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阻火器知識

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如何才能正確以及合理的使用阻爆轟型阻火器

阻爆轟型燃氣管道阻火器
阻爆轟型燃氣管道阻火器是專門用在加熱爐、鍋爐輸送的燃氣管道上,也可用在天然氣管道、沼氣管道上,該閥阻火層采用SS304、四層阻火板,強而有力的阻止火焰通過。人們常常認為阻爆轟型阻火器能提供全麵的保護,這種誤解會導致具有潛在危險的安裝。轉變這種錯誤的認識,關鍵要理解兩種阻爆轟型阻火器(穩定和非穩定)之間的根本區別。
合理設計防爆和防護係統,並且遵守嚴格的操作和維護程序,可以避免在很多工藝中產生易燃氣體/蒸氣和空氣混合物,更不可能著火。然而在儲罐通風和蒸氣收集係統中,這種風險要大得多,因此合理使用阻爆轟型阻火器是確保設備在使用壽命中安全性的最重要因素。
一、什麽是爆轟?
爆轟發生在具有長管道的開放或封閉管道係統(例如通風管或蒸氣收集係統)中。當氣體/空氣混合物在管道內著火,燃燒混合物體積因而增加,導致其前方的未燃混合物被預先壓縮且火焰鋒隨著燃燒率的升高而加快。該過程的早期階段稱為爆燃,這時火焰速度為亞音速且壓力波遙遙領先於火焰鋒;通常,對於在環境條件下引發的爆炸,火焰速度小於100m/s且壓力低於0.1MPa.g,但若轉變為爆轟,則火焰速度和壓力可分別達到200~300m/s以及1MPa.g。由於燃燒過程進一步加快,最後火焰鋒和壓力波相遇,在“爆燃轉爆轟(DDT)”區形成高壓衝擊波,該衝擊波靠近火焰鋒前方。
DDT區的另一個特征是超壓爆轟或不穩定爆轟,其猛烈的衝擊波壓縮可帶來15 MPa.g 以上的瞬時壓力以及 3000 m/s以上的火焰速度。這些衝擊波迅速消散,爆轟波變得穩定,同時壓力約為 2~3 MPa.g,火焰速度通常為1600~2000 m/s。
爆轟隻會在特定的氣體/蒸氣濃度範圍內發生,通常濃度都在所涉及材料的正常可燃範圍內。接近稀/濃極限時,會出現馳振爆轟現象。火焰速度由於管道方向更改(彎頭等)而臨時衰減為爆燃區的速度時,也會出現這種現象。這主要說明火焰鋒可通過 DDT/不穩定爆轟區在爆燃和穩定爆轟之間反複變化,而這是極其危險的。
穩定爆轟隻會發生在不穩定爆轟後,強調這一點很重要。在很大程度上,穩定和不穩定爆轟的出現取決於管道直徑、管道配置、管道類型(例如,滑順焊接、帶法蘭接頭的粗焊接)、氣體/蒸氣類型、空氣中的氣體/蒸氣濃度、工作溫度和工作壓力。隻有在帶化學計量試驗氣體的受控實驗室條件下,才有可能預測出現這些現象的位置。在工藝裝置中,處理氣體/蒸氣(濃度接近可燃性稀/濃極限且位於包含無數彎頭、閥門等的管道中)的可能性比標準試驗氣體(丙烷、乙烯或氫氣)高。這些因素會影響防爆措施(尤其是阻爆轟型阻火器)的應用。
二、阻爆轟型阻火器的工作原理
阻火匣式阻爆轟型阻火器使用小阻火匣與最佳阻火匣長度來提供大的傳熱麵積。來自燃燒氣體的熱量通過阻火匣內的邊界層消散,最終冷卻到其自燃溫度以下。所需阻火匣大小取決於實際氣體/蒸氣,且可使用所有易燃氣體/蒸氣的基本屬性“最大試驗安全間隙 (MESG)”來定義。
所需的阻火匣長度通過試驗確定,基本上是火焰速度的函數——由於阻爆轟型阻火器的高火焰速度,其阻火匣長度通常比阻爆燃型阻火器大。一般,不穩定阻爆轟型阻火器的阻火匣長度比穩定阻爆轟型阻火器大,但更重要的是,它需要更堅固的元件支撐架來承受不穩定事件帶來的更大作用力。通過使用整體逆流減震器,爆轟也可在到達元件前衰減為爆燃。
三、穩定阻爆轟型阻火器
雖然穩定阻爆轟型阻火器已在德國普遍使用並經ISO16852:2008認可,但由於它完全忽略DDT/不穩定爆轟和馳振爆轟的存在且似乎僅依賴於已接受的風險級別,所以存在根本缺陷。而且,這種裝置的製造商不需要明確告知用戶使用“阻爆轟型”阻火器的風險。
若認為將氣體/空氣濃度維持在爆炸下限(LEL)的25% 為根本防爆技術,則依此類推,可認為將其維持在爆炸上限(UEL)以上 25% 也同樣可以接受。然而,由於可能需要穿過整個可燃範圍來實現這種維持,一般不推薦這種做法。
ISO16852:2008(7.4.4、11.1h 和附件 D)試圖通過不允許單獨使用穩定阻爆轟型阻火器以及 0、1 和 2 區(以德國 TRbF 20 規範為代表)的相關防護級別來克服該問題。實際上,若會發生爆轟,就不會注意到是否在 0、1 和 2 區,最終結果也相同。
穩定阻爆轟型阻火器的構建標準低於不穩定阻爆轟型阻火器。另外,當位於DDT/不穩定區時,由於給不穩定爆轟施加了極高動負荷(設計環節未考慮這一點),穩定阻爆轟型阻火器通常會出現機械損壞(請參見下文的“工藝管道的安全度”部分)。
四、不穩定阻爆轟型阻火器
全球大部分地區都隻認可不穩定阻爆轟型阻火器,例如,《美國海岸警衛隊標準》規定,隻允許使用在穩定和不穩定爆轟下都證實可靠的不穩定阻爆轟型阻火器。由於爆轟事件在實踐中的不可預見性,沒有其他裝置可在無需考慮可能位置及使用其他防護係統的情況下提供全麵保護。不穩定爆轟試驗的一個缺陷是其固有的不可預見性以及廣泛的火焰速度和壓力範圍(可通過對比穩定爆轟試驗來測量。在穩定爆轟試驗中,這些參數可根據理論原理計算)。然而,考慮到所執行的試驗次數,這顯然是比冒險采用低性能的穩定阻爆轟型阻火器更健全的解決方案。畢竟,永遠也不可能用阻爆燃型阻火器代替阻爆轟型阻火器,因為發生爆轟的可能性很小。
與穩定阻爆轟型阻火器相比,不穩定阻爆轟型阻火器可能有更大的壓力降。然而,考慮到穩定阻爆轟型阻火器可能需要成對使用或與阻爆燃型阻火器搭配使用,這就不成問題。由於需要在工藝設計階段考慮的某些因素(例如,流量和壓力降)總在事後才想起,因而導致了不必要的實踐和成本問題。
五、隻遭遇爆燃的阻爆轟型阻火器
使用阻爆轟型阻火器並不意味著它總是遭遇爆轟,事實上,可以考慮稀/濃蒸氣/空氣混合物著火後,爆燃會引起的效果。除非經過嚴格試驗,否則遭遇爆燃火焰鋒時,阻爆轟型阻火器仍有可能發生故障。
USCG 和 ISO16852:2008 試驗協議都允許試驗帶受限出口的阻爆轟型阻火器——USCG在這方麵有強製規定,ISO16852:2008將其作為可選項,導致大量不必要的阻爆轟型阻火器類型。受限出口指靠近阻爆轟型阻火器受保護端的局部關閉閥門或接頭。由於爆燃中的壓力波位於火焰鋒前方,這種限製可能在火焰鋒到達阻爆轟型阻火器之前產生背壓,從而導致氣體在更高的壓力(高於認證壓力)下燃燒且火焰將穿過阻爆轟型阻火器。
重新定位阻爆轟型阻火器的閥門或接頭等元件可消除該潛在問題,但更好的方法是確保阻爆轟型阻火器允許受限出口的存在。
六、高溫和高壓下的效果
阻爆轟型阻火器常用於高於環境/大氣溫度和壓力(通常達60℃,0.01MPa.g)下的工藝操作。在這種情況下,需要確定氣體或蒸氣/空氣混合物可在給定工藝中著火的條件。例如,除非高壓排氣出口有相同壓力下的空氣,當空氣和氣體可以混合(很可能在大氣壓力下)且排氣壓力減弱(允許與氣體混合)時,阻爆轟型阻火器才需要發揮作用。在高壓下,更多能量產生且火焰加速度加快,因此爆炸壓力更大(基本與初始著火壓力成正比)並將在更短的管道長度下到達DDT區。
在任何情況下,若高壓和/或高溫下存在氣體/空氣,則經測試證明任何阻爆轟型(或管道爆燃型)阻火器可在這種條件下使用至關重要。ISO16852:2008有150℃和0.06 MPa.g的限製,但阻火器肯定可用於更高的溫度和壓力。考慮到這種阻火器可以有更大的壓力降且更昂貴,仔細評估工藝來避免不必要的問題是關鍵。
七、穩定燃燒
當可著火的氣體/蒸氣和空氣易燃混合物通過阻火器,且該混合物基於流速在阻火器元件表麵持續燃燒時,會出現穩定燃燒現象。在常壓儲罐和阻火器(用於需要防持續燃燒的情況)的不可控製通風過程中,更可能出現穩定燃燒,也就是說它們可承受不定期限的預混合燃燒。根據 TRbF 20 等規範,使用帶通風管(長度合適)的阻爆轟型阻火器可確保阻火器元件不發生燃燒。這種阻火器的有效性尚不可靠,因為它假設阻爆轟型阻火器始終易發生爆轟,然而在實踐中,也極有可能發生爆燃。
當然管道應用(例如蒸氣回收裝置)中也有可能出現穩定燃燒,且所使用的阻爆轟型阻火器必須能處理這種事件。雖然可獲得防持續燃燒阻爆轟型阻火器,其單獨使用(與所有防持續燃燒阻火器一樣)仍存在問題,因為它實際上允許未檢測到的火焰在危險區域燃燒而不采取任何措施;在試驗過程中,阻火器外殼的未防護端可能燒紅,導致無法對危險區域的溫度進行分級。更好和更安全的方法是安裝溫度監控設備,從而在最短時間內采取停止燃燒的相應措施。若阻爆轟型阻火器隻能承受有限期間的燃燒且相關工藝有可能出現這種情況,則有必要安裝溫度傳感器。ISO16852:2008 要求在阻火器/阻爆轟型阻火器上清楚標示穩定燃燒時間。
八、工藝管道的安全度
有一個關於普通工藝管道適用性的常見問題,即管道中是否會發生爆轟。簡單來說,沿著管道前行的火焰鋒/爆轟不是靜壓力(管道應能承受正常靜態爆炸壓力,因此假設為環境條件下的1MPa.g 等級),而是隻作用於管道壁數微秒的動態衝擊壓力。到目前為止,更大的危險是當火焰鋒/爆轟的前行受到如管道彎頭、閥門和阻火器/阻爆轟型阻火器等的阻礙時,其產生的動量和能量作用。當這種動量/能量轉移,除非設備有動量/能量作用力承受設計,否則它可能會產生災難性故障。為此,若阻爆燃型阻火器和穩定阻爆轟型阻火器遭遇 DDT/不穩定爆轟,就會產生機械故障(以及火焰傳遞)。這種配件/閥門的位置必須經過仔細考慮、提供充分支撐並有技巧地放置不穩定阻爆轟型阻火器來最小化管道的機械故障風險。
九、經驗總結:
認為管道係統中的易燃氣體/蒸氣著火後,阻爆轟型阻火器(未認定為穩定或不穩定類型)能提供全麵防護的觀點是危險的。
單獨使用穩定阻爆轟型阻火器會將人員生命和價值數百萬美元的工藝裝置置於危險的境地,因為穩定阻爆轟型阻火器:隻提供爆燃和穩定爆轟防護;在位置方麵有根本缺陷;不提供馳振爆轟防護;必須與其他防護係統一起使用。
隻有不穩定阻爆轟型阻火器能在不限製位置的情況下提供全麵的爆燃、穩定、不穩定和馳振爆轟防護。