CN109283222A - 金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法和实验装置 - Google Patents

金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法和实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法和实验装置，在易燃易爆气体容器内填充磁性金属丝抑制可燃气体爆炸，磁性金属包括铁、钴、镍、锰、镧系元素等金属或它们自己的金属氧化物之间的形成的合金中的至少一种。实验装置包括易燃易爆气体爆炸容器，易燃易爆气体爆炸容器连接有可燃气体易燃易爆装置、瞬态压力采集系统和点火能量试验台，易燃易爆气体爆炸容器内填充实验用的填充材料，通过在试验罐体上安装瞬态压力传感器实现对易燃易爆气体爆炸瞬态压力采集和压力上升速率计算研究气体爆炸综合爆炸特征，使用便利，所得试验数据可靠、精准。便于应用于不同材料对易燃易爆气体爆炸特征影响的试验研究中。

Description

金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法和实验装置
技术领域
本发明涉及一种抑制易燃易爆气体爆炸的技术，尤其涉及一种金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法和实验装置。
背景技术
易燃易爆气体爆炸是一个十分复杂并极为快速的物理、化学反应过程，爆炸过程中火焰迅速传播和能量瞬间释放，同时也会产生许多中间产物和瞬间产物，如分子、自由基、离子、电子等。在储存易燃易爆液体的容器中填充材料,填充材料可以阻隔火焰的迅速传播与能量的瞬间释放。当火焰与材料表面接触时,热量通过材料快速散发,如果材料的热容和导热率远高于可燃气体,当孔径足够小时,散热的速度超过热量产生的速度,破坏了介质的燃爆条件,从而防止了爆炸的发生,保证了易燃易爆气、液态危险化学品的储运安全。
二次世界大战后，欧美国家就开始阻隔防爆材料的应用研究，主要研究军用飞机燃油箱防火防爆材料，并在民用加油站埋地储罐、阻火设备、设施中得到了快速推广和应用。目前市场上阻隔防爆材料以铝合金阻隔防爆材料和聚氨酯泡沫类型材料的居多，但实际应用过程中，这些材料对易燃易爆气体燃爆的阻隔抑爆作用效果各有不同。
目前的研究表明，在罐体中填充材料的物理、化学性质(填充密度、结构形状、材料材质)对其阻隔防爆性能(燃爆超压值)都有显著的影响，国内外学者对易燃气液体(瓦斯、氢气)爆炸传播规律、动力特性及影响因素等研究较为深入，但是对于填加了不同性质的填充材料是如何影响易燃易爆可燃气体爆炸及其传播方面的研究则较少，甚至没有试验装置能供应用于研究物理、化学性质不同的阻隔防爆材料对易燃易爆气体燃爆特征确切影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法和实验装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法，在易燃易爆气体容器内填充磁性金属丝抑制可燃气体爆炸，所述磁性金属包括铁、钴、镍、锰、镧系元素或它们自己的金属氧化物之间的形成的合金中的至少一种。
本发明的上述的金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法的实验装置，包括易燃易爆气体爆炸容器，所述易燃易爆气体爆炸容器连接有可燃气体易燃易爆装置、瞬态压力采集系统和点火能量试验台，所述易燃易爆气体爆炸容器内填充实验用的填充材料。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法和实验装置，通过在试验罐体上安装瞬态压力传感器实现对易燃易爆气体爆炸瞬态压力采集和压力上升速率计算研究气体爆炸综合爆炸特征，并得出优选但不仅限于Fe、Ni、Co的磁性金属及它们的合金材料抑制易燃易爆气体爆炸的效果最好的方法。使用便利，所得试验数据可靠、精准。便于应用于不同材料对易燃易爆气体爆炸特征影响的试验研究中。
附图说明
图1为本发明实施例提供的金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的实验装置结构示意图。
图2为本发明实施例中填充铝丝与空罐8％丙烷-空气易燃易爆气体爆炸瞬态压力曲线。
图3为本发明实施例中填充不同金属材料8％丙烷-空气易燃易爆气体爆炸瞬态压力曲线。
图中：
1、易燃易爆气体爆炸管道，2、进气口阀门，3、空气压缩机，4、三通阀，5、转子流量计，6、阀门，7、尾气收集处理装置，8、气体易燃易爆装置，9、空气气瓶，10-可燃气体气瓶，11-出气口阀门，12-右侧端盖，13-防爆片，14-填充材料，15-瞬态压力传感器，16-数据采集计算机，17-瞬态压力采集主机，18-高能点火头，19-左侧端盖，20-点火能量试验台。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法，其较佳的具体实施方式是：
在易燃易爆气体容器内填充磁性金属丝抑制可燃气体爆炸，所述磁性金属包括铁、钴、镍、锰、镧系元素或它们自己的金属氧化物之间的形成的合金中的至少一种。
本发明的金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法的实验装置，包括易燃易爆气体爆炸容器，所述易燃易爆气体爆炸容器连接有可燃气体易燃易爆装置、瞬态压力采集系统和点火能量试验台，所述易燃易爆气体爆炸容器内填充实验用的填充材料。
所述瞬态压力采集系统包括安装在所述易燃易爆气体爆炸容器侧面的瞬态压力传感器；
所述易燃易爆气体爆炸容器两端的端盖安装密封垫和防爆片，所述易燃易爆气体爆炸容器还连接有抽真空系统、配气系统，所述点火能量试验台通过电缆与高能点火头连接。
所述试验装置的试验步骤包括：
A、装填材料：在试验罐体中填充材料，可根据需要填充不同种类，不同结构形状，不同密度、不同材质的材料，点火头端留空5％，其余空间填充满；
B、气密性检查：检查装置的密闭性。向管道注入空气，用肥皂水涂抹接口处，如果出现鼓泡的现象，说明气密性不严密，查找出漏气位置并采取防泄漏措施，直至确认整个装置气密性完好，方可进行试验；
C、抽真空：抽真空前检查确认装置进气口处于关闭状态，罐体体积较小，手动抽出100-200ml空气即可达到要求，关闭阀门；
D、配气：气体爆炸管道的体积为1130ml，根据所需易燃易爆气体中可燃气体的浓度，在易燃易爆气体配气装置中配气；
E、启动压力采集系统：压力采集系统的采样频率可调，为6千次/秒——15千次/秒；
F、点火：打开点火能量试验台并设置点火能量档次，放电点火；
G、数据采集与处理分析：试验结束后，对采集得到的瞬态爆炸压力数据进行处理分析，以得到瞬态爆炸峰值压力与压力上升速率；
H、管道吹扫：关闭配气端阀门，打开空气压缩机端阀门，打开空气压缩机，吹扫五分钟。如不需更换材料，则可接步骤B进行下一组试验。
本发明的金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的实验装置，可便于填充不同性质的材料，同时可采集瞬态爆炸压力，通过改换试验条件，采集时间/压力数据，实现分析研究填充不同材料后易燃易爆气体的瞬态爆炸压力特征，得出这些材料对易燃易爆气体爆炸的瞬态爆炸压力及压力上升速率的影响规律，有助于了解阻隔防爆材料的真正抑爆本质，夯实现有材料的基础试验数据，进一步研发新型阻隔防爆材料，具有非常重要的科研意义和经济价值。
本发明的试验表明：
1、填充金属丝后，爆炸压力峰值大幅降低，表明填充金属丝后能有效的抑制可燃气体爆炸。
2、从爆炸瞬态压力曲线可以看出填充Ni、Fe的爆炸压力峰值明显低于填充Al、Cu的。证明磁性金属Fe、Ni比非磁性金属Al、Cu的抑爆性能更佳。
3、随着可燃气体分子量的增大，磁性金属对爆炸瞬态压力的影响更加明显，磁性金属抑爆性能优于非磁性金属的现象更加明显。
4、磁性金属对自由基运动的影响有明显规律：随着可燃气体分子量的增大和爆炸反应产生的自由基体积增大，磁性金属对自由基运动规律的影响更加明显，能够有效的阻止气体爆炸自由基链式反应，达到显著抑制可燃气体爆炸的效果。
本发明的便于探究不同条件对易燃易爆气体爆炸压力影响规律的试验装置包括：
1、本发明的目的在于提供一种便于在不同条件下、研究分析这些条件对易燃易爆气体爆炸压力影响的试验装置和方法。便于探究不同条件对易燃易爆气体爆炸压力特征影响。通用性强、可重复试验。
2、本发明方法主要通过在管道(罐体)中填充不同类型材料，配合改变填充材料的填充密度、形状、材料材质，在管道(罐体)侧面安装瞬态压力传感器实现对易燃易爆气体爆炸瞬态压力采集、压力上升速率计算等爆炸特征的研究。
3、本发明设备可用于分别开展不填充任何材料和填充某种特定材料的易燃易爆气体爆炸试验，评价该填充材料的阻隔防爆性能，探究填充材料对易燃易爆气体爆炸特征影响。
4、本发明的便于研究不同条件对易燃易爆气体爆炸压力影响的试验装置，装置主管道(罐体)侧面安装瞬态压力传感器，两端密封盖与易燃易爆气体爆炸试验管道(罐体)之间安装密封垫，防爆片与防爆片接口为硬接触密封，抽真空系统、配气系统通过管路与易燃易爆气体爆炸试验罐体连接，点火能量试验台通过电缆与高能点火头连接。
具体实施例，如图1至图3所示：
主要实施步骤：
(1)装填金属材料(材料不限于具体实施例中填充的金属材料，其他金属、非金属材料均可)
将相同直径的铜丝、铝丝、镍丝和铁丝分别卷成直径适合爆炸管道内径的圆柱形状。铜丝、铝丝为非磁性金属材料，镍丝和铁丝为铁磁性金属材料。装填金属材料之前，金属材料应利用超声波清洗干净，避免影响试验结果。分别填充了表面积为0.12m2、0.24m2和0.36m2的金属丝
(2)配气(实验气体和组成比例不限于具体实施例中填充的气体，其他浓度的易燃易爆气体均可)
a、体积百分比为8％丙烷/空气的易燃易爆气体。
b、体积百分比为5％正丁烷/空气的易燃易爆气体。
c、体积百分比为5％正戊烷/空气的易燃易爆气体。
c、体积百分比为2％苯蒸气/空气的易燃易爆气体。
d、体积百分比为4％苯蒸气/空气的易燃易爆气体。
(可配置任意体积比的任意可燃易燃易爆气体/蒸气)
(3)点火并采集数据
待易燃易爆气体静置5min后，打开压力测试系统，将压力传感器连接好，采集数据，设置点火试验台点火能量，点击放电开关，观察测试软件上波形变化。
金属丝表面积为0.12m2的实验案例：
具体实施例1、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.12m2的条件下，8％丙烷-空气易
燃易爆气体爆炸试验。
表1填充不同金属材料与空罐8％丙烷-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 398.62
铝丝 62.54
铜丝 118.84
镍丝 36.94
铁丝 17.00
具体实施例2、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.12m2的条件下，体积百分比为5％正丁烷/空气的易燃易爆气体爆炸试验。
表2填充不同金属材料与空罐5％正丁烷-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 350.86
铝丝 89.34
铜丝 93.68
镍丝 39.47
铁丝 34.32
具体实施例3、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.12m2的条件下，体积百分比为5％正戊烷/空气的易燃易爆气体爆炸试验。
表3填充不同金属材料与空罐5％正戊烷-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 320.46
铝丝 89.47
铜丝 88.83
镍丝 32.37
铁丝 29.32
具体实施例4、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.12m2的条件下，体积百分比为2％苯蒸气/空气的易燃易爆气体爆炸试验。
表4填充不同金属材料与空罐2％苯蒸气-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 230.43
铝丝 60.23
铜丝 57.34
镍丝 23.82
铁丝 25.38
具体实施例5、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.12m2的条件下，体积百分比为4％苯蒸气/空气的易燃易爆气体爆炸试验。
表5填充不同金属材料与空罐4％苯蒸气--空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 320.34
铝丝 70.63
铜丝 60.37
镍丝 22.53
铁丝 16.00
金属丝表面积为0.24m2的实验案例
具体实施例6、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.24m2的条件下，8％丙烷-空气易
燃易爆气体爆炸试验。
表6填充不同金属材料与空罐8％丙烷-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 398.62
铝丝 59.49
铜丝 93.35
镍丝 27.36
铁丝 15.83
具体实施例7、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.24m2的条件下，体积百分比为5％正丁烷/空气的易燃易爆气体爆炸试验。
表7填充不同金属材料与空罐5％正丁烷-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 350.86
铝丝 74.29
铜丝 83.50
镍丝 32.34
铁丝 31.15
具体实施例8、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.24m2的条件下，体积百分比为5％正戊烷/空气的易燃易爆气体爆炸试验。
表8填充不同金属材料与空罐5％正戊烷-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 320.46
铝丝 79.32
铜丝 78.28
镍丝 28.39
铁丝 25.29
具体实施例9、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.24m2的条件下，体积百分比为2％苯蒸气/空气的易燃易爆气体爆炸试验。
表9填充不同金属材料与空罐2％苯蒸气-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 230.43
铝丝 57.34
铜丝 59.23
镍丝 21.35
铁丝 20.73
金属丝表面积为0.36m2的实验案例
具体实施例10、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.36m2的条件下，8％丙烷-空气易
燃易爆气体爆炸试验。
表10填充不同金属材料与空罐8％丙烷-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 398.62
铝丝 62.34
铜丝 84.29
镍丝 23.57
铁丝 14.29
具体实施例11、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.36m2的条件下，体积百分比为5％正丁烷/空气的易燃易爆气体爆炸试验。
表11填充不同金属材料与空罐5％正丁烷-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
具体实施例12、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.36m2的条件下，体积百分比为5％正戊烷/空气的易燃易爆气体爆炸试验。
表12填充不同金属材料与空罐5％正戊烷-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 320.46
铝丝 74.36
铜丝 69.36
镍丝 25.38
铁丝 23.95
具体实施例13、填充不同金属材料，金属丝表面积均为0.36m2的条件下，体积百分比为2％苯蒸气/空气的易燃易爆气体爆炸试验。
表13填充不同金属材料与空罐2％苯蒸气-空气易燃易爆气体爆炸压力峰值
填充材料 峰值压力/kPa
空罐 230.43
铝丝 53.46
铜丝 51.28
镍丝 19.36
铁丝 17.56
具体实施例结果
该发明装置和方法使用便利，所得试验数据可靠、精准。便于应用于不同材料对易燃易爆气体爆炸特征影响的试验研究中。
1、填充金属丝后，爆炸压力峰值大幅降低，表明填充金属丝后能有效的抑制可燃气体爆炸。
2、从爆炸瞬态压力曲线可以看出填充Ni、Fe的爆炸压力峰值明显低于填充Al、Cu的。证明磁性金属Fe、Ni比非磁性金属Al、Cu的抑爆性能更佳。
3、随着可燃气体分子量的增大，磁性金属对爆炸瞬态压力的影响更加明显，磁性金属抑爆性能优于非磁性金属的现象更加明显。
4、磁性金属对自由基运动的影响有明显规律：随着可燃气体分子量的增大和爆炸反应产生的自由基体积增大，磁性金属对自由基运动规律的影响更加明显，能够有效的阻止气体爆炸自由基链式反应，达到显著抑制可燃气体爆炸的效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法，其特征在于，在易燃易爆气体容器内填充磁性金属丝抑制可燃气体爆炸，所述磁性金属包括铁、钴、镍、锰、镧系元素或它们自己的金属氧化物之间的形成的合金中的至少一种。
2.一种权利要求1所述的金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的方法的实验装置，其特征在于，包括易燃易爆易燃易爆气体爆炸容器，所述易燃易爆易燃易爆气体爆炸容器连接有可燃气体易燃易爆装置、瞬态压力采集系统和点火能量试验台，所述易燃易爆气体爆炸容器内填充实验用的填充材料。
3.根据权利要求2所述的金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的实验装置，其特征在于，所述瞬态压力采集系统包括安装在所述易燃易爆气体爆炸容器侧面的瞬态压力传感器；
所述易燃易爆气体爆炸容器两端的端盖安装密封垫和防爆片，所述易燃易爆气体爆炸容器还连接有抽真空系统、配气系统，所述点火能量试验台通过电缆与高能点火头连接。
4.根据权利要求3所述的金属材料抑制易燃易爆气体爆炸的实验装置，其特征在于，所述试验装置的试验步骤包括：
A、装填材料：在试验罐体中填充材料，可根据需要填充不同种类，不同结构形状，不同密度、不同材质的材料，点火头端留空5％，其余空间填充满；
B、气密性检查：检查装置的密闭性。向管道注入空气，用肥皂水涂抹接口处，如果出现鼓泡的现象，说明气密性不严密，查找出漏气位置并采取防泄漏措施，直至确认整个装置气密性完好，方可进行试验；
C、抽真空：抽真空前检查确认装置进气口处于关闭状态，罐体体积较小，手动抽出100-200ml空气即可达到要求，关闭阀门；
D、配气：气体爆炸管道的体积为1130ml，根据所需易燃易爆气体中可燃气体的浓度，在易燃易爆气体配气装置中配气；
E、启动压力采集系统：压力采集系统的采样频率可调，为6千次/秒——15千次/秒；
F、点火：打开点火能量试验台并设置点火能量档次，放电点火；
G、数据采集与处理分析：试验结束后，对采集得到的瞬态爆炸压力数据进行处理分析，以得到瞬态爆炸峰值压力与压力上升速率；
H、管道吹扫：关闭配气端阀门，打开空气压缩机端阀门，打开空气压缩机，吹扫五分钟。如不需更换材料，则可接步骤B进行下一组试验。
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