文档介绍：轻质气体泄漏扩散及其爆炸特性研究
黄郑华李建华
(河北廊坊武警学院 065000)
摘要鉴于轻质可燃气体与重质可燃气体在空气中扩散性质的差异,本文利用甲烷和氢气的泄漏扩散及其爆炸实验,探讨了轻质可燃气体的泄漏扩散行为及爆炸特性。
关键词可燃气体泄漏扩散火灾爆炸
石油化工企业火灾中,起因于泄漏的火灾、爆炸约占半数以上,同时泄漏也是造成中毒事故的最危险根源。
处理、储存或输送可燃物质的容器、机械和设备因某种原因破裂,就会造成可燃物质泄漏到大气中或进入有限空间内。当设备产生微小的裂纹,泄漏量很小时,泄漏气体会缓慢向空间扩散,而逐渐在地沟、窝风处蓄积,不易察觉。当破裂口较大或内压力大时,会呈现大量的泄漏或喷射状泄漏,多带有啸叫声,扩散速度极快,比空气轻的气体会在破口附近距离较近范围内上升,扩散到大气中;比空气重的气体或蒸气会随气流的流动沿地面扩散,特别是地势较低的的一方和下风方向扩散最快,往往在地面上形成1~2米或更厚的雾层,液化石油气类可燃物质的泄漏尤为明显,爆炸火灾发生时,处于雾层中的人及装置都很难幸免。
1 轻质气体泄漏扩散实验研究
利用甲烷和氢气,对比空气轻的可燃气体或蒸气的泄漏扩散行为与空气形成爆炸性混合物的范围,进行实验研究。泄漏扩散实验采用一个内压力4 MPa的5 m3容器,可燃气体通过不同直径的泄放管道沿水平方向泄放,用灵敏的可燃气体检测仪测量其扩散浓度分布。
11 甲烷实验
当甲烷从容器中被排放出来时,其强冷气流使空气中的水蒸气冷凝形成蒸气云,较远距离能清晰可见,并能观察到喷射的甲烷气强烈的扰动现象,由于气流的扰动,泄放出来的甲烷迅速地与空气混合。
图1为甲烷从直径D=75mm泄放管水平泄放,沿喷射轴方向距离泄放口x=10m,20m,30m处测得的甲烷-空气混合物浓度随时间的变化情况。大约1s,泄漏气体在第一个测量点,浓度c达到的最大值cmax=%(体积);此后浓度随时间慢慢降低,在降低过程中围绕中值有明显的浓度波动。图中水平线为甲烷的爆炸下限LEL=%。
图1 泄漏扩散甲烷气浓度随时间变化
泄放管直径D改变,影响甲烷气扩散的浓度。图2为使用不同直径泄放管实验的甲烷气扩散浓度沿喷射轴向随距离x的变化情况。左图为排放时间t=2s时测定的结果,右图为排放时间t=1 4s时测定的结果。从图中看出,在给定的轴向距离x下,浓度c随泄放管直径D增加而增加。但在泄放时间t=14s时,这种变化不明显,因为这时容器的内压已显著地降低了。
图2 不同泄放面积下甲烷扩散浓度随轴向距离变化
由于泄放是不稳定的过程,泄放2~3 s后,沿泄放管轴向可达到爆炸浓度下限的最大距离(xLEL)max。图3给出了(xLEL)max随泄放管面积S(S=π/4D2)的变化情况。(xLEL)max随泄放管面积S增大而增大,而S增加到150 cm2以上时,(xLEL)max也不会超过30 m,可为不稳定的泄放特点所解释。
图3 轴向爆炸下限的最大距离随泄放管面积变化
采用泄放管直径D为25 mm,泄放时间为2 s和14 s时,在泄放管轴向x= m和x= m处测定垂直于x轴的不同y距离上甲烷气扩散浓度,图4给出了测定结果。可以看出,在给定的测量点上,泄放时间为2s时的浓度比14s时高;随着y距离的增长,浓度