壓裂車防火隔離裝置預(yù)防原理及其安全設(shè)計(jì)分析

段太波

（川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610052）

壓裂車廣泛應(yīng)用于各種常規(guī)、非常規(guī)油氣井壓裂作業(yè)，也可用于水力噴砂、煤礦高壓水力采煤、船舶高壓水力除銹等作業(yè)。壓裂車體主要分為底盤和臺(tái)上設(shè)備兩大部分。臺(tái)上由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、壓裂泵動(dòng)力端液力端、電氣控制系統(tǒng)、氣液管匯系統(tǒng)等組成。壓裂車各類管線的密封連接方式、整體布局、排設(shè)走向的設(shè)計(jì)難度極大，整車管線交錯(cuò)復(fù)雜，高溫零部件與載有可燃介質(zhì)管線交錯(cuò)環(huán)繞，各型壓裂車的管線設(shè)計(jì)方案也各有優(yōu)劣勢(shì)，車輛的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)很大。

據(jù)了解，某型壓裂車出現(xiàn)過防凍液噴濺霧化、遇發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件引發(fā)閃燃的事件。分析發(fā)現(xiàn)，目前壓裂車日均施工時(shí)間為6 ～8h，施工功率較大，壓裂車臺(tái)上管件密封螺栓長(zhǎng)期處于強(qiáng)震動(dòng)狀態(tài)，密封螺栓可能失去緊固效果，導(dǎo)致管件內(nèi)正壓力油液噴濺泄漏。壓裂車臺(tái)上防凍液管線管徑較大，管件之間采用了橡膠軟管連接。由于壓裂車工況惡劣，溫差大、液體沖擊等因素，導(dǎo)致橡膠軟管在壓裂工況下的使用時(shí)間遠(yuǎn)低于正常使用時(shí)間，就會(huì)產(chǎn)生龜裂、裂縫及變形，使防凍液泄漏。防凍液的泄漏不僅會(huì)導(dǎo)致壓裂車臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液液位低、發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作影響壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工，還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染和火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。而此類火災(zāi)一旦發(fā)生，產(chǎn)生的后果較為嚴(yán)重，需要特別重視。

1 壓裂車火災(zāi)危險(xiǎn)性及防火隔離裝置預(yù)防原理分析

開展防火隔離裝置火災(zāi)預(yù)防原理分析，需對(duì)汽車上常見可燃液體燃燒特性進(jìn)行研究分析，我們選擇四種在汽車上廣泛使用的可燃液體：A 型自動(dòng)變速箱油、B 型CVT 變速箱油、C 型汽車防凍液、D 型汽車潤(rùn)滑劑，比較四者熱釋放速率HRR、點(diǎn)燃時(shí)間TTI、放熱總量THR，分析它們火災(zāi)危險(xiǎn)性。這些典型的油品在常溫下測(cè)得的熱物性參數(shù)列于表1 中。

表1 汽車油品熱物性參數(shù)（溫度：15℃）

1.1 火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

熱釋放總量是熱釋放速率對(duì)時(shí)間的積分而來(lái)，圖1和圖2 分別用圖形展示了上述四種汽車常用可燃液體在20kW/m2條件下隨著時(shí)間推移，放熱總量和熱釋放速率之間的相互作用關(guān)系。分析得知，自動(dòng)變速箱油自身儲(chǔ)能最高，儲(chǔ)能較高地體現(xiàn)為油品的熱釋放總量最大；反之，汽車防凍液儲(chǔ)能最低。熱釋放總量與輻射熱通量的大小、風(fēng)量大小等外部環(huán)境因素?zé)o關(guān)，熱釋放總量曲線的梯度可呈現(xiàn)著火蔓延速率。同時(shí)，我們也可以得出，汽車防凍液點(diǎn)燃的速度極低，傳播速率小，另外，3 種液體點(diǎn)燃初期傳播速率接近，后因儲(chǔ)能不同，傳播抑制時(shí)間各不相同。

圖1 汽車油品熱釋放速率

圖2 汽車油品總放熱量

使用0.55 次冪規(guī)則統(tǒng)計(jì)方法，在各個(gè)輻射工況下，將4 種可燃液體的點(diǎn)燃時(shí)間取平均值，可得其點(diǎn)火時(shí)間如圖3 所示。外部通量同點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)系依據(jù)Janssens法則如圖4 所示，圖中橫軸為臨界輻射強(qiáng)度，可得出4種可燃液體點(diǎn)燃時(shí)間同輻射強(qiáng)度間呈線性關(guān)系。圖中易得自動(dòng)變速箱油、CVT 變速箱油、汽車潤(rùn)滑劑的臨界輻射通量分別為2.94kW/m2、0.961kW/m2和0.980kW/m2。其中汽車防凍液臨界輻射強(qiáng)度低于零，因此汽車防凍液在沒有任何輻射且不受時(shí)間限制時(shí)，只需一個(gè)電火花就可引燃。

圖3 4 種油品輻射條件下的TTI

圖4 點(diǎn)燃時(shí)間同輻射強(qiáng)度間關(guān)系

如果材料具有較高安全等級(jí)需要滿足火災(zāi)增長(zhǎng)指數(shù)低和火災(zāi)性能指數(shù)高兩個(gè)條件。綜上可以得出，汽車防凍液在四種可燃液體中火災(zāi)性能指數(shù)最高且火災(zāi)增長(zhǎng)指數(shù)最低，因此汽車防凍液安全等級(jí)最高。相反，汽車潤(rùn)滑劑安全等級(jí)最低。

1.2 防火隔離裝置火災(zāi)預(yù)防原理

綜合比較四種汽車常用可燃液體火災(zāi)的危險(xiǎn)性，自動(dòng)變速箱油和CVT 變速箱油要比其他兩種油品容易被引燃，點(diǎn)燃后，危險(xiǎn)性要高于其他油品。汽車防凍液最難被引燃，但其臨界輻射強(qiáng)度最低，在不受時(shí)間控制時(shí)，最易在外部輻射條件下被引燃。因此可采取防熱輻射、安全隔離等措施來(lái)進(jìn)行汽車防凍液的火災(zāi)預(yù)防，降低其火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2 壓裂車防火隔離裝置的安全設(shè)計(jì)

壓裂車防火隔離裝置的安全設(shè)計(jì)主要思路是將防凍液可能發(fā)生噴濺霧化泄漏部位與壓裂車發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部位的空間位置相隔離，避免防凍液與壓裂車高溫部件直接接觸，同時(shí)通過裝置的隔離和散熱功能減少防凍液受到的熱輻射。安全設(shè)計(jì)的部分包括水箱隔離板和橡膠管隔離盒，共兩部分。

2.1 水箱隔離板安全設(shè)計(jì)

對(duì)壓裂車臺(tái)上水箱的結(jié)構(gòu)和安裝位置進(jìn)行研究分析，確定直接使用整塊板料作為隔離板材料，選擇的材料為1mm 不銹鋼板，隔離板基本尺寸為1220mm×2440mm。選用此材料具有便于設(shè)計(jì)加工制作、強(qiáng)度高、防腐蝕、散熱效果良好的優(yōu)點(diǎn)。

水箱隔離板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，將壓裂車臺(tái)上水箱本體及水箱頂端整體覆蓋，無(wú)須多余安裝附件。隔離板中間開油液管線孔及防凍液管線孔，同時(shí)隔離板邊緣翻折以提高隔離板穩(wěn)定性。

由于不同的車型管線布局差異極大，管線開孔位置采用一種車型一種方案的辦法。涉及的車型有杰瑞2000 型、2500 型，四機(jī)2000 型、2500 型共四種車型，同車型的液路管線布局不同，產(chǎn)生了6 種防火隔離板管線開孔方式。

水箱隔離板的安裝位置，選取水箱上原有的螺栓孔進(jìn)行連接安裝。螺栓孔的位置選擇水箱上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)點(diǎn)，不需加裝其他的連接件，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，拆裝方便。

2.2 橡膠管隔離盒安全設(shè)計(jì)

橡膠管隔離盒采用隔離板相同的不銹鋼材料制作，提高了材料的使用率，尺寸大小根據(jù)具體管路的直徑和橡膠管的長(zhǎng)度分別設(shè)計(jì)。隔離盒設(shè)計(jì)為半開式，封住橡膠管三面，剩余一面作為觀察面。橡膠管兩側(cè)為防凍液管，管面光滑且無(wú)結(jié)構(gòu)安裝點(diǎn)，因此，橡膠管隔離盒只能采用卡箍式安裝方式。隔離盒兩端處焊半圓弧面，可與防凍液管緊密貼合。

3 壓裂車防火隔離裝置的應(yīng)用效果

壓裂車防火隔離裝置在應(yīng)用時(shí)，通過不銹鋼板的阻隔，完全將儲(chǔ)存防凍液的水箱、液路管線等可能發(fā)生防凍液噴濺霧化泄漏部位與壓裂車發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部位的空間位置相隔離，降低了防凍液受到的熱輻射能量，消除了防凍液霧化閃燃的火災(zāi)隱患。同時(shí)防火隔離裝置并未改變壓裂車原有結(jié)構(gòu)，不影響壓裂車正常操作使用及日常維護(hù)保養(yǎng)；該裝置在安裝過程中未使用焊接，其連接方式如鉚接、螺栓連接等均可自由拆卸，為后期壓裂車臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等設(shè)備的修理提供了便利。

壓裂車防火隔離裝置已經(jīng)投入試驗(yàn)超50 個(gè)月時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。該裝置作為壓裂車被動(dòng)安全裝置，配合對(duì)壓裂車臺(tái)上橡膠件老化程度的加強(qiáng)檢查、對(duì)管線連接螺栓定時(shí)巡檢緊固等主動(dòng)安全措施，破壞了防凍液霧化閃燃造成火災(zāi)的生成條件，起到了良好的應(yīng)用效果。

通過一系列自主創(chuàng)新、優(yōu)化設(shè)計(jì)等舉措，大幅縮減了壓裂車防火隔離裝置的研制、安裝時(shí)間，在三人協(xié)同工作的情況下，每套防火隔離裝置的加工時(shí)間僅需約3工時(shí)，安裝時(shí)間僅需4 工時(shí)。機(jī)械廠在較短時(shí)間內(nèi)完成了80 套壓裂車、6 種型號(hào)防火隔離裝置的安全設(shè)計(jì)、制作安裝和投入使用；并且提高了材料的使用率，減少材料浪費(fèi)，通過優(yōu)化下料過程，材料的使用率達(dá)97%，每套防火隔離裝置的平均材料成本為1545 元、平均工時(shí)費(fèi)用1680 元，平均每套壓裂車防火隔離裝置的成本僅3225 元。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)壓裂施工作業(yè)中壓裂車防凍液噴濺霧化、遇發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件引發(fā)閃燃的可能，進(jìn)行壓裂車火災(zāi)危險(xiǎn)性和防火隔離裝置預(yù)防原理分析。通過比較車輛四種非動(dòng)力可燃液體在各種輻射條件工況下的熱釋放速率HRR、點(diǎn)燃時(shí)間TTI、放熱總量THR，得出汽車防凍液輻射強(qiáng)度最低，在不受時(shí)間控制時(shí)，其最容易在外部輻射條件下引燃的結(jié)論。針對(duì)霧化防凍液閃燃的風(fēng)險(xiǎn)和危害，探究出可采取防熱輻射、安全隔離等措施來(lái)進(jìn)行火災(zāi)預(yù)防，降低火災(zāi)危險(xiǎn)性。

同時(shí)，本文提出一種壓裂車防火隔離裝置的安全設(shè)計(jì)，并實(shí)踐探究其應(yīng)用效果。機(jī)械廠共研制、安裝壓裂車臺(tái)上防火隔離裝置80 套，防火隔離裝置投入使用后，完全將儲(chǔ)存防凍液的水箱、液路管線等可能發(fā)生防凍液噴濺霧化泄漏部位與壓裂車發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部位的空間位置相隔離，降低了防凍液受到的熱輻射能量，消除了防凍液霧化閃燃的火災(zāi)隱患。壓裂車防火隔離裝置結(jié)構(gòu)合理、設(shè)計(jì)精巧，安裝在壓裂車上不改變外形尺寸、拆裝檢修方便、整潔美觀，通過自主設(shè)計(jì)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)降本增效。壓裂車防火隔離裝置的安全設(shè)計(jì)極大地增強(qiáng)了設(shè)備本質(zhì)安全，在落實(shí)各項(xiàng)壓裂提速提效保障措施和提升施工隊(duì)伍形象方面，推動(dòng)作用明顯。