方形管道中可燃性气体爆炸特性研究

摘要

随着国家能源结构转变和战略性调整，未来将主要发展以石油液化气和天然气为主的能源。然而在输送、贮存和使用过程中，由于不慎发生泄漏就会与空气形成可燃性气体，达到一定浓度的爆炸极限，一旦遇见火源就会发生严重的气体燃爆危险。研究可燃性气体的爆炸特性与火焰传播规律有助于进行火焰分析，减少灾害发生，降低事故严重程度。
　　本文查阅了国内外关于气体爆炸与火焰传播的相关文献与压力容器设计手册，研究其产生机理与爆炸特点，自行设计并搭建一套研究可燃性气体火焰传播规律的方形管道装置。管道总长为570mm，外径为120mm，内径为80mm，前后面采用石英玻璃，可以清晰的观察火焰传播的过程，其厚度为15mm，其他面均采用型号为TP304不锈钢材质，厚度为20mm，并通过火焰传感器，高频动态压力传感器，微细温度热电偶，数据采集装置与高速摄像机等来记录采集数据，并完成整个主体装置与附加装置的设计、加工、安装、调试工作。实验中选用甲烷气体，对甲烷空气混合气体传播过程中的爆炸压力，爆炸极限，火焰的传播速度与火焰燃烧锋面结构等参数进行了展开研究，具有重要的工业生产指导作用。
　　通过对甲烷空气混合气体在管道中爆炸过程研究，验证了设备的可靠性，可以得到以下的结论：
　　(1)对甲烷空气混合气体的爆炸极限进行了实验研究，在本文实验条件下甲烷爆炸极限范围为5％-14.5%；
　　(2)测试6%，8%，10%，12%，14%五组浓度的甲烷气体来测试其最大的爆炸压力，分别为0.128MPa，0.138MPa，0.169MPa，0.134MPa，0.124MPa，发现在10%接近当量浓度的时候爆炸压力最大，爆炸压力随着甲烷浓度的升高，呈现先升高后降低的趋势。
　　(3)分别在富氧(5.5%)，当量浓度(9.5%)，贫氧浓度(14.1%)的条件下测试了火焰传播速度与浓度之间的关系，清晰记录了火焰在从点火到消失时刻，在封闭管道中的整个传播过程以及结构的变化。在此过程中，火焰阵面结构会发生明显变化，即在火焰发展后期形成了特殊的郁金香火焰结构。根据火焰传感器时间差计算出三种浓度下器V1=7.5m/s，V2=14.1m/s，V3=10.2m/s。
　　(4)研究了不同的泄压强度对火焰传播的影响，证明当封闭材料较厚(0.352mm)时比封闭条件较薄(0.2mm)时会产生较大的反作用力，对未燃烧区有向左的推力，增大了反应物的浓度，促进燃烧的进行，对火焰波形产生扰动，产生明显的火焰。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

2 管道中可燃气体的燃烧爆炸理论

2.1 可燃气体爆炸的基础理论

2.2 可燃气体的热爆炸理论

2.3 可燃气体链式反应理论

2.4 火焰的传播与加速机理

2.5 本章小结

3 方形管道实验系统设计与建立

3.1 材料的选取

3.2 主体结构设计

3.3 附加装置设计

3.4 主体整体结构的实物图

3.5 本章小结

4 实验部分

4.1 调试与校核实验

4.2 测试甲烷气体的爆炸极限

4.3 甲烷浓度对最大爆炸压力的影响

4.4 管道火焰传播规律的研究

4.5 不同的泄压强度对火焰传播的影响

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 不足与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢