阻火器性能測試試驗系統(tǒng)的研制

孫少辰，劉剛，畢明樹，張志毅

（1大連理工大學化工機械學院，遼寧 大連 116024；2沈陽特種設備檢測研究院，遼寧 沈陽 110035）

阻火器是用來阻止易燃氣體、液體的火焰蔓延和防止回火而引起爆炸的安全裝置，通常安裝在輸送或排放易燃易爆氣體的儲罐和管線上。阻火器的作用就是試圖在火焰發(fā)生發(fā)展的初期就能抑制火焰的傳播，或者即使發(fā)生爆轟，利用阻火器也能使爆轟得到有效抑制。早在1928年阻火器已被應用于石油工業(yè)，以后隨著工業(yè)發(fā)展又廣泛用于化學工業(yè)、煤礦、水運、采油、鐵路運輸、煤氣輸送管網及油氣回收系統(tǒng)等。目前國外一些工業(yè)發(fā)達國家為了燃氣設備和人員的絕對安全，都生產和使用各類工業(yè)和民用阻火器[1]。

阻火器的相關檢測技術在國際上屬于壟斷技術和不斷發(fā)展的技術領域，工業(yè)發(fā)達國家已建立了相對完整的理論體系和技術規(guī)范[2-7]。國內跟蹤該技術領域已達三十多年，近年在自主研發(fā)方面取得了很大進展[8-10]，但在基礎問題和跟蹤國際領先技術的研究方面進行的不完整、不全面，亦使得阻爆技術在國內的普及率很低。因此進行阻火器相關測試技術的基礎問題和關鍵技術問題的研究是推進管線安全保障的當務之急?；诖?，本文作者進行了阻火器型式試驗裝置的研制工作。阻火器型式試驗所需的試驗裝置屬非標準設備，需要自行設計或制作，而阻火器性能測試試驗系統(tǒng)就是其中之一。

1 系統(tǒng)研制

根據(jù)國內阻火器檢測標準，阻火器主要的性能測試包括：阻火器的阻爆（爆燃、爆轟）性能測試、耐燒性、強度（耐壓）等技術指標的測試。其中，阻爆燃、阻爆轟、耐燒試驗則是其關鍵技術要求，而且在試驗中需要按要求使用精確配比的爆炸限內可燃氣體與空氣的混合氣體。本文作者查閱了國內、外的相關資料，均無可以達到試驗要求的阻火器性能試驗裝置的研究報道。本測試系統(tǒng)主要要求阻火試驗火焰的氣源裝置實現(xiàn)誤差精度要求最高0.1%的靜態(tài)配氣、流量不低于1m3/min，誤差精度要求0.2%動態(tài)配氣；在阻火性能的系統(tǒng)測試中，系統(tǒng)可以對爆炸產生的火焰進行溫度、速度、壓力的實時采集處理。

1.1 試驗管路設計

按照國內標準要求，對于阻爆燃試驗，其管道應與阻火器連接且直徑為D。對于碳氫化合物-空氣的混合物（ⅡA1、ⅡA、ⅡB1、ⅡB2和ⅡB3），管道長度L1應不小于10D且不超過50D，管道長度L2值為50D；對于氫氣-空氣的混合物（ⅡB和ⅡC），L1應不小于10D且不超過30D，L2值為30D；阻爆轟試驗管道L1的長度應足夠形成穩(wěn)定爆轟，管道L2長度為10D，且不少于3m。管道連接方式如圖1所示，且試驗管路要具有一定的承壓能力，管壁厚度根據(jù)壓力容器標準GB150—2011進行設計。以往試驗表明，標定壓力約為1MPa的管路在發(fā)生爆燃向爆轟轉變的部位很容易發(fā)生破裂，但其能承受穩(wěn)態(tài)爆轟壓力而不發(fā)生破壞，這是由于瞬態(tài)超壓的持續(xù)作用時間很短，因此端口留有泄放端，以便及時泄放壓力。另外管線一般為幾十倍管道直徑的長度，考慮到加工、安裝，尤其是火焰速度調節(jié)方面的原因，采用分段連接，每段完成不同的功能。

1.2 溫度測試裝置設計

阻火試驗和耐燒試驗過程中的溫度測試是本系統(tǒng)的一個重點，本研究采用熱電偶溫度傳感器進行測量，熱電偶通常較硬，不宜過長且不易收放。為測量阻火單元的溫度，需要探頭與阻火單元固定距離。根據(jù)標準的要求，對于阻爆燃和阻爆轟測試不需要進行火焰的溫度測量。但出于研究的目的，在阻火器保護端壓力傳感器的位置預留了一個溫度傳感器的端口，通過溫度傳感器可以準確地測量爆燃或爆轟過程中管線內火焰?zhèn)鞑r的溫度變化情況。耐燒測試則是通過保護側溫度傳感器的測量值評定火焰燃燒是否達到穩(wěn)定燃燒的階段。

1.3 火焰速度測試裝置設計

在阻火器性能測試系統(tǒng)中，對于點火是否成功及阻火器是否能成功阻火都需要用火焰探測器即光敏元件進行檢測，判斷有無火焰?zhèn)鞑ァＳ捎诠艿纼然旌蠚怏w的燃燒狀態(tài)很難確定，可能伴有煙氣，因此本裝置采用對可見光不敏感紫外光感應傳感器。按照標準要求，在管道上的不同測試點安裝光傳感器探頭，這樣火焰依次通過各測試點的時間便可以記錄下來，由此可以計算火焰到達阻火器測試點時 的即時速度。

圖1 阻火器阻火試驗管路

1.4 配氣裝置設計

無論是阻爆燃、阻爆轟試驗還是耐燒試驗都規(guī)定了測試要求的混合氣體。根據(jù)國內標準要求，配氣裝置的氣體種類和要求如表1所示。進行配氣時，操作人員可將各種組分氣體參數(shù)輸入到操作臺中，以便隨時調用。配氣工作時，控制系統(tǒng)能隨時監(jiān)視運行情況，并能及時作出反應。在運行過程，配氣裝置的顯示界面能將配氣工作情況實時顯示給操作人員。本系統(tǒng)配氣方法可分為重量法、分壓法和控制流量法。

（1）重量法 重量法是根據(jù)分子量和所要配置 的濃度計算物質的量，然后稱量組分氣體和稀釋氣體的質量，定量配置混合氣體的方法，組分氣體濃度計算公式為式（1）。

式中，Xi為組分氣體濃度，%；mi為充入管路的組分氣體i的質量，g；Mi為充入管路的該組分氣體i的摩爾質量，g/mol；n為充入管路的各組分氣體總的物質的量，mol。

（2）分壓法 分壓法是根據(jù)所要配制的混合氣 的濃度計算出需要往管路中充入組分氣后管路內的壓力值，通過控制這一壓力值來達到配制所需濃度的混合氣體的目的，其組分氣體濃度計算公式為 式（2）。

式中，Xi為組分氣體濃度，%；Pi為組分氣體i的分壓值；Pj為組分氣體j的分壓值。

（3）控制流量法 控制流量法是通過流量控制 計改變充入管路內各組分氣體的流量，實現(xiàn)各組分氣體的混合配比。并設置混合器用于動態(tài)試驗氣體的均勻混合，各組分氣體混合均勻后再充入被測 管路。

不論是重量法、分壓法和控制流量法都采用氣體分析儀測量配氣后的濃度配比，保證其精度。本配氣系統(tǒng)可實現(xiàn)靜態(tài)、動態(tài)混合配氣的要求，實現(xiàn)靜態(tài)配氣的最高誤差精度要求為0.1%、流量不低于1m3/min，最高誤差要求為0.2%的動態(tài)配氣。目前的配氣系統(tǒng)由沈陽特種設備檢測研究院研制，采用匯氣排的形式充入系統(tǒng)中，匯氣排設計壓力為15MPa、4瓶位，并配有8套（乙炔/氫氣各4套）轉換接頭，可進行不同原料氣的切換，系統(tǒng)中還包括安全泄壓裝置、壓力表。匯氣排經軟管與置于戶外的鋼瓶和放空管道相連接。通過設置氮氣置換、放空及真空系統(tǒng)可對實驗管路進行氮氣置換、氮氣保護及真空保護，增加系統(tǒng)的安全性。

表1 爆燃、爆轟測試混合氣體要求

1.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

在阻爆燃、阻爆轟試驗和耐燒試驗中，需要對火焰的速度、壓力、溫度變化進行實時采集。由于火焰?zhèn)鞑サ乃俣群芸?，所以對傳感器部分和采集板卡的要求很高。本系統(tǒng)基于NI高性能的PXI Express平臺，配合以高精度、具有隔離性能的數(shù)據(jù)采集板卡，可以實現(xiàn)對壓力、溫度、應變、電壓、電流等信號的準確采集，同時保證了系統(tǒng)的安全性。借助NI LabVIEW圖形化編程環(huán)境完成連接測量與控制硬件、分析數(shù)據(jù)、顯示結果及數(shù)據(jù)存儲，從而構建適合測試測量的系統(tǒng)。同時，考慮到試驗現(xiàn)場的安全，系統(tǒng)控制器采用遠程控制器。借助遠程控制器，可以實現(xiàn)PC對PXI Express測量系統(tǒng)的控制，二者之間通過光纖連接，延展后最長可達100m，實現(xiàn)PXI Express測量硬件與PC的電隔離。

傳感器部分主要包括：壓力傳感器、溫度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?。由于需要很快的反應速度，因此壓力傳感器和火焰速度傳感器都采用電壓信號，其中壓力傳感器?～5V，火焰?zhèn)鞲衅鳛?～12V。溫度傳感器采用4～20mA的電流信號。

如果試驗過程中有諸如信號類型變化、顯示圖表變化、存儲類型位置等變化，需要打開對應的程序框圖，如圖2所示。框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。

2 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)包括配氣系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、流量測試系統(tǒng)及附件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于PXI 架構進行設計，包括數(shù)據(jù)采集終端、系統(tǒng)軟件和應用軟件等，可實現(xiàn)對壓力、溫度、火焰信號的準確采集、處理，具有操作方便、界面簡單、數(shù)據(jù)信號有效度高的特點。傳感器子系統(tǒng)包括壓力傳感器、溫度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅??；炫錃庀到y(tǒng)可以自動調節(jié)控制混合氣體濃度、壓力，該裝置可以實現(xiàn)混氣濃度的自校準功能，具有配氣精度高、速度快的特點。流量測試系統(tǒng)由氣源、儲氣罐、氣體流量計和U形壓力計組成。軟件系統(tǒng)包括開發(fā)平臺Lab VIEW 2011和模塊驅動程序以及應用軟件等。

2.1 配氣系統(tǒng)

系統(tǒng)由4瓶位瓶裝氣體匯氣排、控制柜及儀表箱、真空及置換系統(tǒng)、動態(tài)混配氣輸出管線、靜態(tài)混配氣輸出管線組成，配氣裝置連接如圖3所示。

經過計算，采取4瓶位瓶裝氣體匯氣排形式供應可燃氣（原料氣），不但可滿足靜態(tài)配氣氣量的需要，亦可滿足動態(tài)試驗氣量需要。真空、置換系統(tǒng)可實現(xiàn)配氣系統(tǒng)管道內部的真空及置換，以避免不相關氣體的混入，從而保證混和氣精度不受影響。控制系統(tǒng)采用質量流量控制計和精密壓力傳感器兩種方式監(jiān)控。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結構

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結構包括：主控計算機，數(shù)據(jù)采集機箱，中央處理器，電壓數(shù)據(jù)采集板卡，溫度數(shù)據(jù)板卡。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結構

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件結構如圖4所示。阻火器性能測試試驗系統(tǒng)的軟件各個模塊功能根據(jù)試驗需求具有不同處理層次。在圖4中，給出了各個模塊的具體功能。

圖2 LabVIEW圖形編程語言程序

圖3 配氣裝置連接

圖4 試驗裝置軟件功能結構

2.4 程序流程

在阻火試驗中，系統(tǒng)軟件對傳感器數(shù)據(jù)進行采集、實時顯示，并記錄、處理試驗數(shù)據(jù)。首先進入系統(tǒng)初始化程序，以確定系統(tǒng)板卡工作正常，初始化流程如圖5所示。

在初始化流程結束后，進入程序的靜態(tài)流程和動態(tài)流程。靜態(tài)流程是確定數(shù)據(jù)采集任務、路徑以及文件頭地址等信息；動態(tài)流程是采集傳感器數(shù)據(jù)，按路徑存到指定文件中，并可以對數(shù)據(jù)進行處理分析。具體過程如圖6和圖7所示。

圖5 系統(tǒng)初始化流程

3 系統(tǒng)測試結果

依據(jù)TSG 7002—2006《壓力管道元件型式試驗規(guī)則》、GB/T 13347—2010《石油氣體管道阻火器》標準對阻火器性能測試試驗系統(tǒng)進行了測試。試驗樣品采用DN150mm的管道阻火器，試驗氣體采用體積濃度為4.2%、2.1%的丙烷/空氣混合物，分別進行阻爆測試、耐燒測試。

測試內容包括系統(tǒng)的配氣功能、火焰速度、管內壓力及溫度測量、數(shù)據(jù)采集處理等特性，測試結果如表2所示。

圖6 靜態(tài)流程

圖7 動態(tài)流程

圖8 火焰測速傳感器信號

圖9 火焰?zhèn)鞑ミ^程中壓力信號

其中，阻爆試驗數(shù)據(jù)采集結果如圖8、圖9所示。圖8為火焰?zhèn)鞲衅餍盘?，圖9為壓力傳感器信號?；鹧?zhèn)鞲衅?信號如圖8(a)所示，無火焰時信 號為均值為3V的電壓信號，有火焰通過時信號為均值為0V的電壓信號?；鹧?zhèn)鞲衅?同樣也是如此，如圖8(b)。因此，這樣計算3V到0V的下降沿時間間距，就可以計算出火焰通過兩傳感器的 速度。

當無火焰?zhèn)鞑ミ^去時，圖表中僅有點火時的干擾信號，如圖8(c)所示。曲線說明傳感器位置無火焰通過。

在耐燒試驗中，受保護側與未受保護側都安裝溫度傳感器，用來檢測耐燒試驗過程中阻火單元的耐燒性能。對于一般的管道阻火器，如果火焰直接接觸到阻火單元，那么幾分鐘的時間內就會發(fā)生回火，圖10為丙烷/空氣混合氣體下管道阻火器的耐燒溫度曲線，可以看到當阻火單元兩側的溫度相同 時阻火器失效。

圖10 丙烷-空氣混合氣體耐燒試驗溫度曲線

表2 阻火器性能測試結果

4 主要關鍵技術問題

（1）設計滿足阻火性能測試需求的高精度混氣裝置 混合氣自動配氣裝置由計算機，電氣控制部分，氣體濃度分析儀及配套閥門和管路組成。氣源經減壓器和穩(wěn)壓器粗調再經各調節(jié)閥控制，進入混合器。計算機根據(jù)所要配混合氣各組成氣體的濃度比及各氣源氣體濃度，確定電氣控制參數(shù)，向執(zhí)行閥門發(fā)送控制信號，利用閥門的動作，控制各組成氣體進行混合的流量。計算機實時監(jiān)控配氣過程并記錄過程數(shù)據(jù)?？刂瞥绦蚋鶕?jù)濃度差異，調節(jié)電磁調節(jié)閥開度，變動其通流面積，經反饋控制進行連續(xù)配氣。

（2）建立阻火器性能測試模型 參照國內外阻火器性能測試的相關標準，選擇與阻火器管徑配套的管道連接。根據(jù)不同性能的檢測要求，通過理論計算與試驗相結合的方法選定阻火器阻火單元前后的管道長度。在適當檢測位置安裝不同類型的傳感器，完成一定混合氣體流量下耐燒、回火、阻爆燃、阻爆轟、強度等性能測試的試驗過程。

（3）檢測阻火單元前后混合氣體點火狀態(tài)，實時采集、記錄處理阻火性能試驗數(shù)據(jù) 阻火器阻火單元前后安裝有火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器和壓力傳感器。阻火單元附近的可燃氣體是否燃燒或燃燒充分，可以根據(jù)這3組傳感器數(shù)據(jù)綜合判斷。火焰及爆炸波的傳播速度和爆炸沖擊波壓力測試是一個典型的瞬態(tài)信號測試過程。測試系統(tǒng)由傳感器、放大器、連接電纜及數(shù)據(jù)記錄設備組成。

5 結 論

阻火器性能測試試驗系統(tǒng)自2011年開始研制以來，完成了多次阻爆測試和耐燒測試，試驗效果達到國家有關標準要求。建立阻火器完整的性能測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)阻火器阻爆燃、阻爆轟試驗和耐燒試驗等試驗過程控制和記錄，并可保證試驗過程和試驗人員的安全。該項檢測系統(tǒng)的研發(fā)及應用將完善國內對阻火器性能進行完整檢測的現(xiàn)有技術，形成一套具有自主知識產權的阻火器性能測試系統(tǒng)。

該系統(tǒng)既可以滿足國內產品的檢測需要，也對進口產品的安全使用提供可靠的檢測評價服務，滿足中國作為世界貿易組織（WTO）成員國對進口產品實現(xiàn)國民待遇的要求。符合《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006—2020年）中關于發(fā)展公共安全事業(yè)和開發(fā)工業(yè)運輸設施安全關鍵技術研究的要求，完善了公共檢測服務平臺的建設。

[1] 孫少辰，畢明樹，劉剛，等. 阻火器性能測試方法試驗性研究[J]. 化工學報，2014，65（s1）：441-450.

[2] Grossel Stanley S. Deflagration and detonation flame arresters[M]. New York：Process Safety and Design Inc.，2002：5-14.

[3] Bauer P. Experimental investigation on flame and detonation quenching：Applicability of static flame arresters[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2005，2（18）：63-68.

[4] Palmer K N，Rogowski Z W. The use of flame arresters for protection of enclosed equipment in propane–air atmospheres[J].IChemESymposium Series，1968，25：76-85.

[5] Palmer K N，Tonkin P S. The quenching of propane-air explosion by crimped-ribbon flame arresters. In：Second symposium on chemical process hazards[J].IChemE Symposium Series，1963，15： 16-20.

[6] Howard W B. Flame arresters and flashback preventers[J].Plant/Operations Progress，1983，1（4）：203-208.

[7] Roussakis N，Lapp L. A comprehensive test method for inline flame[J].Plant/Operations Progress，1991，10（2）：85-92.

[8] 喻建良. 預混火焰在微小通道中傳播和淬熄的研究[D]. 大連：大連理工大學，2008.

[9] 胡春明. 預混火焰在平板狹縫中傳播與淬熄的研究[D]. 大連：大連理工大學，2006.

[10] 王雪萊. 阻火器標準型式試驗測試系統(tǒng)研制[D]. 大連：大連理工大學，2008.