【论文精选】管廊天然气爆炸火焰传播特性的试验研究
【论文精选】管廊天然气爆炸火焰传播特性的试验研究
GAS-HEAT1978
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作 者： 邓成云，崔海龙，钟冬望，杨志龙，王燕红，何理，司剑峰
第一作者单位：中冶京诚工程技术有限公司
摘自《煤气与热力》2022年4月刊
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燃气管道
1 概述
近年来国内外学者在受限空间内可燃气体爆炸方面开展了一系列研究工作。王东武等人 ［ 1 ］ 通过试验研究了煤层气在巷道内的爆炸传播规律，分析了煤层气爆炸时达到最大爆轰压力的时空特征、火焰波及范围变化特征、煤层气爆炸火焰速度变化特征等规律，研究结果表明最大爆炸压力的峰值较大；最大爆炸压力呈现时间随与爆源的距离增大单调增加；煤层气量的增加不一定导致火焰传播距离变长，爆炸产生的火焰长度为煤层气积聚区长度的 3 ～ 6 倍，研究结论可为矿井煤层气事故的预防提供理论依据。 Barr ［ 2 ］ 通过实验研究了障碍物对火焰的加速作用，指出任意尺寸的障碍物都会引起火焰加速，使巷道内的压力迅速上升。 Lin ［ 3 ］ 创建了障碍物诱导冲击波及火焰波加速传播的数值模拟模型，得出不同开口类型的管道火焰超压的增长趋势并不相同的结论。潘尚昆等人 ［ 4 ］ 提出了 管道 内甲烷爆炸的能量方程，讨论了管道内壁热量传递、管道直径以及管道端口开闭等因素对煤层气爆炸后冲击波和火焰波传播的影响，并研究了火焰的传播规律。王大龙等人 ［ 5 ］ 主要研究了在密闭条件下燃气发生爆炸影响火焰传播的主要因素。气体产物的膨胀作用、特殊管径和特征尺寸以及火焰湍流因素等均有不同程度影响，建立了能反映矿井半封闭空间甲烷 - 空气混合气体发生爆燃的数值模拟模型。贾智伟等人 ［ 6 ］ 研究了管道内障碍物对丙烷 - 空气、甲烷 - 空气混合物在爆燃过程中的火焰速度与冲击波压力的影响，研究发现，在同样条件下，丙烷 - 空气和甲烷 - 空气混合物的爆炸冲击波压力存在较大差别。
对于管廊内可燃气体爆炸，试验研究是最基础可靠的方法，可以为理论研究提供基础数据，并且可通过真实的可燃气体爆炸试验最大程度地模拟真实情况，具有很大的现实工程意义 ［ 7-9 ］ 。笔者在室外空旷场地开展了管廊燃气爆炸的相似模型试验研究，通过无人机对燃气爆炸火焰传播全过程进行了摄像监测，研究得到了燃气爆炸火焰长度及传播速度随时间的变化规律，研究结果可为城市管廊公共安全防控及相关理论研究提供试验依据。
2 试验方案
2.1 试验模型
结合某城市管廊工程相关资料，综合考虑模型相似条件、试验可行性、爆破试验不可逆性及安全防护等因素，按照 1 ∶ 4 比例在武汉市建造了钢筋混凝土管廊模型（见图 1 ，图 1 中数据单位为 cm ）。该模型建造在地上，模型侧面堆土压实模拟埋在地下的工况，顶板上未覆土。 该模型除燃气舱与电力舱间隔墙厚 15 cm 外，其余墙壁均厚 20 cm 。在通行舱顶部设置 1 个 40 cm × 40 cm 的逃生通道，试验时加装 40 cm × 40 cm × 10 cm 的混凝土顶盖。在燃气舱顶部预留 1 个 40 cm × 40 cm 的泄压口，试验时加装 40 cm × 40 cm × 10 cm 的木质顶盖。在燃气舱顶部设置 2 个直径为 3 cm 的圆孔作为线缆转接孔。充气孔和检测孔的孔径均为 1 cm 。
图 1 管廊模型
模型建造完成后，使用沙袋堆积在模型两侧至一定高度，并回填土至模型顶部平齐，通过振动捣实机压实模型两侧回填土。模型轴向方向两端采用木板加玻璃胶密封作为舱门，并通过枪钉进行加固。管廊模型实物见图 2 。
图 2 管廊模型实物
2.2 燃气充装及起爆装置
借助天然气钢瓶及减压系统，通过充气孔向管廊内部充气，同时在 4 个检测孔各放置 1 个天然气浓度检测仪，实时监测并记录燃气舱内天然气的体积分数。当这 4 个天然气体积分数检测值的平均值达到天然气最佳爆炸体积分数范围（ 9 . 5% ～ 10 . 0% ）时，停止充气并静置 5 min 。再对此时的 4 个天然气体积分数检测值求平均值，如果平均值仍然在 9 . 5% ～ 10 . 0% 范围内，就立即使用木塞对检测孔和充气孔进行密封。试验采用武汉天然气有限公司提供的川气，组成为：甲烷体积分数为 93 . 5% ，乙烷体积分数为 3 . 3% ，丙烷体积分数为 0 . 5% ，其他碳氢化合物体积分数为 0 . 2% ，氮气和二氧化碳体积分数为 2 . 5% 。
管廊燃气起爆系统使用两套独立的电火花起爆系统，一用一备，位于管廊中间位置。分别将两组脚线通过 2 个线缆转接孔引出，待管廊充气完毕满足起爆要求后，接入两个起爆器。该方法操作简单方便，过程安全可靠。
2.3 无人机摄像监测系统
使用的无人机型号为大疆“悟 2 ”专业级无人机，搭载 4K 高清镜头。在每组试验起爆前，遥控无人机飞行至管廊正上方悬停，摄像机镜头呈俯视状态，确保拍摄画面包含整个火焰区域。为减小试验误差，每次试验摄像机录制参数相同。
3 燃气爆炸火焰传播的摄像结果
试验当天气温为 9 ℃，大气压为 102 kPa 。共进行了 4 次天然气爆炸试验，试验条件见表 1 。根据摄制的视频可以看出，燃气舱内的天然气被引爆后快速反应，产生的爆炸冲击波首先从管廊模型舱门处冲出，随后爆炸火焰波快速冲出。这是因为舱门是管廊模型的约束弱面，天然气爆炸瞬间产生的高强度冲击波最先冲破密闭模型的约束弱面。 4 组天然气爆炸试验结果见表 1 ，爆炸火焰监测结果见图 3 。
表 1 天然气爆炸试验条件和结果
图 3 天然气爆炸火焰监测结果
从表 1 可以看出，在试验条件基本相同的情况下，并非每次试验爆炸火焰都从两侧舱门冲出，原因可能是天然气在管廊内部并未与空气充分混合均匀，各次试验的爆炸反应程度与强度存在差异，或者是两侧封闭舱门的紧固程度有差异。
通过视频处理软件对每组试验的视频进行截取，保留天然气爆炸前和爆炸后火焰冲出全过程视频片段，再将截取的视频片段以相同的帧率，逐帧分解为图片， 4 组试验的视频文件处理结果见表 2 。对于每张图片中的爆炸火焰，以管廊两侧舱门为起点，以火焰最远像素点为终点，对火焰长度进行测量。将管廊模型图像尺寸与管廊模型尺寸之比作为比例尺，计算得出每张图片中爆炸火焰的实际长度。
表 2 4 组试验的视频文件处理结果
从试验获得的天然气爆炸火焰冲出舱门的历程图片，可清晰地看出爆炸火焰冲出舱门后的形态变化。天然气在燃烧爆炸过程中会产生大量气体产物，其较高的温度会使其呈现出急剧膨胀的状态，气体产物在发生膨胀的前期处于与冲击波协同运动的高速运动状态。冲击波在管廊两侧舱门上反射，与跟随而来的火焰峰面相遇并相互作用，使得未燃气体全部参与燃烧，不断放出热量，气体的温度、压力继续上升，体积不断膨胀，当管廊内部气体压力升高到一定程度时，舱门被冲开。爆炸冲击波冲出管廊后，随后的火焰波以球面波形态向外喷出，迅速充满舱门外的空旷区域。随着天然气的消耗，热量供给减少，气体的温度降低，膨胀的气体开始收缩。持续一段时间后，火焰逐渐变淡，直至消失。
4 火焰长度及火焰传播速度变化特征
4.1 火焰长度变化特征
通过视频文件处理方法得到 4 组管廊天然气爆炸火焰冲出管廊的历程图片，以出现爆炸火焰图片的前 1 张图片对应的时间为零时刻，以火焰消失的第 1 张图片对应的时间为结束时刻，得到天然气爆炸的火焰持续时间。对以上图片中的火焰长度进行测量，以管廊两侧舱门为起点，得到火焰在不同时刻的实际长度。表 3 为 4 组爆炸试验火焰持续时间和火焰最大长度，火焰最大长度可体现天然气爆炸反应程度与强度。
表 3 4 组爆炸试验火焰持续时间和火焰最大长度
从表 3 可以看出， 4 次试验中火焰持续时间和火焰最大长度有一定差异，火焰持续时间与最大长度未见明显对应关系。第 4 次试验的天然气爆炸反应程度与强度最高。
通过视频文件处理得到 4 次爆炸试验不同时刻火焰长度变化曲线，见图 4 。
图 4 4 次爆炸试验不同时刻火焰长度变化曲线
从图 4 可以看出，管廊内天然气爆炸，火焰冲出舱外后，在初期约 100 ms 时间内，火焰迅速向外传播，火焰长度达 1.25 ～ 1.75 m 。随后火焰长度随时间变化的速率逐渐趋于平缓，而后火焰长度随时间变化的速率保持相对稳定。
4.2 火焰传播速度变化特征
将出现爆炸火焰图片的前 1 张图片和所有含爆炸火焰的 m 张图片按时间顺序排列，出现爆炸火焰图片的前 1 张图片记为第 1 张图片。在每 2 张连续图片对应的时间段内，平均火焰传播速度用下式计算：
图 5 4 次爆炸试验不同时刻火焰传播速度变化曲线
从图 5 可以看出，天然气爆炸火焰冲出管廊舱门瞬间的火焰传播速度最大，可达到 15 ～ 22 m/s ，此后火焰传播速度呈逐渐减小趋势，最终趋近于 0 。分别对这 6 组火焰传播速度数据进行回归拟合， 6 组数据的拟合方程均为指数形式，且相关性较好，表明管廊内天然气爆炸火焰传播速度随时间近似成指数关系衰减。
5 结论
①管廊天然气爆炸火焰无人机航拍监测方法安全性高、可行性强，可清晰监测管廊天然气爆炸火焰传播过程及其变化特征。
②天然气爆炸火焰持续时间与火焰最大长度可体现管廊内混合气体的爆炸反应程度和强度。
③管廊内天然气爆炸火焰冲出舱外后，在初期约 100 ms 时间内，火焰迅速向外传播，火焰长度达 1.25 ～ 1.75 m 。随后火焰长度随时间变化的速率逐渐趋于平缓，而后火焰长度随时间变化的速率保持相对稳定。多次试验条件下，火焰最大长度的最大值为 2.38 m ，最小值为 1.80 m 。
④天然气爆炸火焰冲出管廊舱门瞬间的火焰传播速度最大，可达到 15 ～ 22 m/s ，此后火焰传播速度呈逐渐减小趋势，最终趋近于 0 。
⑤管廊内天然气爆炸火焰传播速度随时间近似成指数关系衰减。
参考文献：
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（本文责任编辑：林国真）
燃气爆炸荷载作用下综合管廊破坏历程研究
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