阻火器的用途,阻火器的選用及設計
在易燃易爆氣體儲罐的進出口處，儲罐上的呼吸閥和泄壓安全閥出口處及其附近區(qū)域內常常含有一定量的易燃氣體，這些氣體和空氣混合在一起就可以形成局部燃燒甚至爆炸的環(huán)境。當遇到雷擊、明火或其他各種偶然情況產(chǎn)生的點火因素時，就有可能點燃局部預混氣，并且火焰可能會沿著未燃預混氣的分布方向傳人儲罐內，引起貯罐內部起火爆炸等災難性事故。為了阻止外部可能產(chǎn)生的火焰?zhèn)魅藘拊斐晌ｋU，需要在儲罐的相關位置安裝儲罐阻火器。
對于可燃氣體輸送管道，由于其所輸送的氣體中沒有氧化劑一般不會產(chǎn)生火焰。但在某些不可預料的特殊條件下，例如年久失修或意外事故，有可能造成管道的破裂，進而有可能在下游管道中形成可燃氣和空氣的預混氣。當該預混氣達到爆炸極限時就具備了回火和導致爆炸災害的必要條件，國內外產(chǎn)生的此類事故較多。如果能在輸送管道中的合適位置安裝管道阻火器，在很多情況下就可以有效地遏制這種事故的發(fā)生。
總之為了防止在非正常條件下火焰沿可燃氣體的分布方向傳播，避免爆炸災害的產(chǎn)生，工業(yè)上常使用阻火器這種安全裝置。阻火器的作用是阻止爆燃或爆轟火焰通過，但不影響氣體通過。
一、工作原理
阻火器將輸氣管道截面分割成多個直櫛足夠小的截面，火焰在通過這蜂細小通j苴之扁將變成若干細小的火焰，并在運動一定距離之后熄滅．稱為“猝熄”。目前關于火焰猝熄的原理主要有兩種觀點：一種認為傳熱作用是實現(xiàn)阻火的主要原因，一種則認為器壁效應對火焰熄滅的影響很大。
1、傳熱作用
燃燒所需要的必要條件之一就是要達到定的溫度．即著火點。低于著火點．燃燒就會停止。依照這一原理，只要將燃燒物質的溫度降低到其著火點以下，就可以阻止火焰的蔓延?；趶娀瘋鳠嶙饔玫目紤]，設計阻火器內部的阻火冗件時，需盡可能擴大細小火焰和通道擘的接觸面積，在不影響氣流通過的前提下盡快使溫度降低到著火點以下。
2、囂壁效應
燃燒與爆炸并不是分子間直接反應，而是受外來能量的激發(fā)，分子鍵遭到破壞產(chǎn)生活化分子?；罨肿佑址至褳閴勖痰珔s很活潑的自由基，自由基與其它分子相撞生成新的產(chǎn)物，同時產(chǎn)生新的自由基再繼續(xù)與其它分了發(fā)生反應。當燃燒的氣體通過阻火元件的狹窄通道時，自由基與通道壁的碰撞兒卒增大，參加反應的自由基減少。當阻火器的通道窄到一定程度時，自由基與通道囀的碰撞占主導地位，由于自由基數(shù)量急劇減少，反應小能繼續(xù)進行，也即燃燒反應不能通過阻火器繼續(xù)傳播。當然火焰在阻火器的狹窄通道內傳播時熄火也可能與其他因素有關，在不同的條件下火焰熄滅的原因也可能不同。但在爆燃火焰通過狹窄通道時，認為傳熱作用是火焰熄滅主要娘凼的研究占絕大多數(shù)。
二阻火器的選用
1、阻火囂的分類
阻火器按照安裝位置的不同可以分為儲罐阻火器和管道阻火器。前者位于儲罐的頂端后者位于輸送管道中間或末端。按照所能阻止火焰的傳播速度可以分為阻爆燃型阻火器和阻爆轟型阻火器，前者安裝于管端和靠近管端的管道中或儲罐頂部，可阻止以亞音速傳播和擴散的火焰；后者安裝于距管端較遠處或與儲罐相連的密閉管道系統(tǒng)端部，可阻止超音速或與音速相當?shù)乃俣葌鞑ズ蛿U散的火焰，儲罐阻火器也屬于阻爆燃型阻火器。
按照結構類型的不同，阻火器主要分為金屬網(wǎng)型、水封型，充填型和波紋型。金屬網(wǎng)型阻火器熄滅火焰的能力有限，目前已很少使用；水封型阻火器體積大，而且使用上有很大的局
限性；充填型阻火器結構簡單，但體積大流阻大；波紋型阻火器由于其穩(wěn)定的性能得到了廣
泛的應用．波紋型阻火器內的阻火層常用不銹鋼或銅鎳合金壓制成波紋狀分層組裝而成，兩層波紋帶中間兜一層平板帶使其纏繞成圓形，形成許多=角形窄隙通道。阻火層的厚度根據(jù)阻火器使用的條件進行設計，這種結拘的阻火器能承受爆轟的高速火焰。
2、阻火器的執(zhí)行標準
目前阻火器的國家標準主要有GB5908《石油儲罐阻火器》和GBl3347《石油氣體管道阻火器阻火性能和試驗方法》分別規(guī)定了儲罐阻火器和管道阻火器的技術要求和阻火性能試驗方法。國外標準主要有歐洲標準EN12874(Flamean'esters—．Performancerequirements。testmethods and limits for use》和國際標準化組織的ISO16852(Flameattesters—Performance
requirements，testmethodsandlimits for use》，相比之下國外標準對阻火器的分類更加細化，相應的測試方法和裝置也不盡相同。目前大多數(shù)的國外知名阻火器生產(chǎn)廠家如Amal、Protego等均以EN12874和ISO16852作為產(chǎn)品檢驗和測試的依據(jù)。
3、火焰在管道內的傳播情況
火焰的速度是決定阻火器選擇的重要因素，隨著介質的不同火焰的特性也不同，但基本的分布形式和變化趨勢大體相同。國外某廠家進行了置種不同介質在無障礙管道中的燃燒試驗，得到的三種火焰沿管道的傳播速度分布如圖所示。
火焰速度分布圖
其中序號①表示29.5％的氫氣和空氣混合物，②表示7％的乙烯和空氣混合物，③表示4.3％的丙烷和空氣混合物，分別代表IIC、IIB、IIA三個氣體等級，管道直徑為DN50。由圖2可以看出，三種氣體介質的火焰速度分布趨勢大體相同，可以分成AB、BC、CD三段。AB段的火焰速度小于音速，為爆燃；BC段為爆燃和爆轟的過渡區(qū)域，CD段為穩(wěn)定爆轟。三種火焰的爆轟臨界點B及穩(wěn)定爆轟臨界點C的位置如表2所示：即對于三種介質，達到爆轟臨界點的管長分別為管徑的40、60和120倍。
三種火焰的臨界點位置
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序號 |
B點 |
C點 |
||
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坐標，m |
管長，管徑 |
坐標，m |
管長，管徑 |
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1 |
2 |
40 |
4.5 |
90 |
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2 |
3 |
60 |
6 |
120 |
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3 |
6 |
120 |
11 |
220 |
4、氣體介質的種類
阻火器所能阻止的最大阻火速度稱為安全阻火速度，阻火器的安全阻火速度應大于阻火器安裝位置可能達到的最大火焰速度。由于安裝位置處的最大火焰速度不容易測量，在實際操作中阻火器的選用主要由氣體介質的種類和阻火器的安裝位置決定?；鹧嫱ㄟ^阻火元件的細小通道時會被分割，當火焰被分割小到一定程度時就會熄滅。因此把在一定條件下(0.1MPa，20℃)，剛好能夠使火焰熄滅的通道尺寸定義為“最大實驗安全間隙”(MESG，MaximumExperimentalSafeGap)。阻火元件的通道尺寸是決定阻火器性能的關鍵因素，不同的氣體介質具有不同的MESG值。因此在選擇阻火器時應根據(jù)可燃氣體的組成來確定其MESG值。在具體選擇時又根據(jù)MESG值將氣體劃分為幾個等級。目前國際上經(jīng)常采用兩類方法，一是美國全國電氣協(xié)會(NEC)的分類法，它根據(jù)氣體的MESG值將氣體分為四個等級(A、B、C、D)；另一類是歐洲行業(yè)(EN)的分類方法，它將氣體分為IIA、IIB、IIBl、IIB2、IIB3和IIC級。中國國家標準GB50058《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》也對可燃氣體和空氣混合物的等級做了規(guī)定，將MESG分為三個等級IIA、IIB和IIC。這樣在選用阻火器時，即可在設計規(guī)定使用的規(guī)范中首先查出所用可燃氣體的等級，然后根據(jù)該組氣體對應的MESG值來選擇相應的阻火元件。對于可燃混合氣體，選取MESG值時應更加慎重，尤其當各組分之間有可能發(fā)生反應時，最安全的方法是將氣體組成及操作條件提供給專業(yè)制造廠進行模擬實驗來確定MESG值。若沒有試驗條件，則取各組分中最小的MESG值來進行設計。
5、阻火器的安裝
阻火器的安裝位置對阻火器選用的影響，是指由于點火源與阻火器之間距離的不同而引起的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牟煌?，進而影響阻火器的選擇。儲罐阻火器只適用于安裝在儲罐通氣的短管上，它可以單獨使用，也可以與呼吸閥配套使用，但阻火器與回火點的距離不應大于所選管徑的5倍，同時只能用于有可燃氣體而無明火的環(huán)境條件下。儲罐阻火器只能阻止不大于45m／s的火焰通過，因此它的阻火性能達不到管道阻火器阻火性能要求，所以不能代替管道阻火器使用。根據(jù)中國石油化工行業(yè)標準SH／T3413《石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗及驗收》(適用于IIA類介質)中的規(guī)定，阻止亞音速火焰使用防爆燃型，安裝位置應靠近火源；阻止音速或超音速火焰使用防爆轟型，安裝位置應盡量遠離火源。這是因為在實際操作條件下，管內的爆燃隨著火焰的傳播可能會變成很危險的爆轟?；鹧嬖诔释钩龅腻F形向前傳播時，其速度向著未燃燒的爆炸性混合物的方向越來越快，使未燃氣體受到壓縮并達到自燃溫度，二者結合瞬間即形成極高的燃燒壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣燃此^爆轟。為此在使用阻爆燃型阻火器時，SH／T3413將其位置限定在管長不大于管徑的20倍較為安全。而國外的相關設計資料中提出，經(jīng)過大量實驗的總結發(fā)現(xiàn)，對于碳氫化合物氣體阻爆燃型阻火器適用于距離點火源50倍管徑之內，對于氫氣則適用于30倍管徑之內。SH／T3413還規(guī)定，對于阻爆轟型阻火器它只能防止由爆炸或爆轟引起的回火，但不能防止長時間穩(wěn)定燃燒的回火。因此，在安裝時必須保證在操作條件下不會發(fā)生穩(wěn)定燃燒，要做到這一點可使阻火器安裝位置與火源之間的管線盡可能長。表3即為SH／T3413中規(guī)定的不同公稱直徑的阻爆轟型阻火器所要求的號小管線長度。
三、阻火器設計
合理地設計阻火器十分重要，一個阻火器能否有效地阻火主要取決于孔隙的大小、孔的長度(即阻火芯的厚度)和爆炸火焰的傳播度，工業(yè)上比較期望獲得具有低流阻和高阻．性能的阻火器。本節(jié)針對目前普遍使用的波紋型阻火器對其設計原則做了簡要說明。
1、阻火芯材料
通常阻火芯的材質應采用導熱系數(shù)大、熔點高的、耐腐蝕性好的材料，通常采用不銹鋼波紋板。若采用鋁或銅板當受到強大的回火壓力時，阻火器容易變形甚至破裂，不能起到阻火作用。例如國外一個原油罐區(qū)，采用了由鋁板制成的阻火器，當發(fā)生火災時由于回火壓力過大，引起阻火器鋁板破裂，火焰進入原油罐內釀成原油罐爆炸的重大事故。為此阻火器應選用不銹鋼波紋板制造，這樣具有一定的抗腐蝕性且不易變形使用壽命長。
2、阻火單元尺寸
如上圖所示即為阻火單元的關鍵尺寸示意，波紋型阻火器通常采用正三角形阻火單元。8為金屬薄片的厚度，h為正三角形單元的高度，L為阻火芯的厚度，即阻火單元的長度。阻火芯的金屬薄片應在加工條件和強度允許的條件下盡可能的薄，以充分地減小阻火器的流阻損失。根據(jù)阻火器的工作原理，阻火芯與火焰的接觸面積越大則熱量交換越充分，阻火效果越
好，即三角形單元越小通道越長則降溫效率越高。因此從理論上講減小三角形高度h可以
相應的縮短三角形通道長度L，但h過小會增大氣體的流阻，L過小會導致阻火器阻火能力
減弱。因此在設計阻火器時，應綜合考慮L和h值的選取。對于不同等級的氣體介質，國外某廠家經(jīng)過試驗確定了L和h的最佳尺寸組合，避免了考慮無窮多種類的阻火芯尺寸。例如對于IIA類介質，三角形單元的高度h應取0.8mm較為合適，當口徑小于DN50時L應取20mm，當口徑在DN80到DN350之間時L應取40mm，當口徑大于DN400時L應取80mm。
3、阻火芯的最大外徑
阻火器的外形結構如圖4所示，阻火芯的最大外徑為D。從減小流阻損失的角度考慮，阻火芯所有的單元孔隙面積之和應大于或等于兩端聯(lián)接管道的橫截面積。
4、阻火器設計計算
目前關于火焰在狹縫中的傳播和熄滅的理論研究還相對較少，對于阻火器的設計多依賴于一般的經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式。波紋型阻火器所能阻止的最大爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤砂垂?/span>(1)計算：
式中V為阻火器能夠阻止的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/span>a、L和d分別為有效面積比(即阻火層總面積與阻火層空隙面積之比)、阻火層厚度和阻火單元的當量直徑。但(1)式只能應用于爆燃火焰，對爆轟的情況誤差較大，因為爆轟的能量傳遞方式為沖擊波壓縮，與爆燃火焰以熱傳導為主的能量傳遞方式不同。類似地，對于丙烷一空氣爆燃火焰的實驗研究總結可得，阻爆燃型阻火器可以阻止的IIA類介質與空氣混合物的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤砂垂?/span>(2)計算：
式中V為阻火器能夠阻止的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/span>L和h分別為阻火層的厚度和阻火單元的高度，(2)式只在應用于丙烷一空氣爆燃火焰時比較準確。美國Groth也在經(jīng)過實驗研究后得到了阻火層厚度與火焰速度及熄滅直徑的關系，即公式(3)：
式中，V為火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/span>L和rn分別為阻火層的厚度和熄滅的水力半徑。公式(3)表明了火焰速度和阻火層熄滅水力半徑與阻火器所需厚度的關系。在這個厚度下，阻火器能阻止高速的火焰?zhèn)鞑?。?/span>(1)(2)(3)式均可看出，燃氣火焰速度與阻火器的阻火層厚度成正比，與孔隙直徑的平方成反比。以3寸阻爆燃型阻火器為例進行計算，測試介質為丙烷與空氣的混合氣，為IIA類介質，根據(jù)表1介質的MESG值>0.9mm。根據(jù)國外某廠家的推薦尺寸，正三角形單元的高度取為0.8mm，阻火芯厚度取為40mm，薄片厚度取0.5mm。經(jīng)粗略估算當阻火芯外徑為108mm時所有空隙面積之和約等于兩端管道截面積，根據(jù)結構要求取阻火芯外徑為165mm。根據(jù)公式(1)計算得到該阻火器的最大阻火速度為380m／s，根據(jù)公式(2)計算得到該阻火器的最大阻火速度為427rids。由此可以看出該阻火器可以阻止爆燃火焰的通過。
阻火器是石油儲罐和可燃氣體輸送管道等儲運系統(tǒng)中的重要安全附件，對避免爆炸著火等災害的產(chǎn)生有著重要的意義。本文對阻火器的工作原理、分類、執(zhí)行標準、選用和設計方法等幾個方面作了介紹，可以為波紋型工業(yè)阻火器的設計提供參考。- 上一篇：全天候雙向阻火呼吸閥的性能特點及使用要求 2017/7/21
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