論述燃?xì)夤艿雷杌鹌髟?燃?xì)夤艿雷杌鹌鲬?yīng)用
管道阻火器
石油和石油產(chǎn)品儲罐及其它燃?xì)鈨薜倪M(jìn)出口處、呼吸閥處、安全泄壓閥等處及其附近區(qū)域內(nèi)常含有大量易燃?xì)怏w,這些氣體與空氣混合在
一起就可以形成局部燃燒或爆炸的環(huán)境。當(dāng)遇到雷擊、明火或其它各種偶然情況產(chǎn)生的點(diǎn)火因素時(shí),就有可能點(diǎn)燃局部預(yù)混氣,并且火焰將沿
未燃預(yù)混氣的分布方向傳入儲罐內(nèi),從而引起儲罐爆炸等災(zāi)難性事故。所以必須在儲罐的有關(guān)部位安裝阻火器,以防止外部的火焰?zhèn)魅雰蕖?/span>
燃?xì)夤艿涝谕ǔＧ闆r下是安全的,這是因?yàn)樵诠芫W(wǎng)所輸送的易燃?xì)怏w中不含有氧氣或其它氧化劑,火焰不可能在沒有氧化劑的純凈燃?xì)庵挟a(chǎn)生
和傳播。但是在某些特殊的意外條件下,例如因施土不當(dāng)、地震、年久失修或其它不可預(yù)見的意外事故,就有可能造成管道網(wǎng)某處的破裂。如
果管道是采用低壓輸送燃?xì)獾?/span>,就有可能在管道破裂處造成局部壓力降,引起外界空氣進(jìn)入管道網(wǎng),使下游管網(wǎng)內(nèi)的燃?xì)獬蔀榕c空氣的預(yù)混氣。
當(dāng)該預(yù)混氣達(dá)到爆炸極限時(shí)就具備了產(chǎn)生回火和導(dǎo)致爆炸災(zāi)害的必要條件。國內(nèi)外發(fā)生的此類事故已不鮮見。如果能在管道網(wǎng)中適當(dāng)?shù)牟课?/span>
安裝管道阻火器,上述事故就可以得到有效的扼制。當(dāng)然,引起燃?xì)獗ㄊ鹿实脑蚝芏?/span>,也很復(fù)雜,但在很多情況下管道阻火器都能起到有效
地控制爆炸災(zāi)害擴(kuò)散的作用。管道阻火器按其阻火性能可以分為阻爆轟型和阻爆型兩種類型。能夠阻止亞音速火焰?zhèn)鞑サ?/span>管道阻火器稱為
阻爆燃型管道阻火器,能夠阻止超音速火焰?zhèn)鞑サ墓艿雷杌鹌鞣Q為阻爆轟型管道阻火器。
1、 燃?xì)忸A(yù)混氣火焰在管道中傳播規(guī)律和機(jī)理
在充滿易燃預(yù)棍氣體的實(shí)驗(yàn)管道稱為化學(xué)爆轟激波管中,一端點(diǎn)燃,火焰將沿管道向未燃?xì)怏w方向傳播。氣體的燃燒過程即放熱化學(xué)反應(yīng)過程。
氣體的爆炸過程從放熱化學(xué)反應(yīng)角度來看,與燃燒過程是完全一樣的,只是化學(xué)反應(yīng)的速率不同。當(dāng)然從力學(xué)和熱力學(xué)角度來看,這是兩種完全不
同的現(xiàn)象。沿管道向未燃?xì)怏w方向傳播的運(yùn)動(dòng)火焰稱為火焰面,或稱為化學(xué)反應(yīng)區(qū)。一般說來,火焰面運(yùn)動(dòng)速度越快,說明化學(xué)反應(yīng)越劇烈,即化
學(xué)反應(yīng)速率越大,火焰面厚度就越小?；鹧婷鏋槭裁磿诠艿乐邢蛭慈?xì)怏w方向運(yùn)動(dòng)呢?即火焰?zhèn)鞑C(jī)理是什么呢?對于爆燃火焰來說,這是由于
在火焰面中化學(xué)反應(yīng)放出的熱量通過熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散等分子輸運(yùn)方式傳給了火焰面前方的未反應(yīng)的氣體,在未反應(yīng)氣體中形成溫度梯度,并且最鄰
近火焰面的那一層未反應(yīng)氣體的溫度首先達(dá)到燃點(diǎn),開始化學(xué)反應(yīng),同時(shí)開始放出熱量。這熱量又繼續(xù)加熱前方介質(zhì)使其達(dá)到燃點(diǎn)。反應(yīng)之后的
產(chǎn)物不斷離開火焰面。這樣,未燃?xì)怏w不斷進(jìn)入火焰面,反應(yīng)產(chǎn)物不斷離開火焰面,從實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系看就是火焰面沿管道向未燃?xì)怏w方向運(yùn)動(dòng)。這
是最簡單的層流火焰在一維管道中傳播的物理模型,見圖1所示。
火焰面在正常情況下是以每秒幾米的低速傳播的,但在一定條件下,主要是燃?xì)馀c空氣的預(yù)混氣中燃?xì)鉂舛忍幱诒O限范圍內(nèi),上述緩慢燃燒過
程將變成劇烈化學(xué)反應(yīng)的爆炸過程,火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⑦_(dá)到每秒數(shù)千米的量級。這種高速傳播的燃燒過程稱為爆轟,而將管道中比較緩慢的燃燒過
程稱為爆燃。在爆轟學(xué)中,以亞音速傳播的火焰稱為爆燃以超音速傳播的火焰稱為爆轟。從燃?xì)忸A(yù)混氣被點(diǎn)燃,到火焰發(fā)展成爆轟,要經(jīng)歷若干過
程?？茖W(xué)研究結(jié)果表明,當(dāng)氣體被點(diǎn)燃的初期,火焰速度較低,是爆燃。由于化學(xué)反應(yīng)放熱,氣體受熱膨脹,這就向未燃?xì)怏w介質(zhì)中傳入一個(gè)壓縮波,
它是以聲速傳播的。當(dāng)火焰面在管道中推進(jìn)時(shí),也就不斷地向未燃?xì)怏w介質(zhì)中傳入連續(xù)的壓縮波族,它們是以當(dāng)?shù)芈曀賯鞑サ?/span>,這里的火焰面就類
似于一個(gè)活塞的作用。從流體動(dòng)力學(xué)和沖擊波理論知道,壓縮波后流體質(zhì)點(diǎn)速度增大假定前方介質(zhì)速度為零,壓力也增大,因此聲速也增大。后面
的壓縮波波速等于當(dāng)?shù)芈曀?/span>,因此比前面的壓縮波波速大,這就產(chǎn)生了后續(xù)壓縮波不斷地追趕前面壓縮波的現(xiàn)象。當(dāng)后面的壓縮波追上前面的壓
縮波之后,其強(qiáng)度(波前后的壓力差)增大,逐漸地形成沖擊波,稱為預(yù)壓沖擊波。由于預(yù)壓沖擊波通過之后,未燃?xì)怏w質(zhì)點(diǎn)具有了與火焰?zhèn)鞑ネ较?/span>
并逐漸增大的速度,使火焰運(yùn)動(dòng)速度也逐漸增加,加上壓力、溫度、密度等其它因素對化學(xué)反應(yīng)速率的影響,形成了火焰面在爆燃階段加速運(yùn)動(dòng)的
機(jī)制,見圖2所示。
當(dāng)火焰面加速到某個(gè)值時(shí)這個(gè)值到目前為止尚不能用理論來確定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是不穩(wěn)定的,火焰速度將會突然增大,甚至超過穩(wěn)定的爆轟速度值,然
后又將降回到穩(wěn)定的爆轟速度。此后,火焰便以這一穩(wěn)定的爆轟速度傳播。上述超高速的非穩(wěn)定的短暫過程稱為爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變的過程,簡稱“DDT
過程”亦稱為超壓爆轟或過壓爆轟工?；鹧?/span>DDT現(xiàn)象的研究目前仍是爆轟學(xué)中感興趣的研究課題之一,它的形成機(jī)理和微度過程尚不十分清楚。一
般認(rèn)為,當(dāng)火焰速度增大到某一個(gè)值時(shí),由于外界條件的影響或內(nèi)部反應(yīng)介質(zhì)中分子的微觀漲落引起宏觀不平衡,火焰面發(fā)生扭曲,火焰面與未反應(yīng)氣
體的界面上局部產(chǎn)生湍流火焰。湍流燃燒是一種極不穩(wěn)定的燃燒過程,其傳播速度可以從每秒幾十米的低速在極短時(shí)間內(nèi)增加到每秒數(shù)千米,這種
局部的湍流燃燒也被稱為子爆炸。由于子爆炸的出現(xiàn),使化學(xué)反應(yīng)速率突然增大,導(dǎo)致超壓的產(chǎn)生。從chapman和jouguet所提出的一維爆轟波模型
(稱為C一J模型)知道,超壓爆轟是不穩(wěn)定的,它很快就被產(chǎn)物區(qū)的稀疏波削弱,變成C一J爆轟狀態(tài),達(dá)到穩(wěn)定傳播。爆轟與爆燃的傳播機(jī)理是不同的,除
了傳播速度不同之外,爆轟波前的預(yù)壓沖擊波與火焰面化學(xué)反應(yīng)區(qū)是緊緊貼合在一起的。也就是說,火焰?zhèn)鞑ニ俣仁桥c沖擊波波速一致的。波前未燃
氣體首先受到?jīng)_擊波的壓縮,溫度、壓力、密度突然提高,是從一個(gè)數(shù)值跳到另一個(gè)數(shù)值,數(shù)學(xué)圖象上就形成一個(gè)間斷,因此沖擊波也稱為間斷面。未
燃?xì)怏w介質(zhì)在事先未受到任何 擾動(dòng)的情況下,由于沖擊波的作用,波后介質(zhì)溫度突然達(dá)到燃點(diǎn),開始發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)放熱又通過波的形式傳
遞給預(yù)壓沖擊波也稱為前驅(qū)激波,以補(bǔ)充它在運(yùn)動(dòng)中的能量損失,使它能夠持續(xù)地向前高速傳播。與爆燃相比,爆轟波火焰面的放熱能量并不是通過
熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散等方式傳遞給前方介質(zhì)的,這是因?yàn)榉艧岱磻?yīng)之快,來不及進(jìn)行熱傳導(dǎo),熱能量早己通過波的形式傳遞了。對于確定的燃?xì)夥N類和具有
確定濃度比的予混氣,其穩(wěn)定的爆轟速度也是確定的。濃度比對穩(wěn)定爆轟速度值的影響較小。一般說來,爆轟速度大的氣體,反應(yīng)速率大,爆炸壓力也
大,因此其爆炸危險(xiǎn)性也大。按照爆炸危險(xiǎn)性大小及自燃溫度高低,將爆炸氣體分成若于類。各國分類法略有不同,按英國標(biāo)準(zhǔn)分為I,IA、IB、IC等4類。
我國標(biāo)準(zhǔn)GB1336一77將它們分成4級,每一級氣體中又按自燃溫度從高到低分為五組,這五組分別以英文字母a、b、c、d、e表示之。
各類氣體的預(yù)混氣火焰加速過程是不同的,實(shí)驗(yàn)管的直徑對火焰加速過程有極為重要的影響。圖3是Z.W.Rogowski所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
該結(jié)果是在開端點(diǎn)火情況下,用IB類氣體實(shí)驗(yàn)作出的。按英國標(biāo)準(zhǔn),IB類氣體包括城市煤氣。因此該結(jié)果對煤氣管道阻火器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有參考價(jià)值。
2、管道阻火器的原理和結(jié)構(gòu)：
管道阻火器的工作原理主要是基于火焰通過狹窄通道時(shí)的熄滅現(xiàn)象研究。大量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,如果狹窄通道的直徑指名義直徑小到一定程度,火
焰在這種小通道中傳播一段距離后便會自動(dòng)熄滅,也稱為淬熄。能使火焰發(fā)生淬熄的通道直徑稱為淬熄直徑,用Dq來表示?；鹧嬖诰哂写阆ㄖ睆降耐ǖ?/span>
上傳播到熄滅之前的那段距離稱為淬熄長度,用Lq來表示。
阻火器就是根據(jù)小孔淬熄原理設(shè)計(jì)的。阻火器結(jié)構(gòu)如圖4所示,它由外殼和阻火芯組成,可以通過法蘭與管道或其它設(shè)備連接,也可以有其它各種連接方
式。阻火器外殼應(yīng)具有較大的強(qiáng)度,能承受爆轟引起的動(dòng)高壓。阻火芯形式有多種,如多層金屬網(wǎng)疊合而成的金屬網(wǎng)式,波紋帶式等。后者是目前國際上
比較通用的。波紋帶可采用鋁合金、不銹鋼或其它耐腐蝕材料制成,褲紋帶與平板帶疊合卷制成圓盤狀,制成阻火芯盤,裝入阻火器外殼內(nèi),就將管道截面
分割成許多小三角形截面,每一個(gè)三角形孔都是一個(gè)狹窄通道。當(dāng)火焰通過時(shí),就迫使管道中的火焰面通過這些狹窄通道,這些通道都滿足淬熄直徑的要
求,于是火焰就在通過阻火芯時(shí)熄滅了。阻火芯的設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮到淬熄火焰的要求,還要盡量減小氣體的流阻,因此在設(shè)計(jì)之前應(yīng)作精心的計(jì)算。三角形
截面的高度波紋高、阻火芯波紋盤厚度及阻火器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化對于其整體阻火性能都有直接的影響。K.N.Paimea對波紋板阻火器阻火性能作過實(shí)驗(yàn)
研究, 并得到了具有應(yīng)用價(jià)值的計(jì)算公式：
|
V=0.38 |
ay |
|
D2 |
其中V是臨界阻火速度（m/s）；a是用分?jǐn)?shù)。
管道阻火器結(jié)構(gòu)圖
表示的阻火器通氣自由面積與阻火芯總面積之比,Y是阻火芯厚度（mm）,D是淬熄直徑。從該公式可以估算一個(gè)設(shè)計(jì)好的阻火器的臨界阻火速度。阻火
器雖然并非一個(gè)燃燒器,但阻火器的設(shè)計(jì)顯然應(yīng)考慮到其燃燒學(xué)和爆轟學(xué)特性,設(shè)計(jì)者應(yīng)對火焰及沖擊波理論作詳盡的了解。
3、管道阻火器的檢測方法：
煤氣管道阻火器用GB13347一92的方法來檢測,試驗(yàn)介質(zhì)使用城市煤氣是嚴(yán)格的。GB13347一92對管道阻火器的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法(密封性和外殼強(qiáng)
度的水壓試驗(yàn)和阻火性能試驗(yàn))、檢驗(yàn)規(guī)程、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯運(yùn)等均作了明確規(guī)定。
試驗(yàn)裝置示意圖
該裝置由以下幾部分組成：
（1）由D、E、G、H、L組成的試驗(yàn)激波管；
（2）由A、F組成的點(diǎn)火系統(tǒng)；
（3）配氣系統(tǒng)B；
（4）由C、I、K組成的火焰速度測量系統(tǒng)。
檢測主要程序如下：
（1）將試驗(yàn)介質(zhì)與空氣按規(guī)定的混合比置入專用的混氣罐內(nèi),充分混合均勻后待用,
（2）將試驗(yàn)管抽真空,放入預(yù)混氣
（3）點(diǎn)燃預(yù)棍氣對進(jìn)入阻火器前的火焰速度進(jìn)行測量；
（4）觀測阻火器是否阻火（儀器監(jiān)測）。
（5）連續(xù)、重復(fù)上述試驗(yàn),進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。
國際規(guī)定阻爆燃爆轟型阻火器必須連續(xù)經(jīng)受次阻爆燃爆轟試驗(yàn),每次必須完全阻止亞音速超音速火焰通過為合格。這里僅給定了一個(gè)范圍和原則。在實(shí)際
測試中,應(yīng)當(dāng)首先明確設(shè)計(jì)要求的阻火速度,這個(gè)阻火速度值即為安全阻火速度。實(shí)際上阻火器的極限阻火速度應(yīng)比這個(gè)值高出約,即取安全系數(shù)約左右,
以安全阻火速度為標(biāo)準(zhǔn),按上述程序連續(xù)進(jìn)行次試驗(yàn),均阻火成功,無一失敗,并且每次試驗(yàn)的火焰速度均大于或等于安全阻火速度的設(shè)計(jì)值,則這個(gè)阻火器
的阻火性能視為合格。若連續(xù)十三次試驗(yàn)中,有一次或幾次的火焰速度低于上述值,則應(yīng)補(bǔ)做試驗(yàn),否則安全阻火速度值應(yīng)降低到次試驗(yàn)中火焰速度最低的
那一次。若連續(xù)十三次試驗(yàn)中有一次阻火失敗,則即認(rèn)為阻火器不合格。安全阻火速度值是亞音速的,則阻火器屬阻爆燃型安全阻火速度值是超音速的,則
阻火器屬阻爆轟型。若試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的問題,中途停止試驗(yàn)并采取措施進(jìn)行改進(jìn),則試驗(yàn)應(yīng)重新按上述程序進(jìn)行,改進(jìn)前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一律作廢,不
能將改進(jìn)前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)合并計(jì)算在次之內(nèi)。
4、管道阻火器的新進(jìn)展及煤氣管道阻火器的應(yīng)用前景
阻火器的應(yīng)用在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已有近百年的歷史。管道阻火器較早應(yīng)用于石油化工工業(yè),主要用于輸送石油氣體的管道上,火炬系統(tǒng),加熱爐的燃料氣體管
網(wǎng),油氣回收系統(tǒng),氣體分析系統(tǒng),洞庫油氣排放系統(tǒng)等處。近幾十年來,隨著工業(yè)的高速發(fā)展,對工業(yè)安全提出了更高的要求,阻火器的應(yīng)用也越來越廣泛。
化工、商業(yè)儲運(yùn)等凡涉及易嫩氣體存在爆炸危險(xiǎn)的場合都普遍應(yīng)用了阻火器。八十年代以后,我國開始研制新型波紋式阻火器。波紋板采用不銹鋼帶或其
它耐腐蝕材料的薄板制成,經(jīng)久耐用。從對比試驗(yàn)中看到,金屬網(wǎng)式阻火器最大阻火速度200m/s；為而新型波紋板式阻火器的阻火速度已達(dá)1400m/s。阻
火器的品種規(guī)格也開始向多品種、多規(guī)格方面發(fā)展。煤氣管道阻火器的應(yīng)用是十分緊迫的事。我國城市管道煤氣發(fā)展迅猛,各大、中城市均已開始普及或
已完成煤氣管道網(wǎng)的建設(shè)。這無疑是符合我國國情的,同時(shí)給煤的綜合利用,提高經(jīng)濟(jì)效益,減少城市污染,方便居民生活等方面都帶來了不可估量的好處。
但隨之而來的安全問題也給人們帶來了深深的憂慮。隨著時(shí)間的推移,埋入地下的管道網(wǎng)的老化、銹蝕,設(shè)備的不安全隱患等等都應(yīng)引起人們高度的重視。
在煤氣管道網(wǎng)中安裝阻火器,可以在爆炸回火、防止火災(zāi)蔓延以及其它許多情況下發(fā)揮不可替代的作用,預(yù)防重大事故的發(fā)生、發(fā)展和擴(kuò)大,進(jìn)一步提高煤氣
設(shè)備的安全度,把事故消滅在初級階段,防止爆炸災(zāi)害的產(chǎn)生和升級,保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。煤氣管道阻火器的安裝位置及阻火器的規(guī)格應(yīng)從火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律、
煤氣管網(wǎng)的特點(diǎn)、安裝檢修方便等諸方面來綜合考慮。我們認(rèn)為在煤氣用戶的常用開關(guān)之前安裝一只小型阻火器,開關(guān)之后再接軟管通灶具,這種裝法比較
符合上述考慮原則。如能在每一組用戶的總管處安裝一阻爆轟型阻火器,則更為可靠。當(dāng)然,安裝了阻火器,也不能說解決了所有可能的煤氣爆炸事故問題。
事實(shí)上,由于煤氣而引起的各種事故的原因是多種多樣的,因此也不可能找到一種解決全部問題的萬全之策。應(yīng)當(dāng)從已經(jīng)發(fā)生的各類事故的原因分析中找出
主要因素,同時(shí)亦應(yīng)從嚴(yán)格的第卷第期煤氣與熱力·‘科學(xué)分析中預(yù)見事故的可能性,制訂有效措施預(yù)防事故的發(fā)生,這是安全管理部門和科研部門共同的責(zé)任
和義務(wù)。從經(jīng)濟(jì)角度來看,阻火器在保障煤氣管道安全上所起的重要作用與其低廉的價(jià)格相比,是非常值得安裝的。因?yàn)橐慌_阻火器的成本與每一個(gè)煤氣用
戶的平均設(shè)備費(fèi)投資相比只占大約千分之五,而與一次爆炸事故所造成的損失相比就更加微不足道。
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