阻火器防爆设计及防爆检验方法探讨

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, 在 GB 3836 11 中规 定: 一 定 条 件下 ( 20 ∀ 、105 MPa) , 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 25 mm 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最大间隙定义为最大试验 安全间隙( MESG) 。
MESG 值/ mm
∃ ( CH4 ) #A
MESG= 1 14 MESG %0 9
#B
0 9> MESG %0 5
#C
MESG & 0 5
表 2 # C 级可燃气体或蒸气
可燃气体或蒸气名称
分子式Leabharlann MESG 值/ mm氢 乙炔 二硫化碳 二乙基二氯硅烷 硝酸乙酯
H2 C2H2 CS2 ( C2H5) 2SiCl2 C2H5ONO2
[ 收稿日期] 2011- 07- 15 [ 作者简介] 张朋, 男, 1982 年生, 2004 年毕业于河南科技大学, 现主要从事防爆电气设计工作。
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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。 1 2 阻火器分类 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。 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。
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。
其中, 目前有据可查的 #C 级可燃气体或蒸
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气种类较少, 只有以下 5 种, 如表 2 所示。
表 1 可燃气体或蒸气 MESG 分级表
可燃气体或蒸气分级
0 29 0 37 0 34 0 45
!
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 最 危险 (MESG 值最小) 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 25 mm, 则 其通道间隙必须小于 0 37 mm。
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。
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。
0 引言
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、水 运等行 业中被大量采 用。阻火器的 应用范围很 广, 例如:
输送易燃可燃气体的管道; 储存石油及石油产品的油罐; 有爆炸危险系统的通风管口; 油气回收系统; 内燃机进排气系统; 火炬系统。 阻火器的种类很多, 防爆阻火器是其中之一。 本文提出一些对阻火器防爆设计及防爆检验的看 法。
根据参考文献[ 9] , 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, 直至某个最小值, 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 10 mm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 30 mm 时, 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。
3 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 AQ 1074 ! 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 GB 13347 和 GB 5908 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 GB 20800 1。另 外, 由于 GB 20800 修改采用 EN 1834, 二者试验方 法有所不同。
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张朋, 张松, 马秋菊, 董凯 ( 南阳防爆电气研究所, 河南 南阳 473008)
[ 关键词] 阻火器; 阻火( 阻爆) 原理; 爆炸性环境; 防爆设计; 检验方法 [ 摘 要] 本文分析了阻火器的阻火( 防爆) 原理, 通过阻火器使用环境中所存在的爆炸性 危险气体的 MESG( 最大试验安全间隙) 值来确定阻火器的火焰通道长度和间隙。并且基于 MESG 理论的阻火器防爆检验原理以及国内外阻火器相关标准对阻火器防爆试验方法进行了 对比。
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, 在最易传爆混合物浓度时测得的最大 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% 的最大不传爆间隙 g0 和一个传爆率为 100% 的最 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 值, 其中的最小值( g0 ) min 即为该气体的 MESG 值, 该值对应的混合物浓度 即为这种气体的最易传爆混合物浓度, 此时其传 爆能力最强。
1 阻火器原理及分类
1 1 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, 被分成许多细小的火焰流而被熄 灭。火焰能够被熄灭的机理是传热作用和器壁效 应。
( 1) 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( M Roper) 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
( Nanyang Explosion Pr otected Electrical Apparatus Research Insitute, H enan Nanyang 473008) Key words: flame arrester ; fire retardant ( against explosion) principle; explosive environments; explosion protection design; testing method Abstract: Based on the analyses for the principle of a flame arrester, it gives the fundamental thought in design of a flame arrester, that is, the flame passage length and gap of the arrester can be determined by the max exerimental safety gap of the gases present in the hazardous environment where it is in service Furthermore, it also analysis the testing principle on the flame arrester based on the MESG theory, makes comparson between the test procedures for the flame arresters in rele vant standards both here and abroad