釜内爆炸压力主要通过LabVIEW虚拟仪器采集，压力传感器型号为奇石乐603CBA00070.0，该压力传感器可测最大压力为7 MPa，采样频率为20 kHz；使用高速摄像机FASTCAM SA-Z获取外场爆炸火焰演化过程，拍摄速度10 000 fps。虚拟仪器和高速摄像机的触发均通过电平信号控制。

本文试验所采用的泄爆片是由双层不锈钢薄板加工而成，中间几何泄压开口边缘预设门形线槽，并由点焊固定连接，夹层采用聚氯乙烯膜对线槽进行密封，保证安装泄爆片的测试装置具有较好密封性。所采用的2种矩形泄压开口的几何尺寸分别为410 mm×910 mm，410 mm×580 mm，静开启压力为0.01 MPa，误差为25%；试验粉尘是墨粉，并采用Mastersizer激光粒度分析仪3000对粉尘样品进行粒径测定，获得的粒度分布情况如图2所示，试验中墨粉的中位径为15.7 μm。测试粉尘浓度选为250，500 g/m3。喷粉分散压力为1 MPa，点火延迟时间为600 ms。

图2 粒径分布

2 结果及讨论

2.1 爆炸压力峰值变化规律

研究反应釜中受控爆炸压力有必要先掌握封闭空间内墨粉爆炸的压力变化情况，以便为不同条件下的爆炸泄压机制提供参照。试验获得的封闭腔体中2种浓度墨粉爆炸压力随时间变化曲线如图3所示，250，500 g/m3墨粉的爆炸压力峰值分别为0.641,0.793 MPa，主要原因在于500 g/m3墨粉在反应釜分散形成的粉尘云燃料与反应釜中的氧化剂比250 g/m3墨粉条件下更接近化学反应当量比浓度，反应速率较大，内能向环境转化的能量更多。从图3中也可发现，墨粉的爆炸压力变化曲线均为陡升缓降，这是由于墨粉爆炸波与波前未扰动区域存在压力阶跃关系，此外，腔体内火焰由绝热燃烧向非绝热燃烧过度后，反应生成的热量在壁面散失[10]，导致爆炸压力下降的趋势缓和。

图3 封闭空间爆炸压力曲线

针对不同开口尺寸和墨粉浓度爆炸泄压试验的压力曲线如图4所示。4种工况条件下的压力演化历史相近，先上升后下降，较封闭腔体中压力曲线的墨粉爆炸压力峰值下降，表明泄爆技术能够对墨粉爆炸的危害性进行有效削减。当开口尺寸为410 mm×580 mm时，低墨粉浓度工况的最大受控爆炸压力为0.306 MPa，高墨粉浓度工况的最大受控爆炸压力为0.254 MPa；当泄爆开口尺寸增大时，低墨粉浓度工况的最大受控爆炸压力为0.267 MPa，而随着墨粉浓度增加，最大受控爆炸压力为0.231 MPa。从以上结果可知，增加泄爆开口几何尺寸可有效降低受控爆炸压力的峰值，提升泄爆效率。

如图4所示，在压力上升的起始点附近出现较为微弱的上下波动是由声动火焰不稳定性造成的。在大尺度气体爆炸泄爆试验中，Van等[11]发现了声动火焰不稳定性造成的多峰压力演化过程。后来，Van等在粉尘爆炸泄压试验中也发现了相同的现象，这种不稳定主要是由火焰热波动及其相关的压力震荡与反应釜之间的声模态耦合产生，当热波动和压力波震荡同步时会产生1个正向反馈，即当声波传播至火焰锋面时，会将火焰推向密度更大的未燃区域，火焰表面变得不稳定，燃烧速率增加，此时声波被反射向密度较小的燃烧区域，使该区域火焰形态趋于平滑，降低该区域热释放率[12]。本试验中出现的多段压力波动也证明了声动火焰的不稳定性对粉尘泄爆试验压力波动的影响。墨粉被点燃后，火焰传播且未触及到反应釜壁面的过程相当于定容燃烧，反应釜中压力的上升幅度较为稳定。当燃烧产生的压力略大于泄爆片静开启压力时泄爆片开启。此时反应釜内湍流强度增强，湍流动能增加，此时反应釜内压力小幅度波动直至火焰发展和气流流动到泄爆口处，此后压力再次上升至腔体内压力达到静开启压力的25倍左右。由于试验所用反应釜相对较小，声波和燃烧波耦合时间短，所以压力波动段的时间间隔较短。

图4 受控爆炸压力曲线

2.2 外场火焰传播及演化过程

泄爆口开口尺寸为410 mm×580 mm的低墨粉浓度外场火焰传播演化过程如图5所示，记录时间跨度为400 ms。从图5中可以看出，墨粉爆炸泄压试验中外场火焰发展具有4个典型阶段：首先，被点燃的墨粉在反应釜中产生的压力波使大量未燃墨粉从泄爆口喷射出来，其初期分散形态受泄爆片开启动作的影响近扇形，如图5(a)所示；随后，从反应釜泄爆口逃逸出的火焰二次点燃了分散在外场的粉尘云，如图5(b)所示，形成近球状火焰团，如图5(c)～(d)所示，此时外场大尺度的火焰更易卷吸外界空气，进而加快火焰传播速度[13]；在压力波向泄爆口方向传播的作用下，轴向流场和温度场的急速变化导致火焰形态进一步发生改变,如图5(e)所示，泄爆外场火焰团演化为主火焰团和次火焰团2部分：当轴向流场流速变大时，流体流线彼此靠近，这使球状火焰变窄，轴向火焰中墨粉的浓度梯度增大，逐渐发展成形似射流火焰的主火焰团；由于次火焰团不再获得墨粉的连续补充，随着燃烧的消耗，逐渐消亡，如图5(f)～(g)所示;随着外场逃逸粉尘云的持续燃烧，火焰中可燃物浓度下降以及热辐射造成火焰热量损失，且火焰前端未燃墨粉的补充减弱，甚至消失，从而导致火焰亮度变暗、长度衰减，火焰下游出现明显异相反应形成的“火星”，如图5(k)～(l)所示，最后外场火焰彻底熄灭。

图5 外场火焰演化过程(410 mm×580 mm;250 g/m3)

泄爆开口尺寸为410 mm×910 mm的高墨粉浓度外场火焰传播演化过程如图6所示，火焰形态变化过程与低浓度条件下的泄爆火焰相似，但由于较高浓度的墨粉随着泄爆口开启发生逃逸，外场火焰尺度更大、亮度更高。值得注意的是，外场球状火焰形成后,如图6(c)所示，并未直接发展为射流火焰，而是在火焰锋面轴向凸起，继而演变成更大的球状火焰，如图6(d)～(f)所示，这是因为球状火焰形成早期，仍处于相对贫氧的燃烧状态，在火焰阵面不稳定性的驱动下，开始朝富氧区域拉伸扩散，促使更多氧化剂参与反应，再次形成球状火焰，更大尺度的“火球”的形成标志着此工况外场火焰燃烧速度更快[14]。结合图4可知，当泄爆片开启前，封闭容器内500 g/m3的墨粉具有更快的压力上升速率，导致在泄爆片开启时通过的流体的诱导湍流强度较大，进而强化外场流动与燃烧的相互作用，提高了反应釜可燃粉尘向外场逃逸扩散速率和外场火焰的燃烧速度，反应釜内残余的较少可燃粉尘燃烧释放的总能量降低，在反应釜系统内能转化释放的能量和通过泄爆释放的能量的动态竞争过程中，对后期受控爆炸压力的提升效应不足。

图6 外场火焰演化过程(410 mm×910 mm;500 g/m3)

2.3 泄爆片惯性对于爆炸泄压的影响

在火焰从封闭空间传播至开放空间后，其2侧形成的涡流可以带动可燃粉尘运动，促成球状火焰的形成[14-15]。在本文前2节中证明球状火焰正是加速外场火焰燃烧速度、促进腔内爆炸泄压的表征形态。泄爆片开启并不是1个瞬时动作，而经历膨胀—半开启—完全开启3个阶段，对逃逸粉尘和火焰具有动态导向的效应，因此，在研究爆炸泄压过程中，有必要考虑泄爆片的惯性所产生的影响。EN 14491中提到[16]面密度大于0.5 kg/m2的爆炸泄压装置开始泄压时会有较大的惯性力，NFPA 68中给出计算无惯性面密度的临界值公式[17]。在文中大小尺寸泄爆片的面密度分别为6.4，7.15 kg/m2，均高于标准中规定的可忽视惯性影响的临界值。为了研究泄爆片的惯性对墨粉爆炸泄压的影响，本文采用单层牛皮纸作为开口尺寸分别为410 mm×580 mm，410 mm×910 mm的无惯性参照物，开展墨粉浓度为250 g/m3的泄爆试验，结果如图7所示。图7中虚线和实线曲线分别为大小2种尺寸无惯性参照泄爆片的测试结果，可以看出当泄爆片的惯性影响较小时，2种泄爆开口尺寸的受控爆炸压力峰值接近；与点横线表示的泄爆片测得的最大受控爆炸压力相比，大开口尺寸的最大受控爆炸压力峰值下降明显，然而，小开口尺寸的最大受控爆炸压力峰值相差较小，且在无惯性参照泄爆片条件下的最大受控爆炸压力峰值略大，这是由于牛皮纸参照泄爆片的静开启压力远大于泄爆片，短暂延缓了反应釜通过泄爆口向外界环境释放的内部能量的释放速率。

图7 无惯性泄爆片受控爆炸压力曲线

从以上结果可知，惯性作用的增强可以改变爆炸泄压时流动与燃烧的交互过程，明显地降低爆炸泄压效率。如果在工程应用中忽视泄爆片惯性的影响，那么对容器进行风险评估时，受控爆炸压力实际值大于评估值，会放大系统中存在的安全隐患。目前，泄爆片的设计主要基于EN 14491和NFPA 68[16-17]，泄爆片设计面积计算方法如式(1) ～ (2)所示：

(1)

(2)

式中：Pmax为粉尘最大爆炸压力，MPa；Kst为爆炸指数，MPa；Pstat为静开启压力，MPa；Pred为最大受控爆炸压力，MPa；V为容器体积，m3。

Yan等[18]研究发现：随着受控爆炸压力增加，依据公式(1)～(2)计算获得的泄爆口面积的下降，2种标准在高Pred(≥0.2 MPa)时的计算结果差距更明显，该研究认为此误差是公式(1)～(2)在拟合过程中对于升高静开启压力的影响的算法上存在巨大差异造成的。由于泄爆片的惯性的作用效果随着开口尺寸的减小而增大，文献[18]中开口尺寸的估算值随着Pred增加，下降速度放缓的现象也说明EN 14491和NFPA 68对开口尺寸的计算公式包含一定的惯性的作用。为了进一步研究惯性对于工业应用中的影响，本文将试验中泄爆片开口尺寸与面密度关系拟合幂函数如式(3)所示：

(3)

式中：ρinertia为面密度，kg/m2。

将式(1)～(2)带入式(3)中,结果如图8所示。可以看出，面密度随着Pred增加而增加；同Pred下，根据EN 14491计算所得的面密度大于NFPA 68的计算值，且该值随着静开启压力的增加出现较大增幅，这进一步说明静开启压力为变量时，EN 14491开口尺寸的计算值存在不稳定性导致面密度的波动范围较大。与适用于St 1粉尘的计算结果相比较而言，这种误差在适用于St 2粉尘的爆炸泄压装置的设计中会被放大，甚至会影响其适用范围，在正常生产过程中种下安全隐患。

图8 EN 14491和NFPA 68的经验公式对惯性的敏感度分析

3 结论

1)低墨粉浓度条件下最大受控爆炸压力大于高浓度的工况，这与封闭空间爆炸试验的压力峰值规律相反；开口尺寸越大，最大受控爆炸压力越小；产生上述现象主要是由于声动火焰的不稳定性造成的。

2)外场火焰形态的变化经历压力波带出墨粉—外场球状火焰形成—外场射流火焰形成—火焰衰减熄灭4个阶段，而较高浓度的墨粉会促使球状火焰面拉伸形成二次球状火焰，外场火焰的剧烈燃烧加速了反应釜中压力的泄放。

3)泄爆片的惯性力会降低爆炸泄压的泄压效率，EN 14491和NFPA 68对开口尺寸进行计算体现惯性的影响，但是在不同的静开启压力下EN 14491的计算结果受惯性影响的变化幅度更大。这说明泄爆片的设计仍需要进行大量不同工况的试验来对2种标准的经验公式进行校正。