阻隔防爆技術及檢驗要求*

柯研，王新華，梁峻，湯鵬

(廣州特種機電設備檢測研究院，廣東廣州510760)

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阻隔防爆技術及檢驗要求*

柯研，王新華，梁峻，湯鵬

(廣州特種機電設備檢測研究院，廣東廣州510760)

分析了阻隔防爆技術的兩個重要機理-“冷壁作用”和“器壁效應”，介紹了阻隔防爆技術在國內外的發展狀況與研究成果；阻隔防爆技術有關規范以及實驗室測試與現場安全檢驗的項目、方法與合格標準，預測了阻隔防爆技術未來的發展趨勢。

阻隔防爆技術； 阻隔防爆材料； 阻燃抑爆； 安全檢驗

0　引言

阻隔防爆技術是一種實現了本質安全不爆炸(HAN, Hypostasis Anchor-hold No-explosion)的技術，被各國大力推廣應用于危險化學品，特別是燃油的存儲與運輸過程[1]。阻隔防爆技術其實就是在存儲危險化學品的容器內按照一定規范填充金屬類、非金屬類或復合類阻隔防爆材料。所謂阻隔防爆材料，是一種多孔、輕質、耐腐蝕、網狀或球狀的特殊材料。常見的金屬類阻隔防爆材料有：鋁合金、鈦合金和銅合金，非金屬類有聚氨酯、陶瓷和涂復等。阻隔防爆安全檢驗是一種能有效確認阻隔防爆材料與安裝是否滿足安全的有效途徑。

1　阻隔防爆機理

關于阻隔防爆技術為何能實現本質安全，雖暫無定論，但研究結果普遍指向阻隔防爆材料所獨有的多孔結構。按孔洞結構不同，可將阻隔防爆材料分為兩種：(1)孔洞平面聚集的二維“蜂窩”結構；(2)孔洞空間聚集的三維“泡沫”結構[1]。阻隔防爆材料首先將通過的火焰分散至各個孔洞，削弱其燃爆能力。然后利用自身較大的比表面積，發揮“冷壁作用”和“器壁效應”，熄滅火焰流。

1.1冷壁作用與器壁效應

冷壁作用屬物理反應，材料因溫度遠低于火焰而大量吸收其熱能。器壁效應則屬于化學反應，過程是材料捕捉火焰中的自由基。物質在發生化學反應時，首先活性分子會產生十分活潑而壽命短促的自由基，自由基與其它分子碰撞結合生成新的物質與新的自由基。當新自由基的數量呈增長態勢，燃燒爆炸現象持續進行，反之則受到抑制。火焰經過阻隔防爆材料的過程，是一個自由基不斷減少的過程。

1.2阻隔防爆與波紋型阻火器的異同

阻隔防爆與波紋型阻火器同屬廣義阻火器，都是一種利用自身孔隙阻止燃燒與爆炸發生或限制燃爆后繼傳播的安全裝置。兩者不同之處，首先在于，阻隔防爆材料充填在有其它用途的容器或管道內部，而波紋型阻火器擁有專用的外殼，安裝在容器外部或管道連接處。此外，阻隔防爆材料的通道長度與間隙無法確定[2]，而波紋型阻火器的通道長度與間隙可確定。因此，前者不能像后者那樣依據最大試驗安全間隙(MESG)進行設計與性能檢驗。

2　阻隔防爆技術的應用與研究

2.1阻隔防爆應用領域

國外阻隔防爆技術最主要的應用領域是軍工行業，采取的方式是往燃料箱內充裝不同性質的阻隔防爆材料。從最早的軍用直升飛機，擴展至坦克和船舶，后來又發展到部分敏感地區的警用車輛。

國內的阻隔防爆技術主要采用網狀鋁合金(expanded aluminum, EA)作為材料，應用領域集中在民用行業，如埋地儲罐、液化石油氣罐車和撬裝式加油站。埋地儲罐多為因歷史遺留問題無法滿足新標準中安全距離要求的加油站舊罐。舊罐改造的阻隔防爆材料填充在罐體內部直接與燃料接觸，與國外僅將材料填充于罐內人孔、不與燃料接觸有所不同[3]。撬裝式加油站是一種整體可移動的加油系統，其罐體安裝在地面之上。為降低其爆炸危險性，在罐內填充阻隔防爆材料。

2.2阻隔防爆技術研究

阻隔防爆研究方法主要有試驗和理論分析兩種。試驗是一種最直觀與可靠的方法，其研究方向包括材料淬熄火焰與降低爆炸壓力能力研究[4]、材料自身抗沖擊性與抗燒結性研究、材料抗腐蝕性與確保燃料品質能力研究、不同留空率與置換率對抑爆效果的影響以及同一材質處于不同理化性質抑爆能力差異的研究。理論分析則用來解決試驗難以觀察的問題，如阻隔防爆材料在超音速火焰通過時的狀況，又比如燃爆容器抗爆設計限值等。

研究成果表明，阻隔防爆技術有三項優點：(1)防密閉容器內的燃燒與爆炸。阻隔防爆的抑爆能力與其材質及置換率有密切關系；(2)防浪涌。通過防止罐車儲罐產生浪涌，不僅能延長護輪胎與容器的使用壽命，還能預防車輛因急剎車與緊急轉向避險造成的傾翻事故；(3)防罐體劇烈晃動產生的沖擊。當儲罐受到突然的沖擊或遭遇意外的墜落，罐內燃料會對容器的一側產生顯著的、有可能導致容器破裂的沖擊壓力[3]。而阻隔防爆材料能有效防止這種強烈沖擊。

研究也同時發現了阻隔防爆技術所存在的三項缺點：(1)阻隔防爆材料腐蝕后會影響燃料品質，其殘留沉積還可能堵塞管路；(2)阻隔防爆的安裝維護成本較高，在改造與清洗過程中還有可能因違規操作導致意外爆炸；(3)金屬類阻隔防爆材料在使用過程中會因重力與外部沖擊等原因發生塌陷與壓緊，削弱自身抑爆性能。

3　阻隔防爆安全檢驗

3.1規范標準

最早的金屬類阻隔防爆材料標準是1982年美國頒布的《網狀鋁合金防護材料軍用規范》(MIL-B-87162)。該規范早期曾于1991年海灣戰爭被美軍大力推廣，后來主要用于民用領域。目前國際上比較普遍采用的非金屬類阻隔防爆材料標準有兩個：一個是1984年修訂的《飛機燃油箱用的阻隔惰性材料》(MIL-B-83054B)；另一個是2006年修訂的《飛機燃油箱用的自身具有導靜電功能的抑爆泡沫材料》(MIL-PRF-87260B)。后者與前者相比，在導靜電方面提出了更為具體的要求，以適應時代的發展。

80年代，國內一些軍工企業與民企開始開發、引進和生產金屬類阻隔防爆材料(EA)。2003年和2004年阻隔防爆技術分別被科技部和安全生產監督管理總局列為年度重點推廣科技項目[5]。2005年，安全生產行業標準《汽車加油(氣)站、輕質燃油和液化石油氣汽車罐車用阻隔防爆儲罐技術要求》(AQ 3001—2005)[6]和《阻隔抑爆撬裝式汽車加油(氣)裝置技術要求》(AQ 3002—2005)頒布實施。2006年，《汽車加油加氣站設計與施工規范》(GB 50156—2002)修訂，新增了有關阻隔防爆的技術要求。

3.2實驗室檢驗

實驗室檢驗項目包括阻隔防爆材料選用合理性判斷、材料外觀質量檢測、材料結構尺寸檢測、材料密度測試以及防爆性能測試五項[6]。

阻隔防爆材料的選用應考慮儲罐與儲存介質理化性質，保證不污染介質的同時不被介質污染。材料外觀質量要求網格不均勻性小于或等于25%，邊緣不展開寬度小于或等于10mm，網格每平方米破損小于或等于5處且每處破損面積小于或等于60mm×50mm，成品端面不平度小于或等于60mm。材料結構尺寸要求網格邊長公差為±0.5mm。以上檢驗項目在實驗室通過樣品測試后，在現場仍需對實際使用材料進行抽查。材料密度可采用排水法或其它方法得出，用于置換率的計算。

防爆性能通過燃爆增壓表現出來。燃爆增壓是指在按照一定要求填充阻隔防爆材料之后，容器內部發生爆炸所產生的平均壓力峰值。試驗要求燃爆增壓不大于0.14MPa。試驗主裝置為激波管，如圖1所示。壓力傳感器量程應滿足0～10MPa，靈敏度應達到140pC/MPa；壓力表應滿足0～10MPa，精度等級卷達到1.6。試驗時，留空率為5%，試樣橫截面積應不小于激波管內腔截面積的98%。

1.激波管；2.壓力傳感器；3.觀察窗；4.壓力表；5.點火源；6.燃爆容器；7.閥門；8.循環泵；9.配料容器；10.試樣.

圖1阻隔防爆材料防爆性能測試裝置

燃爆增壓計算公式

△P=(P1+P2+P3+……+Pn)/n-Pb

式中，△P—燃爆增壓(Pa)；P1、P2……Pn—壓力傳感器壓力峰值(Pa)；n—激波管壓力傳感器個數；Pb—試驗前表壓(Pa)。

3.3現場安全檢驗

阻隔防爆現場安全檢驗包括儲罐清洗作業安全檢驗與材料安裝規范檢驗[6]。罐體填充阻隔防爆材料之前需要進行清洗。清洗過程，特別是經阻隔防爆技術改造后的儲罐清洗過程，是一個具有一定危險性的作業過程，需要全程進行監督檢驗。檢驗的重點是確保容器內的氧濃度處于安全范圍內以及可燃氣體或蒸汽的濃度不大于其爆炸下限20%。此外，還應檢查滲漏試驗用試劑與清洗作業用清洗劑。

材料安裝檢驗首先結合現場測量與圖紙審閱，計算出儲罐的體積，然后測試計算填充密度、置換率與留空率三個參數并檢查結構件是否安裝牢靠。填充密度是指用阻隔防爆材料填充儲罐時，單位體積材料的質量，可用所有填入儲罐的阻隔防爆材料的質量與儲罐體積相除得出。置換率是指阻隔防爆材料放入充滿液體的儲罐時，所排出的液體體積與儲罐體積之比。排出液體就是用于填充的阻隔防爆材料的體積，可通過填入儲罐的材料質量與材料密度相除得出。留空率是指阻隔防爆材料安裝后，未填充空間與罐體體積之比。未填充空間一般指內膽與結構件，其體積可測量計算或查閱設計文件。

填充密度的要求是25～35kg/m3。置換率和留空率的要求與罐體規格有關：對于規格大于25 m3的罐體，置換率要求不大于1.2%，留空率要求不大于10%；對于規格小于25m3的罐體，置換率要求不大于1.1%，留空率要求不大于8%。

4　結語

緊跟計算機運算能力與軟件開發功能的提高，未來阻隔防爆的研究突破會更加依靠數值模擬方法。得益于材料學的飛速發展，日后阻隔防爆材料將以更輕質、更耐腐蝕以及價格更低廉的非金屬材料為主。在更為嚴格與科學的安裝及清洗規范與現場安全檢驗要求出臺后，阻隔防爆在安裝與清洗時的事故率可顯著降低。伴隨著安全性的提高、材料價格的降低，政府推廣與企業采用阻隔防爆技術的意愿將大大提高，阻隔防爆在其發展領域，特別是罐車與撬裝式加油站的應用將變得更加普遍。

[1]邢志祥，杜貞，歐紅香，等.多孔非金屬材料在阻隔防爆方面的研究進展[J].安全與環境工程，2015(22)：112-119.

[2]張朋，張松，馬秋菊，等.阻火器防爆設計及防爆檢驗方法探討[J].電氣防爆，2011(3)：40-44.

[3]張健中，許光，周廣金，等.網狀鋁合金阻隔防爆材料功效及應用探討[J].中國安全科學學報，2014(24)：42-46.

[4]王凱全，顧濤，疏小勇，等. 網狀金屬材料對火焰波阻隔作用的試驗研究[J].工業安全與環保，2014(7)：10-12，42.

[5]魯長波，安高軍，王浩喆，等.儲存過程中阻隔防爆材料對油品性能影響研究[J].中國安全生產科學技術，2014(10)：124-130.

[6]AQ 3001—2005,汽車加油(氣)站、輕質燃油和液化石油氣汽車罐車用阻隔防爆儲罐技術要求[S].

Separation Explosion-Proof Technology and Inspection Requirements

Ke Yan, Wang Xinhua, Liang Jun, and Tang Peng

(GuangzhouAcademyofSpecialEquipmentInspection&Testing,Guangzhou510760,China)

This paper analyzes two main mechanisms of separation explosion-proof technology which called ‘cold wall action’ and ‘wall effect’, introduces development situation and research findings of domestic and abroad technology, gives the related technical specifications as well as items, methods and acceptability criterions of laboratory test and onsite safety inspection, and forecasts development trend of the technology in future.

Separation explosion-proof technology; separation explosion-proof material; flame resistance and explosion suppression; safety inspection

質檢總局防爆特種設備非電氣部件點燃危險辨識及評定方法研究(項目編號：2015QK263)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.04.08

TM357；X932

A

1008-7281(2016)04-0024-003

柯研男1983年生；畢業于華南理工大學機械與工程學院，安全工程及技術碩士研究生；主要研究領域為易燃易爆危險場所電氣防爆現場測試、防爆特種設備檢驗、安全生產靜電測試等.

2015-05-06