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阻火器防爆设计及防爆检验方法分析说明

点击次数:1512 发布时间:2017-06-01

阻火器作为阻止可燃性气体发生燃烧或者爆炸后继续传播的安全装置,在化工矿山、煤矿运等行业中被大量采用。阻火器的应用范围非常广泛。阻火器的种类很多防爆阻火器是其中之一下面就对对阻火器的工作原理、分类、防爆设计及理论依据进行分析说明。

阻火器工作原理:阻火器原理阻火器是由能够通过气体的许多细小、均匀或不均匀的通道或孔隙的固体材质所组成。火焰进入阻火器后传热作用火焰进入阻火器后被分成许多细小的火焰。由于通道或空隙的传热面积很大火焰通过通道壁进行热交换后,温度下降,到一定程度时火焰即被熄灭。火焰能够被熄灭的机理是传热作用和器壁效应。

传热作用:火焰进入阻火器后被分成许多细小的火焰流。由于通道或空隙的传热面积很大,火焰通过通道壁进行热交换后,温度下降,到一定程度时火焰即被熄灭。根据英国罗卜尔对波纹型阻火器进行的试验表明,当把阻火器材料的导热性提高460倍时,其熄灭直径(即火焰熄灭的通道直径仅改变2.6%。这说明材质问题是次要的,也就是说传热作用是熄灭火焰的一种原因,但不是主要的原因。

(2)器壁效应根据燃烧与爆炸连锁反应理论,认为燃烧与爆炸现象不是分子间直接作用的结果,而是在外来能源(热能、辐射能、电能、化学反应能等)的激发下,使分子键受到破坏产生活性分子。这些具备反应能力的活性分子发生化学反应时,首先分裂为十分活泼而寿命短促的自由基。自由基与其它分子相撞,生成新的产物,同时也产生新的自由基再继续与其它分子发生反应。易燃混合气体自行燃烧爆炸的条件是:新产生的自由基数等于或大于消失的自由基数。随着阻火器通道尺寸的减小,自由基与反应分子之间碰撞的几率随之减少,而自由基与通道壁的碰撞几率反而增加,这样就促使自由基反应降低。当通道尺寸减小到某一数值时,这种器壁效应就造成了火焰不能继续进行的条件,火焰即被阻止。由此可知器壁效应是阻火器阻止火焰传播的主要机理。

阻火器分类:

1、阻火器按照应用类型可分为:

(1)阻爆轰型阻火器:用于阻止火焰以音速或超音速通过。

(2)阻爆燃型阻火器:用于阻止火焰以亚音速通过。

(3)耐烧型阻火器:用于阻止可燃气体的燃烧火焰通过,并能够承受一定时间的火焰燃烧高温。

(4)特殊用途阻火器:用于有特殊要求的设备上。

2、按结构形式可分为:

(1)金属网型阻火器。

(2)波纹型阻火器。

(3)泡沫金属阻火器。

(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。

阻火器的防爆设计及理论依据:阻火器主要分为外壳与阻火元件两部分。其中阻火元件是阻火器的核心部件。本文主要探讨有关阻火元件的设计。从阻火器防止火焰传播的原理可以知道,阻火器的防爆设计应该主要基于其器壁效应,并同时考虑材质的机械强度和耐腐蚀等性能。根据器壁效应,当通道窄到一定程度时,自由基与器壁的碰撞占主导地位,自由基大量减少,燃烧反应不能继续进行。对于通道的安全间隙值,GB3836.11中规定:一定条件下(20℃、105MPa),在标准试验容器内,所有浓度的被试气体或蒸气空气的混合物点燃后,通过25mm长的接合面均不能点燃容器外爆炸性气体混合物的容器外壳空腔两部分之间的zui大间隙定义为zui大试验安全间隙(MESG)。不同的可燃气体或蒸气具有不同燃烧或爆炸特性,所以具有不同MESG值。需要指出的是,某一气体的MESG值是确定的,它是该种气体与空气混合后,在zui易传爆混合物浓度时测得的zui大试验安全间隙。根据MESG值的测试方法可知,针对某一气体在某一浓度时有一个传爆率为0%的zui大不传爆间隙g0和一个传爆率为100%的zui小传爆间隙g100。改变气体混合物浓度,在其所有浓度范围内测得一组g0,其中的zui小值(g0)min即为该气体的MESG,该值对应的混合物浓度即为这种气体的zui易传爆混合物浓度,此时其传爆能力zui强。但在zui易传爆混合物浓度之外的其它浓度时测得的g0,以及在非标准容器或非标准长度(25mm)通道上测得的g0,在许多文献上也将其称为各对应浓度时的zui大试验安全间隙(MESG),但是按照GB3836.11IEC79-1A的规定,这种说法是不准确的。在本文中我们不妨沿用,但为方便读者理解,将在使用非标准意义MESG时加下划线以示区别。国际电工协会(IEC)按照各种气体或蒸气的MESG

值将其分为4个等级。如表1所示。

1可燃气体或蒸汽MESG分级表

可燃气体或蒸汽

MESG/mm

I(CH4)

MESG=1.14

IIA

MESG0.9

IIB

0.9 MESG0.5

IIC

MESG0.5

其中,目前有据可查的IIC级可燃气体或蒸汽种类较少只有以下5种如表2所示:

2 IIC级可燃气体或蒸汽

可燃气体或蒸汽名称

分子式

MESG/mm

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

这样在设计阻火器时,应根据阻火器的使用环境,确定阻火器的通道长度及间隙值。其值必须满足预计使用的危险场所内存在的zui危险(MESG值zui小)的可燃气体或蒸气的安全要求,例如:(1)阻火器预计使用在某一特定的可燃气体或蒸气环境,如乙炔,通道长度设计为25mm,则其通道间隙必须小于0.37mm(2)阻火器预计使用在IIB级可燃气体或蒸气环境,通道长度设计为25mm,则其通道间隙必须小于0.5mm(3)阻火器预计使用在IIC级可燃气体或蒸气环境,通道长度设计为25mm,则其通道间隙必须小于0.29mm。在设计过程中,需根据制造工艺、加工精度等因素,以及相关国家标准的检验要求,在设计时留有一定的安全裕量,例如采用适当增加通道长度或者减小间隙值的方法或者综合采用。在实际应用中,通常需要考虑阻火器应用管路中对流阻的要求,因为工业上期望使用低流阻且可以安全阻火的产品。间隙越小阻火性能就越好,但是流体通过阻力却越大。所以在设计安全裕量时,不能过分采用减小间隙值的做法。当减小间隙值对管道流阻影响较大时,即需要增加通道长度,在保证阻火性能的前提下,间隙值不减小甚至可以加大。

可燃气体或蒸气混合物的MESG值随着试验外壳法兰宽度(即通道长度)的减小而减小,直至某个zui小值,但不等于零;随着试验外壳法兰宽的的增加而增加,直至混合物的的临界熄焰距离。在试验外壳法兰宽度小于10mm的情况下,随着法兰宽度的增加,MESG值增加的很快;当试验外壳法兰宽度大于30mm,MESG值增加的比较缓慢尤其是氢气。由此可知增加通道长度对于增加阻火器的安全程度并不是一直有效的,设计人员应综合考虑MESG、流阻等情况后确定阻火器的通道长度和间隙。

上述理论是阻火器的设计依据,而相关国家标准中对阻火器的检验方法也是基于上述理论。这些理论只能作为波纹型阻火器和平行板型阻火器的设计依据。对于金属网型等其它结构形式的阻火器,由于其通道长度和间隙值的不确定性,无法参照这些理论得出通道长度和间隙值进行设计,但是同样适用于基于这些理论得出的检验方法。阻火器防爆检验方法:目前国内应用于煤炭行业的阻火器,主要依据AQ1074!2009煤矿瓦斯输送管道干式阻火器通用技术条件等行业标准制造检验;应用于石油及化工行业的阻火器,主要是依据GB13347GB5908制造并检验;另有应用于内燃机进排气系统的阻火器,其制造检验标准是GB20800.1。另外由于GB20800修改采用EN1834,二者试验方法有所不同。

阻火器有关防爆性能方面的试验主要是:

(1)外壳强度试验:检验阻火器的外壳承压能力,即在阻火器外壳上制造或模拟可能出现的zui大压力并施加一定的安全系数,以此证明阻火器外壳可以承受该压力。

(2)内部点燃的不传爆试验:检验阻火器的阻爆性能,即在阻火器前端的封闭系统中制造一次可能出现的zui严重的爆炸,并以此证明,在这些条件下阻火器的隔爆外壳能承受住爆炸,且爆炸不会通过相关部件和阻火器传到周围环境中。

阻火器壳体强度试验:下面表3是上述标准随针对阻火器外壳强度强度的试验方法的对.

3外壳强度试验方法对比

标准

试验压力

试验时间

判定方法

备注

AQ1074

DN300以下:2.5MPa

5min

无裂痕或

*变形

DN300以下:2.5MPa

GB13347

1.5倍设计压力

不小于10min

无渗漏

设计压力:0.6-2.5MPa

GB5908

0.9MPa

5min

无渗漏、裂痕变形

 静压法:进气阻火

 1.5npzui大1.5

 MPa排气阻火器1.5

 pzui大1.0MPa

1min以上

无渗漏、无

可见变形

 等同采用EN1834n

 为压力比p为爆炸性

 气体混合物的zui大实

 验测定压力

GB20800.1

 动压法:在1.5倍大气

 压下通入规定的爆炸性

 气体混合物并点燃

无裂痕或

*变形

 修改采用EN1834

 该检验方法与GB38

 36.2一致

EN1834

 静压法:同GB20800.1

 该实验方法引用

 EN500181994

 动压法:试验方法同GB20800.1但增加限制压力zui小

 0.35MPa

从上表可以看出AQ1074GB13347GB5908较多的考虑了阻火器外壳的使用压力(如连接石油管道后的输油压力),EN1834GB20800.1更多考虑的是爆炸性气体混合物的爆炸压力。所以从防爆安全角度来讲,个人认为GB20800.1EN1834的试验方法比较科学。但是其余标准中,GB13347在设计压力为0.6MPa时以及GB5908规定的阻火器,试验压力有可能小于GB20800EN1834(但是试验时间较长,所以其安全系数并不低),其它试验均比GB20800.1N1834严酷的多。所以EN1834GB20800.1的防爆安全性能应是合格的。内部点燃的不传爆试验:AQ1074GB13347GB5908中的阻火试验以及EN1834GB20800.1中的内部点燃不传爆试验,其试验检测目的不同,前者检测是否有火焰传出或外部气体被点燃,主要要求阻火性能;后者检测是否有火焰传出并引爆外部爆炸性气体,主要要求阻火和防爆性能(内部不传爆)。但其理论基础均是前文所述的MESG理论。

所以可以对有关标准中的试验方法加以对比。

(1)试验装置对比:

GB13347GB5908中阻火试验的试验装置如图1所示。

         

阻火试验方法:阻火器两端均联接管道形成封闭空腔,充以规定的爆炸性气体混合物。在其中一端用电火花(A)点燃爆炸性气体混合物,点火之前打开另一端的出气阀门(E),用火焰探测器检测这一端是否有火焰传出或气体被点燃。EN1834GB20800.1中的内部点燃不传爆试验是针对往复式内燃机用阻火器的,其它用途的阻火器可据情参考借用。

(2)试验方法对比:4是有关阻火器标准对阻火及内部点燃不传爆试验方法的对比。

阻火器试验方法对

标准

试验气体混合物及其SG

试验

次数

MESG

全系数

备注

AQ1074

CH4理论当量比1  MESG=1.4mm

13

1

1.14/1.14

GB5908

(4.3±0.2)%C3H8MESG=0.92mm

13

0.98

0.9/0.92

GB13347

阻爆燃型

(4.3±0.2)%C3H8MESG=0.92mm

13

0.98

阻爆轰型

(7.2±0.2)%C3H8   

13

1

GB20800

.1

IIA

(55±1)% H2  MESG=0.65mm

10

1.38

0.9/0.65

IIB

(37±1)%H2MESG=0.29mm

10

1.43

0.5/0.35

IIC

 *次(27±1)% H2 

 MESG=0.29

 mm第二次、(7.5±1)% C2H2

 MESG=0.37mm

10

1

0.29/.29

0.37/0.37

 排气阻火器试验方法同进气阻火器,IIA类除可以用(55±1)%H2进行试验外,亦允

 许使用在常压下(4.2±0.1)%C3H8(MESG=0.92mm)进行试验。

EN1834

IIA

(4.2±0.1)% H2  MESG=0.92mm

10

0.98

IIB

(4.5±0.5)%H2  MESG=.49mm

10

1.02

0.5/0.35

IIC

 *次(27±1)% H2 

 MESG=0.29mm

 第二次、(7.5±1)% C2H2

 MESG=0.37mm

10

1

IIAIIBIIC类排气阻火器均使用常压下(4.2±0.1)%C3H8进行试验

:1)AQ1074规定:按甲烷和空气的理论当量比配入天然气。笔者尚未查出该理论当量比的具体数值。天然气中甲烷含量约为96%,在甲烷的爆炸极限(4.4%~17%)之外。此处暂以甲烷的zui易传爆浓度8.2%代替。2)GB3836.11可知,C3H8的zui易传爆浓度为4.2%。表中的浓度范围包括了该zui易传爆浓度,故其zui大试验安全间隙为标准MESG。下同。

3)此安全系数为针对#A类爆炸性气体混合物的安全系数。GB5908为明确规定所涉及的阻火器用于IIA环境,但石油储罐、管道及其周围存在的爆炸性气体,绝大部分可以归为IIA类。下同。

4)IIC类设备进行试验时施加安全系数的方法是加大设备的隔爆间隙或增加试验初始压力。GB20800.1并未按照GB3836.2中的相关规定加大间隙或增加初压,所以其安全系数为1

5)IIC类电气设备除用MESG值较小的H2做*次试验外,为了防止C2H2不完全燃烧而产生的碳,通过接合面喷出而点燃周围爆炸性混合物,需用C2H2做第二次试验。

另外在SH/3413/1999石油化工石油气管道阻火器选用、检验及验收中规定石油气管道阻火器的检验方法和GB13347一致,但该标准中明确规定仅适用于IIA级烃类爆炸性气体混合物的输送系统、气体回收系统和气体放空系统的阻火器。从上表可以看出,GB20800.1,大部分阻火器的试验安全系数都约为1GB20800.1修改采用EN1834,在阻火器试验方法上,未采用EN1834,但亦未完全参照GB3836.2。如表5所示。

5 GB20800.1中阻火器内部点燃不传爆试验 安全系数施加情况

阻火器种类

施加试验安全系数情况

备注

进去阻火器

IIA

施加

 按照GB3836.2的试验规

 定,各级别的阻爆型电

 气设备进 行试验时均

 施加相应的安全系数

IIB

施加

IIC

不施加

排气阻火器

IIA

可以施加

IIB

施加

IIC

不施加