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在工业生产过程中,储存各种可燃气体的容器、装置往往通过管道互相连接形成连通容器,连通容器及其附件可能处于常压或非常压状态。当某一容器内气体遇点火源,爆燃火焰和压力波就会通过管道传播,在喷射火焰和压力累积效应的共同作用下,连通容器易导致比单容器更加危险的爆炸。泄爆是连通容器主要的气体防爆方法之一,但如果防爆设计不合理,可能会导致泄爆失效,从而发生意外事故。因此,开展容器与管道气体泄爆的影响因素研究,对于预防连通容器气体爆炸防护,指导连通容器气体泄爆安全设计,均具有重要的现实意义和工程实用价值。 通过组建气体泄爆实验装置及其测试系统,以甲烷—空气预混气体为介质,针对容器与管道气体泄爆的影响因素开展实验研究。研究发现,泄爆面积、泄爆位置和初始压力对气体泄爆均具有较大影响。 泄爆面积对球形容器泄爆的影响:(1)有约束泄爆时,破膜压力保持不变,随着无量纲泄压比的减小,球形容器的最大泄爆压力和压力上升速率均增加;无量纲泄压比大于一定值时为平衡泄爆,否则为非平衡泄爆;(2)有约束泄爆时,当无量纲泄压比大于0.009而小于0.025时,泄爆有着明显的效果,泄压是完全有效的;当无量纲泄压比大于0.00169而小于0.009时,最大泄爆压力与密闭爆炸压力接近,泄爆效果较差;当无量纲泄压比小于0.00169时,最大泄爆压力略大于密闭条件下的爆炸压力;(3)无约束泄爆时,不同泄压比条件下球形容器的最大泄爆压力均低于密闭状态下的爆炸压力。之所以出现最大泄爆压力大于密闭爆炸压力的现象,主要是由于湍流效应引起的。随着泄压比的减小,更多的气体在更短的时间内参与燃烧形成更强烈的冲击波压缩着未燃气体,未燃气体燃烧后会产生更强烈的冲击波压缩剩余的未燃气体,使得湍流效应加强,燃烧加速,冲击波加强,从而提高了容器内最大泄爆压力及压力上升速率,泄爆压力甚至超过密闭条件下的最高压力。因此,工业容器应该设置合理的泄压比,否则可能起不到安全泄压的作用,甚至会产生较高的爆炸强度。 泄爆位置对容器与管道泄爆的影响:对于单一球形容器,侧面泄爆的最大泄爆压力与顶部泄爆时的最大泄爆压力相差不大。球形容器体积越大,其最大泄爆压力越大。对于球形容器与管道组成的连通容器,侧面泄爆时起爆容器内最大泄爆压力大于顶部泄爆时起爆容器内最大泄爆压力;泄爆过程中,由于容器与管道的长径比的改变,起爆容器内最大泄爆压力与管道内最大泄爆压力均发生了变化。对于小球—管道—大球组成的连通容器,起爆容器的最大泄爆压力小于传爆容器的最大泄爆压力;连通容器单口泄爆时,靠近泄爆口的容器的爆炸压力比远离泄爆口的容器的爆炸压力下降的大;起爆容器与传爆容器的最大泄爆压力均不同程度的小于相对应的连通容器密闭爆炸压力,说明此时泄爆是有效的。泄爆位置的变化会引起气体爆炸火焰和爆炸波传播方向,以及气体泄放速率,从而影响容器内气体爆炸压力和压力上升速率。因此,对于工业容器,应根据具体情况设置合理的泄爆位置,有效降低容器气体爆炸强度。该项研究结论可为工业容器泄爆安全设计提供依据。 初始压力对容器与管道泄爆的影响:(1)对于形状规则的单球形容器或球形容器与管道连接组成的连通容器,不管是密闭爆炸还是泄爆,球形容器内最大爆炸压力均随初始压力的增大而增大,并与初始压力成近似的线性关系;(2)单球形容器密闭爆炸时,其爆炸压力与初始压力的线性关系更加明显;并且此线性关系不因容器尺寸的改变而改变;(3)对于大、小球通过管道组成的连通容器,不管是密闭爆炸还是泄爆,起爆容器的压力始终小于传爆容器,但压力差因泄爆方式、点火方式不同有较大差别;随着初始压力的增大,由于管道火焰加速的作用,导致起爆容器与传爆容器间的压力差逐渐增大,但两个球形容器内的最大爆炸压力与初始压力仍成近似的线性关系。随着初始压力的增大,气体分子密度增大,分子之间的距离缩小,爆炸时活化分子发生反应的几率也增大,导致爆炸压力增大的现象更加明显。因此,无论是单一容器还是连通容器,控制容器初始压力是减少容器爆炸压力的主要途径之一。