Page 172 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 张保勇，等： 不同迎爆面结构的泡沫金属对甲烷气体爆炸传播阻隔性能的实验研究 第 2 期

calculated. The explosion-proof performances of the foamed metal with different saw tooth angles were evaluated by

combining the explosion-extinguishing parameters. The results show that under the premise of the same thickness, the increase
of a certain zigzag wave on the explosive effect surface of the material will improve the overall isolating explosion
performance. The attenuation ratios of explosion overpressure, flame velocity, and flame temperature increase with the
decrease of the sawtooth angle. When the front surface of the foamed metal has a sawtooth of 30°, the attenuation ratios of
explosion overpressure, flame velocity, and flame temperature are 74.0%, 76.18%, and 91.93%, respectively. The explosion
overpressure decay rate is 30.76 MPa/s, and the explosion is extinguished at the rear end of the material. The quenching
parameter at the rear-end of the material is 17.68 MPa·℃, and the isolating explosion effect is better.
Keywords: gas explosion; foamed metal; explosive effect surface structure; isolating explosion; attenuation ratio

甲烷作为一种清洁能源，具有高热能、绿色环保、应用广泛等优点，但也存在着气态条件下与空气
混合易燃易爆的危险与隐患。对于煤矿而言，甲烷是瓦斯的主要成分，作为矿井灾害之一，瓦斯爆炸会
严重影响从业人员的生命安全以及对井下设备造成严重破坏 [1-3] 。对于城市安全与发展而言，当以甲烷
为主要成分的天然气能源在城市人口密集区发生燃气爆炸事故时，会给社会造成严重的恐慌。例如：

2021 年 6 月 13 日，湖北省十堰市发生重大燃气爆炸事故造成 26 人死亡，138 人受伤，其中重伤 37 人；
2021 年 10 月 24 日，辽宁省大连市瓦房店市发生燃气闪爆事故，对人民的生命财产安全构成了巨大威
胁。因此，阻隔爆减灾技术是气体爆炸防治工作的重点 [4-7] 。
多孔材料 [8-11] 具有独特的物理力学特性和优异的能量吸收性能，被广泛应用于矿井与工程防护领
域。Nie 等 [12] 发现金属丝网可以加速火焰的传播速度，但火焰的能量会在穿过金属网格的过程中有所
消耗，因此金属丝网可有效减少瓦斯爆炸造成的损伤。程方明等 [13] 通过实验研究了多孔材料对气体
爆炸火焰传播的影响，发现多孔材料是导致火焰面破碎以及面积褶皱率增大的直接原因。Duan 等 [14] 研
究了不同孔径的多孔材料对气体爆炸的阻隔爆效果，发现具有大孔径的多孔材料能加速火焰不同形
式的转变。Grigory 等 [15] 通过实验研究了不同孔径聚氨酯泡沫对爆炸冲击波的阻隔爆性能，并给出了
不同孔径实验材料对爆炸超压和火焰传播速度阻隔效果的变化规律。Ousji 等 [16] 通过自行设计的实
验装置研究了聚氨酯材料在爆炸载荷下的受力作用和该材料对爆炸冲击波的缓冲效果。周尚勇等 [17] 通
过填充金属丝网进行了密闭性爆炸实验，发现金属丝网能够有效抑制可燃气体的爆炸，并且不同金属丝
网的抑爆效果也有明显差异。在众多多孔材料中，泡沫金属作为一种新型功能材料，具有密度低、比表
面积大和热导率高等优点，近年因其可靠的阻隔爆性能成为研究的热点 [18-20] 。Zhuang 等 [21] 研究了不同
性能参数泡沫金属对可燃气体爆炸的抵挡作用，发现不同厚度和孔径的泡沫金属对气体爆炸有着不同
的阻隔爆效果。Wang 等 [22] 通过自行设计实验装置研究了不同泡沫金属材料的阻隔爆性能，发现当泡沫
金属的体密度较高时，其阻隔爆性能较好，但在爆炸设备中加入一定量煤尘会降低泡沫金属的抑爆性
能。Santosa 等 [23] 通过改变爆炸载荷与泡沫金属夹芯板的冲击距离，研究了不同厚度、材料和体密度的
泡沫金属夹芯板的阻隔爆性能，发现泡沫金属夹层结构能更有效地吸收爆炸所传递的能量，对爆炸有更
好的防护效果。魏春荣等 [24] 利用自行设计加工的断面为 30 cm×30 cm 方形爆炸实验管道，对不同参数
的金属丝网、泡沫陶瓷和泡沫铁镍金属的阻隔爆效果进行了对比。余明高等 [25] 通过探究超细水雾与
泡沫金属在协同作用下对爆炸超压的影响，发现改变材料孔隙度等参数可以提升实验材料的阻隔爆
效果。
然而，上述研究均采用平整的迎爆面结构，通过筛选不同材料的强度和相关参数来评价整体材料的
阻隔爆性能，对材料本身设计结构的相关研究较少，但材料结构是控制阻隔爆效果的关键因素。因此，
本文中，通过加工泡沫金属迎爆面来增大泡沫金属迎爆面与爆炸冲击波和火焰的接触面积，利用爆炸超
压、火焰传播速度和火焰温度等参数来研究不同迎爆面设计结构的泡沫金属的阻隔爆性能，以期为工程
防爆设计提供参考。

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