Experimental study on detonation propagation in industrial scale pipelines used in petrochemical plants
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摘要: 针对石化装置罐区大口径、长距离管道内火焰传播缺乏系统研究的问题，设计搭建了DN50～DN500工业尺度管道火焰传播实验装置，并开展了丙烷/空气、乙烯/空气等可燃气体在不同管径下的实验研究。实验结果表明：可燃气体积分数对火焰传播及爆轰有一定影响，当接近化学计量浓度时，爆轰加速距离更短，更易形成稳态爆轰，而当可燃气混合气为贫燃或富燃状况时，爆轰加速距离则会增长；火焰爆轰传播速度、爆轰压力与管道管径基本无关，受可燃气种类影响更大；对应体积分数为6.6%的乙烯/空气和体积分数为4.2%的丙烷/空气混合气体，爆轰压力分别是初始压力的15.17和14.47倍，DN150以下管径内的爆轰压力远高于ISO16852标准给出的参考值。罐区连通管道阻火器选型安装时，应结合安装位置选用合适的阻火器。Abstract: Based on the lack of systematic research on flame propagation in large-diameter and long-distance pipelines in the tank area of petrochemical plants, an experimental device for flame propagation in DN50-DN500 industrial-scale pipelines was designed and built. In this paper, effects of concentration of gas mixture for propagation characteristics of steady gaseous detonation waves in ethylene-air mixtures with DN50 pipeline were studied experimentally. The volume concentration of gas mixture was 5.6%, 5.93%, 6.6%, 7.15%, 8.0% ethylene in air. Homogeneous C2H4/air (6.6%) and C3H8/air (4.2%) mixtures were used with 9 kinds of pipelines which were from DN50 to DN500 to study the effects of pipeline diameter for propagation characteristics of steady gaseous detonation. The experimental results show that the concentration of combustible gas has an effect on flame propagation and detonation. The detonation runup distance is short and steady detonation is more likely to be formed when it is close to chemical equivalent concentration, when the combustible mixture is poorer or richer, the steady detonation will need more runup distance. The detonation flame speed and pressure are more affected by the type of combustible gas instead of pipe diameter. The detonation pressure of the mixture of 6.6% C2H4/air and the mixture of 4.2% C3H8/air is 15.17 and 14.47 times of the initial pressure, respectively, which is different from the reference value given by the ISO16852 standard where the ratio pm/p0 (the average value of the detonation pressure to initial pressure) increases with pipe diameter. The detonation pressure of pipeline below DN150 is far higher than the reference value which is 10 and 12. It’s suggested that in the design of pipelines and selection and installation of flame arresters for connecting pipelines in the tank areas, detonation pressure requires careful consideration and appropriate arresters should be selected in combination with the installation position.
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Key words:
- gaseous detonation /
- flame propagation /
- industrial scale /
- pipeline
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涂层制备技术是表面工程领域的研究重点, 目前各种耐磨、耐高温、耐烧蚀、光敏、氧敏、绝缘涂层广泛应用于航空、航天、石油、化工、机械、电子、船舶、汽车、建筑等领域。现有涂层制备技术主要为热喷涂[1-2]、冷喷涂[3]、激光熔覆[4]、化学沉积[5]等, 这些方法均需专用设备且喷涂效率较低, 大面积涂层制备成本高昂, 限制了材料的进一步应用。爆炸压涂是一种全新的爆炸加工技术, 它是利用炸药爆轰产生的高压驱动金属板高速撞击粉末, 使粉末在得到压实的同时牢固地附着在金属板表面形成涂层的加工技术[6-7]。
铜具有良好的导电和导热性能, 在电气和制冷工业中有着广泛的应用。另外, 铜具有很好的延展性, 是典型的韧性金属。本文中, 对铜涂层进行爆炸压涂研究, 介绍爆炸压涂技术的具体实施工艺, 利用爆炸压涂技术在铜基板上制备铜涂层, 测量涂层的孔隙率、硬度和氧化程度。
1. 爆炸压涂技术
爆炸压涂与现有的爆炸加工技术如爆炸焊接[8]、爆炸喷涂和爆炸压实[9], 有着本质上的不同:爆炸焊接是实现金属板之间的结合, 而爆炸压涂是实现粉末与板之间的结合; 爆炸喷涂需要喷枪等专用设备, 而爆炸压涂不需专用设备; 爆炸压实是将粉末制成块体材料, 而爆炸压涂是将粉末制成涂层。
爆炸压涂的实验装置非常简单, 如图 1所示。粉末装在铁槽内, 放置在坚实的地面上, 利用支架将金属板支撑在粉末上方, 使金属板与粉末平行, 两者之间的间隙称为炸高。炸药平铺在金属板上表面, 雷管安装在炸药左端中心位置。起爆后爆轰波向右侧传播, 金属板在爆轰产物驱动下向下方飞行, 与粉末高速撞击后, 将粉末压实, 同时粉末涂覆在金属板下表面, 形成涂层。
爆炸压涂属于冷喷涂, 不需要对金属板和粉末进行预加热。这不仅简化了工艺, 而且避免了热喷涂技术预加热粉末造成的晶粒长大或氧化, 所以爆炸压涂不但可以制备常规的金属或非金属涂层, 还适合制备纳米、非晶和氧敏涂层。爆炸压涂利用炸药爆轰驱动金属板飞行, 撞击速度可达几千米每秒, 而其他冷喷涂技术利用高压气体驱动粉末飞行, 撞击速度不超过一千米每秒, 因此爆炸压涂在制备难结合的高硬度涂层时比现有冷喷涂技术更具优势。
2. 铜涂层爆炸压涂实验
采用膨化硝铵炸药, 密度为1.0g/cm3, 爆速为3 200m/s, 装药厚度为25mm。铜板为工业T2紫铜板, 尺寸为400mm×200mm×2mm。铜粉为雾化法制取的球状铜粉, 粒度为100~150μm, 厚度为2mm。通过爆炸压涂实验[10]得出碰撞速度为900m/s时, 铜涂层品量最优, 因此设置炸高为10mm。爆炸压涂前铜板表面进行了打磨处理, 使其表面具有一定的粗糙度, 有利于与铜粉的结合。铜粉的表面形貌如图 2所示。粉末的表面形貌直接影响粉末的松装密度, 影响粉末颗粒之间的结合及涂层的整体性能。从图 2中可以看出, 粉末颗粒球形度较好, 粒度较均匀。
2.1 涂层样品的组织形貌
图 3为光学显微镜下和扫描电镜下的涂层断面形貌。涂层有明显的层次结构, 大概由6层颗粒组成, 厚度均匀, 为约280μm。铜粉与铜板结合紧密, 无明显孔隙和裂纹。爆炸压涂时, 炸药爆炸形成的高压驱动铜板高速撞击铜粉, 铜粉颗粒发生了严重的塑性变形, 流动堆垛, 形成了机械咬合。铜粉颗粒整体尺寸仍保持100~150μm, 说明铜粉颗粒在爆炸压涂时既没有整体熔化, 也没有长大。
2.2 涂层的孔隙率
图 4为扫描电镜下的涂层表面形貌, 可见涂层表面分布着少量的微小孔洞和裂纹, 孔隙的数量直接反映涂层的密实程度。涂层的孔隙率高, 则表示密实程度小。另外, 涂层的孔隙率是衡量涂层表面品量和力学性能的重要参数之一, 通常可以用定量截线法[11]在显微结构图上得到。在图 3(b)上用截线法测得铜涂层的平均孔隙率为约2%。常规冷喷涂方法在预热330℃下, 制备的铜涂层孔隙率在1%~15%[12-13]。由此可见, 爆炸压涂制备的铜涂层比冷喷涂制得的铜涂层更致密。这是因为, 爆炸压涂时炸药驱动铜板的速度可以达到900m/s, 而冷喷涂时喷枪加速粉末颗粒的速度一般只有600m/s[14]。粉末与基板的碰撞速度越高, 粉末颗粒的变形就越大, 就能更好地填充粉末间的空隙, 涂层的孔隙率也就越低。如果对爆炸压涂制备的铜涂层进行后续热处理, 可以进一步消除孔隙, 得到几乎无孔隙的优质涂层。
2.3 涂层的硬度
涂层的硬度也是衡量涂层品量和性能的重要参数。为了测量涂层断面的显微硬度, 在距离涂层表面50~150μm, 随机选取4点进行测量, 取平均值作为显微硬度。采用两对面角为136°的正四棱角锥体的金刚石压头进行测试, 通过测量压痕的对角线长度, 计算显微维氏硬度。根据压痕尺寸, 选取载荷为50g, 加载时间为15s, 观察的放大倍数为500。对于冷轧铜板的硬度, 也用相同的方法进行测试, 两者的结果对比见表 1。表中, hV0.05, coating和hV0.05, plate分别为涂层和铜板的显微硬度。
表 1 涂层和铜板的显微硬度Table 1. Microhardness of coating and copper plateNo. hV0.05, coating hV0.05, plate 1 117 114 2 107 121 3 114 118 4 119 114 平均 114 117 涂层的硬度与孔隙率密切相关, 涂层的硬度越大, 孔隙率越小。由表 1可见, 铜涂层的硬度已经接近冷轧铜板的硬度, 说明制备的铜涂层非常致密, 孔隙率很低。这也验证, 截线法测得的孔隙率较准确。
2.4 涂层的氧化程度
表 2显示了铜粉和涂层表面的能谱分析结果。铜粉中铜元素的质量分数为96.11%, 氧元素的质量分数为3.53%, 涂层中铜元素的质量分数为95.03%, 氧元素的质量分数为4.48%。在制备涂层前后, 氧元素增加了0.95%, 由于能谱分析是半定量的测试手段, 对于质量分数小于20%的元素, 其测量误差在±3%, 所以可以认为氧元素并未增加。涂层中氧元素质量分数发生变化, 说明在爆炸压涂过程中铜粉没有发生氧化。其原因有:(1)碰撞前铜粉没有进行预加热, 所以不会发生氧化; (2)碰撞时虽然冲击波和塑性变形会使铜粉升温, 但是碰撞过程是瞬时的, 铜粉来不及氧化就形成了涂层。爆炸压涂方法制备的涂层不会发生氧化现象, 所以可以使用这种技术制备氧敏感特性涂层[15](如TiO2)。
表 2 铜粉末和涂层的元素组成Table 2. Element composition of powder and coating元素 wpower/% wcoating/% C 0.37 0.49 O 3.53 4.48 Cu 96.11 95.03 3. 结论
通过对爆炸压涂制备的铜涂层进行测试分析, 得出如下结论:
(1) 铜涂层厚度均匀, 孔隙率为约2%, 显微硬度接近轧制铜板的硬度, 表明爆炸压涂制备的铜涂层具有较好的致密性。
(2) 铜粉在形成涂层的过程中氧元素质量分数没有增加, 表明爆炸压涂时铜粉没有发生氧化, 说明爆炸压涂技术适用于制备氧敏感韧性金属涂层。
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图 2 不同C2H4体积分数下C2H4/空气爆轰传播压力
Figure 2. Detonation pressure of different C2H4 concentrations in air
图 3 不同C2H4体积分数下C2H4/空气混合物爆轰传播速度
Figure 3. Detonation flame speed of different C2H4 concentrations in air
图 6 爆轰火焰无量纲压力pm/p0值与管径关系（6.6% C2H4/空气）
Figure 6. Relationship between pm/p0 and pipe diameters (6.6% C2H4/air)
图 8 50 mm管道不同位置处火焰速度（6.6% C2H4/空气）
Figure 8. Flame speed at different positions in 50 mm pipeline (6.6% C2H4/air)
图 9 管径与爆轰火焰pm/p0关系（4.2%C3H8/空气）
Figure 9. Relationship between pm/p0 and pipe specifications (4.2%C3H8/Air)
表 1 各实验管道长度
Table 1. Length of each experimental pipeline
管径/mm 长度/m 管径/mm 长度/m 50 15 250 55 80 24 300 60 100 25 400 84 150 36 500 110 200 48 
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表 2 50 mm管道实验装置火焰速度传感器布置位置
Table 2. Location of flame speed sensors in 50-mm-pipeline experimental apparatus
传感器 位置/D 传感器 位置/D 传感器 位置/D v1 144 v5 168 v9 208 v2 148 v6 176 v10 216 v3 152 v7 184 v11 224 v4 156 v8 192 v12 232
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表 3 50 mm管道实验装置火焰压力传感器布置位置
Table 3. Location of flame pressure sensors in 50-mm-pipeline experimental apparatus
传感器 位置/D 传感器 位置/D p1 146 p5 180 p2 150 p6 188 p3 154 p7 212 p4 172 p8 228
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表 4 ISO16852标准的
pm/p0 参考值Table 4.
pm/p0 given by ISO16852介质 D≤80 mm 80 mm＜D
≤150 mm150 mm＜D
＜1 000 mmD≥1000 mm C3H8/空气 10±2 12±2.4 14±2.8 16±3.2 C2H4/空气 10±2 12±2.4 14±2.8 16±3.2
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