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如何才能正确以及合理的使用阻爆轰型阻火器

阻爆轰型燃气管道阻火器
阻爆轰型燃气管道阻火器是专门用在加热炉、锅炉输送的燃气管道上,也可用在天然气管道、沼气管道上,该阀阻火层采用SS304、四层阻火板,强而有力的阻止火焰通过。人们常常认为阻爆轰型阻火器能提供全面的保护,这种误解会导致具有潜在危险的安装。转变这种错误的认识,关键要理解两种阻爆轰型阻火器(稳定和非稳定)之间的根本区别。
合理设计防爆和防护系统,并且遵守严格的操作和维护程序,可以避免在很多工艺中产生易燃气体/蒸气和空气混合物,更不可能着火。然而在储罐通风和蒸气收集系统中,这种风险要大得多,因此合理使用阻爆轰型阻火器是确保设备在使用寿命中安全性的最重要因素。
一、什么是爆轰?
爆轰发生在具有长管道的开放或封闭管道系统(例如通风管或蒸气收集系统)中。当气体/空气混合物在管道内着火,燃烧混合物体积因而增加,导致其前方的未燃混合物被预先压缩且火焰锋随着燃烧率的升高而加快。该过程的早期阶段称为爆燃,这时火焰速度为亚音速且压力波遥遥领先于火焰锋;通常,对于在环境条件下引发的爆炸,火焰速度小于100m/s且压力低于0.1MPa.g,但若转变为爆轰,则火焰速度和压力可分别达到200~300m/s以及1MPa.g。由于燃烧过程进一步加快,最后火焰锋和压力波相遇,在“爆燃转爆轰(DDT)”区形成高压冲击波,该冲击波靠近火焰锋前方。
DDT区的另一个特征是超压爆轰或不稳定爆轰,其猛烈的冲击波压缩可带来15 MPa.g 以上的瞬时压力以及 3000 m/s以上的火焰速度。这些冲击波迅速消散,爆轰波变得稳定,同时压力约为 2~3 MPa.g,火焰速度通常为1600~2000 m/s。
爆轰只会在特定的气体/蒸气浓度范围内发生,通常浓度都在所涉及材料的正常可燃范围内。接近稀/浓极限时,会出现驰振爆轰现象。火焰速度由于管道方向更改(弯头等)而临时衰减为爆燃区的速度时,也会出现这种现象。这主要说明火焰锋可通过 DDT/不稳定爆轰区在爆燃和稳定爆轰之间反复变化,而这是极其危险的。
稳定爆轰只会发生在不稳定爆轰后,强调这一点很重要。在很大程度上,稳定和不稳定爆轰的出现取决于管道直径、管道配置、管道类型(例如,滑顺焊接、带法兰接头的粗焊接)、气体/蒸气类型、空气中的气体/蒸气浓度、工作温度和工作压力。只有在带化学计量试验气体的受控实验室条件下,才有可能预测出现这些现象的位置。在工艺装置中,处理气体/蒸气(浓度接近可燃性稀/浓极限且位于包含无数弯头、阀门等的管道中)的可能性比标准试验气体(丙烷、乙烯或氢气)高。这些因素会影响防爆措施(尤其是阻爆轰型阻火器)的应用。
二、阻爆轰型阻火器的工作原理
阻火匣式阻爆轰型阻火器使用小阻火匣与最佳阻火匣长度来提供大的传热面积。来自燃烧气体的热量通过阻火匣内的边界层消散,最终冷却到其自燃温度以下。所需阻火匣大小取决于实际气体/蒸气,且可使用所有易燃气体/蒸气的基本属性“最大试验安全间隙 (MESG)”来定义。
所需的阻火匣长度通过试验确定,基本上是火焰速度的函数——由于阻爆轰型阻火器的高火焰速度,其阻火匣长度通常比阻爆燃型阻火器大。一般,不稳定阻爆轰型阻火器的阻火匣长度比稳定阻爆轰型阻火器大,但更重要的是,它需要更坚固的元件支撑架来承受不稳定事件带来的更大作用力。通过使用整体逆流减震器,爆轰也可在到达元件前衰减为爆燃。
三、稳定阻爆轰型阻火器
虽然稳定阻爆轰型阻火器已在德国普遍使用并经ISO16852:2008认可,但由于它完全忽略DDT/不稳定爆轰和驰振爆轰的存在且似乎仅依赖于已接受的风险级别,所以存在根本缺陷。而且,这种装置的制造商不需要明确告知用户使用“阻爆轰型”阻火器的风险。
若认为将气体/空气浓度维持在爆炸下限(LEL)的25% 为根本防爆技术,则依此类推,可认为将其维持在爆炸上限(UEL)以上 25% 也同样可以接受。然而,由于可能需要穿过整个可燃范围来实现这种维持,一般不推荐这种做法。
ISO16852:2008(7.4.4、11.1h 和附件 D)试图通过不允许单独使用稳定阻爆轰型阻火器以及 0、1 和 2 区(以德国 TRbF 20 规范为代表)的相关防护级别来克服该问题。实际上,若会发生爆轰,就不会注意到是否在 0、1 和 2 区,最终结果也相同。
稳定阻爆轰型阻火器的构建标准低于不稳定阻爆轰型阻火器。另外,当位于DDT/不稳定区时,由于给不稳定爆轰施加了极高动负荷(设计环节未考虑这一点),稳定阻爆轰型阻火器通常会出现机械损坏(请参见下文的“工艺管道的安全度”部分)。
四、不稳定阻爆轰型阻火器
全球大部分地区都只认可不稳定阻爆轰型阻火器,例如,《美国海岸警卫队标准》规定,只允许使用在稳定和不稳定爆轰下都证实可靠的不稳定阻爆轰型阻火器。由于爆轰事件在实践中的不可预见性,没有其他装置可在无需考虑可能位置及使用其他防护系统的情况下提供全面保护。不稳定爆轰试验的一个缺陷是其固有的不可预见性以及广泛的火焰速度和压力范围(可通过对比稳定爆轰试验来测量。在稳定爆轰试验中,这些参数可根据理论原理计算)。然而,考虑到所执行的试验次数,这显然是比冒险采用低性能的稳定阻爆轰型阻火器更健全的解决方案。毕竟,永远也不可能用阻爆燃型阻火器代替阻爆轰型阻火器,因为发生爆轰的可能性很小。
与稳定阻爆轰型阻火器相比,不稳定阻爆轰型阻火器可能有更大的压力降。然而,考虑到稳定阻爆轰型阻火器可能需要成对使用或与阻爆燃型阻火器搭配使用,这就不成问题。由于需要在工艺设计阶段考虑的某些因素(例如,流量和压力降)总在事后才想起,因而导致了不必要的实践和成本问题。
五、只遭遇爆燃的阻爆轰型阻火器
使用阻爆轰型阻火器并不意味着它总是遭遇爆轰,事实上,可以考虑稀/浓蒸气/空气混合物着火后,爆燃会引起的效果。除非经过严格试验,否则遭遇爆燃火焰锋时,阻爆轰型阻火器仍有可能发生故障。
USCG 和 ISO16852:2008 试验协议都允许试验带受限出口的阻爆轰型阻火器——USCG在这方面有强制规定,ISO16852:2008将其作为可选项,导致大量不必要的阻爆轰型阻火器类型。受限出口指靠近阻爆轰型阻火器受保护端的局部关闭阀门或接头。由于爆燃中的压力波位于火焰锋前方,这种限制可能在火焰锋到达阻爆轰型阻火器之前产生背压,从而导致气体在更高的压力(高于认证压力)下燃烧且火焰将穿过阻爆轰型阻火器。
重新定位阻爆轰型阻火器的阀门或接头等元件可消除该潜在问题,但更好的方法是确保阻爆轰型阻火器允许受限出口的存在。
六、高温和高压下的效果
阻爆轰型阻火器常用于高于环境/大气温度和压力(通常达60℃,0.01MPa.g)下的工艺操作。在这种情况下,需要确定气体或蒸气/空气混合物可在给定工艺中着火的条件。例如,除非高压排气出口有相同压力下的空气,当空气和气体可以混合(很可能在大气压力下)且排气压力减弱(允许与气体混合)时,阻爆轰型阻火器才需要发挥作用。在高压下,更多能量产生且火焰加速度加快,因此爆炸压力更大(基本与初始着火压力成正比)并将在更短的管道长度下到达DDT区。
在任何情况下,若高压和/或高温下存在气体/空气,则经测试证明任何阻爆轰型(或管道爆燃型)阻火器可在这种条件下使用至关重要。ISO16852:2008有150℃和0.06 MPa.g的限制,但阻火器肯定可用于更高的温度和压力。考虑到这种阻火器可以有更大的压力降且更昂贵,仔细评估工艺来避免不必要的问题是关键。
七、稳定燃烧
当可着火的气体/蒸气和空气易燃混合物通过阻火器,且该混合物基于流速在阻火器元件表面持续燃烧时,会出现稳定燃烧现象。在常压储罐和阻火器(用于需要防持续燃烧的情况)的不可控制通风过程中,更可能出现稳定燃烧,也就是说它们可承受不定期限的预混合燃烧。根据 TRbF 20 等规范,使用带通风管(长度合适)的阻爆轰型阻火器可确保阻火器元件不发生燃烧。这种阻火器的有效性尚不可靠,因为它假设阻爆轰型阻火器始终易发生爆轰,然而在实践中,也极有可能发生爆燃。
当然管道应用(例如蒸气回收装置)中也有可能出现稳定燃烧,且所使用的阻爆轰型阻火器必须能处理这种事件。虽然可获得防持续燃烧阻爆轰型阻火器,其单独使用(与所有防持续燃烧阻火器一样)仍存在问题,因为它实际上允许未检测到的火焰在危险区域燃烧而不采取任何措施;在试验过程中,阻火器外壳的未防护端可能烧红,导致无法对危险区域的温度进行分级。更好和更安全的方法是安装温度监控设备,从而在最短时间内采取停止燃烧的相应措施。若阻爆轰型阻火器只能承受有限期间的燃烧且相关工艺有可能出现这种情况,则有必要安装温度传感器。ISO16852:2008 要求在阻火器/阻爆轰型阻火器上清楚标示稳定燃烧时间。
八、工艺管道的安全度
有一个关于普通工艺管道适用性的常见问题,即管道中是否会发生爆轰。简单来说,沿着管道前行的火焰锋/爆轰不是静压力(管道应能承受正常静态爆炸压力,因此假设为环境条件下的1MPa.g 等级),而是只作用于管道壁数微秒的动态冲击压力。到目前为止,更大的危险是当火焰锋/爆轰的前行受到如管道弯头、阀门和阻火器/阻爆轰型阻火器等的阻碍时,其产生的动量和能量作用。当这种动量/能量转移,除非设备有动量/能量作用力承受设计,否则它可能会产生灾难性故障。为此,若阻爆燃型阻火器和稳定阻爆轰型阻火器遭遇 DDT/不稳定爆轰,就会产生机械故障(以及火焰传递)。这种配件/阀门的位置必须经过仔细考虑、提供充分支撑并有技巧地放置不稳定阻爆轰型阻火器来最小化管道的机械故障风险。
九、经验总结:
认为管道系统中的易燃气体/蒸气着火后,阻爆轰型阻火器(未认定为稳定或不稳定类型)能提供全面防护的观点是危险的。
单独使用稳定阻爆轰型阻火器会将人员生命和价值数百万美元的工艺装置置于危险的境地,因为稳定阻爆轰型阻火器:只提供爆燃和稳定爆轰防护;在位置方面有根本缺陷;不提供驰振爆轰防护;必须与其他防护系统一起使用。
只有不稳定阻爆轰型阻火器能在不限制位置的情况下提供全面的爆燃、稳定、不稳定和驰振爆轰防护。