管道內多層金屬絲網對預混可燃氣體爆炸火焰傳播的影響

張巨峰，武 元，楊運堯，梁建軍，李 倩，李海龍

（1．靖遠煤業集團有限責任公司魏家地礦，甘肅白銀730913；2．大同煤礦集團王坪煤電有限責任公司，山西懷仁037600；3．中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京100083）

近年來,隨著礦井開采深度和強度的不斷加大,引發的瓦斯爆炸事故時有發生,又由于瓦斯爆炸往往會引起二次爆炸,給礦工的生命和財產帶起巨大損失,因此研究預混可燃氣體爆炸火焰傳播顯得十分重要。

目前,國內外學者對可燃氣體爆炸火焰的傳播進行了大量研究,賈真真,林柏泉[1]基于瓦斯爆炸機理,對管內瓦斯爆炸傳播影響因素和火焰加速機理進行了分析,得出了管內瓦斯爆炸傳播影響因素和火焰加速機理；楊藝,何學秋[2-3]對瓦斯爆炸火焰細微結構和火焰傳播機理進行了分析研究；喻健良[4-7]等通過實驗研究了多孔壓縮材料以及金屬絲網對爆炸的影響；Ravy[8]進行了金屬絲網抑制爆炸火焰的實驗,得知金屬絲網可以使火焰淬熄；Dupre利用襯在實驗管道壁的多孔壓縮材料進行了抑爆實驗,得出多孔材料可以吸收橫波；Fairweather等[9]在半封閉管道內對甲烷/空氣混合氣體進行了爆炸實驗,得到了爆炸過程中火焰位置、形狀以及產生的超壓值?；谇叭藢扇細怏w爆炸火焰的傳播規律,以及抑制規律的研究,本文從實驗和理論上研究多層金屬絲網抑制預混可燃氣體爆炸火焰的傳播。

1 實驗系統及材料

1.1 實驗系統

實驗管道為內斷面為200 mm×200 mm的方管,總長為18 m。整個管道用厚為10 mm的20 g鋼板焊制,耐壓15 MPa以上。為了捕捉火焰傳播的整個過程,利用美國RedLake公司生產的高速攝影機在管道全斷面的觀測視窗進行全程拍攝。實驗中所用的實驗管道見圖1。主要由爆炸實驗管道、點火配氣裝置系統、高速攝影系統等三個部分組成,管道視窗尺寸為250 mm,見圖2。

圖1 爆炸實驗管道

圖2 管道視窗

1.2 實驗材料

實驗通過不銹鋼金屬架（如圖3所示）內嵌在多層金屬絲網（如圖4所示）之間，來固定和支撐多層金屬絲網，以求達到良好的抑爆效果。選用10目3層的多層金屬絲網進行實驗，這種金屬絲網具有耐高溫、透氣性良好、熱抗震性強等優良特性。

圖3 不銹鋼金屬架

圖4 多層金屬絲網

2 實驗方案及步驟

2.1 實驗方案

為了研究管道內瓦斯爆炸火焰傳播規律,實驗管道內充入9.5%的CH4/空氣預混氣體,前端點火,后端封閉,點燃管道內的預混可燃氣體,氣體燃燒爆炸火焰在管道內傳播,通過高速攝影機隨時在透明視窗拍攝火焰在管道內的整個傳播過程,對采集到的圖像進行火焰傳播過程的分析。

2.2 實驗步驟

實驗按如下步驟進行：①氣密性檢查;②檢查、調試各測量系統,使其處于正常工作狀態;③將爆炸管道抽真空,使之達到一定的真空度;④按照實驗要求的濃度,配置好爆炸混合氣體;⑤向管道中充入配置好的混合氣體,并使管道中的壓力達到期望值;⑥調試安裝好高速攝影儀,以便對火焰傳播的全過程進行拍攝;⑦利用高能點火裝置點火起爆;⑧記錄實驗結果,進行圖像處理分析。

3 實驗結果與分析

3.1 管道內未安置多孔金屬絲網的瓦斯爆炸火焰圖像及分析

在預設完全黑暗的狀態下,用高速攝影系統拍攝預混可燃氣體爆炸火焰的傳播過程。管道內充滿濃度為9.5%/空氣預混可燃氣體,高速攝影拍攝的照片見圖5,拍攝速度為1 000幀/s,照片分辨率為1024×768。前7幅圖像為每2幀圖像取1幅,8～20幅圖像為每8幀取1幅。

圖5 瓦斯爆炸火焰傳播的運動過程

由圖5可知,從3 ms時亮度微弱的火焰前鋒出現在視窗處,但是亮度較低；到7 ms時淡藍色的火焰前鋒在管道中心形成“金”狀火焰,火焰前鋒形狀隨著火焰亮度的增加而變得清晰；至9 ms時火焰前鋒幾乎全部穿過視窗,火焰中下部微現黃色,由視窗長度和火焰前鋒穿過視窗所需時間可知火焰前鋒傳播的平均速度約為62.5 m/s；11 ms時火焰依然正向向右傳播,而火焰右上角部分卻出現反向膨脹趨勢；13 ms時火焰整體反向傳播,火焰鋒面形狀已經無法辨識，可以看出此階段火焰明顯分層,中上部分顏色相對較暗；24 ms時火焰開始逐漸充滿視窗,且顏色分布不均勻；傳播至40 ms時火焰呈現出分布均勻的顏色；48 ms開始火焰亮度又逐漸降低,火焰速度也隨之變慢；至64 ms時而火焰又逐漸變亮,但傳播速度仍然很緩慢,火焰呈明顯的震蕩態勢；64 ms時火焰出現團狀分散的情況,火焰繼續反向傳播；80 ms時仍是團狀分散火焰,但傳播方向卻轉為正向;88 ms時團狀分散火焰的傳播方向又變為反向;隨后火焰傳播速度明顯變慢；至104 ms時火焰再次轉為正向傳播；隨后在112 ms時火焰又出現反向傳播?？梢?在整個傳播過程中,火焰傳播出現了多次振蕩。

結合圖5及分析可知,管道內預混可燃氣體爆炸過程中,火焰結構和火焰傳播速度都存在不穩定性?；鹧嬗勺畛醯膱A錐形,到比較圓滑,火焰前鋒部分結構也呈現出明暗相間的情況,究其原因是火焰內部各部分密度、能量的差異。在整個預混可燃氣體爆炸傳播過程中,火焰經歷了加速、減速,反向后再加速、減速不斷交替變化的不穩定傳播過程?；鹧嬷杏蔁崤蛎洰a生的力對各部分作用結果不盡相同,這是造成內部各組成部分傳播速度大小和方向差異的原因[6]。

3.2 管道內多孔金屬絲網對預混可燃氣體爆炸火焰的影響規律

圖6為距管道點火端10．335 m處安置多孔金屬絲網時，利用高速攝影機拍攝到的火焰在障礙物下運動的全過程，拍攝速度為2 000楨／s，圖片分別率為1 024 768像素。

圖6 瓦斯爆炸火焰在障礙物下的運動過程

由圖6可知，在3 ms時，微弱地出現了火焰；5 ms時，火焰變得稍清晰些，呈錐型狀態繼續前進；7 ms時，火焰前鋒有部分已經穿過金屬絲網結構，因受到多層金屬絲網的影響，火焰斷面明顯縮小，火焰前鋒變為暗黃色；10 ms時，整個火焰前鋒穿過了多孔金屬絲網，此時，可知火焰前鋒的速度約35 m／s，13 ms時，爆炸火焰已幾乎充滿金屬絲網右側；至17 ms時，火焰有了反向運動的趨勢；19 ms時，爆炸火焰反向運動，金屬絲網右側的火焰上面微暗，下面明亮；23 ms時，火焰反向運動差不多結束；27 ms時，火焰繼續正向傳播；在37 ms時，爆炸火焰最亮，充滿整個視窗；45 ms時，火焰又反向傳播，在金屬絲網右側上角出現了暗黃色；68 ms時，火焰反向運動即將結束，金屬絲網右側僅剩錐型黃色亮光；86 ms時，火焰向前運動幾乎結束，金屬絲右側沒有火焰傳播了；92 ms時，只剩下金屬絲表面燃燒。

爆炸火焰向前傳播遇到多層金屬絲網時，火焰速度和強度都明顯變小了，火焰反向運動時，與金屬絲網發生正面反射，穿過金屬絲網左側的難度變大，經過火焰與金屬絲網的來回反射碰撞，最后火焰消失在金屬絲網的左側，表明金屬絲網可以抑制較弱火焰的傳播。

管道內安置固定多層金屬絲網時，爆炸火焰穿過金屬絲網的速度約為35 m／s，明顯比管道內沒有抑爆材料時火焰的傳播速度（約62．5 m ／s）要小的多。多層金屬絲網能有效降低爆炸火焰的傳播速度，減弱火焰來回反復震蕩的幅度和強度，從而抑制爆炸火焰的繼續向前傳播。

4 多孔金屬絲網對瓦斯爆炸火焰傳播的影響分析

多孔金屬絲網結構的體積小、重量輕，且對爆炸火焰的淬熄性能好。當爆炸火焰遇到金屬絲網結構時，火焰被細分成很多股進入各個網孔。由于火焰與金屬絲網的溫度差很大，火焰與金屬絲網接觸后，就會出現溫差傳熱?；鹧娴牟糠譄崃總鹘o金屬絲，其溫度因熱量損失而降低，當溫度降低至其淬熄溫度之下就會發生火焰的淬熄。

金屬絲網網孔越小，金屬絲越粗，體積空間和開口率就越小，說明金屬的比例越大，火焰在金屬絲網內的流動空間就越小，爆炸火焰被絲網細分的程度就越大，與金屬的接觸面積就越大，對爆炸火焰的熱損失就越多，從而快速降溫到其淬熄溫度之下而發生淬熄，阻火性能就越好[7]。

10目3層多孔金屬絲網的強度可以達到3～50 MPa，體積小、重量輕、強度大的特性有利于進行瓦斯爆炸的抑制。另外，在爆炸高溫的條件下不會產生有害產物，且造價成本低，適合在煤礦現場推廣使用。

5 結論

1）管道內多層金屬絲網結構對預混可燃氣體爆炸火焰傳播具有較大的影響，在某種程度上可以完全抑制較弱火焰的傳播，減少和減弱火焰反復震蕩的次數和強度，起到淬熄火焰的作用。

2）實驗研究結果為煤礦阻隔爆技術研究提供了一種新的思路，為進一步開發煤礦瓦斯爆炸阻隔爆新技術，探索新的阻隔爆材料提供了實驗研究依據。

[1]賈真真,林柏泉.管道內瓦斯爆炸傳播影響因素及火焰加速機理分析[J].礦業工程研究,2009,24(1):57-62.

[2]Yang Yi,He Xueqiu.Fractal Characteristics of Flame Front Surface in Premixed Turbulent Methane/Air Combustion[A].Proceedings of theory and practice and energetic masteries[C]．Beijing：Science Press,2003:581-587．

[3]楊藝,何學秋,劉建章,等.瓦斯爆燃火焰內部流場分形特性研究[J].爆炸與沖擊,2004,24(1):30-35.

[4]喻健良,孟偉,王雅杰.多層絲網結構抑制管內氣體爆炸的試驗[J].天然氣工業,2005,25(6):116-118.

[5]宋占兵,丁信偉,喻健良.金屬絲網結構對開敞空間爆燃波抑制作用的實驗[J].天然氣工業,2004,24(8):108-110.

[6]喻健良,孟偉,王雅杰.評價多層絲網結構阻火性能的實驗研究[J].含能材料,2005,13(6):416-420.

[7]喻健良,蔡濤,李岳,等.絲網結構對爆炸氣體淬熄的試驗研究[J].燃燒科學與技術,2008,14(2):97-100.

[8]Edwards K L.Material and constructions used in devices to prevent the spread of flames in pipelines and vessels[J].Material and Design,1999,20:245-252.

[9]Fairweather M,Hargrave G K,Ibrahim S S,et al.Studies of premixed flame propagation in explosion tubes[J].Combustion and Flame,1999,116(4):504-518.