阻火器知识

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阻火器的防爆设计、阻火器的防爆检验方法

管道防爆阻火器
阻火器作为阻止可燃性气体发生燃烧或者爆炸后继续传播的安全装置,在化工、矿山、煤矿、水运等行业中被大量采用。阻火器的应用范围很广,例如:
输送易燃可燃气体的管道;
储存石油及石油产品的油罐;
有爆炸危险系统的通风管口;
油气回收系统;
内燃机进排气系统;
火炬系统。
阻火器的种类很多,防爆阻火器是其中之一。今天提出一些对阻火器防爆设计及防爆检验的看法。
一、阻火器原理及分类
1、阻火器原理
阻火器是由能够通过气体的许多细小、均匀或不均匀的通道或孔隙的固体材质所组成。火焰进入阻火器后,被分成许多细小的火焰流而被熄灭。火焰能够被熄灭的机理是传热作用和器壁效应。
(1)传热作用
火焰进入阻火器后被分成许多细小的火焰流。由于通道或空隙的传热面积很大,火焰通过通道壁进行热交换后,温度下降,到一定程度时火焰即被熄灭。根据英国罗卜尔(M。Roper)对波纹型阻火器进行的试验表明,当把阻火器材料的导热性提高460倍时,其熄灭直径(即火焰熄灭的通道直径)仅改变2.6%。这说明材质问题是次要的,也就是说传热作用是熄灭火焰的一种原因,但不是主要的原因。
(2)器壁效应
根据燃烧与爆炸连锁反应理论,认为燃烧与爆炸现象不是分子间直接作用的结果,而是在外
来能源(热能、辐射能、电能、化学反应能等)的激发下,使分子键受到破坏,产生活性分子。这些具备反应能力的活性分子发生化学反应时,首先分裂为十分活泼而寿命短促的自由基。自由基与其它分子相撞,生成新的产物,同时也产生新的自由基再继续与其它分子发生反应。易燃混合气体自行燃烧爆炸的条件是:新产生的自由基数等于或大于消失的自由基数。随着阻火器通道尺寸的减小,自由基与反应分子之间碰撞的几率随之减少,而自由基与通道壁的碰撞几率反而增加,这样就促使自由基反应降低。当通道尺寸减小到某一数值时,这种器壁效应就造成了火焰不能继续进行的条件火焰即被阻止。由此可知器壁效应是阻火器阻止火焰传播的主要机理。
2、阻火器分类
阻火器按照应用类型可分为:
(1)阻爆轰型阻火器:用于阻止火焰以音速或超音速通过。
(2)阻爆燃型阻火器:用于阻止火焰以亚音速通过。
(3)耐烧型阻火器:用于阻止可燃气体的燃烧火焰通过,并能够承受一定时间的火焰燃烧高温。
(4)特殊用途阻火器:用于有特殊要求的设备上。
按结构形式可分为:
(1)金属网型阻火器。
(2)波纹型阻火器。
(3)泡沫金属阻火器。
(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、阻火器的防爆设计及理论依据
阻火器主要分为外壳与阻火元件两部分。阻火器的外壳及其与阻火元件的连接部分应符合规定(注:规定是应符合GB 1336__77,该标准随后被GB3836.2--83替代),其中阻火元件是阻火器的核心部件。今天主要探讨有关阻火元件的设计。
从阻火器防止火焰传播的原理可以知道,阻火器的防爆设计应该主要基于其器壁效应,并同时考虑材质的机械强度和耐腐蚀等性能。根据器壁效应,当通道窄到一定程度时,自由基与器壁的碰撞占主导地位,自由基大量减少,燃烧反应不能继续进行。对于通道的安全间隙值,在GB3836.11中规定:一定条件下(20℃、105MPa),在标准试验容器内,所有浓度的被试气体或蒸气空气的混合物点燃后,通过25mm长的接合面均不能点燃容器外爆炸性气体混合物的容器外壳空腔两部分之间的最大间隙定义为最大试验安全间隙(MESG)。不同的可燃气体或蒸气具有不同燃烧或爆炸性,所以具有不同MEsG值。需要指出的是,某一气体的MESG值是确定的,它是该种气体与空气混合后,在最易传爆混合物浓度时测得的最大试验安全间隙。根据MEsG值的测试方法可知,针对某一气体在某一浓度时有一个传爆率为0%的最大不传爆间隙g0和一个传爆率为100%的最小传爆间隙g100。改变气体混合物浓度,在其所有浓度范围内测得一组g0值,其中的最小值(g0)min即为该气体的MEsG值,该值对应的混合物浓度即为这种气体的最易传爆混合物浓度,此时其传爆能力最强。
但在最易传爆混合物浓度之外的其它浓度时测得的g0值,以及在非标准容器或非标准长度(25mm)通道上测得的g0值,在许多文献上也将其称为各对应浓度时的最大试验安全间隙(MESG),但是按照CB3836.11或IEC79一1A的规定,这种说法是不准确的。在本文中我们不妨沿用,但为方便理解将在使用非标准意义MESG时加下划线以示区别。
国际电工协会(IEC)按照各种气体或蒸气的MESG值将其分为4个等级。如表1所示。
其中目前有据可查的ⅡC级可燃气体或蒸气种类较少,只有以下5种,如表2所示。
表1可燃气体或蒸气MESc分级表
可燃气体或蒸气分级 MESG值/mm
I(CH4) MESG=1.14
ⅡA MESG≥0.9
ⅡB 0.9>MESG≥0.5
ⅡC MESC≤0.5
表2Ⅱc级可燃气体或蒸气
可燃气体或蒸气名称 分子式 MEsG值/mm
H2 0.29
乙炔 C2H2 0.37
二硫化碳 CS2 0.34
二乙基二氯硅烷 (C2H5)2SiCl2 0.45
硝酸乙酯 C2H5ONO2 --
这样在设计阻火器时,应根据阻火器的使用环境,确定阻火器的通道长度及间隙值。其值必须满足预计使用的危险场所内存在的最危险(MESG值最小)的可燃气体或蒸气的安全要求,例如:
(1)阻火器预计使用在某一特定的可燃气体或蒸气环境如乙炔,通道长度设计为25mm,则其通道间隙必须小于0.37mm。
(2)阻火器预计使用在ⅡB级可燃气体或蒸气环境,通道长度设计为25mm,则其通道间隙必须小于0.5mm。
(3)阻火器预计使用在Ⅱc级可燃气体或蒸气环境,通道长度设计为25mm,则其通道间隙必须小于0.29mm。
在设计过程中,需根据制造工艺、加工精度等因素以及相关国家标准的检验要求,在设计时留有一定的安全裕量,例如采用适当增加通道长度或者减小问隙值的方法或者综合采用。在实际应用中,通常需要考虑阻火器应用管路中对流阻的要求,因为工业上期望使用低流阻且可以安全阻火的产品。间隙越小阻火性能就越好,但是流体通过阻力却越大。所以在设计安全裕量时,不能过分采用减小间隙值的做法。当减小间隙值对管道流阻影响较大时,即需要增加通道长度,在保证阻火性能的前提下,间隙值不减小甚至可以加大。可燃气体或蒸气混合物的MESG值随着试验外壳法兰宽度(即通道长度)的减小而减小,直至某个最小值,但不等于零;随着试验外壳法兰宽的的增加而增加,直至混合物的的临界熄焰距离。在试验外壳法兰宽度小于10mm的情况下,随着法兰宽度的增加,MESG值增加的很快;当试验外壳法兰宽度大于30mm时,MESG值增加的比较缓慢,尤其是氢气。由此可知增加通道长度对于增加阻火器的安全程度并不是一直有效的,设计人员应综合考虑MESG、流阻等情况后确定阻火器的通道长度和间隙。
上述理论是阻火器的设计依据,而相关国家标准中对阻火器的检验方法也是基于上述理论。这些理论只能作为波纹型阻火器和平行板型阻火器的设计依据。对于金属网型等其它结构形式的阻火器,由于其通道长度和间隙值的不确定性,无法参照这些理论得出通道长度和间隙值进行设计,但是同样适用于基于这些理论得出的检验方法。
三、阻火器防爆检验方法
目前国内应用于煤炭行业的阻火器,主要依据AQ1074—2009《煤矿瓦斯输送管道干式阻火器通用技术条件》等行业标准制造检验;应用于石油及化工行业的阻火器,主要是依据GB 13347和GB5908制造并检验;另有应用于内燃机进排气系统的阻火器,其制造检验标准是GB20800.1。另外由于GB 20800修改采用EN 1834,二者试验方法有所不同。
阻火器有关防爆性能方面的试验主要是:
(1)外壳强度试验:检验阻火器的外壳承压能力,即在阻火器外壳上制造或模拟可能出现的最大压力并施加一定的安全系数,以此证明阻火器外壳可以承受该压力。
(2)内部点燃的不传爆试验:检验阻火器的阻爆性能,即在阻火器前端的封闭系统中制造一次可能出现的最严重的爆炸,并以此证明,在这些条件下阻火器的隔爆外壳能承受住爆炸,且爆炸不会通过相关部件和阻火器传到周围环境中。
1、外壳强度试验
表3是上述标准针对阻火器外壳强度的试验方法的对比。
表3外壳强度试验方法对比
标准 试验压力 试验时间 判定方法 备注
AQ1074
 
DN300以下(含):2.5MPa;DN300以上:2.0MPa 5min 无裂痕或永久性变形
 
设计压力一般为
0.6MPa、1.6MPa、2.5
MPa三个等级。
GB13347 1.5倍设计压力 不小于10mm 无渗漏  
GB5908 O.9MPh 5min
 
无渗漏、裂痕或永久变形
 
等同采用EN1834;n为
压力比,P为爆炸性气体混合物的最大试验测
定压力
GB 20800.1
 
静压法:进气阻火器,1.5MPa,最大1.5MPa;排气阻火器,1.5P,最大1.0MPa; 1min以上 无渗漏,无可见变形
 
修改采用EN1834:该检
验方法与GB3836.2一致;
动压法:在1.5倍大气压下通入规定的爆炸性气体混合物并点燃 1min以上 无裂痕或永久变形  
EN1834 静压法:同GB20800.1  
动压法:试验方法同GB20800.1,但增加限制:压力最小值0.35MPa 该试验方法引用自EN50018:19914
从上表可以看出,AQ 1074、GB 13347和GB5908较多的考虑了阻火器外壳的使用压力(如连接石油管道后的输油压力),而EN 1834和GB20800.1更多考虑的是爆炸性气体混合物的爆炸压力。所以从防爆安全角度来讲,个人认为GB2080011和EN1834的试验方法比较科学。但是其余标准中,除GB13347在设计压力为0.6MPa时以及GB5908规定的阻火器,试验压力有可能小于GB20800和EN1834外(但是试验时间较长,所以其安全系数并不低),其它试验均比GB20800.1和EN1834严酷的多。所以EN1834和GB20800.1的防爆安全性能应是合格的。
2、内部点燃的不传爆试验
AQ 1074、GB 13347、GB 5908中的阻火试验以及EN 1834、GB 20800.1中的内部点燃不传爆试验,其试验检测目的不同,前者检测是否有火焰传出或外部气体被点燃,主要要求阻火陛能;后者检测是否有火焰传出并引爆外部爆炸性气体,主要要求阻火和防爆性能(内部不传爆)。但其理论基础均是前文所述的MESG理论。所以可以对有关标准中的试验方法加以对比。
(1)试验装置对比
GB 13347和GB 5908中阻火试验的试验装置如图1所示。
阻火试验装置示意图
阻火试验方法:阻火器两端均联接管道形成封闭空腔,充以规定的爆炸性气体混合物。在其中一端用电火花(A)点燃爆炸性气体混合物,点火之前打开另一端的出气阀门(E),用火焰探测器检测这一端是否有火焰传出或气体被点燃。
EN1834及GB20800.1中的内部点燃不传爆试验是针对往复式内燃机用阻火器的,其它用途的阻火器可据情参考借用。
(2)试验方法对比
表4是有关阻火器标准对阻火及内部点燃不传爆试验方法的对比。另外在SH/3413—1999《石油化工石油气管道阻火器选用、检验及验收》中规定石油气管道阻火器的检验方法和GB13347一致,但该标准中明确规定仅适用于ⅡA级烃类爆炸性气体混合物的输送系统、气体回收系统和气体放空系统的阻火器。从上表可以看出,除GB20800.1外,大部分阻火器的试验安全系数都约为1。GB20800.1修改采用EN 1834,在阻火器试验方法上,未采用EN1834,但亦未完全参照GB3836.2。如表5所示。
表4阻火器试验方法对比
标准 试验气体混合物及其MESG 试验次数 MESG安全系数 备注
AQ1704 CH4理论当量比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)  
阻爆轰型 (7.2±0.2)%C3H8
13次
 
<1 尚无据可查混合物的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 第一次试验:
(27±1)%H2
MESG=0.29mm2)
第二次试验5):(7.5±1)%C2H2
MESG=0.37mm2)
各10次 14) 0.29/0.29
0.37/0.37
排气阻火器;试验方法同进气阻火器,但IIA类除可以用(55±1)%H2
进行试验外,亦允许使用在常压下(4.2士0.1)%C3H8(MEsG=0.92mm)进行试验。
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 第一次试验:
(27±1)%H2
MESG=0.29mm
第二次试验:
(7.5±1)%C2H2
MESG:0.37mm2)
各10次 1  
ⅡA、ⅡB、Ⅱc类排气阻火器均使用常压下(4.2±0.1)%岛H8进行试验
                     
注:1)AQ1074规定:按甲烷和空气的理论当量比配入天然气。尚未查出该理论当量比的具体数值。天然气中甲烷含量约为96%,在甲烷的爆炸极限(4.4%~17%)之外。此处暂以甲烷的最易传爆浓度8.2%代替。
2)查GB3836.11可知,C3H8的最易传爆浓度为4.2%。表中的浓度范围包括了该最易传爆浓度,故其最大试验安全问隙为标准MESC。下同。
3)此安全系数为针对ⅡA类爆炸性气体混合物的安全系数。GB5908为明确规定所涉及的阻火器用于ⅡA环境,但石油储罐、管道及其周围存在的爆炸性气体,绝大部分呵以归为ⅡA类。下同。
4)Ⅱc类设备进行试验时施加安全系数的方法是加大设备的隔爆间隙或增加试验初始压力。cB20800.1并未按照GB3836.2中的相关规定加大间隙或增加初压,所以其安全系数为1。
5)Ⅱc类电气设备除用MESG值较小的H2做第一次试验外,为了防止C2H2不完全燃烧而产生的碳,通过接合面喷出丽点燃周围爆炸性混合物,需用C2H2做第二次试验。
表5 GB20800.1中阻火器内部点燃不传爆试验
安全系数施加情况
阻火器种类 施加试验安全系数情况 备注
进气
阻火器
ⅡA 施加 按照GB 3836.2的试验规定,各级别的隔爆型电气设备进行试验时均施加相应的安全系数。
ⅡB 施加
ⅡC 未施加
排气
阻火器
ⅡA 可以不施加
ⅡB 施加
ⅡC 未施加
关于内部点燃不传爆试验,因为考虑到我国制造工艺、装备水平等实际国情,GB 20800.1对阻火器试验施加了一定的安全系数,但笔者认为部分安全系数设定有些高。
本文对防爆阻火器的设计原理进行了探讨,并基于相关标准对阻火器的防爆检验方法进行了对比,希望与相关设计人员进行探讨。
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