阻火器阻火性能及通氣量測試及分析

劉寧寧* 劉利利 張 雪

（1.徐州八方安全設(shè)備有限公司 2.中國礦業(yè)大學(xué)）

0 引言

隨著工業(yè)快速發(fā)展，可燃性介質(zhì)在生產(chǎn)、運輸和存放過程中因意外泄漏或其他原因?qū)е碌娜紵ㄊ鹿室仓鹉暝龆啵虼?，抑制管道?nèi)火焰蔓延的安全裝置已成為安全技術(shù)領(lǐng)域的一項重要課題。

阻火器是一種允許氣體通過但可以阻止外部火焰進入存有易燃易爆介質(zhì)的設(shè)備和管道，或阻止火焰在設(shè)備和管道之間蔓延的安全裝置[1]。近年來，阻火器在石油、化工、天然氣等行業(yè)被廣泛使用，保證阻火器的阻火、抗爆性能，降低管道壓力損失，提高阻火器的可靠性對生產(chǎn)安全具有重要的意義[2-3]。

根據(jù)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，阻火器的性能試驗內(nèi)容包括阻火性能（包括阻爆燃和阻爆轟）、耐燒性能、壓力損失及通氣量等。其相關(guān)檢測技術(shù)在工業(yè)較發(fā)達的國家已建立了相對完整的理論體系和技術(shù)規(guī)范。近年來，國內(nèi)研究者在自主研發(fā)方面也取得了較大的進展，但在阻爆轟性能試驗、壓力損失及通氣量試驗方面的研究還不完整、不全面[4]，尤其是在壓力損失及通氣量性能方面的研究，國內(nèi)目前還沒有相關(guān)的理論體系。本文針對這一問題，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO16852，結(jié)合目前的實際情況自主研發(fā)出適用于管道阻火器的阻火性能、管端阻火器壓降-通氣量的試驗系統(tǒng)，測試阻火器的阻火性能與壓降-通氣量關(guān)系，為阻火器的設(shè)計選型提供試驗依據(jù)。

1 測試系統(tǒng)

結(jié)合計算機數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，研制出了一套集電控點火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理的測試系統(tǒng)，通過對火焰速度、壓力、通氣量等參數(shù)進行采集、記錄與分析，得到阻火器的相關(guān)性能參數(shù)，從而判斷阻火器的各項性能參數(shù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并能夠根據(jù)用戶的實際使用工況迅速確定阻火器的類型及結(jié)構(gòu)尺寸。

1.1 阻火性能測試

1.1.1 系統(tǒng)研制

阻火器的阻火原理共兩點：一是傳熱作用，二是器壁效應(yīng)。阻火器的主要部件是能夠通過氣體且具有許多細(xì)小通道或縫隙的固體材質(zhì)組成的阻火元件。當(dāng)火焰經(jīng)過阻火元件時，被阻火元件分成許多細(xì)小的火焰流，由于傳熱作用和器壁效應(yīng)，火焰流能量被降低從而熄滅。而阻火元件的孔隙大小是決定火焰是否能被熄滅的一個重要因素，國際上將在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下（大氣壓0.1 MPa，20 ℃），剛好使火焰不能通過的狹縫寬度定義為最大試驗安全間隙（MESG）。

ISO16852 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于爆燃和爆轟試驗混合物的MESG 值、氣體類型等要求，如表1 所示。本文通過氣體分析儀檢測管道中混合氣體的氣體體積比，確保滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 用于爆燃和爆轟試驗的氣體-空氣混合物標(biāo)準(zhǔn)

阻火器阻火性能測試系統(tǒng)主要由配氣系統(tǒng)、電火花點火裝置、管道系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、信號采集卡、高速攝像機、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、配電及安全系統(tǒng)及附件組成，如圖1 所示。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，點火源與阻火器之間的安裝距離Lu需足以產(chǎn)生穩(wěn)定的爆轟，也可以在未受保護側(cè)增加擾動裝置，增大火焰加速度。受保護側(cè)管道長度Lp為10D（D為管道直徑），且不小于3 m，并在管端安裝盲法蘭。在未受保護側(cè)安裝有4 支火焰?zhèn)鞲衅骱? 支壓力傳感器用于檢測火焰速度和壓力，在保護側(cè)安裝有1 支火焰?zhèn)鞲衅饔糜谂袛嘧杌鹪囼炇欠癯晒Α?/p>

圖1 阻火器阻火性能測試裝置

可視化界面可通過LabVIEW 軟件來實現(xiàn)，借助LabVIEW 圖形化編程環(huán)境完成連接測量、控制硬件、分析數(shù)據(jù)、顯示測試結(jié)果、數(shù)據(jù)存儲與回放等功能。

1.1.2 測試結(jié)果分析間隔。圖2 e）所示為阻火器后端（受保護側(cè)）的火焰?zhèn)鞲衅餍盘?，圖中顯示僅存在點火后的干擾信號，說明此處無火焰通過，阻火器阻火成功。圖3 所示為阻火器前端（未受保護側(cè)）的壓力傳感器信號，圖3中為未濾波信號（防止瞬時有效數(shù)據(jù)丟失），根據(jù)最大電壓幅值以及電壓值范圍（0～5 V，2 MPa）即可計算出火焰通過傳感器時的最大壓力值。

圖2 火焰?zhèn)鞲衅餍盘?/p>

圖3 壓力傳感器6信號

1.2 壓力損失與通氣量測試

1.2.1 系統(tǒng)研制

阻火元件是細(xì)小致密的結(jié)構(gòu)，當(dāng)介質(zhì)通過時會產(chǎn)生一定的壓力損失。壓力損失值與阻火器的結(jié)構(gòu)、尺寸、阻火元件孔隙的尺寸、阻火元件的層數(shù)等有著密切的關(guān)系。如果壓力損失較大，而通氣量很小甚至低于生產(chǎn)工藝要求，將會對生產(chǎn)造成一定的影響，甚至可能會造成設(shè)備的損壞（通氣量過小會使設(shè)備產(chǎn)生負(fù)壓而導(dǎo)致設(shè)備遭受真空破壞）。因此，除了阻火性能測試，還需進行壓力損失-通氣量測試，得到測試條件下的壓降-流量關(guān)系，分析出在標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓降-流量關(guān)系，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13347—2010《石油氣體管道阻火器》計算出阻力系數(shù)，得到不同型號、尺寸、爆炸組別的阻火器的壓降-流量曲線圖，為確定阻火器的結(jié)構(gòu)、尺寸提供依據(jù)。

壓力損失與通氣量試驗系統(tǒng)由供風(fēng)源（風(fēng)機）、連接管道、耐壓儲罐（用于管端阻火器）、被測阻火器、流量計、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等組成。風(fēng)機用于提供風(fēng)源，阻火器前端安裝1 個流量計，儲罐上安裝1 個壓力傳感器，分別用來檢測流量和壓力，如圖4 所示。

圖4 管端阻火器壓力損失與通氣量測試系統(tǒng)

1.2.2 測試結(jié)果分析

本文采用管端阻火器進行壓力損失與通氣量測試，試驗參數(shù)如表2 所示。

表2 阻火器試驗參數(shù)表

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，將大氣條件轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（大氣壓為101.3 kPa，溫度為0 ℃），通過MATLAB 軟件進行數(shù)據(jù)處理，得到如圖5 所示的流量-壓降曲線圖，由于阻火器的壓力損失與阻火元件的孔隙尺寸、阻火元件的厚度、阻火器的結(jié)構(gòu)等有關(guān)，爆炸組別ⅡB3 的阻火器阻火元件的孔隙小于爆炸組別ⅡA的阻火器，當(dāng)阻火器的尺寸、結(jié)構(gòu)、流量不變時，前者的壓力損失大于后者；對于爆炸組別相同的阻火器，當(dāng)阻火器的結(jié)構(gòu)、壓降不變時，尺寸增大，流量也隨之增大。但也存在不同情況，當(dāng)阻火元件的厚度、阻火器的結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變時，其尺寸增大，壓力損失也可能增大，流量反而減小，這與使用工況和結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)實際使用工況即可確定阻火器的類型、結(jié)構(gòu)、尺寸等參數(shù)。例如阻火器爆炸組別為ⅡA，所需流量為600 Nm3/h，最大允許壓降為600 Pa，查曲線圖可知DN250 mm 的管道滿足要求，從而初步確定阻火器的尺寸。

圖5 流量-壓降試驗曲線

2 結(jié)論

本文提出了阻火器性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)自研制成功之后，進行了多次阻火器性能試驗，保證了試驗場地和試驗人員的安全，確保阻火器阻火性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。壓力損失與通氣量試驗系統(tǒng)不僅可用于阻火器的通氣量試驗，而且可用于呼吸閥、阻火呼吸閥等安全泄壓裝置的通氣量試驗，應(yīng)用范圍更廣泛，為產(chǎn)品的研發(fā)測試及性能分析提供了有力的判定依據(jù)。但是該系統(tǒng)仍然存在一些需要改進的地方，對試驗系統(tǒng)不斷改進、不斷完善，得到更穩(wěn)定、更可靠性的在線測試系統(tǒng)是今后需要繼續(xù)努力的方向。