阻火器防爆設計及防爆檢驗方法分析說明

阻火器作為阻止可燃性氣體發生燃燒或者爆炸后繼續傳播的安全裝置，在化工礦山、煤礦運等行業中被大量采用。阻火器的應用范圍非常廣泛。阻火器的種類很多防爆阻火器是其中之一下面就對對阻火器的工作原理、分類、防爆設計及理論依據進行分析說明。

阻火器工作原理：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。火焰進入阻火器后傳熱作用火焰進入阻火器后被分成許多細小的火焰。由于通道或空隙的傳熱面積很大火焰通過通道壁進行熱交換后,溫度下降,到一定程度時火焰即被熄滅。火焰能夠被熄滅的機理是傳熱作用和器壁效應。

傳熱作用：火焰進入阻火器后被分成許多細小的火焰流。由于通道或空隙的傳熱面積很大,火焰通過通道壁進行熱交換后,溫度下降,到一定程度時火焰即被熄滅。根據英國羅卜爾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于或大于消失的自由基數。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。

阻火器分類：

1、阻火器按照應用類型可分為:

(1)阻爆轟型阻火器:用于阻止火焰以音速或超音速通過。

(2)阻爆燃型阻火器:用于阻止火焰以亞音速通過。

(3)耐燒型阻火器:用于阻止可燃氣體的燃燒火焰通過,并能夠承受一定時間的火焰燃燒高溫。

(4)特殊用途阻火器:用于有特殊要求的設備上。

2、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。

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。其中阻火元件是阻火器的核心部件。本文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于其器壁效應,并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。對于通道的安全間隙值,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后,通過25mm長的接合面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zui大間隙定義為zui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特性,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后,在zui易傳爆混合物濃度時測得的zui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zui大不傳爆間隙g0和一個傳爆率為的zui小傳爆間隙g100。改變氣體混合物濃度,在其所有濃度范圍內測得一組g0值,其中的zui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zui易傳爆混合物濃度,此時其傳爆能力zui強。但在zui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zui大試驗安全間隙(MESG),但是按照GB3836.11或IEC79-1A的規定,這種說法是不準確的。在本文中我們不妨沿用,但為方便讀者理解,將在使用非標準意義MESG時加下劃線以示區別。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級可燃氣體或蒸汽種類較少只有以下5種如表2所示：

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zui危險(MESG值zui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于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于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于0.29mm。在設計過程中,需根據制造工藝、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間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zui小值,但不等于零;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于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于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于增加阻火器的安全程度并不是一直有效的,設計人員應綜合考慮MESG、流阻等情況后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于上述理論。這些理論只能作為波紋型阻火器和平行板型阻火器的設計依據。對于金屬網型等其它結構形式的阻火器,由于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,但是同樣適用于基于這些理論得出的檢驗方法。阻火器防爆檢驗方法：目前國內應用于煤炭行業的阻火器,主要依據AQ1074!2009煤礦瓦斯輸送管道干式阻火器通用技術條件等行業標準制造檢驗;應用于石油及化工行業的阻火器,主要是依據GB13347和GB5908制造并檢驗;另有應用于內燃機進排氣系統的阻火器,其制造檢驗標準是GB20800.1。另外由于GB20800修改采用EN1834,二者試驗方法有所不同。

阻火器有關防爆性能方面的試驗主要是:

(1)外殼強度試驗:檢驗阻火器的外殼承壓能力,即在阻火器外殼上制造或模擬可能出現的zui大壓力并施加一定的安全系數,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系統中制造一次可能出現的zui嚴重的爆炸,并以此證明,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。

阻火器殼體強度試驗：下面表3是上述標準隨針對阻火器外殼強度強度的試驗方法的對.

從上表可以看出AQ1074、GB13347和GB5908較多的考慮了阻火器外殼的使用壓力(如連接石油管道后的輸油壓力),而EN1834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GB20800.1和EN1834的試驗方法比較科學。但是其余標準中,除GB13347在設計壓力為0.6MPa時以及GB5908規定的阻火器,試驗壓力有可能小于GB20800和EN1834外(但是試驗時間較長,所以其安全系數并不低),其它試驗均比GB20800.1和N1834嚴酷的多。所以EN1834和GB20800.1的防爆安全性能應是合格的。內部點燃的不傳爆試驗：AQ1074、GB13347、GB5908中的阻火試驗以及EN1834、GB20800.1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,主要要求阻火性能;后者檢測是否有火焰傳出并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：

GB13347和GB5908中阻火試驗的試驗裝置如圖1所示。

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復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。

注:1)AQ1074規定:按甲烷和空氣的理論當量比配入天然氣。筆者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zui易傳爆濃度8.2%代替。2)查GB3836.11可知,C3H8的zui易傳爆濃度為4.2%。表中的濃度范圍包括了該zui易傳爆濃度,故其zui大試驗安全間隙為標準MESG。下同。

3)此安全系數為針對#A類爆炸性氣體混合物的安全系數。GB5908為明確規定所涉及的阻火器用于IIA環境,但石油儲罐、管道及其周圍存在的爆炸性氣體,絕大部分可以歸為IIA類。下同。

4)IIC類設備進行試驗時施加安全系數的方法是加大設備的隔爆間隙或增加試驗初始壓力。GB20800.1并未按照GB3836.2中的相關規定加大間隙或增加初壓,所以其安全系數為1。

5)IIC類電氣設備除用MESG值較小的H2做*次試驗外,為了防止C2H2不*燃燒而產生的碳,通過接合面噴出而點燃周圍爆炸性混合物,需用C2H2做第二次試驗。

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于IIA級烴類爆炸性氣體混合物的輸送系統、氣體回收系統和氣體放空系統的阻火器。從上表可以看出,除GB20800.1外,大部分阻火器的試驗安全系數都約為1。GB20800.1修改采用EN1834,在阻火器試驗方法上,未采用EN1834,但亦未*參照GB3836.2。如表5所示。