多孔材料抑制瓦斯爆炸传播的实验及机理
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魏春荣;徐敏强;孙建华;龚志超;孙蕊
【摘 要】Using lf-design the ction 30cm×30cm gas explosion experiment pipe, experimental rearch the different parameters of the metal wire mesh, foam ceramic materials and porous foam iron nickel metal suppres- sion of blasting effect, combined with material characteristics, analysis the mechanism of inhibition explosion. The results showed that the metal wire mesh, foam ceramic and porous foam iron nickel metal on gas explosion spread all have certain inhibition, porous foam iron nickel metal failure pressure and the fireproof effect is better than metal wire mesh and foam ceramics, material damage degree is reduced and the attenuation flame of effect is improved; point four, porous foam iron nickel metal than 40 orders 40 layers metal wire mesh in the attenua- tion of the flame temperature increa of 43.8%, compared by A1203 7cm big hole ceramics bubble up 34.5%. Point ven, porous foam iron nickel metal than 40 orders 40 layers metal wire mesh in the attenuation of the explosion overpressure increa of 29.9%, compared by SiC
5cm big hole ceramics bubble up 22.4%.%利用自行设计加工的断面为30cm×30cm方形爆炸实验管道,对不同参数的金属丝网、泡沫陶瓷材料和多孔泡沫铁镍金属的抑爆效果分别进行了实验研究,结合材料特点,分析了其抑爆机理。实验结果表明,金属丝网、泡沫陶瓷和多孔泡沫铁镍金属对瓦斯爆炸传播均有一定抑制作用,多孔泡沫铁镍金属衰压和阻火效果优于金属丝网和泡沫陶瓷,材料的损坏程度明显降低,对火焰衰减效果增强;测点4,多孔泡沫铁镍金属相比40目40层金属丝网对最大火焰温度的衰减率提高了43.8%,相比Al2O3 7cm大孔泡沫陶瓷提高了34.5%。测点7,多孔泡沫铁镍金属相比40目40层金属丝网体对爆炸超压的衰减率提高了29.9%,相比SiC 5cm大孔泡沫陶瓷提高了22.4%。
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2012(043)016
曹操短歌行翻译【总页数】5页(P2247-2250,2255)
【关键词】瓦斯爆炸;多孔材料;抑爆;金属丝网;泡沫陶瓷;泡沫金属
【作 者】魏春荣;徐敏强;孙建华;龚志超;孙蕊
【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001 黑龙江科技学院安全工程学院,黑龙江哈尔滨150027;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001;黑龙江科技学院安全工程学院,黑龙江哈尔滨150027;哈尔滨第一机械制造集团公司哈尔滨北方特种车辆研究院,黑龙江哈尔滨150056;哈尔滨第一机械制造集团公司哈尔滨北方特种车辆研究院,黑龙江哈尔滨150056
【正文语种】团支书用英语怎么说中 文
【中图分类】yaduTD724;TD792
瓦斯爆炸事故是造成煤矿企业群死群伤的首要灾害，而我国煤矿现采用的传统阻隔爆设施，如水棚、岩粉棚等在实际使用中，不能达到预期的阻隔爆效果［1］，开展有效抑制瓦斯爆炸材料及阻隔爆装置的研究已迫在眉睫。近年来，多孔材料因其质量轻，对爆炸时产生的压力波和火焰波具有较好的抑制作用而受到关注，已在军事和民用工程防护领域得到广泛的应用［2-5］。国内外专家学者也陆续开展了多孔材料性能及抑制爆炸方面的研究［6-18］，但对5cm以上泡沫陶瓷材料抑爆实验少有涉及，对多孔泡沫金属作为抑爆材料抑制瓦斯爆炸传播的研究还罕见报道。本文选择金属丝网(30和40目)、泡沫陶瓷(Al2O3、
divinaSiC)和多孔泡沫铁镍金属材料作为抑爆实验材料，研究不同参数的多孔材料对管道内瓦斯爆炸的抑爆效果，通过分析实验结果，结合材料特点，总结其抑爆机理。
图1为放置在实验管道中的金属丝网、Al2O3泡沫陶瓷、SiC泡沫陶瓷、泡沫铁镍材料图。
选用30目(2.54cm内排列的目数)和40目不锈钢丝网，组成不同层数金属丝网体。Al2O3、SiC两种材质的泡沫陶瓷材料，通孔率为80% ～90%，孔径(2.54 cm长内排列的孔数)为10(大孔)，厚度分别为7和5cm。泡沫铁镍金属材料通孔率为80% ～90%，体积密度为0.3和0.8g/cm3两种类型，孔径为30ppi(小孔)、20ppi(中孔)、10ppi(大孔)3种规格，尺寸为28cm×28cm，厚度分别为3、6和8cm。
如图2所示，实验管道为自行设计加工的断面为30cm×30cm的方形钢板管道，总长为6.5m，工作压力为10MPa。全管道由长度为0.3m气室和4节长度为1.55m的管道组成，法兰连接，可分装拆卸，气室与每节管道各有4个测试孔，选用其中8个测孔，安装火焰温度和压力传感器，通过采集卡采集电压数值，转化为火焰温度和压力值。
选用浓度为7.68%的瓦斯混合气体，管道抽真空后，全管充入瓦斯混合气体，管道后端用
黑衣人3片尾曲culter强力胶粘牛皮纸封闭，前端点火。先进行空管实验;在管道中距引爆点3.5m处，用钢管支架固定试件，泡沫和密封胶密封边缘空隙，进行抑爆效果实验。
如图3、4所示，多层金属丝网体对管道内瓦斯爆炸最大超压衰减率在22.5% ～43.9%，对火焰温度的衰减率在8.7% ～26.9%。管道中放置金属丝网体，爆炸火焰亮度和喷出管道出口长度明显减小，爆炸响声较大，说明其吸收声学驻波的能力较差。管道内回火现象使靠近出口面局部丝网有烧结现象，实验结束后，丝网体温度明显升高;金属丝网硬度较高，抗冲击波损毁能力较强，但抗烧结能力较差。爆炸超压数据反映出金属丝网衰压能力整体上不如泡沫陶瓷。多层金属丝网体层与层之间几乎没有间距，所形成的空间网状结构，孔道与孔道间连通程度较低，冲击波对其压缩耗能程度较低，金属丝较为光滑，表面积较小，冲击波在其内部反射、散射作用程度较低，所消耗的能量较少。火焰温度数据表明40目金属丝网体阻火能力整体上略微优于泡沫陶瓷，多层金属丝网体孔隙之间贯通程度较低，火焰锋面在其内部不容易连续，被细分成若干小股，热量无法补充，容易失去热平衡，导致部分小火焰团熄灭。另外，金属丝网基体材料的热熔高，导热迅速，热传递作用得以强化，火焰温度下降较快，易于发生淬熄，阻止部分火焰继续传播。
如图5、6所示，泡沫陶瓷对管道内瓦斯爆炸超压衰减效果明显，衰减率在43.3% ～51.4%，对火焰温度衰减率在23.1% ～36.2%。管道中放置不同参数的泡沫陶瓷材料，爆炸火焰喷出管道出口亮度和长度降低，陶瓷表面烧结现象不很明显，部分表层空隙被烧成黑色，内部空隙颜色变化不明显，实验结束后，泡沫陶瓷两侧温度略微升高;泡沫陶瓷强度较低，个别材料有碎裂现象，泡沫陶瓷衰减爆炸响声的效果明显，说明其吸收声学驻波的能力较强。整体上泡沫陶瓷衰压效果优于金属丝网，泡沫陶瓷具有三维贯通的网状孔隙结构，且孔道壁粗糙，孔筋较粗，对冲击波压缩耗能，内部网状孔道弹性形变耗能程度较大，冲击波在三维贯通孔隙结构中重复反射、散射作用更加充分。火焰温度数据表明，泡沫陶瓷对火焰温度衰减效果优于30目金属丝网，略差于40目金属丝网，整体来看，由于泡沫陶瓷为非金属材料，热传递速度慢，火焰锋面在其三维贯通孔道结构内较容易连续，所以衰减效果整体上不如多层金属丝网体。
瓦斯爆炸传播是压力波和火焰波传播过程的耦合，互相影响，形成正反馈，互相促进，共同作用构成强烈的破坏效应，对火焰波和压力波同时大幅度抑制是减小爆炸危害的有效方法。通过对上述实验结果的分析，金属丝网和泡沫陶瓷对爆炸超压和火焰温度均有一定的抑制作用，鉴于金属丝网抗烧结能力较差(图7)，泡沫陶瓷材料抗冲击波强度较差(图8)，目
前基于多孔泡沫铁镍金属对瓦斯爆炸阻隔爆的研究尚未见报道，提出采用多孔泡沫铁镍金属进行实验。
管道中放置不同参数的多孔泡沫铁镍金属材料，爆炸火焰喷出管道出口距离和火焰亮度明显降低，泡沫金属材料阻隔爆炸火焰效果良好。实验后靠近引爆端试件表面温度明显升高，抗冲击波能力较好，无碎裂变形现象，45组实验中仅有7组实验试件局部有烧结现象，其中最严重的一组材料烧结情况如图11所示，其余材料烧结面积均较小。
如图9所示，整体上多孔泡沫铁镍金属材料对管道内瓦斯爆炸超压最大衰减率在12.9% ～73.8%之间，各测点对爆炸超压衰减效果明显。放置试件的测点4、5间爆炸超压与空管相比下降幅度较大，并对冲击波在管道后半段的传播产生影响，使得超压峰值大幅度降低。如图10所示，整体上多孔泡沫铁镍金属材料对管道内瓦斯爆炸火焰温度最大衰减率在7.1% ～70.7%之间，管道后半段火焰温度下降明显。试件置于测点4、5之间，测点4、5间火焰温度与空管相比下降幅度较大，说明多孔泡沫铁镍金属材料阻火效果良好。测点4，多孔泡沫铁镍金属相比40目40层金属丝网对最大火焰温度的衰减率提高了43.8%，相比Al2O3 7cm大孔泡沫陶瓷提高了34.5%。测点7，多孔泡沫铁镍金属相比40目40层金属丝网体对爆
炸超压的衰减率提高了29.9%，相比SiC5cm大孔泡沫陶瓷提高了22.4%。多孔泡沫铁镍金属对爆炸超压及火焰温度的衰减效果优于金属丝网和泡沫陶瓷，对火焰温度衰减优于金属丝网和泡沫陶瓷的程度大于爆炸超压衰减优于金属丝网和泡沫陶瓷的程度。
泡沫金属材料的网状、无方向性多孔结构，使其具有吸收横波和抑制驻波的双重能力，爆炸火焰通过泡沫金属材料细小的三维贯通孔隙结构时，被分化成若干细小股火焰，使得火焰锋面不能连续，并对火焰通过造成阻力，与孔壁的碰撞、摩擦导致参加燃烧反应的自由基数量急剧减少，削弱了反应强度。爆炸火焰与大量金属孔壁及毗邻结构产生的热交换效应使火焰的热量大量散失，大部分小股火焰温度迅速降低到淬熄温度以下而熄灭，从而阻止火焰的继续传播。当相对密度一定时，基体材料本身的力学性能会对泡沫材料的性能起重要的作用，多孔泡沫金属基体材料是铁镍金属，铁镍金属基体材料的力学性质直接决定多孔泡沫金属材料的压缩变形行为和模式，决定了其脆性和韧性性能，冲击波到达泡沫金属材料的表面，固体表面的反射作用消耗一部分冲击波能量;泡沫金属材料内部具有大量的三维贯通孔隙结构，当冲击波入射至其中，以不同角度撞击到孔隙结构内壁上，产生不同角度的反射和散射作用;在反复的反射和散射过程中部分能量抵消、消耗。经过以上作用过程，冲击波在经过泡沫金属材料后趋于发散和不均匀的状态，导致其前进波不能产生周期
性反转，也不能够和反射波互相干涉而产生驻波，从而使冲击波超压峰值大幅度衰减。饬令
(1) 利用自行建立的管道瓦斯爆炸实验系统，对金属丝网和泡沫陶瓷的抑爆效果进行了实验，验证了金属丝网和泡沫陶瓷对爆炸超压和火焰温度均有一定的衰减作用。通过分析实验现象及数据，结合材料自身特点，总结了金属丝网和泡沫陶瓷作为抑爆材料的优劣势。
(2) 对多孔泡沫铁镍金属材料进行实验，实验结果表明多孔泡沫铁镍金属对管道内瓦斯爆炸超压和火焰温度的衰减效果优于金属丝网和泡沫陶瓷，对瓦斯爆炸超压的衰减率在12.9% ～73.8%之间;对瓦斯爆炸火焰温度的衰减率在7.1% ～70.7%之间。
(3) 多孔材料在衰减过程中也起到障碍物的作用，管道截面阻塞率对多孔材料抑爆效果的影响还需进一步深入研究。
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