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阻火器知識

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阻火器的防爆設計、阻火器的防爆檢驗方法

管道防爆阻火器
阻火器作為阻止可燃性氣體發生燃燒或者爆炸後繼續傳播的安全裝置,在化工、礦山、煤礦、水運等行業中被大量采用。阻火器的應用範圍很廣,例如:
輸送易燃可燃氣體的管道;
儲存石油及石油產品的油罐;
有爆炸危險係統的通風管口;
油氣回收係統;
內燃機進排氣係統;
火炬係統。
阻火器的種類很多,防爆阻火器是其中之一。今天提出一些對阻火器防爆設計及防爆檢驗的看法。
一、阻火器原理及分類
1、阻火器原理
阻火器是由能夠通過氣體的許多細小、均勻或不均勻的通道或孔隙的固體材質所組成。火焰進入阻火器後,被分成許多細小的火焰流而被熄滅。火焰能夠被熄滅的機理是傳熱作用和器壁效應。
(1)傳熱作用
火焰進入阻火器後被分成許多細小的火焰流。由於通道或空隙的傳熱麵積很大,火焰通過通道壁進行熱交換後,溫度下降,到一定程度時火焰即被熄滅。根據英國羅卜爾(M。Roper)對波紋型阻火器進行的試驗表明,當把阻火器材料的導熱性提高460倍時,其熄滅直徑(即火焰熄滅的通道直徑)僅改變2.6%。這說明材質問題是次要的,也就是說傳熱作用是熄滅火焰的一種原因,但不是主要的原因。
(2)器壁效應
根據燃燒與爆炸連鎖反應理論,認為燃燒與爆炸現象不是分子間直接作用的結果,而是在外
來能源(熱能、輻射能、電能、化學反應能等)的激發下,使分子鍵受到破壞,產生活性分子。這些具備反應能力的活性分子發生化學反應時,首先分裂為十分活潑而壽命短促的自由基。自由基與其它分子相撞,生成新的產物,同時也產生新的自由基再繼續與其它分子發生反應。易燃混合氣體自行燃燒爆炸的條件是:新產生的自由基數等於或大於消失的自由基數。隨著阻火器通道尺寸的減小,自由基與反應分子之間碰撞的幾率隨之減少,而自由基與通道壁的碰撞幾率反而增加,這樣就促使自由基反應降低。當通道尺寸減小到某一數值時,這種器壁效應就造成了火焰不能繼續進行的條件火焰即被阻止。由此可知器壁效應是阻火器阻止火焰傳播的主要機理。
2、阻火器分類
阻火器按照應用類型可分為:
(1)阻爆轟型阻火器:用於阻止火焰以音速或超音速通過。
(2)阻爆燃型阻火器:用於阻止火焰以亞音速通過。
(3)耐燒型阻火器:用於阻止可燃氣體的燃燒火焰通過,並能夠承受一定時間的火焰燃燒高溫。
(4)特殊用途阻火器:用於有特殊要求的設備上。
按結構形式可分為:
(1)金屬網型阻火器。
(2)波紋型阻火器。
(3)泡沫金屬阻火器。
(4)平行板型阻火器。
(5)多孔板型阻火器。
(6)充填型阻火器。
(7)液封型阻火器。
二、阻火器的防爆設計及理論依據
阻火器主要分為外殼與阻火元件兩部分。阻火器的外殼及其與阻火元件的連接部分應符合規定(注:規定是應符合GB 1336__77,該標準隨後被GB3836.2--83替代),其中阻火元件是阻火器的核心部件。今天主要探討有關阻火元件的設計。
從阻火器防止火焰傳播的原理可以知道,阻火器的防爆設計應該主要基於其器壁效應,並同時考慮材質的機械強度和耐腐蝕等性能。根據器壁效應,當通道窄到一定程度時,自由基與器壁的碰撞占主導地位,自由基大量減少,燃燒反應不能繼續進行。對於通道的安全間隙值,在GB3836.11中規定:一定條件下(20℃、105MPa),在標準試驗容器內,所有濃度的被試氣體或蒸氣空氣的混合物點燃後,通過25mm長的接合麵均不能點燃容器外爆炸性氣體混合物的容器外殼空腔兩部分之間的最大間隙定義為最大試驗安全間隙(MESG)。不同的可燃氣體或蒸氣具有不同燃燒或爆炸性,所以具有不同MEsG值。需要指出的是,某一氣體的MESG值是確定的,它是該種氣體與空氣混合後,在最易傳爆混合物濃度時測得的最大試驗安全間隙。根據MEsG值的測試方法可知,針對某一氣體在某一濃度時有一個傳爆率為0%的最大不傳爆間隙g0和一個傳爆率為100%的最小傳爆間隙g100。改變氣體混合物濃度,在其所有濃度範圍內測得一組g0值,其中的最小值(g0)min即為該氣體的MEsG值,該值對應的混合物濃度即為這種氣體的最易傳爆混合物濃度,此時其傳爆能力最強。
但在最易傳爆混合物濃度之外的其它濃度時測得的g0值,以及在非標準容器或非標準長度(25mm)通道上測得的g0值,在許多文獻上也將其稱為各對應濃度時的最大試驗安全間隙(MESG),但是按照CB3836.11或IEC79一1A的規定,這種說法是不準確的。在本文中番茄视频app不妨沿用,但為方便理解將在使用非標準意義MESG時加下劃線以示區別。
國際電工協會(IEC)按照各種氣體或蒸氣的MESG值將其分為4個等級。如表1所示。
其中目前有據可查的ⅡC級可燃氣體或蒸氣種類較少,隻有以下5種,如表2所示。
表1可燃氣體或蒸氣MESc分級表
可燃氣體或蒸氣分級 MESG值/mm
I(CH4) MESG=1.14
ⅡA MESG≥0.9
ⅡB 0.9>MESG≥0.5
ⅡC MESC≤0.5
表2Ⅱc級可燃氣體或蒸氣
可燃氣體或蒸氣名稱 分子式 MEsG值/mm
H2 0.29
乙炔 C2H2 0.37
二硫化碳 CS2 0.34
二乙基二氯矽烷 (C2H5)2SiCl2 0.45
硝酸乙酯 C2H5ONO2 --
這樣在設計阻火器時,應根據阻火器的使用環境,確定阻火器的通道長度及間隙值。其值必須滿足預計使用的危險場所內存在的最危險(MESG值最小)的可燃氣體或蒸氣的安全要求,例如:
(1)阻火器預計使用在某一特定的可燃氣體或蒸氣環境如乙炔,通道長度設計為25mm,則其通道間隙必須小於0.37mm。
(2)阻火器預計使用在ⅡB級可燃氣體或蒸氣環境,通道長度設計為25mm,則其通道間隙必須小於0.5mm。
(3)阻火器預計使用在Ⅱc級可燃氣體或蒸氣環境,通道長度設計為25mm,則其通道間隙必須小於0.29mm。
在設計過程中,需根據製造工藝、加工精度等因素以及相關國家標準的檢驗要求,在設計時留有一定的安全裕量,例如采用適當增加通道長度或者減小問隙值的方法或者綜合采用。在實際應用中,通常需要考慮阻火器應用管路中對流阻的要求,因為工業上期望使用低流阻且可以安全阻火的產品。間隙越小阻火性能就越好,但是流體通過阻力卻越大。所以在設計安全裕量時,不能過分采用減小間隙值的做法。當減小間隙值對管道流阻影響較大時,即需要增加通道長度,在保證阻火性能的前提下,間隙值不減小甚至可以加大。可燃氣體或蒸氣混合物的MESG值隨著試驗外殼法蘭寬度(即通道長度)的減小而減小,直至某個最小值,但不等於零;隨著試驗外殼法蘭寬的的增加而增加,直至混合物的的臨界熄焰距離。在試驗外殼法蘭寬度小於10mm的情況下,隨著法蘭寬度的增加,MESG值增加的很快;當試驗外殼法蘭寬度大於30mm時,MESG值增加的比較緩慢,尤其是氫氣。由此可知增加通道長度對於增加阻火器的安全程度並不是一直有效的,設計人員應綜合考慮MESG、流阻等情況後確定阻火器的通道長度和間隙。
上述理論是阻火器的設計依據,而相關國家標準中對阻火器的檢驗方法也是基於上述理論。這些理論隻能作為波紋型阻火器和平行板型阻火器的設計依據。對於金屬網型等其它結構形式的阻火器,由於其通道長度和間隙值的不確定性,無法參照這些理論得出通道長度和間隙值進行設計,但是同樣適用於基於這些理論得出的檢驗方法。
三、阻火器防爆檢驗方法
目前國內應用於煤炭行業的阻火器,主要依據AQ1074—2009《煤礦瓦斯輸送管道幹式阻火器通用技術條件》等行業標準製造檢驗;應用於石油及化工行業的阻火器,主要是依據GB 13347和GB5908製造並檢驗;另有應用於內燃機進排氣係統的阻火器,其製造檢驗標準是GB20800.1。另外由於GB 20800修改采用EN 1834,二者試驗方法有所不同。
阻火器有關防爆性能方麵的試驗主要是:
(1)外殼強度試驗:檢驗阻火器的外殼承壓能力,即在阻火器外殼上製造或模擬可能出現的最大壓力並施加一定的安全係數,以此證明阻火器外殼可以承受該壓力。
(2)內部點燃的不傳爆試驗:檢驗阻火器的阻爆性能,即在阻火器前端的封閉係統中製造一次可能出現的最嚴重的爆炸,並以此證明,在這些條件下阻火器的隔爆外殼能承受住爆炸,且爆炸不會通過相關部件和阻火器傳到周圍環境中。
1、外殼強度試驗
表3是上述標準針對阻火器外殼強度的試驗方法的對比。
表3外殼強度試驗方法對比
標準 試驗壓力 試驗時間 判定方法 備注
AQ1074
 
DN300以下(含):2.5MPa;DN300以上:2.0MPa 5min 無裂痕或永久性變形
 
設計壓力一般為
0.6MPa、1.6MPa、2.5
MPa三個等級。
GB13347 1.5倍設計壓力 不小於10mm 無滲漏  
GB5908 O.9MPh 5min
 
無滲漏、裂痕或永久變形
 
等同采用EN1834;n為
壓力比,P為爆炸性氣體混合物的最大試驗測
定壓力
GB 20800.1
 
靜壓法:進氣阻火器,1.5MPa,最大1.5MPa;排氣阻火器,1.5P,最大1.0MPa; 1min以上 無滲漏,無可見變形
 
修改采用EN1834:該檢
驗方法與GB3836.2一致;
動壓法:在1.5倍大氣壓下通入規定的爆炸性氣體混合物並點燃 1min以上 無裂痕或永久變形  
EN1834 靜壓法:同GB20800.1  
動壓法:試驗方法同GB20800.1,但增加限製:壓力最小值0.35MPa 該試驗方法引用自EN50018:19914
從上表可以看出,AQ 1074、GB 13347和GB5908較多的考慮了阻火器外殼的使用壓力(如連接石油管道後的輸油壓力),而EN 1834和GB20800.1更多考慮的是爆炸性氣體混合物的爆炸壓力。所以從防爆安全角度來講,個人認為GB2080011和EN1834的試驗方法比較科學。但是其餘標準中,除GB13347在設計壓力為0.6MPa時以及GB5908規定的阻火器,試驗壓力有可能小於GB20800和EN1834外(但是試驗時間較長,所以其安全係數並不低),其它試驗均比GB20800.1和EN1834嚴酷的多。所以EN1834和GB20800.1的防爆安全性能應是合格的。
2、內部點燃的不傳爆試驗
AQ 1074、GB 13347、GB 5908中的阻火試驗以及EN 1834、GB 20800.1中的內部點燃不傳爆試驗,其試驗檢測目的不同,前者檢測是否有火焰傳出或外部氣體被點燃,主要要求阻火陛能;後者檢測是否有火焰傳出並引爆外部爆炸性氣體,主要要求阻火和防爆性能(內部不傳爆)。但其理論基礎均是前文所述的MESG理論。所以可以對有關標準中的試驗方法加以對比。
(1)試驗裝置對比
GB 13347和GB 5908中阻火試驗的試驗裝置如圖1所示。
阻火試驗裝置示意圖
阻火試驗方法:阻火器兩端均聯接管道形成封閉空腔,充以規定的爆炸性氣體混合物。在其中一端用電火花(A)點燃爆炸性氣體混合物,點火之前打開另一端的出氣閥門(E),用火焰探測器檢測這一端是否有火焰傳出或氣體被點燃。
EN1834及GB20800.1中的內部點燃不傳爆試驗是針對往複式內燃機用阻火器的,其它用途的阻火器可據情參考借用。
(2)試驗方法對比
表4是有關阻火器標準對阻火及內部點燃不傳爆試驗方法的對比。另外在SH/3413—1999《石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗及驗收》中規定石油氣管道阻火器的檢驗方法和GB13347一致,但該標準中明確規定僅適用於ⅡA級烴類爆炸性氣體混合物的輸送係統、氣體回收係統和氣體放空係統的阻火器。從上表可以看出,除GB20800.1外,大部分阻火器的試驗安全係數都約為1。GB20800.1修改采用EN 1834,在阻火器試驗方法上,未采用EN1834,但亦未完全參照GB3836.2。如表5所示。
表4阻火器試驗方法對比
標準 試驗氣體混合物及其MESG 試驗次數 MESG安全係數 備注
AQ1704 CH4理論當量比1)
MESG=1.14mm
13次 1 1.14/1.14
GB5908 (4.3±0.2)%C3H8
MESG=0.92mm2)
13次 0.983) 0.9/0.92
GBl3347 阻爆燃型 (4.3±0.2)%C3H8
MESG=0.92mm2)
13次 0.983)  
阻爆轟型 (7.2±0.2)%C3H8
13次
 
<1 尚無據可查混合物的MESG值
GB20800.1
 




IIA (55士1)%H2
MESG=0.65mm
10次 1.38 0.9/0.65
IIB (37±1)%H2
MESG=0.35mm
1次10 1.43 0.5/0.35
IIC 第一次試驗:
(27±1)%H2
MESG=0.29mm2)
第二次試驗5):(7.5±1)%C2H2
MESG=0.37mm2)
各10次 14) 0.29/0.29
0.37/0.37
排氣阻火器;試驗方法同進氣阻火器,但IIA類除可以用(55±1)%H2
進行試驗外,亦允許使用在常壓下(4.2士0.1)%C3H8(MEsG=0.92mm)進行試驗。
EN1834



IIA (4.2±0.1)%C3H8
MEsc =0.92m
10次 0.98  
IIB (45±0.5)%H2 MESG=0.49mm 10次 1.02 0.5/0.49
IIC 第一次試驗:
(27±1)%H2
MESG=0.29mm
第二次試驗:
(7.5±1)%C2H2
MESG:0.37mm2)
各10次 1  
ⅡA、ⅡB、Ⅱc類排氣阻火器均使用常壓下(4.2±0.1)%島H8進行試驗
                     
注:1)AQ1074規定:按甲烷和空氣的理論當量比配入天然氣。尚未查出該理論當量比的具體數值。天然氣中甲烷含量約為96%,在甲烷的爆炸極限(4.4%~17%)之外。此處暫以甲烷的最易傳爆濃度8.2%代替。
2)查GB3836.11可知,C3H8的最易傳爆濃度為4.2%。表中的濃度範圍包括了該最易傳爆濃度,故其最大試驗安全問隙為標準MESC。下同。
3)此安全係數為針對ⅡA類爆炸性氣體混合物的安全係數。GB5908為明確規定所涉及的阻火器用於ⅡA環境,但石油儲罐、管道及其周圍存在的爆炸性氣體,絕大部分嗬以歸為ⅡA類。下同。
4)Ⅱc類設備進行試驗時施加安全係數的方法是加大設備的隔爆間隙或增加試驗初始壓力。cB20800.1並未按照GB3836.2中的相關規定加大間隙或增加初壓,所以其安全係數為1。
5)Ⅱc類電氣設備除用MESG值較小的H2做第一次試驗外,為了防止C2H2不完全燃燒而產生的碳,通過接合麵噴出麗點燃周圍爆炸性混合物,需用C2H2做第二次試驗。
表5 GB20800.1中阻火器內部點燃不傳爆試驗
安全係數施加情況
阻火器種類 施加試驗安全係數情況 備注
進氣
阻火器
ⅡA 施加 按照GB 3836.2的試驗規定,各級別的隔爆型電氣設備進行試驗時均施加相應的安全係數。
ⅡB 施加
ⅡC 未施加
排氣
阻火器
ⅡA 可以不施加
ⅡB 施加
ⅡC 未施加
關於內部點燃不傳爆試驗,因為考慮到我國製造工藝、裝備水平等實際國情,GB 20800.1對阻火器試驗施加了一定的安全係數,但筆者認為部分安全係數設定有些高。
本文對防爆阻火器的設計原理進行了探討,並基於相關標準對阻火器的防爆檢驗方法進行了對比,希望與相關設計人員進行探討。
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