阻火器防爆設(shè)計(jì)及防爆檢驗(yàn)方法分析說(shuō)明
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)用范圍非常廣泛。阻火器的種類(lèi)很多防爆阻火器是其中之一下面就對(duì)對(duì)阻火器的工作原理、分類(lèi)、防
爆設(shè)計(jì)及理論依據(jù)進(jìn)行分析說(shuō)明。
阻火器工作原理：阻火器原理阻火器是由能夠通過(guò)氣體的許多細(xì)小、均勻或不均勻的通道或孔隙的固體材質(zhì)所組
成?；鹧孢M(jìn)入阻火器后傳熱作用火焰進(jìn)入阻火器后被分成許多細(xì)小的火焰。由于通道或空隙的傳熱面積很大火焰
通過(guò)通道壁進(jìn)行熱交換后,溫度下降,到一定程度時(shí)火焰即被熄滅?；鹧婺軌虮幌绲臋C(jī)理是傳熱作用和器壁效應(yīng)。
傳熱作用：火焰進(jìn)入阻火器后被分成許多細(xì)小的火焰流。由于通道或空隙的傳熱面積很大,火焰通過(guò)通道壁進(jìn)行熱
交換后,溫度下降,到一定程度時(shí)火焰即被熄滅。根據(jù)英國(guó)羅卜爾對(duì)波紋型阻火器進(jìn)行的試驗(yàn)表明,當(dāng)把阻火器材料
的導(dǎo)熱性提高460倍時(shí),其熄滅直徑(即火焰熄滅的通道直徑僅改變2.6%。這說(shuō)明材質(zhì)問(wèn)題是次要的,也就是說(shuō)傳熱
作用是熄滅火焰的一種原因,但不是主要的原因。
(2)器壁效應(yīng)根據(jù)燃燒與爆炸連鎖反應(yīng)理論,認(rèn)為燃燒與爆炸現(xiàn)象不是分子間直接作用的結(jié)果,而是在外來(lái)能源(熱能、
輻射能、電能、化學(xué)反應(yīng)能等)的激發(fā)下,使分子鍵受到破壞產(chǎn)生活性分子。這些具備反應(yīng)能力的活性分子發(fā)生化學(xué)
反應(yīng)時(shí),首先分裂為十分活潑而壽命短促的自由基。自由基與其它分子相撞,生成新的產(chǎn)物,同時(shí)也產(chǎn)生新的自由基再
繼續(xù)與其它分子發(fā)生反應(yīng)。易燃混合氣體自行燃燒爆炸的條件是:新產(chǎn)生的自由基數(shù)等于或大于消失的自由基數(shù)。
隨著阻火器通道尺寸的減小,自由基與反應(yīng)分子之間碰撞的幾率隨之減少,而自由基與通道壁的碰撞幾率反而增加,
這樣就促使自由基反應(yīng)降低。當(dāng)通道尺寸減小到某一數(shù)值時(shí),這種器壁效應(yīng)就造成了火焰不能繼續(xù)進(jìn)行的條件,火焰
即被阻止。由此可知器壁效應(yīng)是阻火器阻止火焰?zhèn)鞑サ闹饕獧C(jī)理。
阻火器分類(lèi)：
1、阻火器按照應(yīng)用類(lèi)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(guò)。
(2)阻爆燃型阻火器:用于阻止火焰以亞音速通過(guò)。
(3)耐燒型阻火器:用于阻止可燃?xì)怏w的燃燒火焰通過(guò),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。
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。本
文主要探討有關(guān)阻火元件的設(shè)計(jì)。從阻火器防止火焰?zhèn)鞑サ脑砜梢灾?/span>,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(guò)25mm長(zhǎng)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(zhǎng)度(25mm)通道上測(cè)得的g0值,在許多文獻(xiàn)上也將其稱(chēng)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(shuō)法是不準(zhǔn)確的。在本文中我們不妨沿用,但
為方便讀者理解,將在使用非標(biāo)準(zhǔn)意義MESG時(shí)加下劃線以示區(qū)別。國(guó)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)。如表1所示。
|
表1可燃?xì)怏w或蒸汽MESG分級(jí)表 |
|
|
可燃?xì)怏w或蒸汽 |
MESG值/mm |
|
I(CH4) |
MESG=1.14 |
|
IIA |
MESG≥0.9 |
|
IIB |
0.9≥ MESG≥0.5 |
|
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(lèi)較少只有以下5種如表2所示：
|
表2 IIC級(jí)可燃?xì)怏w或蒸汽 |
||
|
可燃?xì)怏w或蒸汽名稱(chēng) |
分子式 |
MESG值/mm |
|
氫 |
H2 |
0.29 |
|
乙炔 |
C2H2 |
0.37 |
|
二硫化碳 |
GS2 |
0.34 |
|
二乙基二氯硅烷 |
(C2H2)2SiCL2 |
0.45 |
|
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(zhǎng)度及間隙值。其值必須滿(mǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)程中,需根據(jù)制造工藝、加工精度等因素,以及相關(guān)國(guó)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(zhǎng)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(guò)阻力卻越
大。所以在設(shè)計(jì)安全裕量時(shí),不能過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)度)的減小而減小,直至某個(gè)最小值,但不等于零;
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(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)度和間隙值的不確定性,
無(wú)法參照這些理論得出通道長(zhǎng)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(guó)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EN1834,二者試驗(yàn)
方法有所不同。
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(guò)相關(guān)部件和阻火器傳到周?chē)h(huán)境中。
阻火器殼體強(qiáng)度試驗(yàn)：下面表3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).
|
表3外殼強(qiáng)度試驗(yàn)方法對(duì)比 |
||||
|
標(biāo)準(zhǔn) |
試驗(yàn)壓力 |
試驗(yàn)時(shí)間 |
判定方法 |
備注 |
|
AQ1074 |
DN300以下：2.5MPa |
5min |
無(wú)裂痕或 永久變形 |
— |
|
DN300以下：2.5MPa |
||||
|
GB13347 |
1.5倍設(shè)計(jì)壓力 |
不小于10min |
無(wú)滲漏 |
設(shè)計(jì)壓力：0.6-2.5MPa |
|
GB5908 |
0.9MPa |
5min |
無(wú)滲漏、裂痕變形 |
— |
|
靜壓法：進(jìn)氣阻火 器1.5np最大1.5 MPa排氣阻火器1.5 p最大1.0MPa |
1min以上 |
無(wú)滲漏、無(wú) 可見(jiàn)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 |
|
|
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(wú)裂痕或 永久變形 |
修改采用EN1834， 該檢驗(yàn)方法與GB38 36.2一致 |
|
EN1834 |
靜壓法：同GB20800.1 |
該實(shí)驗(yàn)方法引用 自EN50018：1994 |
||
|
動(dòng)壓法：試驗(yàn)方法同GB20800.1但增加限制壓力最小 值0.35MPa |
||||
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(lái)講,個(gè)人認(rèn)為GB
20800.1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(zhǎng),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1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(kāi)另一端的出氣閥門(mén)(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:表4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。
|
表4 阻火器試驗(yàn)方法對(duì) |
|||||||
|
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 |
|||
|
AQ1074 |
CH4理論當(dāng)量比1 MESG=1.4mm |
13次 |
1 |
1.14/1.14 |
|||
|
GB5908 |
(4.3±0.2)%C3H8MESG=0.92mm |
13次 |
0.98 |
0.9/0.92 |
|||
|
GB13347 |
阻爆燃型 |
(4.3±0.2)%C3H8MESG=0.92mm |
13次 |
0.98 |
— |
||
|
阻爆轟型 |
(7.2±0.2)%C3H8 — |
13次 |
＜1 |
— |
|||
|
GB20800 .1 |
進(jìn) 氣 阻 火 器 |
IIA |
(55±1)% H2 MESG=0.65mm |
10次 |
1.38 |
0.9/0.65 |
|
|
IIB |
(37±1)%H2MESG=0.29mm |
10次 |
1.43 |
0.5/0.35 |
|||
|
IIC |
第一次（27±1)% H2 MESG=0.29 mm第二次、(7.5±1)% C2H2 MESG=0.37mm |
各 10 次 |
1 |
0.29/.29 0.37/0.37 |
|||
|
排氣阻火器試驗(yàn)方法同進(jìn)氣阻火器,但IIA類(lèi)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)。 |
|||||||
|
EN1834 |
進(jìn) 氣 阻 火 器 |
IIA |
(4.2±0.1)% H2 MESG=0.92mm |
10次 |
0.98 |
— |
|
|
IIB |
(4.5±0.5)%H2 MESG=.49mm |
10次 |
1.02 |
0.5/0.35 |
|||
|
IIC |
第一次（27±1)% H2 MESG=0.29mm 第二次、(7.5±1)% C2H2 MESG=0.37mm |
各 10 次 |
1 |
— |
|||
|
IIA、IIB、IIC類(lèi)排氣阻火器均使用常壓下(4.2±0.1)%C3H8進(jìn)行試驗(yàn) |
|||||||
注:1)AQ1074規(guī)定:按甲烷和空氣的理論當(dāng)量比配入天然氣。筆者尚未查出該理論當(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(lèi)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?chē)嬖诘谋ㄐ詺怏w,絕大部分可以歸為IIA類(lèi)。下同。
4)IIC類(lèi)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(lèi)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(guò)接合面噴出而
點(diǎn)燃周?chē)ㄐ曰旌衔?/span>,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GB
13347一致,但該標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定僅適用于IIA級(jí)烴類(lèi)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EN
1834,在阻火器試驗(yàn)方法上,未采用EN1834,但亦未完全參照GB3836.2。如表5所示。
|
表5 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 |
|||
|
阻火器種類(lèi) |
施加試驗(yàn)安全系數(shù)情況 |
備注 |
|
|
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) |
|
IIB |
施加 |
||
|
IIC |
不施加 |
||
|
排氣阻火器 |
IIA |
可以施加 |
|
|
IIB |
施加 |
||
|
IIC |
不施加 |
||
- 上一篇：雙相不銹鋼、奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼的區(qū)別 2016/12/18
- 下一篇：低溫天然氣球閥尺寸,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說(shuō)明 2016/12/16
免責(zé)聲明：
上述文章素材來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有。我們對(duì)文中觀點(diǎn)保持中立，僅供參考，交流學(xué)習(xí)之目的。