阻火器選用典型因素分析

韓 旭，楊 帆

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100076)

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阻火器選用典型因素分析

韓 旭，楊 帆

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100076)

介紹了阻火器的分類、選用、安裝以及選用過程中應(yīng)注意的問題，闡述了混合物MESG值的計(jì)算方法和阻火器通氣量換算，對(duì)阻火器在工程設(shè)計(jì)中的選用及安裝具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

阻火器；MESG值；通氣量；壓降

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.011

20世紀(jì)70年代，我國引進(jìn)了13套大型化肥裝置，至此，中國的化肥，特別是氮肥行業(yè)逐漸與世界接軌。隨著各類化工裝置生產(chǎn)規(guī)模的日趨增大，裝置的安全問題也越來越被重視，尤其各類化工設(shè)備、管道以及閥門內(nèi)部的大量易燃、易爆介質(zhì)，是火災(zāi)爆炸事故發(fā)生和擴(kuò)大的根源。阻火器作為非電氣設(shè)備防爆的主要安全防護(hù)設(shè)備，廣泛適用于封閉空間開口處或封閉系統(tǒng)管線，其在允許流體通過的同時(shí)又能有效阻止火焰的傳播。當(dāng)火焰通過阻火器時(shí)，阻火元件將火焰分割成許多個(gè)小單元，由于強(qiáng)化傳熱作用和器壁效應(yīng)，從而使火焰熄滅，阻止火焰?zhèn)鞑?，達(dá)到阻火目的。

1 阻火器分類

NFPA 69—2008標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)阻火器的安裝位置、燃燒類型對(duì)阻火器進(jìn)行了詳細(xì)劃分(見圖1)。

在一定的條件下，選擇適當(dāng)?shù)淖杌鹌髂芷鸬接行ё柚够鹧鎮(zhèn)鞑サ淖饔茫?，每種阻火器都有其特定的工作范圍，超出其工作范圍，就無法保證阻火效果。因此，在阻火器選用過程中，需要仔細(xì)考慮各方面因素。

圖1 NFPA69中阻火器的分類[1]

2 阻火器的選用

2.1 阻火器選用基本流程

要選擇一個(gè)適合的阻火器，首先需確定阻火器的使用位置、介質(zhì)類型(爆炸級(jí)別)以及操作工況(壓力、溫度)等三項(xiàng)基本因素。根據(jù)阻火器的使用場(chǎng)所進(jìn)行管道/管端阻火器的劃分，根據(jù)安裝位置、介質(zhì)類型和操作工況確定燃燒工況，完成阻火器初步選型。在初步選型確認(rèn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)其他參數(shù)，諸如阻火器連接方式、阻火器通氣量、阻火器最大允許壓降、阻火器殼體/阻火芯材質(zhì)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、同心/偏心設(shè)計(jì)以及是否需要伴熱夾套等具體要求，最終完成阻火器選用。在以上阻火器選用涉及的參數(shù)中，工況簡(jiǎn)單的可以根據(jù)工藝直接確定，而實(shí)際工程設(shè)計(jì)中工況都比較復(fù)雜，介質(zhì)通常為氣體混合物，燃燒工況也復(fù)雜多樣，因此，阻火器的選用更是需要慎重考慮。

2.2 介質(zhì)類型

GB50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第3.4.1中規(guī)定：爆炸性氣體混合物應(yīng)按其最大試驗(yàn)安全間隙(MESG)或最小點(diǎn)燃電流比(MICR)分級(jí)。通常，阻火器選用過程中對(duì)介質(zhì)類型的確定一般按照介質(zhì)MESG值來劃分。根據(jù)GB3836.11-2008《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備第11部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》[3]，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件下，空腔內(nèi)所有濃度的被試驗(yàn)氣體或蒸汽與空氣的混合物點(diǎn)燃后，通過25mm長的火焰通路均不能點(diǎn)燃外部爆炸性混合物的內(nèi)空腔兩部分之間的最大間隙。

不同的氣體介質(zhì)有不同的MESG值，EN ISO16852-2010《Flame arresters-Performance requirements，test methods and limits for use》將爆炸性氣體混合物按其MESG值劃分為ⅡA1、ⅡA、ⅡB1、ⅡB2、ⅡB3、ⅡB、ⅡC等7個(gè)爆炸等級(jí)[4]，見表1。

表1 爆炸級(jí)別與氣體混合物MESG值對(duì)照

不同爆炸級(jí)別的介質(zhì)危險(xiǎn)程度不同，對(duì)應(yīng)的阻火器產(chǎn)品也不同。氣體介質(zhì)的MESG值越小，相應(yīng)阻火器的使用工況越嚴(yán)苛，阻火器設(shè)計(jì)難度和成本越高。因此，在阻火器選型之前，確認(rèn)氣體介質(zhì)的MESG值尤為重要。一般來說，介質(zhì)(單一組分)的MESG值可在有關(guān)資料中查到，如果是混合介質(zhì)，由于介質(zhì)之間可能發(fā)生反應(yīng)，因此，需要不同的方法來確定多組分混合物的MESG值，具體有以下幾種。

(1)將氣體組成及操作條件提供給權(quán)威機(jī)構(gòu)用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)試。

(2)采用混合物中爆炸級(jí)別最高的介質(zhì)的MESG值作為混合氣體的MESG值[5]。

(3)根據(jù)NFPA497-2008中Le Chatelier經(jīng)驗(yàn)公式[6]對(duì)混合氣體的MESG值進(jìn)行估算。

Xi——各組分介質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；MESGi——各組分介質(zhì)MESG值。

若混合物中含有惰性氣體組分(如氮?dú)?：當(dāng)惰性氣體組分<5%時(shí)，其MESG值取無限大；當(dāng)惰性氣體組分≥5%時(shí)，其MESG值取2。

但上述公式不適用于下列情況：①混合氣體中含有乙炔，或其他具有自分解特性的氣體；②混合氣體中含有氧氣或強(qiáng)氧化物；③混合氣體中一氧化碳含量超過5%。

在上述3種方法中，第1種方法最為權(quán)威，不過時(shí)間和金錢花費(fèi)最多。按第2種方法考慮MESG值最為保守，但若混合氣體中最小MESG值對(duì)應(yīng)的氣體量很小，該方法則過于保守。按第3種方法進(jìn)行多組分混合物的MESG值的估算，既能夠較準(zhǔn)確地進(jìn)行選型，又具備較好的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 燃燒工況

在管道足夠長且燃燒足夠快的條件下，火焰會(huì)依次經(jīng)歷爆燃、不穩(wěn)定爆轟、穩(wěn)定爆轟等幾個(gè)燃燒階段(見圖2)。低壓爆燃階段，速度一般可達(dá)到112m/s，壓力為0.1MPa；中壓爆燃階段，速度一般可達(dá)到200m/s，壓力為0.4MPa；高壓爆燃階段，速度一般可達(dá)到300m/s，壓力為2MPa；爆轟階段，速度一般可達(dá)到1 900m/s，壓力為3.5MPa；過度爆轟階段，速度一般可達(dá)到2 300m/s，壓力為21MPa；穩(wěn)定爆轟階段，速度一般可達(dá)到1 830m/s，壓力為35MPa[7]。這是由于燃燒過程中產(chǎn)生“壓升”的現(xiàn)象[8]，當(dāng)點(diǎn)燃充滿可燃?xì)怏w的水平管道的一端時(shí)，火焰首先傳向管壁，然后迅速向還未引燃的氣體傳播，燃燒產(chǎn)生的熱量使得燃燒氣體迅速膨脹，氣體膨脹又導(dǎo)致可燃?xì)怏w前端被壓縮，因而產(chǎn)生“壓升”。火焰前端氣體被壓縮，密度增加，燃燒傳播速度加快，燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量增多，導(dǎo)致可燃?xì)怏w前端更劇烈地“壓升”。通常，如果阻火器距火源較遠(yuǎn)，那么火焰爆燃可能就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z，火焰前端壓力增加會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)的危險(xiǎn)系數(shù)大大增加，同時(shí)對(duì)阻火器的阻火和耐壓能力要求也更為嚴(yán)苛。若選用了錯(cuò)誤的阻火器，將會(huì)成為安全生產(chǎn)的重大隱患，因此，必須嚴(yán)格根據(jù)燃燒工況選擇阻爆燃型或阻爆轟型的阻火器。不過在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于混合介質(zhì)較為復(fù)雜，管道情況和火焰點(diǎn)位置都難以確定，無法對(duì)不同條件下的阻火器選型作出明確的規(guī)定，通常需通過運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和積累的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行具體分析。

另外需要注意的是，由于管道中的彎頭對(duì)火焰?zhèn)鞑?huì)起加速作用，因此，在阻火器的選型過程中要充分考慮這一因素。當(dāng)彎頭數(shù)量超過1個(gè)時(shí)，燃燒工況就變得較為復(fù)雜，需要模擬管線的真實(shí)情況，通過試驗(yàn)來確定。若無試驗(yàn)條件，為安全起見，一般要求選用爆轟型阻火器。因此,在工藝允許的條件下，應(yīng)盡量減少火源與阻火器之間的彎頭數(shù)量[9]。

圖2 火焰燃燒過程示意

2.4 阻火器通氣量與壓降

阻火器的特點(diǎn)是在阻止火焰?zhèn)鞑サ耐瑫r(shí)對(duì)通過的氣體具有較小的壓降，因此，在阻火器選型時(shí)通常應(yīng)根據(jù)流量—壓降曲線確定合適的阻火器口徑。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)EN ISO16852-2016的要求，阻火器通氣量試驗(yàn)一般應(yīng)以標(biāo)況下空氣的流量進(jìn)行記錄，因此，要確定介質(zhì)在操作條件下的壓降值，必須首先對(duì)工藝流量進(jìn)行換算，換算過程如下。

(1)將工藝流量換算成標(biāo)況下介質(zhì)流量：

(2)將標(biāo)況下介質(zhì)流量換算成標(biāo)況下空氣流量：

(3)確定混合氣體平均相對(duì)分子質(zhì)量：

其中：Q為體積流量，m3/h；T為溫度，K；P為壓強(qiáng)，Pa；M為相對(duì)分子量；Vi為混合氣體中各氣體體積分?jǐn)?shù)。

另外，當(dāng)阻火器與呼吸閥配套在儲(chǔ)罐上使用時(shí)，需在選型過程中核算阻火器的通氣量及壓降。眾所周知，呼吸閥和阻火器作為儲(chǔ)罐的重要安全附件，在許多儲(chǔ)罐都有配置，但仍時(shí)常有儲(chǔ)罐被抽癟的事故發(fā)生，究其原因，主要是因?yàn)檫x用了不合適的呼吸閥和阻火器。由于阻火器的存在，當(dāng)呼吸閥正常開啟時(shí)，介質(zhì)通過阻火器會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，壓降越大，呼吸閥的泄放量越受到影響。當(dāng)呼吸閥實(shí)際排放能力達(dá)不到所需泄放量時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生壓力(真空)積聚，要么導(dǎo)致罐內(nèi)壓力超過儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力，要么導(dǎo)致儲(chǔ)罐被抽癟。因此，在阻火呼吸閥選型時(shí)，需嚴(yán)格按照阻火呼吸閥連接后通過試驗(yàn)得到的通氣量-壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行選型。若阻火器和呼吸閥為分開選型，則必須確保在所需泄放量下阻火器的壓降低于呼吸閥的最大允許超壓值。

2.5 阻火器典型適用位置

在各類化工裝置中，有著大量的、各種潛在爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備，阻火器作為非電氣設(shè)備防爆的主要安全防護(hù)設(shè)備，在以下幾種典型適用位置都應(yīng)加以安裝。

(1)易燃液體常壓儲(chǔ)罐和低溫儲(chǔ)罐的通氣口和呼吸閥進(jìn)出口。其中，直接排大氣的呼吸閥應(yīng)配備管端阻火器，排管道的呼吸閥應(yīng)配備管道阻火器。

(2)如火炬、焚燒爐、氧化爐等燃燒設(shè)備的總線或支線入口。

(3)有持續(xù)點(diǎn)燃源和0區(qū)的機(jī)械設(shè)備(風(fēng)機(jī)、真空泵、壓縮機(jī)等)進(jìn)出口。

(4)近海/鉆井平臺(tái)、碼頭、鐵路、公路、裝卸可燃液體或氣體的終端站，以及裝卸可燃化學(xué)品的槽船、槽罐車的呼吸閥和氣體置換/返回管線。

(5)生物氣系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等中間氣體儲(chǔ)罐的呼吸閥以及氣體總管。

(6)可燃?xì)怏w和溶劑加工、處理、回收系統(tǒng)中單臺(tái)設(shè)備或系統(tǒng)的氣體或蒸汽的進(jìn)出口。

(7)可燃?xì)怏w或蒸汽在線分析設(shè)備的放空總管。

(8)進(jìn)入爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣總管。

(9)經(jīng)爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，要求設(shè)置阻火器的其他位置。

3 結(jié)語

本文從阻火器的分類、選用、安裝等幾個(gè)方面，詳細(xì)介紹了阻火器的選用流程和選用過程中應(yīng)注意的因素，但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，阻火器的選用和安裝是十分復(fù)雜的，應(yīng)廣泛參考相似工況下的工程經(jīng)驗(yàn)，選用具有完整阻火性能和數(shù)據(jù)測(cè)試報(bào)告的阻火器產(chǎn)品，確保系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備及工廠的安全。

[1]NFPA 69-2008，Explosion Prevention Systems[S].

[2]GB50058-2014，爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB3836.11-2008，爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備第11部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備[S].

[4]EN ISO16852-2010，F(xiàn)lame arresters-Performance requirements，test methods and limits for use[S].

[5]胡敏，趙予川，董利萍，等. 用于混合介質(zhì)的阻火器爆炸級(jí)別探討[J]. 煉油技術(shù)與工程，2008，38(6):57-59.

[6]NFPA 497-2008 Recommended Practice for the Classification of Flammable Liquids，Gases，or Vapors and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas[S].

[7]韓旭，陳睿，阻火器的選型準(zhǔn)則[J]. 化學(xué)工程與裝備，2016(11)：217-219.

[8]趙闖杰，李碩，阻火器的選型及在化工管道上的應(yīng)用[J]. 引文版:工程技術(shù)，2015(3)：209.

[9]洪梅，徐康.石油化工裝置中管道阻火器的選用及安裝[J].石化技術(shù)，2015(12)：251-252.

修改稿日期： 2017-04-13

Typical Factors Analysis of Flame Arrester Selection

HAN Xu，YANG Fan

(BeijingAerospacePetrochemicalTechnologyEquipmentEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100076)

This paper introduces the classification，selection and installation as well as the important issues in the selection process. It also describes in details the calculation method of MESG mixture value and the conversion of flow rate of flame arrester. The research is of practical significance for the selection and selection of flame arrester in the engineering design.

fire arrester；MESG value；flow rate；pressure drop

韓旭(1985年—)，男，黑龍江牡丹江人，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事安全保護(hù)類閥門設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.011

TE665.3

B

1004-8901(2017)03-0042-03