PVDF球形多孔材料的抑爆性能研究_丁清泉.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：丁清泉，袁必和，陈先锋，等 球形多孔材料的抑爆性能研究中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：球形多孔材料的抑爆性能研究丁清泉，袁必和 副教授，陈先锋教授，黄楚原副研究员，贺云龙，张玉铎（武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉）中图分类号：文献标志码：.资助项目：国家重点研发计划项目（）；湖北省重点研发计划项目（）；中央高校基本科研业务费资助项目（：）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：通信作者：袁必和（），男，安徽庐江人，博士，副教授，主要从事安全功能材料和防火防爆技术方面的研究。：。【摘 要】为分析聚偏氟乙烯（）球形多孔材料对管道内甲烷空气预混气体的抑爆性能，自主搭建气体爆炸测试平台，试验研究球形多孔材料填充密度及填充方式等因素对甲烷空气预混气体爆炸的影响机制。结果表明：与空爆相比，填充多孔材料后，管道内爆炸超压及最大爆炸超压上升速率均明显降低；对甲烷空气的抑制效果与材料的填充密度呈正相关，当填充密度为.时，球形多孔材料对爆炸超压的抑制率达到.，最大爆炸超压上升速率降低了.；改变材料的填充方式显著影响管道内的气体爆炸超压，采用分散填充的方式增强了多孔材料对最大爆炸超压的抑制作用，在填充密度（为.时）不变的情况下，对管道末端气体最大爆炸超压的抑制率达到。说明改变材料填充密度和填充方式均会影响多孔材料对甲烷空气预混气体爆炸的抑制效果。【关键词】聚偏氟乙烯（）；球形多孔材料；抑爆性能；爆炸超压；填充密度；填充方式 ，（，）：，.，.，.中国安全科学学报第卷年 ，.：（）；引 言 随着社会经济与城市建设的快速发展，人们对天然气的需求日益增加，但在使用、储存和运输的过程中极易造成火灾、爆炸事故，其中管道爆炸的灾害场景最为常见。如湖北十堰“”事故造成 人死亡；吉林长春“”燃气泄漏事故造成 人死亡，人受伤；江苏无锡“”事故造成 人死亡，人受伤。因此，研究抑制管道内可燃气体爆炸的防护技术具有重要的现实意义。多孔材料因其内部交纵复杂的结构，可分割火焰，增加热损失，实现火焰的淬熄效应；同时作为障碍物，可以反射传播来的爆炸波，用以衰减爆炸波。因此，多孔材料被广泛应用于阻隔抑爆领域。多孔材料按照其孔洞结构可划分为二维蜂窝结构和三维泡沫结构；根据其材质可划分为金属和非金属多孔材料。国内外学者通过数值模拟和试验研究等方法分析了多孔材料的阻隔抑爆性能，并研制出具有高性能的阻火防爆材料。例如：段玉龙等探究了不同孔隙度和厚度的多孔材料对甲烷空气预混气体爆炸的影响。宋先钊等研究了不同工况下网状铝合金材料对甲烷抑爆性能的影响，当材料填充密度为.时，其抑爆效果最佳。徐海顺等探究了铝镁合金泡沫材料对甲烷空气混合物爆炸的抑制效果，发现该材料对于火焰传播影响主要体现在湍流促进和冷却抑制 个方面，且随着填充密度的增加，冷却抑制效应逐渐占主导地位。等对比研究了 泡沫陶瓷和材料的阻火抑爆性能，发现前者对爆炸能量的抑制效果优于后者，孔隙较大的泡沫陶瓷对爆炸能量的抑制效果更佳。等比较了泡沫陶瓷与陶瓷球的火焰淬熄性能，发现在等效管道直径下球形材料的性能优于泡沫陶瓷。上述研究虽促进了多孔抑爆材料的发展，但传统金属多孔材料易氧化、陶瓷材料脆性大且无法精准控制孔径和形状，这些缺陷在一定程度上限制了多孔材料的防爆应用。鉴于此，笔者拟采用聚偏氟乙烯（，）球形多孔材料，利用自主搭建的气体爆炸测试平台，试验研究其对甲烷空气预混气体爆炸的抑制效果，以期为多孔材料在阻隔抑爆领域的应用提供试验依据。球形多孔材料抑爆试验.球形多孔材料 多孔小球是一种表面呈乳白色，结构坚韧的多孔材料，如图 所示。多孔小球内部纵横交错，形成多个小室，具有比表面积大及耐燃的特性。试验样品直径为 、体积比表面积约为 ，装填于距离点火端.处的激波管道中，在 点火能量的作用下引爆体积分数为.的甲烷空气预混气体。图 球形阻隔抑爆材料 .系统装置及流程 采用自主搭建的气体爆炸测试平台（图）测试 球形多孔材料的抑爆性能，该平台主要由配气、点火、爆炸测试管道以及数据采集等系统组成，通过采集管道内爆炸超压等参数，探讨甲烷空气预混气体爆炸传播特性。配气系统主要由真空泵、气瓶及配气仪等设备构成；点火系统由点火电极、触发开关及同步控制仪组成，同步控制仪控制点火电极（距离管道起始端.）的起爆时间（延迟.）和数据采集仪（采集频率为 ）进行数据采集；爆炸测试管道由 节长度为 、内径和外径分别为 和 的圆形管道及 节长为.、截面内边长为 的方形管道组成。方形管道由有机玻璃构成，第 期丁清泉等：球形多孔材料的抑爆性能研究主要用于观察材料在爆炸过程中是否被冲散，管道周围布有螺栓孔，用以安装精密检测仪器。管道尾部装有排气阀与外部大气连通，用以排除废气。分别在距点火端.和.处安装 个压力传感器以收集爆炸前后管道内压力变化数据。.试验方案 在点火能及配气比一定的条件下，爆炸超压变化、最大爆炸超压及最大爆炸超压上升速率等是衡量材料阻隔抑爆性能的重要参数。试验前，用铜线将材料随机串起，在管道连接处十字交叉固定 根钢丝，将铜线与钢丝交叉点连接，使材料在管道中的位置固定；依据图 连接试验装置，并在配气前后检查装置气密性。每组试验进行 次，若误差小于则认为数据是可靠的。）不同填充密度对最大爆炸超压等参数的影响。在号位置（距离点火段.处），分别填充密度为.、.和.的球形材料进行抑爆性能测试，通过压力传感器及数据采集仪记录压力数据。）不同填充方式对最大爆炸超压等参数的影响。进一步采用分散填充的方式，即在填充密度不变的前提下，在号位置及号位置（距离点火端 处）均填充材料，探究其阻隔抑爆性能。如在号和号位置的填充密度分别为.进行测试，并通过记录爆炸超压等参数与步骤）对应填充密度所得数据进行对比分析。图 气体爆炸测试平台 抑爆性能分析.填充密度对抑爆性能的影响 不同填充密度的球形多孔材料作用下的甲烷爆炸超压曲线如图 所示。与空爆时相比，填充多孔材料后最大爆炸超压明显降低。填充密度为.时，号和 号传感器测得的最大爆炸超压均为.，相比于空爆时所测最大爆炸超压，分别降低.和.。填充密度为.时，最大爆炸超压分别衰减了.和。继续增加填充密度至.时，最大爆炸超压分别衰减了.和.。随着填充密度的增加，球形多孔材料对于爆炸超压的抑制作用也在逐渐增加，说明球形多孔材料对爆炸超压的抑制效果与填充密度呈正相关。图 爆炸超压随填充密度的变化 由图 可知：不同填充密度的多孔材料对管道中最大爆炸超压及其上升速率均有明显的抑制作用，填充密度为.时，最大爆炸超压上升速率分别降低了.和.。与填充密度.相比，球形多孔材料对最大爆炸超压上升速率的抑制率提高了.和.；与填充密度为.相比，对最大爆炸超压上升速率的抑制率提高了.和.。表明填充密度为.时对管道的最大爆炸超压上升速率具有明显的抑制作用，而填充密度为.时，最大爆炸超压上升速率明显升高，这是因为多孔材料对管道气体爆炸具有吸波减震和障碍物加压的中国安全科学学报第卷年双重作用，且障碍物加压与填充密度呈正相关。因此，填充密度为.时，障碍物加压作用占主导地位，导致最大爆炸超压上升速率的增加。图 最大爆炸超压及其上升速率随填充密度的变化 图 分散填充下爆炸超压变化趋势 .不同填充方式的多孔材料对爆炸超压的影响 为提升 球形多孔材料的抑爆性能，拟采取分散填充的方式深入研究其抑爆性能，即在号和号位置均填充材料，进行阻隔抑爆性能测试。由图 和表 可知：填充密度.时，最大爆炸超压分别为.和.，相比于空爆，最大爆炸超压分别衰减了.和.。填充密度.时，最大爆炸超压分别为.和.，最大爆炸超压分别降低了.和。均填充.时，最大爆炸超压分别衰减了 和。结合表 可知：在填充密度不变的条件下，采用分散填充的方式可有效提高材料的阻隔抑爆性能。.非金属球形多孔材料的阻隔抑爆性能分析 管道中预混气体发生燃烧爆炸并不是分子间的直接反应，而是基于游离基的一种链锁反应，球形多孔材料具有高比表面积，增加了反应过程中链式自由基碰撞的概率，当自由基湮灭的速率高于产生的速率时，爆炸就会被抑制；球形多孔材料因其内部结构交纵复杂，可将管道内部分割成若干小室，将冲击波分割成若干小股，且材料骨架坚韧，弹性形变耗能大，对传播到内部的冲击波进行多次反射直至湮灭，从而达到阻隔抑爆的效果；通过采用分散填充的方式，对管道空间进行分割，火焰经过号位置后，障碍物形成的湍流气流造成燃烧气体的动量损失，从而削弱了爆燃超压，且火焰传播至号位置时，再次受到障碍物的扰动，出现变形，导致 个位置之间未燃气体剩余较多，使爆炸超压降低。表 不同填充方式对爆炸超压的抑制效果 填充密度（）分散填充 集中填充 号传感器 号传感器 号传感器 号传感器.表 不同填充方式对最大爆炸超压上升速率的影响 填充密度（）分散填充 集中填充 号传感器 号传感器 号传感器 号传感器.第 期丁清泉等：球形多孔材料的抑爆性能研究 结 论 ）球形多孔材料对甲烷空气预混气体爆炸具有明显的抑制作用，且对爆炸超压的抑制与填充密度成正相关，当填充密度为.时，球形多孔材料对爆炸超压的抑制率达到.，最大爆炸超压上升速率降低了.，抑爆效果显著。）在填充密度不变的条件下，分散填充可有效提升材料对预混气体爆炸的抑制性能；当填充密度为.时，对管道末端气体最大爆炸超压的抑制率达到，与集中填充方式相比，其对最大爆炸超压的抑制率提高了.。参 考 文 献袁必和，张玉铎，员亚龙，等 多孔聚丙烯复合材料的抑爆性能研究 中国安全科学学报，（）：，（）：湖北省十堰市张湾区艳湖社区集贸市场“”重大燃气爆炸事故调查报告 （）：“”长春居民楼燃气泄漏事故 （）：.长春居民楼燃气泄漏事故无锡市锡山区鹅湖镇双乐小吃店“”液化石油气爆炸较大事故调查报告 （）：孙绪绪，郭进，陆守香 柴油舱组集中透气管燃爆危险性及阻隔防爆技术 爆炸与冲击，（）：，（）：邢志祥，杜贞，欧红香，等 多孔非金属材料在阻隔防爆方面的研究进展 安全与环境工程，（）：，（）：邢志祥，杜贞，欧红香，等 新型多孔非金属材料阻火抑爆性能研究 中国安全科学学报，（）：，（）：段玉龙，王硕，贺森，等 多孔材料下气体爆炸转扩散燃烧的特性研究 爆炸与冲击，（）：，（）：宋先钊，解立峰，李斌，等 甲烷气氛条件下网状铝合金材料阻隔防爆性能研究 消防科学与技术，（）：，（）：徐海顺，高林杰，苏登 铝镁合金泡沫抑制甲烷空气混合物爆炸火焰传播 中国安全科学学报，（）：，（）：，（）：，（）：中国安全科学学报第卷年 ，：.徐阿猛，陈学习，贾进章 障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播的影响研究 中国安全科学学报，（）：，（）：王栋，谢立峰，韩志伟，等 非金属球形抑爆材料抗氧化能力和抑爆性能研究 中国安全科学学报，（）：，（）：，：尉存娟，谭迎新，张建忠，等不同间距障碍物下瓦斯爆炸特性的实验研究 中北大学学报：自然科学版，（）：，：，（）：，刘磊，宋双林，葛欢，等障碍物排列方式对甲烷 空气爆炸特性影响研究 能源与环保，（）：，（）：作者简介：丁清泉（），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向为防火防爆技术。：。