摘 要

为了研究金属丝网结构对管道内甲烷-空气预混气体爆炸特性的影响，在尺寸为110 mm×110 mm×3000 mm的方形火焰燃烧传播测试管道中布置压力传感器和热电偶，开展不同目数（10目、20目、30目）和层数（1层、2层、3层）金属丝网对爆炸压力和温度影响的实验，得出以下结论：

(1)测得长方形爆炸火焰传播测试管道中甲烷的爆炸极限为4.5%-14.5%。

(2)在压力上升特性方面，放置金属丝网后，与放置前相比，管道内测得各工况对应的压力峰值均降低。随金属丝网目数和层数的增加，金属丝网对管道内甲烷-空气预混气体爆炸火焰超压衰减率增大，相比与目数的改变，层数的变化对爆炸压力抑制效果更为显著。

(3)在温度上升特性方面，放置金属丝网后，与放置前相比，管道内测得各工况对应的温度峰值均降低。随金属丝网目数和层数的增加，金属丝网对管道内甲烷-空气预混气体爆炸火焰最高温度衰减率增大，相比于层数的改变，目数的变化对爆炸温度抑制效果更为显著。

关键字：金属丝网；爆炸抑制；爆炸温度；爆炸压力；爆炸极限

Abstract

In order to reveal the influence of wire mesh structure on the explosion characteristics of methane - air premixed gas，the pressure sensor and thermocouple are arranged in the square flame combustion propagation test tube with a size of 110 mm x 110 mm x 3000 mm，carry out different mesh (10 orders, 20 mesh, 30 mesh) and the layer number (1 layer, layer 2, 3) wire mesh for explosion pressure and the influence of temperature experiment, the following conclusions：

（1）The explosion limit of methane in the measured square flame combustion propagation test pipeline is 4.5% to 14.5%.

（2）In terms of pressure rise characteristics, after placing the wire mesh, the pressure peak value of each working condition in the pipe is reduced compared with that before placement. With the increase of the layer number of wire mesh and, wire mesh for the pipe explosion pressure attenuation effect better, maximum pressure is reduced, the over-pressure attenuation rate increase, compared with the change of the mesh, layers of more significant effect on explosion suppression effect.

（3）In terms of temperature rise characteristics, after placing the wire mesh, the corresponding temperature peak of each working condition in the pipe was reduced compared with that before placing. With the increase of the layer number of wire mesh and, wire mesh attenuation effect of pipe explosion temperature, the better, the highest temperature value is smaller, the highest temperature attenuation rate is higher, compared to a layer of change, the change of the mesh inhibition effects of blast temperature is more significant.

Key words: Wire mesh; Explosion suppression; Explosion temperature; Explosion pressure; Explosion limit

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1预混气体火焰燃烧研究 2

1.2.2障碍物对预混气体火焰传播特性的影响 2

1.2.3泡沫陶瓷对预混气体火焰燃烧研究 3

1.2.4金属丝网对预混气体火焰燃烧研究 3

1.3论文主要研究内容与研究方法 4

第二章 可燃气体的燃烧爆炸理论 5

2.1可燃气体的链式反应理论 5

2.2火焰的传播与加速机理 5

2.2.1火焰的传播机理 5

2.2.2火焰的加速机理 5

2.3可燃气体爆炸的基础理论 6

2.3.1可燃气体爆炸的基本形式 6

2.3.2可燃气体爆炸的基本参数 6

2.4可燃气体的热爆炸理论 8

2.5本章小结 8

第三章 实验设备及步骤介绍 9

3.1实验系统 9

3.1.1 长方形爆炸火焰传播测试管道系统 9

3.1.2 配气系统 9

3.1.3 高压点火系统 10

3.1.4 同步控制系统 10

3.1.5温度及压力测试系统 11

3.1.6 数据采集仪 12

3.1.7 金属丝网结构 12

3.2 实验步骤及初始条件 13

3.2.1 实验步骤 13

3.2.2 实验初始条件 14

3.3本章小结 14

第四章 金属丝网结构对甲烷-空气预混气体爆炸特性的影响 15

4.1 爆炸极限的测量 15

4.2金属丝网目数对甲烷-空气预混火焰传播特性影响 16

4.2.1 目数对管道内压力特性的影响 16

4.2.2 目数对管道内温度特性的影响 18

4.3金属丝网层数对甲烷-空气预混火焰传播特性的影响 20

4.3.1 层数对管道内压力特性的影响 20

4.3.2 层数对管道内温度特性的影响 22

4.4本章小结 23

第五章 结论与展望 25

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

甲烷气体用作燃料，相较于其他燃料，具有清洁、放热量大、环保的优点，现已经广泛的应用于人们的日常生活中。甲烷气体在化工领域也有大量的应用，甲烷气体可作为用于合成医药化工产品的生产原料；还可作为合成甲醛、氢、乙炔、乙烯、甲醇、二硫化碳、硝基甲烷等化学品的生产原料；还可作为合成氨、尿素等产品的生产原料。

在甲烷气体应用的过程中，往往涉及到甲烷气体的管道运输，而在甲烷气体运输的过程中，存在着甲烷气体泄漏的安全问题，正常情况下，甲烷气体的爆炸极限是5.0%-15.4%，因此，一旦甲烷泄露到空气中，或者空气进入运输管道中，如果不及时处理或者处理不当，甲烷与空气就会形成一定浓度的可燃性预混气体，遇到明火，就会发生甲烷爆燃甚至爆轰的安全事故，给人和设备带来极大的危害。

目前，在国内外，在运输过程中，可燃性气体因泄漏导致的爆炸事故每年为国家都带来了巨大的损失，2005年2月14日，辽宁省阜新矿业有限责任公司孙家湾煤矿海州立井瓦斯在井下大量积聚，遇电火花，发生了一起特别重大瓦斯爆炸事故，事故造成了214人死亡，30人受伤，直接经济损失达到了4968.9万元；2006年4月29日，陕西省延安市子长县瓦窑堡镇煤矿3号工作面瓦斯大量积聚，工人违章放炮时产生的明火将积聚的瓦斯点燃，发生了一起特别重大瓦斯爆炸事故，事故造成了32人死亡，7人受伤，直接经济损失达到1031万元；2010年5月10日，俄罗斯拉斯帕德斯卡亚矿井因管理混乱发生了一起特别重大甲烷爆炸事故，事故造成32人死亡，另有58名矿工至今下落不明；2013年10月8日，博兴县诚力供气有限公司焦化装置的煤气柜发生煤气泄漏，遇明火发生重大爆炸事故，事故造成了10人死亡，33人受伤，直接经济损失达到3200万元；2016年9月19日，江苏省无锡市新屋区一民宅因天然气管道泄漏发生了一起爆炸事故，事故造成5人死亡，5人受伤；2016年10月31日，重庆市永川区金山沟煤业有限责任公司矿井内瓦斯大量积聚，遇明火将积聚的瓦斯点燃，引发爆炸，事故造成了33人死亡，1人受伤，直接经济损失达到3682万元；2016年12月3日，内蒙古自治区赤峰宝马矿业有限责任公司矿井下开采工作面瓦斯积聚，遇明火后被点燃，引发爆炸，发生特别重大瓦斯爆炸事故，事故造成32人死亡、20人受伤，直接经济损失达到4399万元；2017年7月2日上午10点44分，贵州省黔西南州晴隆县一天然气管道发生泄漏发生一起爆炸事故，事故造成了8人死亡，35人受伤；2017年7月4日，吉林省松原市宁江区繁华路巷路施工过程中发生燃气泄漏，燃气公司在抢修时发生爆炸，事故导致5人死亡，89人受伤；2017年9月13日，鸡东县裕晨煤矿发生重大瓦斯爆炸事故，事故造成10人死亡、8人受伤，直接经济损失达到1031.53万元；

气体管道运输安全重要性日益突出，如何更好的保证气体管道运输的安全性，如何更好的让人们认识到气体爆炸的危害，如何更好的让人们认识到气体管道爆炸抑制机理，还需要科研工作者的进一步研究，金属网孔结构具有重量轻、体积小、制作简单，对气体爆炸时火焰与温度有较好的抑制作用的优点而被相关人员青睐。为了研究金属丝网孔结构对甲烷-空气预混气体爆炸特性的影响，进行了大量的相似实验，得到了火焰通过金属丝网后的压力、温度变化曲线，总结了金属丝网结构对管道内甲烷-空气预混气体爆炸火焰的温度、压力影响规律，为化工行业的气体管道的安全性设计提供理论上的数据支持，减少此类事故给国家带来的巨大损失。

1.2国内外研究现状

1.2.1预混气体火焰燃烧研究

谢长春^[1]通过实验研究了不同浓度甲烷爆炸火焰传播特性，并利用Matlab软件的图像处理功能，对实验拍摄的火焰传播图片进行分析得到了火焰传播速度，利用专业气体爆炸模拟软件FLACS对不同泄爆条件下甲烷爆炸火焰传播过程进行数值模拟。

王嘉辉^[2]通过实验测量了甲烷-空气预混气体在管道内的爆炸极限，测量了不同浓度条件下的甲烷-空气预混气体爆炸火焰在管道内产生的最大压力，测量了富氧、当量浓度、贫氧条件下甲烷-空气预混气体爆炸火焰在管道内传播的速度以及火焰结构，研究了在不同的泄压条件下，火焰传播的规律。

陈先锋^[3]通过实验对丙烷-空气预混火焰的传播特性进行了实研究，重点研究了在不同泄压条件下，丙烷-空气预混火焰的传播特性；研究了在稀疏波条件下，丙烷-空气预混火焰的传播特性；研究了在当量比等初始条件下，丙烷-空气预混火焰的传播特性，利用高速纹影系统技术对丙烷-空气预混气体火焰传播过程进行了拍摄，利用离子探针、微细热电偶等技术对丙烷-空气预混气体传播过程中的火焰压力、温度进行了测量，通过分析，得出了火焰基本结构失稳的基本原因。

BAUWENS C R，DOROFEEV S B^[4]通过实验研究了初始扰动条件对氢气-空气预混气体爆燃时超压的影响。

GUO J S，C． Wang^[5]通过实验研究了点火位置对氢气-空气预混气体爆炸火焰特性的影响。

1.2.2障碍物对预混气体火焰传播特性的影响

李国庆等^[6]通过实验研究了障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性的的影响，实验结果表明圆柱体障碍物会改变油气泄压爆炸火焰的形态，导致层流火焰向湍流火焰转变，加速火焰的传播；随着障碍物数量的增多，会增大火焰锋面传播距离点火端的最大距离，并且达到最远距离的时间减少，随着障碍物数量的增多，会增大火焰传播的最大速度，并且达到最大火焰传播速度的时间减少；障碍物的存在也会增大油气泄压爆炸过程的外部爆炸压力，并且随着障碍物数量的增多，外部爆炸压力峰值增长幅度增大。

桂晓宏等^[7]通过实验研究了瓦斯爆炸过程中火焰速度与超压之间的关系，实验结果表明在瓦斯爆炸过程中，火焰速度会改变冲击波阵面的强度；无障碍物时，火焰速度小于100m/s，产生的冲击波较弱，冲击阵面上超压较小；并且火焰速度会随着障碍物的增多而变大，一旦火焰速度达到200m/s，冲击波阵面上的超压显著提高，冲击波阵面强度增大。

Yang Yi等^[8]研究了网格障碍物对甲烷气体爆炸的影响，得到了爆炸火焰穿越障碍物的图像，并测量了火焰在传播过程中的速度和温度。实验结果表明，网格状障碍物破坏了未燃气体，增强了火焰前缘的拱度和火焰内流场的湍流强度，燃烧反应更加剧烈，火焰前表面和火焰内流场的分形维数也增加了。

Yu，M．，K．Zheng and T．Chu^[9]通过实验研究了各种空方障碍物对气体爆炸传播的影响。

1.2.3泡沫陶瓷对预混气体火焰燃烧研究

Zhang Dong等^[10]通过试验研究了多孔泡沫陶瓷对采空区气体爆炸的抑制作用，研究结果表明多孔泡沫陶瓷能有效的抑制采空区气体的爆炸。

Zhang JinFeng等^[11]通过试验研究了泡沫陶瓷对瓦斯爆炸火焰和冲击波的耦合作用d y影响，研究表明泡沫陶瓷的特殊结构可以破坏火焰和冲击波的耦合效应，减弱冲击波的破坏作用。

1.2.4金属丝网对预混气体火焰燃烧研究

陈鹏等^[12]通过实验研究了金属丝网对甲烷-空气预混气体燃烧火焰传播特性的影响。实验结果表明火焰通过金素丝网前后其燃烧特性发生明显的变化，一方面使管内网前压力波超压峰值增大，另一方面吸收压力波。对网后的压力波一方面将层流燃烧激励成湍流燃烧，使峰值超压增大；另一方面，当丝网达到一定层数时，火焰穿过丝网发生淬熄。

顾涛等^[13]通过实验研究了金属材料对火焰波的阻隔作用，实验结果表明阻隔物距离点火源的距离对火焰波传播有显著的影响，不同金属材料的阻隔物的热传导系数对火焰波的阻隔效果有显著的影响；并由此提出了金属热导系数与阻隔火焰波时间的函数关系。

孙建华等^[14]通过实验研究了不同参数的金属丝网、泡沫陶瓷材料及二者组合体对爆炸火焰压力和温度的影响，研究结果表明一定参数的金属丝网和泡沫陶瓷组合体，对爆炸火焰压力和温度的衰减效果都要优于单体。

喻健良等^[15]通过实验研究了多层丝网结构对乙炔-空气混合气体与丙烷-空气混合气体燃烧爆炸的抑制作用，提出了临界淬熄速度、临界淬熄超压和熄爆参数三个概念，用火焰传播速度和压力来描述抑爆效果，并用熄爆参数来衡量抑爆结构抑制燃烧爆炸的能力。

吴征艳等^[16]通过实验研究多层金属丝网结构对瓦斯爆炸传播的抑制作用的机理，并建立了多层丝网结构抑燃抑爆的数学模型，并提出了火焰传播参数、爆炸反应波参数与丝网结构参数之间的函数关系。

魏春荣^[17]通过实验研究了泡沫陶瓷与金属丝网对爆炸火焰传播的影响，分析了材料自身参数对抑爆效果的影响，总结了泡沫陶瓷与金属丝网阻隔管道内瓦斯爆炸的优缺点。

张巨峰等^[18]通过实验研究了金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播的影响，结果表明，预混可燃气体爆炸火焰在管道内的传播是一个非常复杂的过程，多层金属丝网可以明显的影响预混可燃气体爆炸火焰在管道内的传播，可以完全淬熄较弱的爆炸火焰。

1.3论文主要研究内容与研究方法

主要研究了金属丝网对管道内甲烷-空气预混气体爆炸特性的影响。旨在为预防和抑制天然气管道火灾爆炸事故提供可靠的实验依据和理论参考。主要研究内容包括：

1.利用长方形爆炸火焰传播测试管道测定管道内甲烷-空气预混气体的爆炸极限，研究密闭空间条件对甲烷爆炸极限的影响。

2.利用压力传感器与热电偶测量甲烷-空气预混气体燃烧火焰通过金属丝网后的压力和温度变化，以分析其压力变化特性、温度变化特性。

3.改变金属丝网的层数和目数，研究在不同层数与目数的条件下，金属丝网对甲烷-空气预混气体爆炸火焰压力和温度的影响。

1. 可燃气体的燃烧爆炸理论

2.1可燃气体的链式反应理论

1913年，苏联科学家谢苗诺夫提出了著名的链式反应理论。在物质的燃烧过程中，参与反应的物质由于吸收能量而离解为游离基，离解出来的游离基参与反应，或被消灭，或生成新的游离基。通过这种方式，将燃烧热释放出来，直至全部物质燃烧完成或由于中途受到抑制而停止燃烧。

链式反应理论可分为链引发、链传递、链终止三个阶段。链的引发就是参与反应的物质由于吸收能量而离解为游离基，分子是原子通过化学键连接而成的，不同的化学键的强度不同，强度弱的化学键更容易断裂形成自由基；链的传递是指自由基一经生成，便会在某种作用力下发展成为长链，依次交替直至反应物消耗殆尽或自由基被消灭为止。链的终止就是将自由基引向消灭的反应。自由基与惰性分子相撞而将能量分散或两个自由基相互作用，或自由基与器壁碰撞等，自由基都会被消灭^[19]。

2.2火焰的传播与加速机理

2.2.1火焰的传播机理

火焰的传播机理主要分为层流和紊流火焰传播机理两种，主要由雷诺数决定。

层流火焰传播的理论认为静止的可燃气与空气进行混合，在点火源的作用下，生成一层薄薄的线状的反应区域，薄火焰层反应厚度一般为毫米级，将反应物与燃烧产物隔开，火焰以这种形态向前传播。

紊流火焰传播的理论认为在流量较大，混合气流过高的情况下，可燃性气体气流中就会产生不规则的气流涡团，在不停的旋转和平移，从而会影响火焰阵面，产生皱纹，导致火焰变粗变短，发出声音，火焰以这种形态向前传播^[2]。

2.2.2火焰的加速机理

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