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阻火器在燃气管道上的应用

唐闻
（中国石油天然气管道工程有限公司上海分公司）

摘 要 放空系统设置阻火器的必要性，阻火器的分类原理，阻火器的选用，阻火器的安装。
关键词 阻火器 原理 选用 安装

一、天然气放空系统上设置阻火器的必要性

阻火器通常被安装在燃气设备进、出口处或管道上,它允许介质流通,但是阻止火焰通过。
天然气站场的放空系统在通常情况下是安全的,这是因为在一般情况下,管道所输送的天然气浓度高于爆炸极限,且不与外界火源接触。但是在某些特殊的意外条件下,例如因施工不当、地震、年久失修或其它不可预见的意外事故,就有可能造成管道某处的破裂，在管道破裂处造成局部压力降,引起外界空气进入管道,使下游管道内的天然气与空气混合。当该预混气达到爆炸极限时就具备了产生回火和导致爆炸灾害的必要条件。如果能在管网中适当的部位安装阻火器,上述事故就可以得到有效扼制[1]。
当天然气站场的火炬正常运行时,燃烧气体的外喷速度远远大于火焰回窜速度,火炬系统所使用的高速喷嘴,本身就能起到阻止回火的作用。但是在火炬系统装置开工或者停工阶段,当物料流量低于要求值时,既存在回火的可能性。所以,单是高速喷嘴不能百分之百保证装置安全,必须要结合阻火器。

二、阻火器的分类及原理

1.分类
1.性能
(1)阻爆燃性阻火器:用于阻止亚声速传播的火焰蔓延。
(2)阻爆轰性阻火器:用于阻止声速和超声速传播的火焰蔓延。
2.使用场所
(1)放空阻火器:安装在站场或阀室的放空管道上,用以防止外部火焰传入管道，分为管端型和普通型。管端型:一端与大气相通,为防止灰尘或雨水进入阻火器,顶部安装防风雨帽。管端型放空阻火器为阻爆燃型。普通型:两端与管道相连,通过下游管道与大气相通。分为阻爆燃型和阻爆轰型。
(2)管道阻火器:安装在密闭管路系统中，用以防止管路系统一端的火焰蔓延到管路系统的另一端。分为阻爆燃型和阻爆轰型。
3.阻火原理
阻火器分上下两个壳体，两个壳体中间设置阻火芯。壳体由铝合金铸造而成，应有足够的强度以防微爆产生的冲击压力。波纹型阻火器的阻火芯是用薄不锈钢波纹带与平带共同卷制成盘装，它的阻火能力仅仅取决于阻火芯上由波纹形成的三角形截面孔的大小和阻火层的厚度。
目前,机械阻火器的工作原理有两种理论。一种是热理论,机械阻火器常由大量只允许气体,但不允许火焰通过的细小通道或孔隙固定材料组成,当火焰进入这些细小通道后就会形成许多细小火焰流,由于通道或孔隙传热面积相对增大,火焰通过时加速了热交换,使温度迅速下降到着火点以下而使火焰熄灭。另一种是连锁反应理论,可燃气体在外界能源激发作用下,会因分子键受到破坏而产生活化分子,这些具有反应能力的活化分子发生化学反应时,首先分裂成自由基,这些自由基与反应分子碰撞几率随阻火器通道尺寸减小而下降,当通道尺寸减小到火焰最大熄灭直径时,这种器壁效应就为阻止火焰继续传播创造了条件。

三、阻火器的性能及选用

1.阻火性能参数
a)气体熄灭直径。使火焰不能继续传播的阻火器的最大通道直径称为气体熄灭直径。气体熄灭直径大小取决于气体种类,并直接关系到阻火器的阻火性能。在设计阻火器时,应根据可燃气体燃烧速度选取熄灭直径,一般以丙烷为设计参考,这种估算方法对大多数饱和烃和易燃气体适用,但不适用燃烧速度更快的易燃气体。一般来说,阻火层通道或孔隙直径可按气体熄灭直径来选取,但由于爆燃火焰速度远快于标准燃烧速度,因此,在实际设计中,阻火层通道或孔隙直径按半气体熄灭直径选取,当然也可通过增加阻火层厚度来提高阻火器效能。阻火层的孔隙大小是影响阻火效能的重要因素,易燃气体熄灭直径大小直接关系到阻火层的孔隙尺寸。熄灭直径可以通过实验来测定,也可以通过熄灭间隙来近似估算,即[2]:
（1）
（2）
式中:
d0—熄灭间隙,mm;
Emin—最小点火能,mJ;
D0—熄灭直径,mm。
实验表明,对于波纹型和金属网型阻火器的阻火层,其波纹高度和孔网直径一般不得超过熄灭直径的一半,即:

式中:
hm—波纹(形状为等腰或等边三角形)高度或网孔直径,mm。
经计算,甲烷—空气混合气的标准燃烧速度为0.365m/s,其熄灭直径为3.65mm。用于天然气放空系统的波纹型或金属网型阻火器的阻火层,其波纹高度或孔网直径不得大于1.82mm。
b)点火距离。在一端开口的管道内,点火方式可以分为靠近开口端点火、靠近闭口端点火或靠近阻火器处点火等3种情形。无论何种点火方式,阻火器内火焰传播速度均取决于可燃气体的性质和点火点与阻火器之间的距离(即点火距离)。在相同的点火距离下,不同性质气体的火焰传播速度并不相同,同一种气体的火焰传播速度随点火距离的增大而迅速提高。因此,为降低火焰传播速度,应尽可能缩短点火距离。一般来说,点火距离应不超过10m,在某种特殊情况下需要超过10m时,则管道和阻火器应能承受3.5MPa以上的压力,并设有泄爆孔。
c)阻火层厚度。对于金属网型和多孔板型阻火器,阻火层能有效阻止火焰传播的最大速度可按以下经验公式进行估算[2]:
（3）
式中:
vm—阻火器能阻止火焰传播的最大速度,m/s;
a—有效面积比,即阻火层实际面积与阻火层空隙面积之比;
y—阻火层厚度, cm;
dm—阻火层孔眼直径,cm。用于圆形孔眼, dm表示直径;用于方形孔眼, dm表示宽度;用于三角形孔眼波纹型阻火层,dm表示水力直径,并可按下式进行估算:
4）
式中:
Str—三角形孔眼的面积,cm2;
Ptr—三角形孔眼的周长,cm。
从式(3)可以估算一个设计好的阻火器的临界阻火速度,也可以根据瓦斯燃烧火焰传播的最大速度,设计瓦斯抽放系统中阻火器的阻火层厚度。放空系统阻火器的安装位置及阻火器的规格还要从火焰传播规律、放空管网的特点、安装检修方便等方面来综合考虑。
2.选用
2.1使用场所
根据使用场所决定采用放空阻火器还是管道阻火器。
2.2性能
火焰波在管道内的传播速度不仅与介质种类、温度、压力有关,还与阻火器与点火源之间的距离、安装位置、阻火器与点火源间的管道形状有关。因此选用的阻火器阻火元件的通道直径要能阻止这种情况下的火焰蔓延,这就需要确定是采用阻爆燃型还是阻爆轰型阻火器,通常由试验或根据经验来确定。
2.3MESG值
(1)国标《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》(GB3836.1—83)中,对爆炸性气体混合物按最大安全间隙(MESG)分成不同的技术安全等级,见表1。
表1　最大安全间隙(MESG)的分级
级别
最大安全间隙(MESG), mm
阻火元件的间隙不大于，mm
IA
MESG≥0.9
0.9
IB
0.5但标准状况(1bar, 20℃)下由标准试验装置测得的MESG值可在有关资料中查到。[3][4]
(2)阻火器的鉴定书已注明该产品适用的MESG值。因此,选用阻火器的原则是要求介质在操作工况下的MESG值大于阻火器鉴定书上标明的MESG值。
例如:阻火器的鉴定书上标明适用的MESG值为0.65mm,这表明该产品适用于在操作工况(温度、压力和管径大小、管道长度、配管形状及安装位置等)下的MESG值大于0.65mm的介质。MESG值比0.65mm小的介质不能选用该产品。(3)对于有多种可燃气体组成的混合气,选用阻火器要进行试验,以确定混合气体的MESG值。若没有试验条件,则按混合气各组分中最小的MESG值来选用阻火器。
2.4火焰速度
火焰速度是指阻火器入口处的速度,火焰速度与介质和操作工况(温度、压力、管径大小、管道长度、配管形状及安装位置等)有关,若资料中查找不到,则需要进行实际测试。阻火器的鉴定书中应注明该产品能阻止的最大火焰速度。确定阻火器的原则是介质的火焰速度应小于鉴定书上注明的最大火焰速度。
2.5压力降校核
根据初选的阻火器的型号和管内介质的流量,查阅阻火器产品资料中流量-压力曲线是否满足工艺过程的要求。

四、阻火器在燃气管道上的的安装

1.阻爆燃型阻火器的安装位置宜靠近火源;阻爆轰型阻火器的安装位置应远离火源。不同公称直径的阻爆轰型阻火器，所要求的距火源最小安装距离见表2[5]。
表2 阻爆轰型阻火器距火源最小安装距离
公称直径DN
mm
最小安装距离
m
公称直径DN
mm
最小安装距离
m
公称直径DN
mm
最小安装距离
m
15
0.5
40
3.0
100
10.0
20
1.0
50
4.0
125
10.0
25
1.5
65
6.0
150
10.0
32
2.0
80
8.0
200
10.0
2.放空阻火器应尽量靠近管道末端设置,同时要考虑检修方便。一般选用管端型放空阻火器;如果选用普通型放空阻火器,应考虑到由于下游接管的配管长度、形状对阻火器选型(阻爆燃型还是阻爆轰型)的影响,并根据介质工况和安装条件来确定普通型放空阻火器的规格。
3.安装管道阻爆轰型阻火器时,要注意其爆轰波吸收器应朝有可能产生爆轰的方向,否则将失去阻爆轰的作用。
4.阻火器与管道的连接一般为法兰形式,小直径的管道采用螺纹连接。

五、结束语

不同类型的阻火器都有其特定的工作范围，只能在一定的条件下起到安全保护作用，并不是任何情况下都能阻止火焰的传播。因此在阻火器的选用过程中，应该清楚阻火器的阻火原理及分类方法，根据可燃气体类型和实际工况，确定适宜的阻火器，从而保证燃气设施设备的安全。

参 考 文 献

[1]周凯元，李宗芬.燃气管道阻火器原理及应用[J].煤气与热力, 1993, 13(5): 32-37.
[2]王海福,冯顺山.防爆学原理[M].北京:北京理工大学出版社, 2004: 119-121.　
[3]化工企业爆炸和火灾危险环境电力设计规程(HGJ21—89)
[4]爆炸性环境用防爆电气设备通用要求(GB3836.1—2000)
[5]李钦华，王朝晖.阻火器的原理及选用. 石油库与加油站，2007，16：32