如何有效抑制爆轰是研究管道阻火器的首要问题

在石油工业中，阻火器广泛应用于石油及石油产品的储罐上和输送石油气体的管线上。当储存轻质石油产品的油罐遇到外界明火或雷击火花时，就有可能引起燃烧或发生爆炸，为防止此危险应安装阻火器。阻火器常用于输送易燃气体的管道上，假若管道上的易燃气体被引燃，气体火焰就可能传播到整个管网，为了避免，也应采用阻火器。阻火器的作用就是试图在火焰发生发展的初期就能抑制火焰的传播，或者即使发生爆轰，利用阻火器也能有效抑制。

作为阻爆抑爆的关键部件，阻火器一旦失效，会造成大量的人员伤亡和严重的财产损失。但国内外学者相关报道相对较少，而且，针对管道阻火器内的爆轰情况，由于较为复杂，相关的研究成果更少。

Cubbage采用城市煤气—空气的预混气体对波纹型阻火器进行阻爆轰实验结果显示，在波纹的高度足够小，阻火单元厚度足够薄的情况下，可发生淬熄现象，且阻火器没有产生机械损伤。Cubbage指出，当阻火单元包含在外壳内，且外壳尺寸相对于管道尺寸呈扩张趋势时，壳体会使爆轰火焰速度降低，其实验结果同样适用于其他燃料—空气的预混气体。

Maas等采用城市煤气—空气、甲烷—空气的预混气体，在D=50 mm、L= 42m的管道中进行了阻爆轰实验研究。测试时，气体分别处于静止、流动状态。点火装置分别安装在阻火器上下游。结果显示，在当时的测试条件下，阻火器可以阻挡强烈的爆轰，但受条件限制并没有测量准确的数据如火焰传播速度。

Kersten等建立了透明实验装置并在其中放置阻火器，对欧洲阻火器新标准进行了研究，并采用高速摄像机拍摄了爆燃火焰、DDT过程以及爆轰火焰在阻火器内传播的图像。在实验中观察到火焰传播现象可分为两种：(1)间接火焰传播，即火焰先在阻火单元内淬熄，然后被反应组分或者燃烧气体重新点燃；(2)直接火焰传播，即在相同条件下，火焰直接传播到被保护侧。爆轰实验采用乙烯—空气预混气体，阻火器安装在管道末端。实验现象表明，由于入射激波和反射激波叠加产生的加热气体，使其点火侧的燃烧亮度明显增加。在强爆燃实验中，火焰穿透阻火器时伴随球形锋面和强光亮。实验结果显示，在爆燃转爆轰的过程中，爆炸超压值和火焰传播速度都有显著提升，对火焰的直接观察能够为优化阻火器提供依据。

可以看出，虽然相关学者取得了一定的进展，但总体来说还远远不够，主要有两方面原因：一方面，由于受到实验设备造价高、实验参数控制困难、实验测量的精度和可靠性不高以及实验过程监测困难等诸多因素的影响，对管道阻火器内爆轰火焰传播现象的实验研究还不够完善，即使是同样的实验条件，不同文献中的实验结果也相差很大；另一方面，经检验合格的阻火器在实际使用中还是会发生阻火失效，以致产生爆轰现象等重大爆炸事故，这说明对爆轰火焰在管道阻火器内的传播规律的研究在系统性和深入程度及爆轰阻火器的设计与选型方面还存在一些欠缺。

相对爆燃来讲，人们对爆轰波的认知要迟得多。爆轰强大的破坏能力远远超过了人们对爆燃波的把握与理解，也因此引起众多学者的研究兴趣，尤其是如何有效抑制爆轰，是所有研究爆燃和爆轰首先需要面对的问题。因此，本文基于高精度的阻爆轰实验系统，开展了爆轰火焰在管道阻火器内传播过程的实验研究。主要分析丙烷—空气、乙烯—空气、氢气—空气预混气体爆轰火焰在不同规格的管道阻火器内的传播与淬熄的规律。充分考虑可燃气体组分、管道几何尺寸、管道壁面粗糙度等多因素耦合的影响，研究预混火焰在管道阻火器内的传播特性，如火焰传播速度、爆炸压力等参量的变化规律，对阻火器抑制爆轰的实验现象进行初步的探讨。同时本文利用经典的传热学理论并结合大量实验数据，推导出了阻火单元厚度与爆轰火焰速度之间的关系，提出了丙烷—空气、乙烯—空气、氢气—空气预混气体爆轰条件下的安全阻火速度的计算公式，为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。