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氣體爆炸實驗裝置的抗爆-泄爆安全設(shè)計方法

文檔作者：劉志琨王志榮崔益清文檔來源：南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月07日
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氣體爆炸實驗裝置的抗爆一泄爆安全設(shè)計方法
劉志琨，王志榮。崔益清
(南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，江蘇南京210009)
摘要：通過對氣體爆炸實驗裝置的抗爆安全設(shè)計和泄爆安全設(shè)計進(jìn)行分析，提出了一種新型的抗
爆一泄爆安全設(shè)計方法。利用這種設(shè)計方法，不但使氣體爆炸實驗裝置符合試驗要求，而且可以在
不降低安全性的前提下，大幅降低裝置的制造成本。
關(guān)鍵詞：氣體爆炸；抗爆；泄爆；安全設(shè)計
中圖分類號：THI22；TB41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001—4837(2012)11—0038—05
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2012．1 1．008
A Safety Design M ethod of Anti--explosion——Explosion--venting
for Gas Explosion Experiment Device
LIU Zhi—kun，W ANG Zhi—rong，CUI Yi—qing
(College of Urban Construction and Safety Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing
210009，China)
Abstract：A new safety design method of anti-explosion—explosion-venting is presented through the anal—
ysis of anti—explosion design and explosion-venting design of the gas explosion experiment device．It can fit
the requirements of the experiment device，and may reduce the cost of the device obviously while maintain
the safety by using the method．
Key words：gas explosion；anti—explosion；explosion—venting；safety design
0 引言
氣體爆炸實驗裝置在研究爆炸機(jī)理和預(yù)計爆
炸后果等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。氣體爆炸試驗的危
險性較大，因此對實驗裝置的安全性要求較高。
目前，國內(nèi)外多使用抗爆安全設(shè)計進(jìn)行氣體爆炸
實驗裝置的設(shè)計制造Ll J。文中提出了一種新型
設(shè)計方法，可以為氣體爆炸實驗裝置的設(shè)計提供
參考。
氣體爆炸實驗裝置主要分為抗爆設(shè)計和泄爆
設(shè)計兩種。應(yīng)用抗爆設(shè)計的容器一般壁厚較大，
容器制造費用較高，增加試驗成本。應(yīng)用泄爆設(shè)
計的容器壁厚較小，一旦發(fā)生意外爆炸容易發(fā)生
危險，造成人員傷亡。提出一種抗爆一泄爆安全
設(shè)計方法，將抗爆設(shè)計與泄爆設(shè)計相結(jié)合，既可以
保證試驗人員與儀器的安全，又能大幅減少制造
費用，方便移動，同時能夠達(dá)到試驗要求。通過此
種方法設(shè)計的實驗裝置已在多次試驗研究過程中
證明了其優(yōu)異性 卜9 J。
基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(No．50904037)；江蘇省高校自然科學(xué)基金項目(10KJB620001)；江蘇省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研
究項目(11KJA620001)
· 38 ·
第29卷第l1期 壓 力 容 器 總第240期
1 抗爆安全設(shè)計方法
1．1 爆轟壓力
根據(jù)氣體爆炸熱力學(xué)分析，欲確定爆轟壓力，
要先確定爆轟反應(yīng)方程組。
(1)爆熱
Q =Q。+AnRT
式中Q — —定容爆熱 ，J／kg
Q。—— 定壓爆熱，J／kg
△ ——氣體爆炸產(chǎn)物與反應(yīng)物摩爾數(shù)的
差值，mol
R——氣體常數(shù)，取8．314 J／(mol·K)
卜反應(yīng)過程的溫度，通常為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)
下的溫度，K
= ΣniQp 一Σ
式中m， ——爆炸產(chǎn)物和反應(yīng)物的組分?jǐn)?shù)
ni， ——爆炸產(chǎn)物i和反應(yīng)物組分 的摩
爾數(shù)，mol
Qp ，Q ——爆炸產(chǎn)物i和反應(yīng)物組分 的
定壓生成熱
(2)爆溫
m
． ． ． ． ． 一
Q = C t
i=1
式中 C ——爆炸產(chǎn)物i的平均熱容，
J／(mol·K)
— — 爆炸溫度，K
而一般熱容與溫度的關(guān)系為：
C =0+bt+ct + 。+?
為簡化計算，通常近似取前兩項，即認(rèn)為熱容
與溫度是直線關(guān)系。
(3)絕熱指數(shù)
Σ
k ： 1 !三 一
— —
n￡c
i=1
式中 ——氣體產(chǎn)物的絕熱指數(shù)
(4)未反應(yīng)氣體密度
P0Mo
Po
式中P?！捶磻?yīng)氣體的密度，kg／m
P。——未反應(yīng)氣體的初始壓強(qiáng)，Pa
— — 未反應(yīng)氣體的平均摩爾質(zhì)量，
kg／mol
— — 未反應(yīng)氣體的初始溫度，K
(5)爆轟反應(yīng)方程組
對于氣相爆轟，滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒
方程、能量守叵方程和氣體狀態(tài)方程，基本方程組為：
√ =(V0-UH，√
PHvx
：
1
p日(L V0~VII)+ Q
11,1t 4-CH ，P ，。Ⅳ √印
式中D——爆速，m／s
，UH——未反應(yīng)氣體和爆轟產(chǎn)物的比容，
m ／kg
P日——爆壓，Pa
— — 爆轟產(chǎn)物的比熱比
Q — —爆熱，J／kg
“ ——爆轟產(chǎn)物質(zhì)點速度，m／s
c ——爆轟產(chǎn)物音速，m／s
J7l ——爆轟產(chǎn)物的平均摩爾質(zhì)量，kg／mol
— — 爆轟產(chǎn)物溫度，K
求解該基本方程組，可以得到氣相爆轟各參
數(shù)如下 m-1 ：
D =
k+1
。
p =南
“ = D
c = D
=
1．2 安全系數(shù)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 ，材料為碳鋼的壓力
容器安全系數(shù)一般取 =3．0。由于這里是針對
爆炸實驗裝置的設(shè)計，而非一般承受靜載壓力容
器，所以此處安全系數(shù)應(yīng)大于規(guī)定值， 宜取5～
8。則容器的設(shè)計壓力為：
P 日
1．3 器壁厚度
(7)
由相關(guān)資料可知 ，球形容器的設(shè)計壁厚為：
· 39·
氣體爆炸實驗裝置的抗爆一泄爆安全設(shè)計方法 VoL29．Nol 1 2012
6≥ + C (8)
圓筒形容器的設(shè)計壁厚為：
式中6——殼體設(shè)計壁厚，mm
p——容器的設(shè)計或計算壓力，MPa
D ——殼體內(nèi)直徑，mm
[ ] ——工作溫度下殼體材料的許用應(yīng)
力，MPa
— — 衰減系數(shù)
C—— 附加壁厚，mm
2 泄爆安全設(shè)計方法
在進(jìn)行泄爆安全設(shè)計時，通過對容器內(nèi)氣體
爆炸(非爆轟)情況的分析，確定泄爆壓力和泄爆
面積。
2．1 泄爆壓力
根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 ]，計算裝有爆破片的
壓力容器的設(shè)計壓力。
(1)確定爆破片的最低標(biāo)定壓力P 。根據(jù)
不同型式的拱形金屬爆破片，推薦的P 值見表1。
表1 最低標(biāo)定爆破壓力P
爆破片型式 載荷性質(zhì) P i ／MPa
普通正拱形 靜載荷 ≥1．43p
開縫正拱形 靜載荷 ≥1．25p
正拱形 脈動載荷 ≥1．7p
反拱形 靜載荷、脈動載荷 ≥1．1p
注：P 為容器的工作壓力。
(2)選定爆破片的制造范圍。爆破片的制造
范圍見表2。
(3)計算爆破片的設(shè)計爆破壓力(即泄爆壓
力)P 。P 等于P 加上所選爆破片制造范圍的
下限(取絕對值)。
(4)確定容器的設(shè)計壓力P。P不小于P 加
上所選爆破片制造范圍的上限。
表2 爆破片的制造范圍 MPa
1．0級 0．5級 0．25級
項目 設(shè)計爆破壓力
上限(正值) 下限(負(fù)值) 上限(正值) 下限(負(fù)值) 上限(正值) 下限(負(fù)值)
0．10～0．16 0．028 0．014 0．014 0．010 0．O08 0．004
0．17～0．26 0．036 0．020 0．020 0．010 0．010 0．005
O．27～0．40 0．O45 0．025 0．025 0．015 0．010 0．010
0．41～0．7O 0．065 0．035 0．030 0．020 0．020 O．O10
fF拱形爆破片 O．71～1．O0 0．085 0．O45 0．040 0．O20 0．020 0．010
1．10～1．40 0．110 0．O65 0．O60 0．040 0．O4O 0．020
1．50～2．50 0．160 0．085 0．080 0．04 0 0．040 0．020
2．60～3．50 0．210 0．105 O．100 0．050 0．040 0．025
3．60以上 6％ 3％ 3％ 1．5％ 1．5％ 0．8％
反拱形爆破片 0．10以上 0 10％ O 5％ O O
2．2 泄爆面積
泄壓裝置工作時，如果由爆炸產(chǎn)生的升壓速
率與泄放造成的降壓速率相等，則容器內(nèi)最大壓
力p 與泄壓裝置動作壓力p 相等，此時泄壓裝置
的泄放面積為最適宜泄放面積 。
(1)升壓速率
球形容器內(nèi)氣體中心點火爆炸過程中，壓力
變化速率可由下列微分方程式求出：
=
3P
，
Vs[( )( )1／k-8 p-P-
。
]
· 40 ·
( —1)∽(衛(wèi)) (10)
Po
式中p—— 容器內(nèi)壓力，Pa
卜一時間，s
廣一火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺／s
r—— 容器半徑，nl
— — 容器內(nèi)壓力升高的倍數(shù)， =p ／P。
p。—— 容器內(nèi)初始壓力，Pa
— — 比熱比，k=Cp／C
當(dāng)容器中火焰?zhèn)鞑サ奖诿鏁r，壓力上升速率
達(dá)到最大值：
第29卷第11期 壓 力 容 器 總第240期
( )ma =3p
，
ovf( -1)占 (11)
(2)泄爆面積
通過氣體動力學(xué)和熱力學(xué)分析，可得到球形
容器內(nèi)氣體爆炸泄放面積為 ：
A：— — 一(12)
Cdp [ ( ) R ]
式中 ——容器體積，m
C — — 泄放系數(shù)，取0．62
p — —爆破片泄爆壓力，Pa
R — — 泄放氣體常數(shù)，J／(kg·K)
— — 泄放氣體的絕對溫度，K
2．3 爆破片材料的選擇
根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) ，爆破片材料及其最高使用
溫度見表3。由于氣體爆炸是瞬間反應(yīng)，爆破片
受到高溫作用的時間非常短(毫秒級)，所以盡量
選用適用溫度高的爆破片材料即可，如鉻鎳合金。
表3 爆破片的最高使用溫度
爆破片材料 最高使用溫度／℃
鋁 loo
銅 20O
鎳 400
奧氏體不銹鋼 4o0
銅鎳合金(蒙乃爾) 430
鉻鎳合金(因康鎳) 480
3 抗爆一泄爆安全設(shè)計
抗爆一泄爆聯(lián)合設(shè)計的主要思想是，依據(jù)抗
爆設(shè)計的方法進(jìn)行容器的抗爆設(shè)計，在進(jìn)行抗爆
設(shè)計時適當(dāng)減小容器的安全系數(shù)以降低容器壁
厚；為了彌補(bǔ)降低安全系數(shù)給容器帶來的危險性，
應(yīng)用泄爆設(shè)計的方法，在容器上加裝爆破片。
氫氣是爆炸強(qiáng)度最強(qiáng)的氣體，其在空氣中的
最大爆炸壓力約為0．84 MPa。在進(jìn)行氫氣爆炸
的試驗中，氫氣可能會因為試驗條件的改變而發(fā)
生爆轟。所以，實驗裝置的抗爆一泄爆安全設(shè)計
應(yīng)以氫氣的爆轟來設(shè)計。
4 實例分析
利用抗爆一泄爆安全設(shè)計方法設(shè)計一個1
m 。的球形氫氣爆炸實驗裝置。
氫氣在氧氣中的反應(yīng)式為：
2H2+02— 2H2O
一般爆炸試驗的反應(yīng)初始壓強(qiáng)P。=0．1
MPa，初始溫度25℃。氫氣的比熱比k=Cp／C =
14．32／10．19=1．149，氣體常數(shù)R =4．124
kJ／(kg·K)。由式(3)可以計算出，氫氣的爆轟
壓力：pH=2．13 MPa。
取安全系數(shù)／／,=5。由式(7)可得，容器的設(shè)
計壓力：p=10．65 MPa。
由球形體積公式： =÷訂r ，可算出V=1 m。
的球形容器，其半徑r=0．62 m，即內(nèi)直徑D =
1．24 m。
經(jīng)查表，一般碳鋼[ ]‘約為130 MPa，忽略
，C，由式(8)可得壁厚：6I>25．93 mm。
按照抗爆安全設(shè)計的方法，1 m。的球形氣體
爆炸實驗裝置的壁厚不得小于25．93 mm。
氫氣在密閉球形容器中與帶泄爆口的球形容
器中爆炸時，最大爆炸壓力如表4所示。
表4 不同條件球形容器內(nèi)氫氣最大爆炸壓力
球形容器情況(V=110 L) 密閉 帶泄爆口(D。=20 mm) 帶泄爆口(D =30 mm) 帶泄爆口(D，=40 mm)
最大爆炸壓力／MPa O．82 0．47 0．39 O．3
與密閉條件時的比值 _—— O．57 0．48 O．37
密閉容器相當(dāng)于抗爆設(shè)計，取安全系數(shù) =
5，帶有泄爆口的球形容器可視為抗爆一泄爆聯(lián)合
設(shè)計。由表4可以看出泄爆口直徑越大，對容器
的保護(hù)效果越好。根據(jù)最壞情形分析，D=20 mm
時，球形容器承受的危險陛最大，但此時其最大爆
炸壓力僅為球形容器密閉時的0．57，即危險性僅
· 41·
CPVT 氣體爆炸實驗裝置的抗爆一泄爆安全設(shè)計方法 Vo129．Nol 1 2012
為密閉時的0．57。因此采用聯(lián)合設(shè)計時，將容器
的安全系數(shù)適當(dāng)降低，這里按一般壓力容器 =5
×0．57=2．85，取n=3。
由式(7)可得，容器的設(shè)計壓力：P=6．39
MPa。由式(8)可以算出，器壁厚度： ≥15．43
m m 。
接下來按照泄爆安全設(shè)計方法，計算爆破片
的設(shè)計爆破壓力p 和泄爆面積 。此時應(yīng)以氫氣
的爆炸(非爆轟)來計算。氫氣的最大爆炸壓力
P =0．84 MPa，則容器的工作壓力P =p =0．84
MPa。由于設(shè)計的是試驗用的爆炸容器，所以容
器承受的脈動載荷，根據(jù)表1應(yīng)選擇正拱形或反
拱形爆破片。這里選擇反拱形爆破片，P ≥
1．1p ，則爆破片的最低標(biāo)定壓力為：p I>0．924
MPa。
根據(jù)表2選擇爆破片的制造范圍，選擇1．0
級的反拱形爆破片，可查得其上限為0 MPa，下限
為0．1p 。則爆破片的設(shè)計爆破壓力：P =1．027
MPa。
由于根據(jù)泄爆設(shè)計計算出的設(shè)計壓力遠(yuǎn)小于
根據(jù)抗爆設(shè)計計算出的設(shè)計壓力，所以在進(jìn)行抗
爆一泄爆聯(lián)合設(shè)計時，不再根據(jù)泄爆設(shè)計單獨計
算容器的設(shè)計壓力。
經(jīng)查閱相關(guān)資料¨ ，可知：氫氣在空氣中
爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣葀i=315 cm／s，爆炸產(chǎn)物溫
度約為Tr=1800 K，容器內(nèi)壓力升高倍數(shù) =
P ／p。=8．4。由式(11)可得氫氣爆炸時壓力上升
速率最大值為：(dp／dt) =51．5 x10。Pa／s。
由式(12)可得泄爆面積：A=0．031 m 。
爆破片直徑：D=0．2 m。
經(jīng)過以上計算可以看出，抗爆一泄爆聯(lián)合設(shè)
計的壁厚(15．43 mm)明顯小于單獨使用抗爆設(shè)
計的壁厚(25．93 mm)，節(jié)省了材料，而且由于使
用了泄爆設(shè)計，安裝了爆破片，安全性沒有明顯降
低。
5 結(jié)語
計算結(jié)果和實例分析表明，應(yīng)用抗爆一泄爆
聯(lián)合設(shè)計來進(jìn)行氣體爆炸實驗裝置的設(shè)計，能夠
、
有效減少容器制造成本，能夠更加方便地使用和
移動實驗裝置。同時，抗爆一泄爆安全設(shè)計還保
證了實驗裝置的安全性。
· 42 ·
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收稿日期：2011—12—11 修稿日期：2012—09一l8
作者簡介：劉志琨(1986一)，男，主要從事連通容器氣體
爆炸研究和換熱設(shè)備結(jié)垢研究工作，通信地址：210009江
蘇省南京市南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，E—
mail：lzkl3@ yahoo．eom．en。

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