防爆阻火器的防爆設(shè)計(jì)和防爆檢驗(yàn)方法
不銹鋼波紋式管道防爆阻火器
阻火器作為阻止可燃性氣體發(fā)生燃燒或者爆炸后繼續(xù)傳播的安全裝置在化工礦山、煤礦運(yùn)等行業(yè)中被大量采用。
阻火器的應(yīng)用范圍非常的廣泛。而且阻火器的種類很多防爆阻火器是其中之一下面就對(duì)對(duì)阻火器分類、防爆設(shè)計(jì)及理論依據(jù)進(jìn)行分析說明。
一、阻火器分類：
1、阻火器按照應(yīng)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?xì)怏w的燃燒火焰通過并能夠承受一定時(shí)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(shè)備上。
2、按結(jié)構(gòu)形式可分為：
(1)、金屬網(wǎng)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(shè)計(jì)及理論依據(jù)：
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。今天主要探討有關(guān)阻火元件的設(shè)計(jì)。從阻火器防止火焰?zhèn)鞑サ脑砦覀兛梢灾?，阻火器的防爆設(shè)計(jì)應(yīng)該主要基于其器壁效應(yīng)并同時(shí)考慮材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕等性能。根據(jù)器壁效應(yīng)，當(dāng)通道窄到一定程度時(shí)自由基與器壁的碰撞占主導(dǎo)地位，自由基大量減少燃燒反應(yīng)不能繼續(xù)進(jìn)行。對(duì)于通道的安全間隙值在GB3836.11中規(guī)定：一定條件下(20℃、105MPa)，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)容器內(nèi)所有濃度的被試氣體或蒸氣空氣的混合物點(diǎn)燃后通過25mm長的接合面均不能點(diǎn)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(yàn)安全間隙(MESG)。不同的可燃?xì)怏w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最易傳爆混合物濃度時(shí)測(cè)得的最大試驗(yàn)安全間隙。根據(jù)MESG值的測(cè)試方法可知針對(duì)某一氣體在某一濃度時(shí)有一個(gè)傳爆率為0%的最大不傳爆間隙g0和一個(gè)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范圍內(nèi)測(cè)得一組g0值其中的最小值(g0)min即為該氣體的MESG值,該值對(duì)應(yīng)的混合物濃度即為這種氣體的最易傳爆混合物濃度此時(shí)其傳爆能力最強(qiáng)。但在最易傳爆混合物濃度之外的其它濃度時(shí)測(cè)得的g0值以及在非標(biāo)準(zhǔn)容器或非標(biāo)準(zhǔn)長度(25mm)通道上測(cè)得的g0值，在許多文獻(xiàn)上也將其稱為各對(duì)應(yīng)濃度時(shí)的最大試驗(yàn)安全間隙(MESG)但是按照GB3836.11或IEC79-1A的規(guī)定這種說法是不準(zhǔn)確的。在本文中我們不妨沿用但為方便理解將在使用非標(biāo)準(zhǔn)意義MESG時(shí)加下劃線以示區(qū)別。國際電工協(xié)會(huì)(IEC)按照各種氣體或蒸氣的MESG
值將其分為4個(gè)等級(jí)如下表所示。
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可燃?xì)怏w或蒸汽MESG分級(jí)表 |
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可燃?xì)怏w或蒸汽 |
MESG值/mm |
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I(CH4) |
MESG=1.14 |
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IIA |
MESG≥0.9 |
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IIB |
0.9≥MESG≥0.5 |
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IIC |
MESG≤0.5 |
其中目前有據(jù)可查的IIC級(jí)可燃?xì)怏w或蒸汽種類較少只有以下5種如芯4表所示：
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IIC級(jí)可燃?xì)怏w或蒸汽 |
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可燃?xì)怏w或蒸汽名稱 |
分子式 |
MESG值/mm |
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氫 |
H2 |
0.29 |
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乙炔 |
C2H2 |
0.37 |
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二硫化碳 |
CS2 |
0.34 |
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二乙基二氯硅烷 |
(C2H2)2SiCL2 |
0.45 |
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硝酸乙酯 |
C2H5ONO2 |
— |
這樣在設(shè)計(jì)阻火器時(shí)應(yīng)根據(jù)阻火器的使用環(huán)境確定阻火器的通道長度及間隙值。其值必須滿足預(yù)計(jì)使用的危險(xiǎn)場(chǎng)所內(nèi)存在的最危險(xiǎn)(MESG值最小)的可燃?xì)怏w或蒸氣的安全要求例如：1、阻火器預(yù)計(jì)使用在某一特定的可燃?xì)怏w或蒸氣環(huán)境如乙炔，通道長度設(shè)計(jì)為25mm則其通道間隙必須小于0.37mm。
2、阻火器預(yù)計(jì)使用在IIB級(jí)可燃?xì)怏w或蒸氣環(huán)境，通道長度設(shè)計(jì)為25mm則其通道間隙必須小于0.5mm。
3、阻火器預(yù)計(jì)使用在IIC級(jí)可燃?xì)怏w或蒸氣環(huán)境，通道長度設(shè)計(jì)為25mm則其通道間隙必須小于0.29mm。在設(shè)計(jì)過程中需根據(jù)制造工藝、加工精度等因素以及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)要求，在設(shè)計(jì)時(shí)留有一定的安全裕量例如采用適當(dāng)增加通道長度或者減小間隙值的方法或者綜合采用。在實(shí)際應(yīng)用中通常需要考慮阻火器應(yīng)用管路中對(duì)流阻的要求因?yàn)楣I(yè)上期望使用低流阻且可以安全阻火的產(chǎn)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(shè)計(jì)安全裕量時(shí)不能過分采用減小間隙值的做法。當(dāng)減小間隙值對(duì)管道流阻影響較大時(shí)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?xì)怏w或蒸氣混合物的MESG值隨著試驗(yàn)外殼法蘭寬度(即通道長度)的減小而減小直至某個(gè)最小值但是不等于零；隨著試驗(yàn)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(yàn)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(dāng)試驗(yàn)外殼法蘭寬度大于30mm時(shí)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(duì)于增加阻火器的安全程度并不是一直有效的設(shè)計(jì)人員應(yīng)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(shè)計(jì)依據(jù)而相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)阻火器的檢驗(yàn)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(shè)計(jì)依據(jù)對(duì)于金屬網(wǎng)型等其它結(jié)構(gòu)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(jìn)行設(shè)計(jì)但是同樣適用于基于這些理論得出的檢驗(yàn)方法。
阻火器防爆檢驗(yàn)方法：目前國內(nèi)應(yīng)用于煤炭行業(yè)的阻火器，主要依據(jù)AQ1074-2009煤礦瓦斯輸送管道干式阻火器通用技術(shù)條件等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造檢驗(yàn)；應(yīng)用于石油及化工行業(yè)的阻火器主要是依據(jù)GB13347和GB5908制造并檢驗(yàn)；另有應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的阻火器其制造檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是GB20800.1。另外由于GB20800修改采用EN1834所以二者試驗(yàn)方法有所不同。
三、阻火器有關(guān)防爆性能方面的試驗(yàn)主要是：
1、外殼強(qiáng)度試驗(yàn)：檢驗(yàn)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(xiàn)的最大壓力并施加一定的安全系數(shù)以此證明阻火器外殼可以承受該壓力。
2、內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn)：檢驗(yàn)阻火器的阻爆性能，即在阻火器前端的封閉系統(tǒng)中制造一次可能出現(xiàn)的最嚴(yán)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(huì)通過相關(guān)部件和阻火器傳到周圍環(huán)境中。
阻火器殼體強(qiáng)度試驗(yàn)：下表是上述標(biāo)準(zhǔn)隨針對(duì)阻火器外殼強(qiáng)度強(qiáng)度的試驗(yàn)方法的對(duì)比
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外殼強(qiáng)度試驗(yàn)方法對(duì)比 |
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標(biāo)準(zhǔn) |
試驗(yàn)壓力 |
試驗(yàn)時(shí)間 |
判定方法 |
備注 |
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AQ1074 |
DN300以下：2.5MPa |
5min |
無裂痕或 永久變形 |
— |
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DN300以下：2.5MPa |
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GB13347 |
1.5倍設(shè)計(jì)壓力 |
不小于10min |
無滲漏 |
設(shè)計(jì)壓力：0.6-2.5MPa |
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GB5908 |
0.9MPa |
5min |
無滲漏、裂痕變形 |
— |
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靜壓法：進(jìn)氣阻火器1.5np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 |
等同采用EN1834：n為壓力比p為爆炸性氣體混合物的最大實(shí)驗(yàn)測(cè)定壓力 |
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GB20800.1 |
動(dòng)壓法：在1.5倍大氣壓下通入規(guī)定的爆炸性氣體混合物并點(diǎn)燃 |
— |
無裂痕或 永久變形 |
修改采用EN1834，該檢驗(yàn)方法與GB3836.2一致 |
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EN1834 |
靜壓法：同GB20800.1 |
該實(shí)驗(yàn)方法引用 自EN50018：1994 |
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動(dòng)壓法：試驗(yàn)方法同GB20800.1但增加限制壓力最小 值0.35MPa |
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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認(rèn)為GB20800.1和EN1834的試驗(yàn)方法比較科學(xué)。但是其余標(biāo)準(zhǔn)中除GB13347在設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa時(shí)以及GB5908規(guī)定的阻火器，試驗(yàn)壓力有可能小于GB20800和EN1834外(但是試驗(yàn)時(shí)間較長所以其安全系數(shù)并不低)其它試驗(yàn)均比GB20800.1和N1834嚴(yán)酷的多所以EN1834和GB20800.1的防爆安全性能應(yīng)是合格的。
內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn)：AQ1074、GB13347、GB5908中的阻火試驗(yàn)以及EN1834、GB20800.1中的內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)，其試驗(yàn)檢測(cè)目的不同，前者檢測(cè)是否有火焰?zhèn)鞒龌蛲獠繗怏w被點(diǎn)燃主要要求阻火性能；后者檢測(cè)是否有火焰?zhèn)鞒霾⒁獠勘ㄐ詺怏w主要要求阻火和防爆性能（內(nèi)部不傳爆）但其理論基礎(chǔ)均是前文所述的MESG理論。所以可以對(duì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法加以對(duì)比。
1、試驗(yàn)裝置對(duì)比：
GB13347和GB5908中阻火試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置如圖所示。
阻火試驗(yàn)方法：阻火器兩端均聯(lián)接管道形成封閉空腔充以規(guī)定的爆炸性氣體混合物。在其中一端用電火花(A)點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物，點(diǎn)火之前打開另一端的出氣閥門(E)用火焰探測(cè)器檢測(cè)這一端是否有火焰?zhèn)鞒龌驓怏w被點(diǎn)燃。
EN1834及GB20800.1中的內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)是針對(duì)往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)用阻火器的其它用途的阻火器可據(jù)情參考借用。
2、試驗(yàn)方法對(duì)比：下表是有關(guān)阻火器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)阻火及內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)方法的對(duì)比。
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阻火器試驗(yàn)方法對(duì)比 |
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標(biāo)準(zhǔn) |
試驗(yàn)氣體混合物及其SG |
試驗(yàn) 次數(shù) |
MESG安 全系數(shù) |
備注 |
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AQ1074 |
CH4理論當(dāng)量比1、MESG=1.4mm |
13次 |
1 |
1.14/1.14 |
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GB5908 |
(4.3±0.2)%C3H8、MESG=0.92mm |
13次 |
0.98 |
0.9/0.92 |
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GB13347 |
阻爆燃型 |
(4.3±0.2)%C3H8MESG=0.92mm |
13次 |
0.98 |
— |
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阻爆轟型 |
(7.2±0.2)%C3H8 |
13次 |
＜1 |
— |
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GB20800 .1 |
進(jìn) 氣 阻 火 器 |
IIA |
(55±1)%H2、MESG=0.65mm |
10次 |
1.38 |
0.9/0.65 |
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IIB |
(37±1)%H2、MESG=0.29mm |
10次 |
1.43 |
0.5/0.35 |
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IIC |
第一次（27±1)%H2、MESG=0.29mm 第二次(7.5±1)%C2H2 MESG=0.37mm |
各 10 次 |
1 |
0.29/.29 0.37/0.37 |
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排氣阻火器試驗(yàn)方法同進(jìn)氣阻火器，但IIA類除可以用(55±1)%H2進(jìn)行試驗(yàn)外，亦允許使用在常壓下(4.2±0.1)%C3H8(MESG=0.92mm)進(jìn)行試驗(yàn)。 |
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EN1834 |
進(jìn) 氣 阻 火 器 |
IIA |
(4.2±0.1)%H2、MESG=0.92mm |
10次 |
0.98 |
— |
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IIB |
(4.5±0.5)%H2、MESG=0.49mm |
10次 |
1.02 |
0.5/0.35 |
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IIC |
第一次（27±1)%H2、MESG=0.29mm 第二次、(7.5±1)%C2H2MESG=0.37mm |
各 10 次 |
1 |
— |
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IIA、IIB、IIC類排氣阻火器均使用常壓下(4.2±0.1)%C3H8進(jìn)行試驗(yàn) |
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注：1、AQ1074規(guī)定：按甲烷和空氣的理論當(dāng)量比配入天然氣尚未查出該理論當(dāng)量比的具體數(shù)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%。表中的濃度范圍包括了該最易傳爆濃度故其最大試驗(yàn)安全間隙為標(biāo)準(zhǔn)MESG下同。
3、此安全系數(shù)為針對(duì)#A類爆炸性氣體混合物的安全系數(shù)。GB5908為明確規(guī)定所涉及的阻火器用于IIA環(huán)境但石油儲(chǔ)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(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)施加安全系數(shù)的方法是加大設(shè)備的隔爆間隙或增加試驗(yàn)初始?jí)毫Α?/span>GB20800.1并未按照GB3836.2中的相關(guān)規(guī)定加大間隙或增加初壓所以其安全系數(shù)為1。
5、IIC類電氣設(shè)備除用MESG值較小的H2做第一次試驗(yàn)外，為了防止C2H2不完全燃燒而產(chǎn)生的碳通過接合面噴出而點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物需用C2H2做第二次試驗(yàn)。
另外在SH/3413/1999石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗(yàn)及驗(yàn)收中規(guī)定石油氣管道阻火器的檢驗(yàn)方法和GB13347一致，但是該標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定僅適用于IIA級(jí)烴類爆炸性氣體混合物的輸送系統(tǒng)、氣體回收系統(tǒng)和氣體放空系統(tǒng)的阻火器。從上表可以看出除GB20800.1外大部分阻火器的試驗(yàn)安全系數(shù)都約為1。GB20800.1修改采用EN1834在阻火器試驗(yàn)方法上未采用EN1834但亦未完全參照GB3836.2如下表所示。
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GB20800.1中阻火器內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)、安全系數(shù)施加情況 |
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阻火器種類 |
施加試驗(yàn)安全系數(shù)情況 |
備注 |
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進(jìn)去阻火器 |
IIA |
施加 |
按照GB3836.2的試驗(yàn)規(guī) 定，各級(jí)別的阻爆型電 氣設(shè)備進(jìn) 行試驗(yàn)時(shí)均 施加相應(yīng)的安全系數(shù) |
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IIB |
施加 |
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IIC |
不施加 |
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排氣阻火器 |
IIA |
可以施加 |
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IIB |
施加 |
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IIC |
不施加 |
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