阻火器基础知识.docx

一阻火器原理   
     阻火器是一种安装在储罐或排放可燃气体和易燃液体蒸汽的管道上，用于阻止因回火而引起火焰向油罐或管道传播、蔓延的安全附件。最初被应用在石油工业中，以后又广泛应用于矿山、煤矿、水运及化学工业中。
      阻火器主要由壳体和滤芯两部分组成，其中滤芯是阻止火焰传播的主要构件。
      以常见的波纹型阻火器为例，其滤芯是用薄不锈钢波纹带与平带共同卷制成盘状,它的阻火能力仅仅取决于滤芯上由波纹形成的三角形截面孔的大小和滤芯的厚度。
      当火焰通过滤芯时将被这些三角形截面孔切分成若干细小的火焰，扩大了火焰与通道壁的接触面积,强化了传热,使得火焰温度降到着火点以下,从而阻止火焰蔓延。另外由于器壁效应，当燃烧的可燃气通过阻火元件的狭窄通道时，自由基与通道壁的碰撞几率增大,参加反应的自由基减少。当阻火器的通道窄到一定程度时，自由基与通道壁的碰撞占主导地位,由于自由基数量急剧减少,从而扼制火焰向未燃气体传播。
二阻火器分类
         目前对阻火器有几种分类方法。
      按照性能可分为阻爆燃型和阻爆轰型。
     阻爆燃型是指用于阻止亚音速传播的火焰蔓延；阻爆轰型是指阻止音速和超音速传播的火焰蔓延。
      按照使用场合不同可分为放空阻火器和管道阻火器。
      放空阻火器是指安装在储罐（或者槽车）的放空管道上，用于阻止外部火焰传入储罐（或者槽车）内，分为管端型和普通型：管端型阻火器为阻爆燃型，是指一端与大气相通，为防止灰尘和雨水进入阻火器内部，顶部安装由温度控制开启的防风雨帽；普通型阻火器是指两端与管道相连，通过下游管道与大气相通，分为阻爆燃型和阻爆轰型。
      管道阻火器安装在密闭管路系统中，用于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。
      按滤芯不同可分为充填型阻火器、板型阻火器、金属网阻火器、波纹型阻火器及液封型阻火器等5种。
      NFPA69《防爆系统标准》中针对阻火器的安装位置、燃烧类型对阻火器进行了详细划分：

 NFPA69中阻火器的分类
三阻火器选型 
          在一定的条件下，合适的阻火器能起到有效阻止火焰传播的作用，但是，每种阻火器都有其特定的工作范围，超出其工作范围,就无法保证阻火效果，因此需要对阻火器进行选型。
      选型中首先需要确定阻火器的使用位置、介质类型(爆炸级别)以及操作工况(压力、温度)等三项基本因素。
       根据阻火器的使用场所进行管道/管端阻火器的划分；
      安装在管道端部或储罐顶部时应选用管端型阻火器，安装在封闭的管道系统中，用于防止管道系统未保护侧的火焰蔓延到管道系统的被保护侧时，应选用管道型阻火器。
      根据安装位置、介质类型和操作工况确定燃烧工况，完成阻火器初步选型。
      火焰波在管道内的传播速度不仅与介质种类、所在管道的温度、压力有关外，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。从爆燃转变成爆轰需要经历爆燃、不稳定爆轰、稳定爆轰三个阶段，因此阻火器安装在爆燃阶段时应选用阻爆燃型阻火器，安装在爆轰阶段时应选用阻爆轰型阻火器，通常由试验或根据经验来确定。
      在初步选型确认的基础上，根据其他参数，诸如阻火器连接方式、阻火器通气量、阻火器最大允许压降、阻火器壳体/阻火芯材质、设计标准、同心/偏心设计以及是否需要伴热夹套等具体要求，最终完成阻火器选用。
     在以上阻火器选用涉及的参数中,工况简单的可以根据工艺直接确定，而实际工程设计中工况都比较复杂,介质通常为气体混合物,燃烧工况也复杂多样,因此,阻火器的选用需要慎重考虑。 
    下面介绍两种主要影响因素：
      1.介质类型：GB 50058《爆炸危险环境电力装置设计规范》第3.4.1中规定:爆炸性气体混合物应按其最大试验安全间隙(MESG)或最小点燃电流比(MICR)分级。
      通常，阻火器选用过程中对介质类型的确定一般按照介质MESG值来划分。根据GB 3836.11《爆炸性环境用防爆电气设备第11部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》，在标准规定的试验条件下，空腔内所有浓度的被试验气体或蒸汽与空气的混合物点燃后，通过25mm长的火焰通路均不能点燃外部爆炸性混合物的内空腔两部分之间的最大间隙。
      不同的气体介质有不同的MESG值，而MESG是实验室的测试结果。
      其中，纯组分可燃气体、蒸气MESG的测试值参见《爆炸性环境第20-1部分：气体和蒸汽物质特性分级一试验方法和数据》IEC60079-20-1：2010。
      多组分可燃气体、蒸气混合物MESG可按下列方法确定：
      咨询有资质的机构，或委托测试；
      采用危险性最高组分的最小MESG作为多组分混合物的MESG；
      应用经验式计算，如《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB50058-2014）条文说明第5.2.3条引用的《易燃液体、气体或蒸汽的分类和化工生产区电气装置设计》NFPA497-2008附件B的估算方法。
      EN ISO16852《阻火器性能要求、测试方法和使用限制》将爆炸性气体混合物按其MESG值划分为ⅡA1、IA、IB1、IB2、IB3、ⅡB、ⅡC等7个爆炸等级，见表1。每个组别又都存在爆燃、稳定爆轰和非稳定爆轰。
表1 爆炸级别与气体混合物MESG值对照

     （如适用于 II Al 级气体的阻火器，是指所选的阻火器元件必须小于1.14mm）。
      不同爆炸级别的介质危险程度不同,对应的阻火器产品也不同。气体介质的MESG值越小,相应阻火器的使用工况越严苛,阻火器设计难度和成本越高。因此,在阻火器选型之前,确认气体介质的MESG值尤为重要。根据MESG值，最终确定选用哪种型号的阻火器，如适用氢气的应选用爆炸组别为IIC型阻火器。
      阻火元件间隙大于介质 MESG 时，阻火器将无法发挥阻止火焰传播的作用。除了参考MESG值选型，还要注意安装位置、工艺状况、燃烧时间等。
      2.燃烧工况：在管道足够长且燃烧足够快的条件下，火焰会依次经历爆燃、不稳定爆轰、稳定爆轰等几个燃烧阶段(图3)。

图3火焰燃烧过程示意
         低压爆燃阶段，速度一般可达到112m/s，压力为0.1MPa;      中压爆燃阶段，速度一般可达到200m/s，压力为0.4MPa;      高压爆燃阶段，速度一般可达到300m/s，压力为2MPa;      爆轰阶段，速度一般可达到1900m/s,压力为3.5MPa;      过度爆轰阶段,速度一般可达到2300m/s,压力为21MPa;       稳定爆轰阶段,速度一般可达到1830m/s，压力为35MPa。
       这是由于燃烧过程中产生“压升”现象，当点燃充满可燃气体的水平管道的一端时，火焰首先传向管壁，然后迅速向还未引燃的气体传播，燃烧产生的热量使得燃烧气体迅速膨胀，气体膨胀又导致可燃气体前端被压缩，因而产生“压升”。火焰前端气体被压缩，密度增加，燃烧传播速度加快，燃烧时产生的热量增多，导致可燃气体前端更剧烈地“压升”。

      通常，如果阻火器距火源较远，那么火焰爆燃可能就会转变为爆轰，火焰前端压力增加会导致管道内的危险系数大大增加，同时对阻火器的阻火和耐压能力要求也更为严苛。若选用了错误的阻火器，将会成为安全生产的重大隐患,因此，必须严格根据燃烧工况选择阻爆燃型或阻爆轰型的阻火器。

      不过在实际工程应用中,由于混合介质较为复杂,管道情况和火焰点位置都难以确定,无法对不同条件下的阻火器选型作出明确的规定,通常需通过运用标准和积累的工程经验进行具体分析。

      另外需要注意的是，由于管道中的弯头对火焰传播会起加速作用，因此，在阻火器的选型过程中要充分考虑这一因素。当弯头数量超过1个时,燃烧工况就变得较为复杂，需要模拟管线的真实情况，通过试验来确定。若无试验条件，为安全起见，一般要求选用爆轰型阻火器。因此，在工艺允许的条件下,应尽量减少火源与阻火器之间的弯头数量。

 四阻火器设置相关规范性文件

      许多标准都对安装在管道、管端和设备上的阻火器作出了详细的规定。
①《压力管道规范 工业管道 第6部分：安全防护》（GB/T 20801.6-2020）规定：下列设备和管道系统应设置阻火器：

（1）可燃液体常压储罐，以及液态烃、LNG等低温储罐的通气口和呼吸阀进、出口及其气相连通管；（2）火炬、焚烧炉、氧化炉等燃烧入口；（3）有持续点燃源和0区的风机、真空泵、压缩机等机械设备进、出口；（4）装卸可燃液体或气体终端站、槽船和槽罐车的呼吸阀、以及气体总管；（5）沼气系统、污水处理和垃圾填埋气系统中间气体储罐的呼吸阀以及气体总管；（6）加工可燃化学品的并联设备或系统的气体和蒸气出口，以及集合总管进入火炬、焚烧炉、氧化炉、活性炭吸附槽等处理进口；（7）可能发生失控放热反应、自燃、自分解的反应器或容器至大气或不耐爆炸压力的容器的出口；（8）输送可能发生爆炸或爆轰的爆炸性气体和蒸汽的管道系统；（9）可燃气体在线分析设备的放空总管；进入爆炸性气体环境危险区域的内燃发动机的排气的总管。
②《精细化工企业工程设计防火标准》（GB 51283-2020）规定：

1.采用热氧化炉等废气处理设施处理含挥发性有机物的废气时，应设置燃烧室高温联锁保护系统和燃烧室超压泄爆装置，宜设置进气浓度监控与高浓度联锁系统、废气管路阻火器和泄爆装置。
2.下列潜在爆炸性环境的非电气设备应设置阻火器：
（1）甲B、乙类可燃液体常压储罐，以及液化烃、液化天然气等低温储罐的通气口或呼吸阀处；
（2）焚烧炉、氧化炉等燃烧设备的可燃气体、蒸气或燃料气进口；
（3）输送爆炸性气体的风机、真空泵、压缩机等机械设备进、出口；
（4）装卸可燃化学品的槽船、槽罐车的气体置换/返回管线；
（5）沼气系统、污水处理和垃圾填埋气系统的中间气体储罐的呼吸阀处或其气体支管接入总管前；
（6）加工可燃化学品反应器等并联设备系统、可燃溶剂回收系统、可燃气体或蒸气回收系统、可燃废气处理系统的单台设备或系统的气体和蒸气出口，以及集合总管进入可能有点燃源的焚烧炉、氧化炉、活性炭吸附槽等处理设备进口；

（7）可能发生失控放热反应、自燃反应、自分解反应并产生可燃气体、蒸气的反应器或容器，至大气或不耐爆炸压力的容器的出口；

（8）可燃气体或蒸气在线分析设备的放空总管。

③《石油化工企业防火设计标准（2018版）》（GB50160-2008）规定:

加热炉燃料气调节阀前的管道压力等于或小于0.4MPa（表），且无低压自动保护仪表时，应在每个燃料气调节阀与加热炉之间设置阻火器。
④《油品装载系统油气回收设施设计规范》（GB 50759-2012）规定：
油气收集支管与鹤管的连接法兰处应设置阻火器。
⑤《石油化工储运系统罐区设计规范》（SH/T 3007-2014）规定：
下列储罐通向大气的通气管或呼吸阀上应安装阻火器：
（1）储存甲B、乙、丙A类液体的固定顶储罐和卧式储罐；
（2）储存甲B、乙类液体的覆土卧式储罐；
（3）采用氮气或其他惰性气体密封保护系统的储罐；
（4）内浮顶储罐罐顶中央通气管。
⑥《阻火器的设置》（HG/T 20570.19-1995）规定：
（1）化学油品的闪点小于等于43℃的储罐，其直接放空管道（含带有呼吸阀管道）上设置阻火器；
（2）储罐（和槽车）内物料的最高工作温度大于或等于该物料的闪点时，其直接放空管道（含带有呼吸阀的放空管道上设置阻火器。最高温度要考虑到环境温度变化、日光照射、加热、管失控等因素；
（3）管道阻火器的设置，输送有可能产生爆燃或爆轰的爆炸性混合气体的管道（应考虑可能的事故工况），在接收设备的入口处设置管道阻火器；
（4）输送能自行分解爆炸并引起火焰蔓延的气体物料的管道（如乙快），在接收设备的入口或由试验确定的阻止爆炸最佳位置上，设置管道阻火器；
（5）火炬排放气进入火炬头前应设置阻火器或阻火装置。
⑦《立式圆筒形钢制焊接储罐安全技术规范》（AQ 3053-2015）规定：
下列储罐应设置阻火器：
（1）甲、乙、丙A类油品的固定顶储罐，其通气管或呼吸阀上应设阻火器；
（2）采用气体密封的储罐上经常与大气相通的管道应设阻火器；当建罐地区月平均最低气温的最低值低于0 ℃时，呼吸阀和阻火器应有防冻措施；在环境温度下物料有结晶或自聚可能时，呼吸阀和阻火器应有防结晶或自聚措施。
（3）内浮顶储罐的罐顶中央通气孔应加装阻火器。
⑧《石油化工石油气管道阻火器选用检验及验收标准》（SH/T3413-2019）规定:
当有爆炸性混合物存在的可能且无其他防止火焰传播的设施时，下列管道系统和容器应设置阻火器：
（1）与燃烧器连接的可燃气体输送管道；
（2）具有爆炸性气体的储罐或容器气相空间的开放式通气管；
（3）甲B、乙类液体储罐之间气相连通管道的分支管道，储罐顶部油气排放管道的集合管；
（4）装卸设施的油气排放（或回收）总管及分支管道。
⑨《压力管道安全技术监察规程》（TSG D0001-2009）对管道阻火器作出如下规定：
凡有以下情况之一者，一般应当在管道系统的指定位置设置管道阻火器：
（1）输送有可能产生爆燃或者爆轰的混合气体管道；
（2）输送能自行分解导致爆炸，并且引起火焰蔓延的气体管；
（3）与明火设备连接的可燃气体减压后的管道（特殊情况可设置水封装置）；
（4）进入火炬头前的排放气管道。
对放空阻火器作出如下规定：
以下放空或者排气管道上应当设置放空阻火器：
（1）闪点低于或者等于43℃，或者物料最高工作压力高于或者等于物料闪点的储罐的直接放空管（包括带有呼吸阀的放空管道）；
（2）可燃气体在线分析设备的放空总管；爆炸危险场所内的内燃发动机的排气管道。 
    但这些标准规范对阻火器的选型规定的信息较少，尤其是管道阻火器具体选用阻爆燃型还是阻爆轰型的内容更少。具体选用阻爆燃型还是阻爆轰型，应根据潜在/已知着火点距离阻火器的距离进一步判定，但在实际生产过程中，很难确切预知可能的火焰位置，因此选择阻爆轰型管道阻火器情况较为常见。

五阻火器的安装要求   
   对阻火器的安装要求，来看看标准规范是如何规定的。
《阻火器的设置》（HG/T 20570.19-1995）中对安装方向作出了规定：安装管道阻爆轰阻火器时，要注意其爆轰波吸收器应朝向有可能产生爆轰的方向，否则将失去阻爆轰的作用。
《石油化工金属管道布置设计规范》（SH/T3012-2011）对安装位置作出了规定：（1）氢气放空管上的阻火器应靠近放空口端部布置。（2）加热炉燃料气主管上的管道阻火器应靠近加热炉布置，并便于检修，管道阻火器与燃烧器距离不宜大于12m。（3）储罐用的阻火器应直接安装在储罐顶的管口上。
（4）常压放空排气管道的阻火器宜设布置在排气管道的末端。
《石油化工石油气管道阻火器选用检验及验收标准》（SH/T3413-2019）
第6.2.12条规定阻火器应安装在接近点火源的位置。该文件也对阻火器的连接方式进行了规定，
第6.2.17条规定：安装于管道中的阻火器，通常采用法兰连接。
《阻火器的设置》（HG/T 20570.19-1995）
第5.0.4条规定：阻火器与管道的连接一般为法兰连接，小直径的管道采用螺纹连接。
《压力管道安全技术监察规程》（TSGD0001-2009）对阻火器安装，提出了如下要求：(1) 管端型放空阻火器的放空端安装防雨帽；(2) 工艺物料含有颗粒或者其他会使阻火元件堵塞的物质时，在阻火器进、出口安装压力表，监控阻火器的压力；(3) 工艺物料含有水汽或者其他凝固点高于0℃的蒸汽(如醋酸蒸汽等)，有可能发生冻结的情况，阻火器设置防冻或者解冻措施，如电伴热、蒸汽盘管或者夹套和定期蒸汽吹扫等，对于水封型阻火器，可以采用连续流动水或者加防冻剂的方法防冻；(4) 阻火器不得靠近炉子和加热设备，除非阻火元件温度升高不会影响其阻火性能；
(5) 单向阻火器安装时，阻火侧朝向潜在点火源。

      此外，阻火器安装时要查看制造商提供的使用说明书，遵照说明书介质流向和安装方向的限制要求。一般情况是，稳定燃烧的阻火器要避免介质垂直向下流动，且潜在点火源位于阻火层下方的情况。

      总之，安装位置不对，阻火器就起不到安全设施的作用；安装方向不对，将会失去阻爆轰的作用。