如何有效抑制爆轟是研究管道阻火器的首要問題

在石油工業中，阻火器廣泛應用于石油及石油產品的儲罐上和輸送石油氣體的管線上。當儲存輕質石油產品的油罐遇到外界明火或雷擊火花時，就有可能引起燃燒或發生爆炸，為防止此危險應安裝阻火器。阻火器常用于輸送易燃氣體的管道上，假若管道上的易燃氣體被引燃，氣體火焰就可能傳播到整個管網，為了避免，也應采用阻火器。阻火器的作用就是試圖在火焰發生發展的初期就能抑制火焰的傳播，或者即使發生爆轟，利用阻火器也能有效抑制。

作為阻爆抑爆的關鍵部件，阻火器一旦失效，會造成大量的人員傷亡和嚴重的財產損失。但國內外學者相關報道相對較少，而且，針對管道阻火器內的爆轟情況，由于較為復雜，相關的研究成果更少。

Cubbage采用城市煤氣—空氣的預混氣體對波紋型阻火器進行阻爆轟實驗結果顯示，在波紋的高度足夠小，阻火單元厚度足夠薄的情況下，可發生淬熄現象，且阻火器沒有產生機械損傷。Cubbage指出，當阻火單元包含在外殼內，且外殼尺寸相對于管道尺寸呈擴張趨勢時，殼體會使爆轟火焰速度降低，其實驗結果同樣適用于其他燃料—空氣的預混氣體。

Maas等采用城市煤氣—空氣、甲烷—空氣的預混氣體，在D=50 mm、L= 42m的管道中進行了阻爆轟實驗研究。測試時，氣體分別處于靜止、流動狀態。點火裝置分別安裝在阻火器上下游。結果顯示，在當時的測試條件下，阻火器可以阻擋強烈的爆轟，但受條件限制并沒有測量準確的數據如火焰傳播速度。

Kersten等建立了透明實驗裝置并在其中放置阻火器，對歐洲阻火器新標準進行了研究，并采用高速攝像機拍攝了爆燃火焰、DDT過程以及爆轟火焰在阻火器內傳播的圖像。在實驗中觀察到火焰傳播現象可分為兩種：(1)間接火焰傳播，即火焰先在阻火單元內淬熄，然后被反應組分或者燃燒氣體重新點燃；(2)直接火焰傳播，即在相同條件下，火焰直接傳播到被保護側。爆轟實驗采用乙烯—空氣預混氣體，阻火器安裝在管道末端。實驗現象表明，由于入射激波和反射激波疊加產生的加熱氣體，使其點火側的燃燒亮度明顯增加。在強爆燃實驗中，火焰穿透阻火器時伴隨球形鋒面和強光亮。實驗結果顯示，在爆燃轉爆轟的過程中，爆炸超壓值和火焰傳播速度都有顯著提升，對火焰的直接觀察能夠為優化阻火器提供依據。

可以看出，雖然相關學者取得了一定的進展，但總體來說還遠遠不夠，主要有兩方面原因：一方面，由于受到實驗設備造價高、實驗參數控制困難、實驗測量的精度和可靠性不高以及實驗過程監測困難等諸多因素的影響，對管道阻火器內爆轟火焰傳播現象的實驗研究還不夠完善，即使是同樣的實驗條件，不同文獻中的實驗結果也相差很大；另一方面，經檢驗合格的阻火器在實際使用中還是會發生阻火失效，以致產生爆轟現象等重大爆炸事故，這說明對爆轟火焰在管道阻火器內的傳播規律的研究在系統性和深入程度及爆轟阻火器的設計與選型方面還存在一些欠缺。

相對爆燃來講，人們對爆轟波的認知要遲得多。爆轟強大的破壞能力遠遠超過了人們對爆燃波的把握與理解，也因此引起眾多學者的研究興趣，尤其是如何有效抑制爆轟，是所有研究爆燃和爆轟首先需要面對的問題。因此，本文基于高精度的阻爆轟實驗系統，開展了爆轟火焰在管道阻火器內傳播過程的實驗研究。主要分析丙烷—空氣、乙烯—空氣、氫氣—空氣預混氣體爆轟火焰在不同規格的管道阻火器內的傳播與淬熄的規律。充分考慮可燃氣體組分、管道幾何尺寸、管道壁面粗糙度等多因素耦合的影響，研究預混火焰在管道阻火器內的傳播特性，如火焰傳播速度、爆炸壓力等參量的變化規律，對阻火器抑制爆轟的實驗現象進行初步的探討。同時本文利用經典的傳熱學理論并結合大量實驗數據，推導出了阻火單元厚度與爆轟火焰速度之間的關系，提出了丙烷—空氣、乙烯—空氣、氫氣—空氣預混氣體爆轟條件下的安全阻火速度的計算公式，為工業裝置阻火器的設計和選型提供更為準確的參考依據。