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阻火器的原理、分类及选型

一、阻火器原理

  阻火器是一种用来阻止易燃气体和易燃液体蒸汽的火焰蔓延的安全装置,它允许气体通过而阻止火焰通过。最初被应用在石油工业中,以后又广泛应用于矿山、煤矿、水运及化学工业中。阻火器主要由壳体和滤芯两部分组成,其中滤芯是阻止火焰传播的主要构件,按滤芯不同可分为充填型阻火器、板型阻火器、金属网阻火器、波纹型阻火器及液封型阻火器等。以常见的波纹型阻火器为例,其滤芯是用薄不锈钢波纹带与平带共同卷制成盘状(图1),它的阻火能力仅仅取决于滤芯上由波纹形成的三角形截面孔的大小和滤芯的厚度。当火焰通过滤芯时将被这些三角形截面孔切分成若干细小的火焰,扩大了火焰与通道壁的接触面积,强化了传热,使得火焰温度降到着火点以下,从而阻止火焰蔓延。另外由于器壁效应,当燃烧的可燃气通过阻火元件的狭窄通道时,自由基与通道壁的碰撞几率增大,参加反应的自由基减少。当阻火器的通道窄到一定程度时,自由基与通道壁的碰撞占主导地位,由于自由基数量急剧减少,从而扼制火焰向未燃气体传播。

阻火器
图1 阻火器(来源爵格工业官网)

二、阻火器分类

  NFPA 69《防爆系统标准》中针对阻火器的安装位置、燃烧类型对阻火器进行了详细划分(图2)

NFPA69中阻火器的分类

图2 NFPA69中阻火器的分类

三、阻火器选型

  在一定的条件下,合适的阻火器能起到有效阻止火焰传播的作用,但是,每种阻火器都有其特定的工作范围,超出其工作范围,就无法保证阻火效果,因此需要对阻火器进行选型。选型中首先需要确定阻火器的使用位置、介质类型(爆炸级别)以及操作工况(压力、温度)等三项基本因素。然后根据阻火器的使用场所进行管道/管端阻火器的划分,根据安装位置、介质类型和操作工况确定燃烧工况,完成阻火器初步选型。在初步选型确认的基础上,根据其他参数,诸如阻火器连接方式、阻火器通气量、阻火器最大允许压降、阻火器壳体/阻火芯材质、设计标准、同心/偏心设计以及是否需要伴热夹套等具体要求,最终完成阻火器选用。在以上阻火器选用涉及的参数中,工况简单的可以根据工艺直接确定,而实际工程设计中工况都比较复杂,介质通常为气体混合物,燃烧工况也复杂多样,因此,阻火器的选用需要慎重考虑。这里仅介绍两种影响因素:

  1.介质类型:GB 50058《爆炸危险环境电力装置设计规范》第3.4.1中规定:爆炸性气体混合物应按其最大试验安全间隙(MESG)或最小点燃电流比(MICR)分级。通常,阻火器选用过程中对介质类型的确定一般按照介质MESG值来划分。根据GB 3836.11《爆炸性环境用防爆电气设备第11部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》,在标准规定的试验条件下,空腔内所有浓度的被试验气体或蒸汽与空气的混合物点燃后,通过25mm长的火焰通路均不能点燃外部爆炸性混合物的内空腔两部分之间的最大间隙。不同的气体介质有不同的MESG值,EN ISO16852《阻火器性能要求、测试方法和使用限制》将爆炸性气体混合物按其MESG值划分为ⅡA1、IA、IB1、IB2、IB3、ⅡB、ⅡC等7个爆炸等级1,见表1。

表1 爆炸级别与气体混合物MESG值对照

爆炸级别与气体混合物MESG值对照

  不同爆炸级别的介质危险程度不同,对应的阻火器产品也不同。气体介质的MESG值越小,相应阻火器的使用工况越严苛,阻火器设计难度和成本越高。因此,在阻火器选型之前,确认气体介质的MESG值尤为重要。

  2.燃烧工况:在管道足够长且燃烧足够快的条件下,火焰会依次经历爆燃、不稳定爆轰、稳定爆轰等几个燃烧阶段(图3)。低压爆燃阶段,速度一般可达到112m/s,压力为0.1MPa;中压爆燃阶段,速度一般可达到20Om/s,压力为0.4MPa;高压爆燃阶段,速度一般可达到30Om/s,压力为2MPa;爆轰阶段,速度一般可达到1900m/s,压力为3.5MPa;过度爆轰阶段,速度一般可达到2300m/s,压力为21MPa;稳定爆轰阶段,速度一般可达到1830m/s,压力为35MPa。这是由于燃烧过程中产生“压升”现象,当点燃充满可燃气体的水平管道的一端时,火焰首先传向管壁,然后迅速向还未引燃的气体传播,燃烧产生的热量使得燃烧气体迅速膨胀,气体膨胀又导致可燃气体前端被压缩,因而产生“压升”。火焰前端气体被压缩,密度增加,燃烧传播速度加快,燃烧时产生的热量增多,导致可燃气体前端更剧烈地“压升”。通常,如果阻火器距火源较远,那么火焰爆燃可能就会转变为爆轰火焰前端压力增加会导致管道内的危险系数大大增加,同时对阻火器的阻火和耐压能力要求也更为严苛。若选用了错误的阻火器,将会成为安全生产的重大隐患,因此,必须严格根据燃烧工况选择阻爆燃型或阻爆轰型的阻火器。不过在实际工程应用中,由于混合介质较为复杂,管道情况和火焰点位置都难以确定,无法对不同条件下的阻火器选型作出明确的规定,通常需通过运用标准和积累的工程经验进行具体分析。

火焰燃烧过程示意

图3 火焰燃烧过程示意

  另外需要注意的是,由于管道中的弯头对火焰传播会起加速作用,因此,在阻火器的选型过程中要充分考虑这一因素。当弯头数量超过1个时,燃烧工况就变得较为复杂,需要模拟管线的真实情况,通过试验来确定。若无试验条件,为安全起见,一般要求选用爆轰型阻火器。因此,在工艺允许的条件下,应尽量减少火源与阻火器之间的弯头数量。

资料来源:

  [1]NFPA 69-2020.Explosion Prevention Systems[S].

  [2]韩旭,陈睿.阻火器的选型准则[J].化学工程与装备,2016(11):217-219.

  [3]洪梅,徐康.石油化工装置中管道阻火器的选用及安装[J].石化技术,2015,22(12):251-252.

来源:工业安全及爆炸防护研究所

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