近年来粉尘爆炸事故时有发生，对过程工业和社会的安全造成了严重威胁^[1].事故统计表明，除尘系统是发生初始爆炸的主要工艺设备.该系统由除尘器和不同类型的管道相连而成^[2].除尘器内发生的爆炸可以通过管道传播，且管道形状对爆炸的传播有着较大的影响，甚至会传播至其他区域引起二次爆炸^[3-4].弯管内的爆炸传播过程较为复杂，其传播特性不同于长直管^[5-7].2014年江苏昆山发生了严重的金属粉尘爆炸事故，从事故调查报告看出，现场除尘管道损坏严重，尤其是弯管损坏较多^[8].因此对该类结构进行粉尘爆炸研究具有现实意义.

对粉尘爆炸在管道内的传播规律已有较多研究.Pineau等^[9]利用1 m³爆炸容器，研究了粉尘爆炸在长直管道内的传播规律，发现在直径为250 mm长为10 m的直管中，管道末端开口，其火焰传播速度可达到340~565 m/s.Han等^[10]在高为1 800 mm的方形垂直管道中观察了火焰在粉尘云中的传播行为，发现锥形火焰在管内以恒定速度向上传播，厚度约为20 mm，最大速度为0.5 m/s，但火焰在粉尘云中的传播是不连续不平滑的.Taveau等^[11]在小尺寸管径的管道中进行了火焰传播研究，发现随着管径的减小火焰传播变得困难，但即使在直径25 mm的管道中，火焰仍可以传播7 m左右.王健等^[12]在相连容器中进行了粉尘爆炸的研究，发现即使管道内没有布粉，爆炸也可沿管道传播达30 m左右，易引起二次爆炸.

目前，虽然国内外的学者对于粉尘爆炸在管道内的传播规律进行了广泛的研究，但大多数的研究集中在对长直管道中传播规律的研究，对于具有复杂结构的管道，尤其是与大型爆炸容器相连的弯型管道传播规律的研究较少.因此，笔者在1 m³爆炸测试系统基础上，设计了S型、U型管道及90°弯管道，模拟工业除尘器内发生爆炸在风管内的传播，目的是更好地理解粉尘爆炸在弯管中的传播规律，以期为粉尘爆炸的防治工作提供实验依据.

整个实验系统在东北大学火灾 & 爆炸防治实验室1 m³爆炸容器的基础上搭建.该爆炸容器依据国际标准NFPA68设计，总体为圆柱形，长径比近似为1，壁厚12 mm，设计压力2.5 MPa.5 L的储气喷粉罐与气动电磁阀相连安装在爆炸容器外侧，通过球形多孔喷嘴将粉尘均匀喷入容器内.实验利用10 kJ的化学点火头，安装在爆炸仓中间部位，由PLC控制系统引爆.本文设计的不同形状的弯管道连接在1 m³爆炸容器上，如图 1所示.5套Dytran压电式瞬态压力传感器和8套红外火焰探测器分别沿管道安装在不同位置，其中压力传感器最高频率可达500 kHz，上升响应时间1 μs；爆炸超压及火焰传播速度由专用数据采集系统记录, 压力采集系统使用PCI-1712L多通道高频采集卡，最高采样频率可达1 MHz.图 2为该系统采集到的压力波形图.

图 1(Fig. 1)

图 1 实验装置图(mm) Fig.1 Schematic diagram of the test device

图 2(Fig. 2)

图 2 爆炸舱内压力曲线 Fig.2 Pressure curve in explosion chamber

本实验设计的三类弯管的公称直径均为DN200 mm，由两段弧长800 mm、90°的弯头及多段直管管道分别组装成S形、U形和90°弯管系统，管道总长度为5.6 m左右.图 3为实验管道的现场布置.压力与火焰传感器布点位置如图 4所示，P1~P5为压力传感器，F1~F8为火焰传感器.90°弯管只使用了一支弯头，但弯头安装的位置不同，传感器的布置如图 5所示.

图 3(Fig. 3)

图 3 U型弯管 Fig.3 U-shaped bend pipes

图 4(Fig. 4)

图 4 S型和U型弯管传感器布置示意(mm) Fig.4 Sensors installation points of S and U-shaped bend

图 5(Fig. 5)

图 5 90°弯管传感器布置示意(实线表示“弯头近”，虚线表示“弯头远”) Fig.5 Sensors installation point of 90°bend pipes(solid line indicating "bend closer", dot line indicating "bend further")

实验材料为食用玉米淀粉.实验前清扫1 m³爆炸罐并更换点火药头，将玉米淀粉装入储粉罐内，充压至1.5 MPa，点火延迟设置为1 000 ms.

超压峰值是研究粉尘爆炸在管道内传播规律的重要参数.图 6为粉尘质量浓度为300 g/m³时直管与弯管内测点处超压峰值随距离的变化规律曲线.可以看出，爆炸罐内超压峰值p1按S型管道—U型管道—90°弯管—直管依次降低，这说明弯管对爆炸泄压有一定的阻碍作用，但低粉尘浓度爆炸强度较弱时不太明显；管道内超压峰值随传播距离增加总体呈快速下降趋势.在爆炸发展初期，即从爆炸罐内传播到管道上第一个测点之间，四类弯管和直管内超压峰值下降趋势大致相同.但当爆炸传播到3~5.5 m之间，即经过弯头时，弯管与直管表现出较明显的差异.S型和U型超压峰值分别由0.029 3, 0.019 8 MPa经弯管下降为0.021 8, 0.017 1 MPa，分别衰减了25.72%和13.66%；2种90°弯管分别衰减了34.56%与36.33%，但在相同位置的直管衰减速率为40.51%.可见，在相同位置处的弯管内超压峰值衰减速率明显小于长直管道.在经过弯头后，四类弯管内超压峰值迅速下降，在管道末端处基本衰减殆尽，为0.01 MPa左右.

图 6(Fig. 6)

图 6 质量浓度300 g/m3时爆炸超压随距离变化规律 Fig.6 The explosion overpressure peak value changing with distance at 300 g/m3

图 7和图 8分别为粉尘质量浓度为500 g/m³和750 g/m³时管道内各点处超压峰值随爆炸传播距离的变化规律曲线.可以看出，爆炸罐内超压峰值p1仍然存在按S型管道—U型管道—90°弯管—直管依次降低的规律，且比300 g/m³时更加明显，这说明弯管对爆炸泄压的阻碍作用随着爆炸强度的增加而增大；同样在爆炸发展初期，弯管与直管超压峰值下降趋势大致相同.当粉尘质量浓度500 g/m³爆炸经过弯头时，S型弯管和U型弯管超压衰减速率相近，分别为19.46%和16.87%，两种90°弯管衰减速率为37.91%与31.29%，而直管衰减速率为41.64%，衰减速度最快.以上规律在质量浓度750 g/m³时同样存在.

图 7(Fig. 7)

图 7 质量浓度500 g/m3时爆炸超压随距离变化规律 Fig.7 The explosion overpressure peak value changing with distance at 500 g/m3

图 8(Fig. 8)

图 8 质量浓度750 g/m3时爆炸超压随距离变化规律 Fig.8 The explosion overpressure peak value changing with distance at 750 g/m3

当粉尘质量浓度为750 g/m³时爆炸罐内最高压力达0.15 MPa，管道内各点超压峰值均高于其他两种浓度，且S型弯管末端爆炸超压峰值近0.04 MPa，仍然具有较大的破坏作用.

从以上分析可以看出，粉尘爆炸在管道内传播时，管道上各点处的超压峰值均小于爆炸罐内的初始爆炸压力，且随着到点火源的距离越远，爆炸超压峰值不断下降，其主要原因是管道末端开口泄压导致的.当粉尘爆炸在直管段即弯管前传播时，由于管道内未设定障碍物且与弯管直径相同，所以弯管对其影响甚微，变化趋势与直管大致相同.但当爆炸经过弯管时，弯管会阻碍冲击波的传播，冲击波在凹壁面上会产生复杂的反射、绕射等，弯管内的湍流度大幅增加，压力在弯管内积聚导致超压峰值衰减速率下降.在经过弯管之后，理论上凸壁面反射的分压力与管道内的原有压力相互叠加，会使超压峰值上升，但本实验管道末端开口且长度较短，爆炸迅速泄放到大气环境中，使后段超压峰值快速下降.

本实验利用英国D749系列高速红外光电管测试火焰传播速度，响应时间小于0.1 ms.火焰传播速度v的测试方法为：v=ΔL/t，其中ΔL为两火焰传感器之间的距离，t为火焰前沿经过的时间.

图 9为3种浓度下管道内火焰传播速度随传播距离变化曲线，由于3种浓度条件下测得的火焰传播速度变化趋势大致相同，本文以500 g/m³时的测试结果为例进行分析.由图 9b可以看出，在所有不同形状的弯管的弯头前，弯管与直管内的火焰传播速度均呈现加速趋势；但在3~5.5 m之间，即火焰经过弯头时，U型弯管与S型弯管在该距离内的火焰上升幅度分别为42.8%和46.5%，二者相差不大，但在相同位置的直管增加了109%；而带有一节弯头的两种90°弯管，其火焰速度上升幅度相比直管也明显减弱，甚至在弯头处出现衰减的趋势，很明显弯管对火焰传播速度起阻碍作用.这是由于火焰经过弯管时，稳定向前传播的冲击波会遭到破坏，火焰传播方向会发生改变，同时会遇到不同于直管的反射波，反射波与向前传播的火焰锋面相遇，对火焰起阻滞作用，导致火焰传播速度降低.当火焰在经过弯管后，原本球形火焰锋面发生褶皱和卷曲，火焰表面积增大，可能会重新点燃管道中未点燃的粉尘，此时的燃烧更猛烈，反应速度更快，会形成二次加速.观察90°弯头近这条曲线，发现火焰在经过弯管后，火焰速度快速上升，在末端接近600 m/s左右，而其他管道，由于弯管后的管道较短且开口，导致管道末端火焰速度并没有快速的上升且不稳定.

图 9(Fig. 9)

图 9 三种浓度下火焰传播速度随传播距离变化 Fig.9 Variation of flame propagation velocity with propagation distance at three concentrations (a)—300 g/m3; (b)—500 g/m3; (c)—750 g/m3.

1) 爆炸罐体连接不同形状的管道时，内部爆炸压力不一致，对于4种管道，超压峰值由高到低排序依次为：直管>90°弯管>U型弯管>S型弯管，说明直管、90°弯管、U型弯管、S型弯管引起爆炸超压作用依次加强.

2) 粉尘爆炸在弯管内传播时，压力发展与火焰速度变化规律不同于长直管.管道内火焰传播速度总体呈持续加速上升趋势，虽然管道末端压力降至最低，但火焰传播速度却达到最大，接近600 m/s，超过声速；弯管和直管相比，在经过弯管时，弯管对火焰起阻碍作用，火焰传播速度上升幅度明显小于直管；管道内超压峰值随传播距离呈下降趋势，但在弯管处的超压峰值衰减速率显著降低，在弯管处易形成压力叠加；因此，除尘系统弯管处设置泄爆措施是必要的.

3) 粉尘浓度对爆炸传播有着重要影响.在本实验测定的3种粉尘浓度范围内，发现粉尘浓度越大，各点处超压峰值与火焰速度越大.在粉尘质量浓度750 g/m³时，爆炸罐内最大压力达0.15 MPa，即使在管道内未布粉情况下，管道末端最快火焰传播速度近600 m/s.在工业生产中，应按照规范定时清理除尘器和管道中的粉尘，避免粉尘堆积.