氣云爆炸條件下消防炮的抗爆性能研究

張佳慶 黃玉彪 陳清 王永旭 李斌

[關(guān)鍵詞]特高壓輸電；氣云爆炸；消防炮；抗爆性能

0引言

特高壓輸電是世界上最先進(jìn)的輸電技術(shù)，由于輸送容量大、送電距離長(zhǎng)、線路損耗低、占用土地少，被譽(yù)為電力高速公路。在輸電線路的建設(shè)過(guò)程中，需要考慮經(jīng)濟(jì)輸送距離，完成輸電站總體布局，統(tǒng)籌解決電力資源與負(fù)荷中心分布的不均勻性問(wèn)題。

在輸電線路變電站的建設(shè)過(guò)程中，油浸變壓器是最常見(jiàn)、選用最多的電力變壓器。油浸變壓器使用變壓器油作為絕緣和冷卻介質(zhì)。變壓器油是由不同分子量的碳?xì)浠衔锝M成的混合物。在變壓器的運(yùn)行中，在高溫、電場(chǎng)和電弧作用下，這些化合物中的C-H．C-C鍵發(fā)生斷裂，會(huì)產(chǎn)生氫氣和甲烷、乙烷、乙烯、乙炔之類的烴類氣體；同時(shí)，固體絕緣分解，也會(huì)產(chǎn)生一氧化碳。在正常情況下，即使變壓器內(nèi)部這種可燃?xì)怏w含量較高，也不會(huì)引起燃燒。但在故障電弧的作用下，變壓器油分解，變壓器內(nèi)部可燃?xì)怏w劇增，壓力瞬間增大，導(dǎo)致器身結(jié)構(gòu)破壞，從而變壓器油、可燃?xì)怏w等混合物噴出，引發(fā)器身內(nèi)殘留的變壓器油繼續(xù)分解和爆燃。當(dāng)泄露的熱解產(chǎn)物混合氣體與空氣混合后點(diǎn)燃，可能會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的二次爆炸，對(duì)人員和設(shè)備造成危險(xiǎn)，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。

為避免這一類事故的發(fā)生，在變電站的設(shè)計(jì)施工中，本質(zhì)安全設(shè)計(jì)和安全措施方面的考慮尤為重要。在此基礎(chǔ)上，一旦事故發(fā)生，將事故控制在一定范圍內(nèi)，減少事故帶來(lái)的損失和防止事故擴(kuò)大化也是一項(xiàng)重要課題。消防炮是遠(yuǎn)距離撲救火災(zāi)的重要消防設(shè)備，主要用來(lái)?yè)渚仁突て髽I(yè)、飛機(jī)庫(kù)、郵輪、油碼頭、海上鉆井平臺(tái)和儲(chǔ)油平臺(tái)等可燃易燃液體集中、火災(zāi)危險(xiǎn)性大、消防人員不易接近的場(chǎng)所的火災(zāi)。針對(duì)變壓器油氣云爆炸事故，重點(diǎn)開(kāi)展消防炮在變壓器油氣云爆炸作用下的響應(yīng)情況研究，能夠?yàn)橹笇?dǎo)此類工況下消防炮的設(shè)計(jì)改造、提供新型的變壓器油爆炸消防措施奠定基礎(chǔ)。

1變壓器油氣云爆炸模擬試驗(yàn)

1.1變壓器油氣云爆炸試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

基于已有的變壓器爆炸事故數(shù)據(jù)，在靜爆載荷作用下，變壓器內(nèi)的絕緣油會(huì)噴射而出，噴射過(guò)程伴隨火光出現(xiàn)，噴射形成的云霧最大擴(kuò)散距離為3.0～3.5m。在此條件下，利用氣云爆炸方法設(shè)計(jì)相關(guān)容器并模擬變壓器內(nèi)部的爆炸過(guò)程。

結(jié)合已有氣云爆炸模擬試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示。

試驗(yàn)場(chǎng)地為南京理工大學(xué)靜爆試驗(yàn)場(chǎng)。試驗(yàn)前，將地面平整壓實(shí)，將模擬試驗(yàn)裝置放置在離地懸空1.6m處。起爆藥裝填至模擬試驗(yàn)裝置中心，利用雷管引爆中心裝藥，使得油料拋撒成云霧。云霧在拋撒過(guò)程中邊分散、邊燃爆，實(shí)現(xiàn)變壓器裝置失控爆炸的全過(guò)程模擬。

1.2典型變壓器油氣云爆炸過(guò)程

利用設(shè)計(jì)的變壓器油拋撒裝置，通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)確定變壓器油氣云爆炸的設(shè)計(jì)參數(shù)。具體試驗(yàn)工況如表1所示。

考慮到實(shí)際變壓器油的噴射距離為3.0～3.5m和云霧邊緣的燃爆超壓約為100kPa這2個(gè)參數(shù)指標(biāo)，變壓器試驗(yàn)油量選擇在10～20L時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)需要的變壓器油的噴射半徑。

根據(jù)試驗(yàn)需求，采用高速攝像機(jī)、紅外熱成像儀和超壓測(cè)試系統(tǒng)，分別捕捉變壓器油氣云爆炸全過(guò)程、溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)和超壓場(chǎng)數(shù)據(jù)。高速攝像系統(tǒng)為日本Photron公司的UXIOO型高速攝像機(jī)，拍攝速率為2000s-1：紅外熱成像儀為美國(guó)Flir公司的A615防爆型，拍攝速率為30s-1，記錄溫度范圍為0～2000℃：超壓測(cè)試系統(tǒng)為美國(guó)PCB公司的113系列傳感器和瑞士ELSYS公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集頻率1MHz。

通過(guò)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，獲得合適的變壓器油拋撒效果。典型的變壓器油拋撒和燃爆過(guò)程圖像如圖2所示。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變壓器油的試驗(yàn)油量為10L及以上時(shí)，油料拋撒及燃爆半徑均在3.5m左右，符合變壓器燃爆模擬試驗(yàn)的需求。距爆源不同位置處的壓力如表2所示。

從變壓器油拋撒半徑和實(shí)測(cè)壓力可以看出，變壓器油氣云爆炸過(guò)程中距爆源2～7m均能夠?qū)崿F(xiàn)超壓從30～130kPa的覆蓋范圍，在此范圍內(nèi)能對(duì)人員和設(shè)備造成不同程度的傷害。對(duì)比已有變壓器油氣云爆炸事故數(shù)據(jù)可知，利用自行設(shè)計(jì)的變壓器油拋撒裝置，能夠較好地模擬變壓器油爆炸的實(shí)際情況。

2消防炮抗氣云爆炸性能試驗(yàn)

2.1消防炮抗爆性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于建立的典型變壓器油氣云爆炸模擬試驗(yàn)方法，結(jié)合外場(chǎng)中變壓器油氣云爆炸的實(shí)際過(guò)程，以市場(chǎng)上通用的消防炮為模型，開(kāi)展消防炮抗爆性能試驗(yàn)研究，評(píng)估消防炮抗爆效果并提出改進(jìn)建議。

在試驗(yàn)裝置一側(cè)互成900的2條線布置地面?zhèn)鞲衅?，分別距裝置1、2、4、5、7m，與地面平齊。消防炮系統(tǒng)放置于距爆心5m的壓力測(cè)點(diǎn)處。試驗(yàn)時(shí)，將高速攝像機(jī)、超壓測(cè)試系統(tǒng)、紅外熱成像儀放置在安全距離處，對(duì)樣品進(jìn)行拍攝，并獲得沖擊波壓力和溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。每次試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)消防炮進(jìn)行功能性驗(yàn)證，主要驗(yàn)證遙控控制與水流噴射是否正常。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1消防炮抗氣云爆炸過(guò)程

以消防炮為研究對(duì)象，高速攝像機(jī)記錄的氣云爆炸過(guò)程如圖3所示。

從圖3可以看出，變壓器油的燃爆對(duì)消防炮的作用是一個(gè)瞬時(shí)過(guò)程。50ms時(shí)，發(fā)生爆燃的絕緣油云霧便完全包裹住消防炮及附屬部件。隨后，中心火焰向四周迅速擴(kuò)散。200ms時(shí)，火焰處于最旺盛的階段，會(huì)對(duì)消防炮造成巨大破壞。此時(shí)，消防炮的抗爆能力主要依靠消防炮的機(jī)械強(qiáng)度。隨后，消防炮持續(xù)受到云霧燃爆火焰的高溫作用，高溫可持續(xù)800ms。此時(shí)，溫度場(chǎng)的持續(xù)作用會(huì)影響消防炮的耐久性。

2.2.2爆炸狀態(tài)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

1）沖擊波超壓場(chǎng)。氣云爆炸的沖擊波超壓見(jiàn)表3。

可以看出，消防炮系統(tǒng)的迎爆面沖擊波超壓約為95kPa，壓力隨著爆心距的增大而先增大、后減小。距離爆心1m處的沖擊波超壓比較小，這是因?yàn)樵摐y(cè)點(diǎn)處于云霧中心區(qū)域，空氣含量相對(duì)較少，發(fā)生爆燃后的燃燒不充分。壓力最大值出現(xiàn)在2.0m處，在此距離內(nèi)，云霧燃爆會(huì)對(duì)消防炮造成較大的破壞。

2）溫度場(chǎng)。氣云爆炸過(guò)程中消防炮炮頭和電機(jī)處的溫度見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出：常規(guī)型消防炮炮頭處的最高溫度為490.00℃；電機(jī)處最高溫度為498.75℃；溫度持續(xù)時(shí)間均超過(guò)10s。

2.2.3氣云爆炸前后消防炮狀態(tài)分析

試驗(yàn)前、后消防炮及關(guān)鍵部件的照片對(duì)比如圖5所示。

通過(guò)系統(tǒng)檢查和分析發(fā)現(xiàn)，由于消防炮線纜未做金屬鎧裝防爆設(shè)計(jì)，僅用耐高溫管道進(jìn)行包裹，在壓力和高溫的耦合作用下，線纜出現(xiàn)破損情況，在發(fā)生燃爆事故時(shí)極易出現(xiàn)通訊失效和控制失靈的情況。經(jīng)過(guò)功能性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，目前消防炮的遠(yuǎn)程控制功能和噴水功能正常，但由于線纜破損和控制機(jī)構(gòu)受強(qiáng)振動(dòng)沖擊，存在失能風(fēng)險(xiǎn)。由于炮頭以及電機(jī)裸露程度較大，更易受燃爆過(guò)程的壓力載荷作用，在高溫的作用下，出現(xiàn)了電機(jī)損壞的情況，此時(shí)消防炮將徹底無(wú)法使用。

2.3基于消防炮抗爆試驗(yàn)結(jié)果的消防炮防爆措施

根據(jù)氣云爆炸條件下消防炮抗爆性能研究結(jié)果，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研工作，提出消防炮防護(hù)要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝的改進(jìn)措施如下：

1）為保證發(fā)生燃爆事故時(shí)可以起到滅火作用，消防炮應(yīng)安裝在距爆心3m以上的位置。

2）消防炮需要固定在地面或其他固定物上，除需用膨脹螺栓固定外，還需對(duì)連接處進(jìn)行加固處理，使消防炮更加牢固。

3）為滿足燃爆事故發(fā)生時(shí)通訊及控制正常，需要對(duì)消防炮的連接線纜進(jìn)行加固處理，以防受到?jīng)_擊后插頭脫落。如焊接、注膠等加固措施。

4）在發(fā)生燃爆事故時(shí)，消防炮上負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)向的電機(jī)存在失效的可能，需設(shè)計(jì)保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)，降低沖擊波對(duì)消防炮的破壞作用。

5）消防炮的連接線纜綁扎成束且固定牢靠，線纜除了進(jìn)行耐高溫處理外，還需進(jìn)行金屬鎧裝保護(hù)設(shè)計(jì)，以確保在發(fā)生燃爆事故時(shí)不會(huì)出現(xiàn)斷裂、短路的情況。

3結(jié)論

圍繞特高壓輸電站變壓器安全問(wèn)題，開(kāi)展了氣云爆炸條件下消防炮抗爆性能研究，得到結(jié)論如下：

1）自行設(shè)計(jì)了變壓器油氣云爆炸試驗(yàn)裝置，并完成了試驗(yàn)效果驗(yàn)證，能夠較好地模擬真實(shí)變壓器爆炸相關(guān)參數(shù)。

2）針對(duì)消防領(lǐng)域常用的消防炮，開(kāi)展了抗氣云爆炸試驗(yàn)，通過(guò)沖擊波壓力、熱威力及樣品狀態(tài)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有消防炮在氣云爆炸條件下?lián)p傷明顯，最薄弱環(huán)節(jié)在線纜處，安裝方式同樣需要改進(jìn)。

3）基于試驗(yàn)研究結(jié)果，提出了消防炮防爆措施，用于指導(dǎo)未來(lái)抗爆型消防炮的研制。