基于泡点法的呼吸排液装置最大孔径测试试验研究

0引言

矿用呼吸排液装置在矿山装备领域发挥着至关重要的作用,该装置的孔径尺寸不仅直接决定了呼吸排液的效率,还对整体隔爆性能产生决定性影响。具体而言,适宜的孔径能有效阻挡外部环境中存在的可燃气体和粉尘颗粒进入壳体内部,从而显著降低爆炸事故的发生风险,同时,矿用呼吸排液装置大多以螺纹隔爆面的形式安装于隔爆外壳,当壳体内部发生爆炸时,可将较大压力泄放排出,进而有效保护内部装置。综上,精确测量矿用呼吸排液装置的最大孔径,对于全面、系统地评估其质量与性能具有极为重要的意义。这一测量过程不仅能为装置的设计优化提供理论依据,还能为矿山机械的安全运行提供关键保障。

当前,国内外学者已针对测量最大孔径问题展开大量研究,常用的孔径大小及分布测量方法包括显微成像图像分析法、标准颗粒过滤法、压汞法、氮气吸附法、核磁共振法、泡点法等[1]。与其他方法相比,泡点法更适用于呼吸排液装置这种具有复杂内部结构和实际应用场景的部件。泡点法是一种基于流体力学原理的孔径测量技术,其核心在于利用流体在多孔介质孔道内流动的物理规律来精确测定孔径及其分布特征,正因该技术兼具严谨性与工程适用性,美国材料与试验协会(ASTM)早于1986年即将其纳入标准测试体系(ASTMF316—86),并持续修订至现行ASTMF316—22版本,成为过滤材料、透气膜等工业多孔部件孔隙特性检测的权威方法[2]。泡点法利用气体和液体的物理特性,能够在更接近装置实际工作状态的条件下进行测试。

同时,在矿山机械领域,呼吸排液装置作为保障设备运行安全的核心组件,其孔隙结构特性直接影响着装置的泄压性能和防爆要求。然而,当前针对该关键部件的质量检测体系仍有不足,传统检测方法多聚焦于宏观层面的功能性测试(如整体气密性验证和动态排液效率评估),而对决定装置性能的微观孔隙参数缺乏系统性表征。通过将泡点法引入矿山机械呼吸排液装置的孔隙检测体系能够实现对滤材最大孔径的精准测定,这种微观表征技术突破了传统检测方法仅能评估整体性能的局限性。与常规的水通量测试法相比,泡点法检测灵敏度提升约2个数量级[3],可有效识别10~500μm范围内的临界缺陷孔隙,这对预防矿山机械因呼吸装置微孔结构失效引发的安全隐患具有重要工程价值。且泡点法能准确测量过滤材料的孔喉直径,设备结构较为简单,测量成本较低[4]。在测量过程中,泡点法主要是通过气体压力使液体从膜孔中排出,不会对样品的结构和性能造成损伤,有效保证了材料的结构完整性,保证了样品在测量后的可重复使用性和后续研究的可行性。因此,泡点法是当前滤材孔径分析较适宜的方法之一,在矿用呼吸排液装置领域具有广泛的应用前景。

1泡点法试验原理

泡点法是基于液体在多孔介质孔隙中形成液封的概念。当气体压力施加于多孔材料(如呼吸排液装置)的一侧,而另一侧被液体浸没时,气体需要克服液体在孔隙中的表面张力才能通过孔隙。通常情况下,液体在较低压力时封堵了孔隙,气体无法通过,由于孔径与开孔压力成反比,增加气体压力虽可实现对更小孔径的测量,但过高的压力易引发样品结构变形、密封失效以及气体消耗量显著增加等问题。此外,过高的气体流量还会增大孔道内的传质阻力,并加速液体挥发,进而导致测量数据的偏差。因此,综合考虑上述因素,泡点法更适用于测量孔径大于100 nm的多孔材料[5]。

随着气体压力逐渐增加,当达到某个临界值(即泡点压力)时,气体能够克服液体表面张力,从最大的孔隙中挤出液体,形成连续的气泡流。这个最大孔隙的大小就可以通过泡点压力等参数来计算。而第一个气泡将在具有最大喉道的孔里形成,喉道是这个孔的最窄部位[6],如图1所示。

Young—Laplace方程是泡点法的核心理论依据[7]。

该方程描述了弯曲液面两侧的压力差与液体表面张力和曲率半径之间的关系。对于球形液面,压力差Δp(在泡点法中相当于泡点压力)与表面张力λ和液面半径r(在孔径计算中与最大孔径d相关)的关系为:

实际应用于多孔介质时,因为气体首先从最大的孔隙中突破液体封堵,需考虑到液体与孔壁的接触角θ。通过测量泡点压力Δp、己知测试液体的表面张力λ和接触角θ,就可以得出最大孔径d:

式中:d为试样最大孔径(mm);λ为测试液体表面张力(N/m);θ为接触角(°);Δp为泡点压力(pa)。

式(2)能够为装置的设计和优化提供定量的数据支持,在装置的改进过程中,根据最大孔径的测试结果,可灵活调整制造工艺或材料,以达到更好的呼吸排液和防爆性能。

2基于泡点法的最大孔径测试试验设计与实施

呼吸排液装置作为隔爆外壳的一部分,其最大孔径测试试验需要符合该标准的防爆理念和具体规定。

2.1材料要求

首先,鉴于材料被安装于隔爆外壳内部,在特定条件下可能面临爆炸风险,因此必须确保材料在隔爆外壳内部发生爆炸时,能够保持结构的完整性和稳定性,避免发生变形或损坏,这不仅有助于防止爆炸火焰直接引燃矿井中的瓦斯混合物,还能有效满足耐爆性能的基本要求[8]。因此,制作呼吸排液装置的微孔材料必须具备足够的机械强度和不燃性[9]。若材料的机械强度不足,爆炸产生的强大压力将导致装置变形、损坏,进而功能失效。而不燃性则是防止爆炸引发更严重二次灾害的关键,材料不燃烧可以有效阻止火焰的蔓延,避免向外壳周围存在的爆炸性环境传爆。因此,选择的材料需要具备足够的防爆和防止火焰传播的能力,从而保障整个矿山作业环境的安全。

其次,由于矿山工作条件较为复杂,环境中的化学物质易对材料造成腐蚀[10],因此,需优先选用不锈钢或Hsn90—1锡黄铜等具备耐腐蚀性的材料,从而有效保障装置的结构完整性和功能性。同时,铝、钛、镁及其合金等材料在特定化学条件下容易发生化学反应,反应生成的副产物会沉积于微孔内部,进而导致孔隙堵塞,这不仅会降低装置的透气性和排液效率,还会引发装置功能的不可逆退化。因此,应避免使用这些材料。

同时,用于含有乙炔的爆炸性环境中的呼吸排液装置材料中的含铜量不得超过60%。在含有乙炔的环境中,若铜含量过高易与乙炔发生反应,形成乙炔化合物,进而引发爆炸或影响装置的性能。因此,需要严格限制材料的含铜量,以有效限制乙炔化合物的形成,保障呼吸排液装置在特殊爆炸性环境中的安全性和稳定性。

2.2 试验液体选型

试验需根据试样材质选择适当的试验液体。甲醇、乙醇(95%)、异丙醇、四氯化碳等液体对金属材料具有良好的浸润性,均可作为试验液体。试验在室温下完成[11],以保证液体的物理性质(如表面张力和密度)保持稳定,从而避免因温度波动导致的测量误差。表1列有部分常用试验液体在20℃时的表面张力和密度数据,液体的表面张力和密度是影响孔径计算的关键参数,这些数据的准确性和可靠性对于确保泡点法测量结果的精确性具有重要意义。

同时,由于乙醇的毒性远低于甲醇(可致视神经损伤)和四氯化碳(强肝肾毒性),且无累积性危害,符合试验室安全规范(OSHAPEL限值:乙醇1 000×10-6,甲醇2 00×10-6)。凭借安全性高、浸润性均衡、成本低廉、环境友好等综合优势,乙醇(95%)成为金属材料泡点法试验的首选液体,尤其适用于需兼顾试验精度与操作安全的常规检测场景。

2.3 试验流程

针对呼吸排液装置的最大孔径测试试验问题,提出一种基于泡点法的测试方法,具体流程如图2所示。

1)检查样品时,要保证其清洁,材料表面无油污,无影响样品浸润性能的杂质,且不含其他外来异物。

2)将试验液体充分浸润试样,确保其孔隙被液体完全浸润,使用夹具将浸润后的试样放置于试验槽中并旋紧密封装置,随后浸没于一定深度的试验液体中。当同一试样需要进行多次试验时,应对试样进行重新浸润。

3)根据孔径大小,以20~100 Pa/s的速率从0开始逐渐升压。

4)升压过程中需对试样表面仔细观察,当一串气泡在一点(或不同点)同时出现时,记录压力值。若气泡出现在密封垫附近,应对其重新密封、保证密封性能后再次试验。

2.4试验合格标准判定

根据GB/T 3836.2—2021《爆炸性环境 第2部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》[12],对于难以通过常规手段直接测定其内部通道尺寸的装置,样品的最大气泡试验空隙尺寸不应小于规定的最大气泡试验空隙尺寸的85%。

2.5 试验应用

采用金属矿山安全技术国家重点试验室孔径测试仪进行试验验证,试验台具体布局如图3所示。该孔径测试仪适用性较为广泛,可用于烧结金属元件、泡沫金属元件、滤纸、玻璃纤维隔板等材料的最大孔径与平均孔径测量以及内燃机滤清器用滤纸的最大孔径测定。孔径分辨率为0.1mm,能够为孔径测量提供较为精确的数据支持。

试验样品的选择过程中,对滤膜、滤纸和金属烧结材料进行了系统的对比分析,以评估其在矿用呼吸排液装置最大孔径测试中的适用性。结果表明,尽管滤膜和滤纸具有较低的成本优势,但它们对环境条件极为敏感,且材质相对脆弱,容易在测试过程中因物理或化学因素而发生损坏或性能变化。这种特性使得滤膜和滤纸难以承受多次重复测量,从而限制了其在需要高精度和高重复性测试场景中的应用。相比之下,金属烧结材料虽初始成本相对较高,但孔径参数表现出显著的稳定性,不易受到外部环境条件(如温度、湿度和化学物质暴露)的影响。此外,金属烧结材料具有较高的机械强度和结构稳定性,能承受多次重复测量而不发生显著的性能退化。同时,通过精确调控烧结工艺参数(如烧结温度、时间),可以有效控制金属烧结材料的孔径大小及其分布,从而实现对孔隙结构的精准设计。这一特性使得金属烧结材料在标准化测试和质量控制中具有显著优势,适合作为最大孔径测试的标准物质。试验样品如图4所示。

为最大限度地减少环境因素对试验样品材质的影响,确保测试结果的准确性和可靠性,所有试验样品在使用前均需密封保存于阴凉、干燥的环境中,以有效避免样品由于潮湿、氧化或其他化学反应而导致的孔隙结构变化,从而为试验操作提供稳定可靠的测试基础。

试验结果如图5、图6所示,在特定点或多个不同点同时观察到一系列气泡形成时,即刻记录相应的压力读数。

基于泡点法开展的循环孔隙特性测试表明, 目标材料的最大孔径和平均孔径在历次试验中接近,试验结果具有良好的重复性,验证了试验的一致性和材料性能的稳定性,为矿山机械呼吸排液装置的关键参数标准化提供了可量化的质量评估体系。试验数据结果如表2所示。

3 结论

为解决呼吸排液装置的最大孔径测试时试验环境受限、样品结构受影响较大等问题,本文提出了一种基于泡点法的孔径测试试验方法,所得结论如下:

1)泡点法试验可有效避免对样品隔爆结构的损坏,保障矿用呼吸排液装置的防爆性能。

2)泡点法相较于其他最大孔径测试方法,应用于矿用呼吸排液装置时不受环境限制,污染较少,且试验成本低,具有一定的工程价值。

[参考文献]

[1]周荣菲,张文阁,许潇.滤膜孔径分析常用方法[J].中国计量,2019(6):64-68.

[2]丁祥金,张继周,宝志琴,等.泡点法测定微孔孔径分布的改进算法[J].无机材料学报,2000,15(3):493-498.

[3]王向钦,张鹏,靳向煜.润湿剂对泡点法测定纤维过滤材料孔径特征的影响 [J].产业用纺织品,2011,29 (5):40-43.

[4]周荣菲,张文阁,许潇.泡点孔径分析方法的溯源性及其标物研制[J].中国粉体技术,2019,25(4):48-54.

[5]王婵,俞健,胡小娟,等.多孔材料负载型炭复合膜的制备研究进展[J].新型炭材料,2014(6):409-418.

[6]胡志明.低渗透储层的微观孔隙结构特征研究及应用[D].北京:中国科学院研究生院(中国科学院渗流流体力学研究所),2006.

[7]郑巨孟.中空纤维膜及膜接触器传质特性的研究[D].杭州:浙江大学,2003.

[8]王启龙.隔爆壳体的设计研究[J].煤矿机械,2004 (3):12-14.

[9]张丽晓.隔爆型电气设备外壳的呼吸装置和排液装置[J].电气防爆,2004(4):25-27.

[10]吴赛赛,张曾瑞,金韬,等.深部矿山锚杆腐蚀失效风险评估研究[J].中国安全科学学报,2023,33 (增刊1):180-184.

[11]董领峰.金属多孔材料的气泡孔径[J].过滤与分离,2015,25(4):29-31.

[12] 爆炸性环境 第2部分:由隔爆外壳“d”保护的设备:GB/T3836.2—2021[S].

《机电信息》2025年第20期第13篇