球形容器泄爆及其外部伤害效应研究

球形容器泄爆及其外部伤害效应研究

付红栓 李赵

上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062

摘要：为了更好地研究球形容器泄爆的爆裂及其外部伤害效应，本实验采用小型和大型两种球形容器分别建立了两种尺寸的球形容器泄爆测试系统。 而为了研究球形容器的内压变化特性，进行了两种实验，在这两项实验中，分别得出了两种结果，即：泄爆压力的大小会随着泄爆口直径的变化而发生改变。当无量纲压力流量较小时，无膜泄爆峰值压力的峰值压力随泄压比的增大而减小，呈线性变化。在进一步分析研究球形容器爆破的外部伤害效应时，实验通过对大型容器和小型容器的压力伤害损伤范围分别进行实验，得出了大型容器和小型容器爆破孔周围压力伤害的压力超压伤害阈值标准峰值，进一步确定了球形容器泄爆对实验人员造成的伤害以及压力伤害的具体范围。

关键词：球形容器；泄爆测试；外部伤害效益；实验检测

从当前的实验数据来看，目前防治气体爆炸事故的发生的方式主要有泄爆；隔爆和抑爆三种，而在这三种当中，最为常用的还是泄爆。泄爆较隔爆和抑爆而言，更能够使工业装置和一些实验容器当中的已经燃烧的和尚未燃烧的高压气体以很快的速度传导到容器外的空间，从而降低容器内部的压力，进一步减小容器发生爆炸的几率，降低人员伤亡及财产损失。而对于泄爆的研究，主要要从一下几个方面着手去调查：导管长度、导管直径、点火位置和可燃气体浓度等众多内容，综合分析这些因素对容器内部进行导管泄爆产生的影响。针对这一研究，国内的众多学者都做了有关实验并且得出了一定的成果。

目前我国的一些研究学者曾采取用２个球形容器作比较的方式，研究了可燃性气体泄爆过程中，不同因素对容器外部压力变化的影响。也有学者通过对不同直径的圆柱形泄爆容器，研究了泄爆过程中内外流场的压力发展过程。另一位学者进一步指出了爆炸伤害和破坏分区的理念，阐述了冲击波的破坏准则，并就具体方法进行了数值模拟计算，这不仅对当前研究球形容器泄爆有着重要影响，还对应用于气体泄爆领域有一定的指导意义。此外，除了对球形容器本身进行了解，对实验产生的影响以及对人可能造成的伤害进行分析也同样重要。有的学者对巷道受限空间瓦斯爆炸冲击波波阵面高速气流的传播特性进行了分析，并且根据实验数据得出了有关结论，即依据我国陆地地面风力等级划分标准，瓦斯爆炸高速冲击气流的等级为飓风级，这个结果无疑说明这样的爆炸伤害对井下人员生命安全的威胁是十分巨大的。

从这些情况可以看出，尽管当前我国研究领域对这一范围的关注度很高，但是大部分学者还是把分析和研究的重点放在冲击波及其相关理论的方面，只有较少一部分人把重点落实在气体泄爆这一方面。但是众多实验结果都说明，容器外部的流场特性，以及众多因素的影响会使得容器发生二次爆炸现象，这些爆炸产生的危害会对实验人员以及周围的环境和设备本身都产生极大的危害。由此观之，针对球形容器的泄爆问题以及可能会造成的危害进行分析是十分重要的，只有对此做出了充分的研究，才能更好的在往后的研究过程中做到完善和完美。

一、实验装置和方法

（一）装置

本次实验使用了两个球形容器，工作压力为２ＭＰａ，设计压力为２０ＭＰａ，内径分别为0.6,0.35ｍ（体积分别为0.113，0.022m³， 以下简称大、小球容器）。并且这两个球形容器上都配备有泄爆导管和法兰专门用来泄爆，导管内0.05ｍ、长 0.156ｍ。实验过程中，通过在法兰中夹持圆孔形泄爆片来改变泄爆面积，泄爆片孔径分别为50，40， 30，23，18，13，9㎜。两个球形容器上都设置了压力测量和点火装置的接口，可根据实验需要进行连接，本实验选择的压力监测口位置为２和５。具体结构如图１所示。

为了更好的研究球形容器内部的压力情况，本次实验加设了压力测量支承支架，并且在支架上设置了压力传感器来更好地获取内部的压力数据，这个支架有专门的稳定装置，可以保障在泄爆气流的冲击下也可以进行精准的测量。这样的支架共有两个，实验操作者可以通过上面的螺母等来调整位置，以便更好地去观察球形容器泄爆口外部空间的压力值。具体结构如图２所示。

二、实验结果与分析

（一）大、小球形容器泄爆外部伤害效应

针对爆炸冲击波对目标破坏作用判断的几种方式，本文采用超压准则来判断爆炸冲击波对人体造成的伤害作用。这一理念认为，只有爆炸波的超压达到了人以及其他设备所无法承受的顶点时，才会使得目标出现被伤到的状况。因此，本次实验条件为：初始压力常压，可燃气体浓度10％，泄爆压力0.05ＭＰａ，泄爆口直径50㎜，点火位置为大、小球容器中央。经过大量的前期实验，确定压力传感器分别位于垂直距离两个球形装置泄爆口的20,40,60,80㎝处，既能保证采集到精确的数据，又能保证压力传感器等设备的安全情况。

（1）小球容器

本图所示为单小球容器泄爆时，水平距离泄爆口0,2.5㎝，垂直距离泄爆口水平面不同距离处的压力曲线图。

水平距离泄爆口0,2.5㎝，垂直距离小球容器泄爆口水平面不同距离处的压力峰值对人员的伤害作用判断如下表所示。

对于小球容器而言，承受的泄爆冲击波主要是来自于垂直方向泄爆口的正前方产生的影响，而侧方对其影响相对较小。

（2）大球容器

同小球容器相同，下图所示为不同距离处的压力曲线，实验过程中其他实验条件不变。

大球容器泄爆伤害区域如下图所示，图中圆圈处代表实验测量点。

对于大球容器来说，泄爆冲击波产生的超压危险较大，重伤以上区域尺寸较大；泄爆口侧方5㎝左右受到泄爆冲击波侧压影响，为轻伤触及范围。

三、结论

综上所述，可以在实验中得出以下的结论：

当无量纲化泄压比相同时，不同体积的球形容器无膜泄爆时，最大泄爆压力基本相同，最大压力上升速率符合立方根定律。单容器泄爆时也符合“立方根定律”，且得到了新的气体泄爆常数，改进了泄爆设计，使泄爆设计更合理。

在两种球形容器的比较方面，小球容器泄爆的冲击波产生的超压影响的范围主要是泄爆口的正前方，高速泄爆气体在泄爆口侧方形成高度欠膨胀射流，造成负压收缩。而大球容器泄爆，泄爆冲击波产生的重伤以上区域为以泄爆口垂直线为轴线的椭圆柱形区域或圆锥状区域，泄爆口侧方5㎝左右为轻伤触及范围。

参考文献

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