0 引言

随着国家工业现代化的快速推进，碳氢类可燃性气体作为清洁能源被普遍使用，这类重大危险源频繁地出现在生产、输运和存储过程中，经常因意外或人为原因泄漏，导致燃烧爆炸事故发生，事故数及经济损失逐年上升，严重威胁着物资储运、交通运输和工业生产的安全，而爆炸产生的压力波又容易破坏附近的工业装置和设备，造成更严重的安全事故[1]。胡耀元等[2]通过多个不同体积的柱状和球状爆炸室内的气体爆炸实验，研究受限空间几何尺寸与甲烷、氢气和一氧化碳混合气体的爆炸浓度界限的关系。傅志远等人[3]自行设计 20 L可燃性气体爆炸实验装置，通过试验得到测试爆炸表征参量的方法。黄超等人[4]通过20 L柱状密闭设备爆炸实验总结出温度对烷烃类气体爆炸界限的影响。卢捷[5]在20 L受限空间进行爆炸实验，通过处理大量实验数据确定各参量间的定量关系，得出天然气的爆炸界限范围和最小点火能量。

综上所述，目前研究主要集中在受限空间形状和尺寸对气体爆炸特性的影响研究，对于初始压力的影响研究较少，同时初始压力的变化使可燃气体爆炸表现出更为复杂的特性。因此，本文侧重于在不同初始压力条件下甲烷爆炸特征的实验研究，为预防甲烷爆炸事故和应急救援等工作提供重要的机理分析和技术支持。

1 初始压力对甲烷爆炸传播的影响

一般来说，甲烷爆炸界限随着初始压力的增加而变广，尤其爆炸上限会明显变化。当初始压力增大时，气体分子间距离变小，更有可能发生频繁碰撞，更易发生燃烧。在初始压力减小的情况下，分子间距离变大，则爆炸界限范围变窄[6]。若压力减小到一定程度，则会使甲烷爆炸上限与下限重合，产生一个临界值；此时若压力继续下降，系统将不会出现燃烧和爆炸反应[7]。

2 实验装置及方案设计

2.1 实验设备简介

实验装置为定容燃烧弹爆炸装置，该系统包括燃烧弹本体、配气系统、点火装置和数据采集系统四大部分。其中，燃烧弹本体耐压15 MPa，采用304不锈钢，尺寸为内径200 mm，壁厚50 mm，长度250 mm。弹体的两端配备两块光学玻璃，直径160 mm，厚度60 mm，光学玻璃为石英玻璃，便于在实验时拆卸。图1为定容燃烧弹装置图，其中(1)中的1,2,3为控制阀门。

英国的科技产业一直处于世界领先地位，在重要科研领域均有其一席之地。英国在科技上的成就与其合理的科研体系密切相关，政府、高校、企业之间相互联动，共享资源，开放合作，使得高科技成果产出率和科研成果转化率领先于世界。同时，英国研究理事会认为，保持科学家在研究领域国际领先地位的重要因素之一是保证其能够使用先进的仪器设备。在英国，通常由大学或研究所负责设备方面的投入。因此，英国高校作为高等科研人才聚集地和大型仪器设备采购的主要机构，其完善的大型科学仪器设备管理和开放共享模式极具特色，主要包括：

  

图1 定容燃烧弹装置图

打开甲烷气瓶阀门和减压阀，充入通过道尔顿分压定律计算出的定量甲烷，通过真空计观察弹体内压力，达到计算压力时关闭甲烷进气阀，打开空气气瓶阀门和减压阀，充入空气，当弹体内初始压力达到实验所需气压时，关闭所有阀门。

根据权威统计数据显示，2016年全国一共有超过四千家生鲜相关企业，其中有超过九成的企业财政处于亏损状态，不到一成勉强可以收支打平，能够盈利的只有约40家，这样的现象是怎么导致的呢，主要是因为相关物流的成本太高，所以据此，怎么更好的控制物流的成本显得十分重要。

天下大事，必做于细。前几年，正博也曾尝试拓展其他领域，但经历一番波折之后，痛定思痛，最终还是决定专做制袋机。

2) 电荷放大器(1支)：单通道，耐高温，与压力传感器匹配。

(5) 爆炸实验

4) 电脑系统(1台)：simb a01主机，CPU E7400，内存4G DDR3，硬盘500G，GVD键鼠，PCI*4，USB*8，23.6寸显示器。

1.1 对象 2011年10月选择上海市长宁区6所2级医院，按主管护师:护师:护士为1∶4∶5比例采用分层抽样法中抽取护理人员200名。纳入标准:具有国家规定的护士执业证书;在临床护理中能接触到静脉治疗。200名护理人员中，职称:主管护师21名，护师79名，护士100名;学历:中专54名，大专115名，本科及以上31名。护龄:0～4年92名，5～9年36名，10～14年27名，15～19年14名 ，20年以上31名。

2.2 实验方案

观察数据采集系统采集的数据并进行处理和分析。

本设计采用以MSP4305438A单片机为核心设计了中频电炉的温度控制模块，使用该模块可以将模糊PID控制算法移植到单片机中，上位机通过ModBus实时的设定温度，通过该模块能够实现中频电炉的温度控制，通过现场调整模糊PID控制的参数，能够很好的实现中频的温度控制，在上升时间、超调量、稳态误差方面相对传统PID控制都有所提高。

(1) 组装定容燃烧弹，确保电极两端与点火装置正负极连接良好，电极能够点火，安装两端端盖，电火花示意图如图2。

(2) 气密性检测

通过高纯氮气气罐向定容燃烧弹内充0.3 MPa的氮气，在点火电极尾部、螺栓口、端盖接缝处和阀门连接处全部涂抹肥皂水，观察定容燃烧弹的各个连接处和各阀门有无气泡产生，如有气泡，重新拧紧螺栓并重复检验管道气密性；若无气泡，说明气密性符合要求。

(3) 弹体抽真空

通过真空泵将弹体内空气抽出，通过真空计观察弹体内压力，原则上要求其处于真空状态，考虑到实验条件限制，要求弹体内压力小于0.5 kPa。

上海市自贸试验区是我国最早建设的自由贸易实验区，承担着包括金融创新、政府职能转变和制度推广等在内的重要历史使命。随着上海市自贸区的快速发展和制度完善，我国在广东、天津、福建、辽宁、浙江、河南等各省市也规划建设了自由贸易试验区，因为有了上海市自贸区的建设经验和发展规划借鉴，其他各省市的自贸区建设都取得了极高的效率和显著的成效，我国大江南北各个自贸区的发展都对其所在省市及城市群有着不同程度的辐射带动作用，从而也推动了我国贸易自由化水平的提升和我国经济的总体协调化发展。

(4) 充气

数据采集系统由压电压力传感器及其线缆、电荷放大器、高速数据采集卡、电脑系统组成：

丁柔走了之后，周桥就抱怨：“以前我一穷二白的时候嫌我没斗志分得干脆，现在有事业有人脉就回头找我帮忙了，什么世道嘛？”周桥的言语之间竟有一丝嫌恶。

3) 高速数据采集卡(1张)：32Bit PCI总线，自适应驱动4通道同步采样，可多卡同步扩展每通道最高采样率可同时达到50 M/20 MSp，高精度14Bit A/D，每通道独立4个可程控量程板载DDR缓存可扩展至512 M字节，增益和零点完全自校准，16K字节FIFI for Scatter/Gather DMA，2通道16Bit DA模拟电压输出，16 Bit多功能数字I/O，4根BNC-BNC连接线。

1) 压电压力传感器(1支)：耐高温压电压力传感器，型号113B21，其量程0-1379 kPa，灵敏度为3.6 mV/kPa，谐振频率≥500 kHz，上升时间≤1 μsec， 温度范围-73～+135℃，放电时间常数≥1sec，壳体材料为殷钢，采用激光焊接的密封方式。

打开点火器，调整点火电压，待充电稳定后点火，开始爆炸实验。

(6) 数据采集及处理

实验选择在晴朗天气下进行，环境温度在20 ℃左右，空气湿度在30%左右。实验进行前需要首先对定容燃烧弹进行抽真空，确保配好的预混气体浓度准确。

(7) 实验结束后，关闭点火系统。

  

图2 电极电火花示意图

2.3 实验工况

在实验室内总共进行了9组甲烷爆炸实验，在实验中根据需要改变的参数主要有：甲烷浓度和初始压力；实验工况统计如表1所示。

 

表1 甲烷爆炸实验工况表

  

工 况IIIIIIIVVVIVIIVIIIIX甲烷浓度/%7 57 57 59 59 59 511 511 511 5初始压力/atm0 5120 5120 512

3 实验数据分析

图3为常温下不同甲烷浓度、不同初始压力下采集到的压力随时间分布的P-t曲线图。由图3可以看出：压力在高温热源的作用下瞬间上升，最后达到一个稳定值[8]，压力急剧上升的时候正是甲烷混合气体瞬间发生爆炸的时候，这代表着在甲烷爆炸传播过程中产生冲击波，随着反应的结束，压力出现下降。甲烷爆炸压力与时间之间呈简单的二次函数关系，整体呈先上升后下降的倒“V”趋势；无论在哪种浓度下，2 atm的甲烷爆炸压力峰值都是最大，而0.5 atm的甲烷爆炸压力峰值都为最小。这是由于升高的初始压力使分子间距离更近，分子更高频率地碰撞，爆炸使得气体膨胀更加迅速，加剧反应强度，产生的压力峰值更大。

  

图3 甲烷爆炸压力—时间曲线

 

表2 不同初始压力下甲烷爆炸压力峰值及压力上升速率对比表

  

甲烷浓度/%初始压力/atm最大压力/MPa最大压力上升速率/MPa·s-17 50 50 18030 585810 36301 441021 26038 69839 50 50 34184 401910 70359 706621 283213 824911 50 50 33196 563010 67206 042221 14185 6757

通过对比表2中数据可得：在7.5%，9.5%和11.5%浓度下，爆炸压力峰值都随初始压力的增加而增大，呈线性上升的趋势；在7.5%和9.5%浓度甲烷爆炸实验工况中，初始压力对爆炸压力上升速率峰值影响较大，呈上升趋势，而在11.5%浓度下，爆炸压力上升速率峰值随初始压力改变的变化规律与7.5%和9.5%浓度下相反，随初始压力的增加而缓慢下降。这是由于当混合气体浓度在当量比浓度和爆炸下限之间时，空气过量，增大的初始压力增加了高活性的氧气分子和氧自由基与甲烷分子的碰撞几率，使反应加速，反应放热又加快反应的进行，链式反应速度增加，形成一种正反馈效应。这使得低浓度甲烷受初始压力的影响更大。

本文对四家案例企业的编码资料进行数据统计，具体结果如表4所示。编码条目数量越多，表示被提及的频率越高，越能反映指标的特征［28］。

从图4(1)中可以看出，初始压力对爆炸压力峰值的影响规律非常明显，最大爆炸压力与初始压力呈线性上升趋势；由图4(2)可知，7.5%和9.5%浓度下，爆压上升速率峰值与初始压力呈线性上升，且7.5%浓度下，初始压力的影响较为明显，成倍数增长，而11.5%浓度下，初始压力对爆炸压力上升速率峰值影响不大。当量比浓度与爆炸下限之间的混合气体在初始压力增加时的正反馈效应，使当量比浓度与爆炸下限之间混合气体最大爆炸压力的增幅较当量比浓度与爆炸上限之间的增幅大，即当量比浓度与爆炸下限之间的混合气体较当量比浓度与爆炸上限之间的混合气体对初始压力更敏感。

  

图4 爆炸压力峰值和压力上升速率峰值与初始压力的关系

4 结论

(1) 爆炸压力在高温热源的作用下瞬间上升，最后达到一个稳定值，随着反应的结束，压力下降。在9种实验工况中，甲烷爆炸压力与时间之间呈简单的二次函数关系，整体呈先上升后下降的倒“V”趋势。

(2) 初始压力增大，使甲烷-空气混合气的最大爆炸压力增大，爆炸危险性增加，初始压力对低浓度甲烷爆炸的最大压力影响最大。

(3) 当量比浓度与爆炸下限之间的混合气体在初始压力增加时的正反馈效应，使当量比浓度与爆炸下限之间混合气体最大爆炸压力的增幅较当量比浓度与爆炸上限之间的增幅大，即当量比浓度与爆炸下限之间的混合气体较当量比浓度与爆炸上限之间的混合气体对初始压力更敏感。

参考文献：

[1] 邱龙.受限空间LNG爆炸后果模拟与吸能型防爆墙设计[D].青岛：中国石油大学,2015.

[2] 胡耀元,周邦智,杨元法，等.多元爆炸性混合气体爆炸极限及容器因素[J].中国科学(B辑),2002,32(1):35-39.

[3] 傅志远,谭迎新.多元可燃性混合气体临界氧浓度的测定[J].工业安全与环保,2004,(30)12:25-27.

[4] 黄超,杨绪杰,陆路德，等.烷烃高温下爆炸极限的测定[J].化工进展,2002,21(7):496-498.

[5] 卢捷.多元混合气体爆炸特性与安全控制研究[D].北京:北京理工大学,2003.

[6] 李艳红.受限空间内瓦斯爆炸过程的反应动力学特性研究[D].阜新：辽宁工程技术大学,2011.

[7] 贾宝山,李艳红,曾文，等.受限空间瓦斯爆炸链式反应机理的敏感性分析[J].环境工程,2011(29)：318-323.

[8] 任瑞娥,吕荣,李媛.不同浓度甲烷爆炸火焰传播过程的实验研究[J].化工中间体,2014(3):45-48.