阻火器|原理、分類及選型
阻火器是一種用來阻止易燃?xì)怏w和易燃液體蒸汽的火焰蔓延的安全裝置，它允許氣體通過而阻止火焰通過。最初被應(yīng)用在石油工業(yè)中，以后又廣泛應(yīng)用于礦山、煤礦、水運(yùn)及化學(xué)工業(yè)中。阻火器主要由殼體和濾芯兩部分組成，其中濾芯是阻止火焰?zhèn)鞑サ闹饕獦?gòu)件，按濾芯不同可分為充填型阻火器、板型阻火器、金屬網(wǎng)阻火器、波紋型阻火器及液封型阻火器等。以常見的波紋型阻火器為例，其濾芯是用薄不銹鋼波紋帶與平帶共同卷制成盤狀（圖1）,它的阻火能力僅僅取決于濾芯上由波紋形成的三角形截面孔的大小和濾芯的厚度。當(dāng)火焰通過濾芯時將被這些三角形截面孔切分成若干細(xì)小的火焰，擴(kuò)大了火焰與通道壁的接觸面積,強(qiáng)化了傳熱,使得火焰溫度降到著火點以下,從而阻止火焰蔓延。另外由于器壁效應(yīng)，當(dāng)燃燒的可燃?xì)馔ㄟ^阻火元件的狹窄通道時，自由基與通道壁的碰撞幾率增大,參加反應(yīng)的自由基減少。當(dāng)阻火器的通道窄到一定程度時，自由基與通道壁的碰撞占主導(dǎo)地位,由于自由基數(shù)量急劇減少,從而扼制火焰向未燃?xì)怏w傳播。
圖1 波紋型阻火器
NFPA 69 《防爆系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》中針對阻火器的安裝位置、燃燒類型對阻火器進(jìn)行了詳細(xì)劃分(圖2) 在一定的條件下，合適的阻火器能起到有效阻止火焰?zhèn)鞑サ淖饔?，但是，每種阻火器都有其特定的工作范圍，超出其工作范圍,就無法保證阻火效果，因此需要對阻火器進(jìn)行選型。選型中首先需要確定阻火器的使用位置、介質(zhì)類型(爆炸級別)以及操作工況(壓力、溫度)等三項基本因素。然后根據(jù)阻火器的使用場所進(jìn)行管道/管端阻火器的劃分，根據(jù)安裝位置、介質(zhì)類型和操作工況確定燃燒工況，完成阻火器初步選型。在初步選型確認(rèn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)其他參數(shù)，諸如阻火器連接方式、阻火器通氣量、阻火器最大允許壓降、阻火器殼體/阻火芯材質(zhì)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、同心/偏心設(shè)計以及是否需要伴熱夾套等具體要求，最終完成阻火器選用。在以上阻火器選用涉及的參數(shù)中,工況簡單的可以根據(jù)工藝直接確定，而實際工程設(shè)計中工況都比較復(fù)雜,介質(zhì)通常為氣體混合物,燃燒工況也復(fù)雜多樣,因此,阻火器的選用需要慎重考慮。這里僅介紹兩種影響因素： 1.介質(zhì)類型：GB 50058《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》第3.4.1中規(guī)定:爆炸性氣體混合物應(yīng)按其最大試驗安全間隙(MESG)或最小點燃電流比(MICR)分級。通常，阻火器選用過程中對介質(zhì)類型的確定一般按照介質(zhì)MESG值來劃分。根據(jù)GB 3836.11《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備第11部分:由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗條件下，空腔內(nèi)所有濃度的被試驗氣體或蒸汽與空氣的混合物點燃后，通過25mm長的火焰通路均不能點燃外部爆炸性混合物的內(nèi)空腔兩部分之間的最大間隙。不同的氣體介質(zhì)有不同的MESG值，EN ISO16852《阻火器性能要求、測試方法和使用限制》將爆炸性氣體混合物按其MESG值劃分為ⅡA1、IA、IB1、IB2、IB3、ⅡB、ⅡC等7個爆炸等級1，見表1。 不同爆炸級別的介質(zhì)危險程度不同,對應(yīng)的阻火器產(chǎn)品也不同。氣體介質(zhì)的MESG值越小,相應(yīng)阻火器的使用工況越嚴(yán)苛,阻火器設(shè)計難度和成本越高。因此,在阻火器選型之前,確認(rèn)氣體介質(zhì)的MESG值尤為重要。 2.燃燒工況：在管道足夠長且燃燒足夠快的條件下，火焰會依次經(jīng)歷爆燃、不穩(wěn)定爆轟、穩(wěn)定爆轟等幾個燃燒階段(圖3)。低壓爆燃階段，速度一般可達(dá)到112m/s，壓力為0.1MPa;中壓爆燃階段，速度一般可達(dá)到20Om/s，壓力為0.4MPa;高壓爆燃階段，速度一般可達(dá)到30Om/s，壓力為2MPa;爆轟階段，速度一般可達(dá)到1900m/s,壓力為3.5MPa;過度爆轟階段,速度一般可達(dá)到2300m/s,壓力為21MPa;穩(wěn)定爆轟階段,速度一般可達(dá)到1830m/s，壓力為35MPa。這是由于燃燒過程中產(chǎn)生“壓升”現(xiàn)象，當(dāng)點燃充滿可燃?xì)怏w的水平管道的一端時，火焰首先傳向管壁，然后迅速向還未引燃的氣體傳播，燃燒產(chǎn)生的熱量使得燃燒氣體迅速膨脹，氣體膨脹又導(dǎo)致可燃?xì)怏w前端被壓縮，因而產(chǎn)生“壓升”?；鹧媲岸藲怏w被壓縮，密度增加，燃燒傳播速度加快，燃燒時產(chǎn)生的熱量增多，導(dǎo)致可燃?xì)怏w前端更劇烈地“壓升”。通常，如果阻火器距火源較遠(yuǎn)，那么火焰爆燃可能就會轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z火焰前端壓力增加會導(dǎo)致管道內(nèi)的危險系數(shù)大大增加，同時對阻火器的阻火和耐壓能力要求也更為嚴(yán)苛。若選用了錯誤的阻火器，將會成為安全生產(chǎn)的重大隱患,因此，必須嚴(yán)格根據(jù)燃燒工況選擇阻爆燃型或阻爆轟型的阻火器。不過在實際工程應(yīng)用中,由于混合介質(zhì)較為復(fù)雜,管道情況和火焰點位置都難以確定,無法對不同條件下的阻火器選型作出明確的規(guī)定,通常需通過運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和積累的工程經(jīng)驗進(jìn)行具體分析。 圖3 火焰燃燒過程示意 另外需要注意的是，由于管道中的彎頭對火焰?zhèn)鞑鸺铀僮饔?，因此，在阻火器的選型過程中要充分考慮這一因素。當(dāng)彎頭數(shù)量超過1個時,燃燒工況就變得較為復(fù)雜，需要模擬管線的真實情況，通過試驗來確定。若無試驗條件，為安全起見，一般要求選用爆轟型阻火器。因此，在工藝允許的條件下,應(yīng)盡量減少火源與阻火器之間的彎頭數(shù)量。
