阻火器選用典型因素分析

韓 旭，楊 帆

(北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100076)

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阻火器選用典型因素分析

韓 旭，楊 帆

(北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100076)

介紹了阻火器的分類、選用、安裝以及選用過程中應注意的問題，闡述了混合物MESG值的計算方法和阻火器通氣量換算，對阻火器在工程設計中的選用及安裝具有實際的指導意義。

阻火器；MESG值；通氣量；壓降

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.011

20世紀70年代，我國引進了13套大型化肥裝置，至此，中國的化肥，特別是氮肥行業逐漸與世界接軌。隨著各類化工裝置生產規模的日趨增大，裝置的安全問題也越來越被重視，尤其各類化工設備、管道以及閥門內部的大量易燃、易爆介質，是火災爆炸事故發生和擴大的根源。阻火器作為非電氣設備防爆的主要安全防護設備，廣泛適用于封閉空間開口處或封閉系統管線，其在允許流體通過的同時又能有效阻止火焰的傳播。當火焰通過阻火器時，阻火元件將火焰分割成許多個小單元，由于強化傳熱作用和器壁效應，從而使火焰熄滅，阻止火焰傳播，達到阻火目的。

1 阻火器分類

NFPA 69—2008標準中針對阻火器的安裝位置、燃燒類型對阻火器進行了詳細劃分(見圖1)。

在一定的條件下，選擇適當的阻火器能起到有效阻止火焰傳播的作用，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，在阻火器選用過程中，需要仔細考慮各方面因素。

圖1 NFPA69中阻火器的分類[1]

2 阻火器的選用

2.1 阻火器選用基本流程

要選擇一個適合的阻火器，首先需確定阻火器的使用位置、介質類型(爆炸級別)以及操作工況(壓力、溫度)等三項基本因素。根據阻火器的使用場所進行管道/管端阻火器的劃分，根據安裝位置、介質類型和操作工況確定燃燒工況，完成阻火器初步選型。在初步選型確認的基礎上，根據其他參數，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、設計標準、同心/偏心設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中，工況簡單的可以根據工藝直接確定，而實際工程設計中工況都比較復雜，介質通常為氣體混合物，燃燒工況也復雜多樣，因此，阻火器的選用更是需要慎重考慮。

2.2 介質類型

GB50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》[2]第3.4.1中規定：爆炸性氣體混合物應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類型的確定一般按照介質MESG值來劃分。根據GB3836.11-2008《爆炸性環境用防爆電氣設備第11部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》[3]，在標準規定的試驗條件下，空腔內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空腔兩部分之間的最大間隙。

不同的氣體介質有不同的MESG值，EN ISO16852-2010《Flame arresters-Performance requirements，test methods and limits for use》將爆炸性氣體混合物按其MESG值劃分為ⅡA1、ⅡA、ⅡB1、ⅡB2、ⅡB3、ⅡB、ⅡC等7個爆炸等級[4]，見表1。

表1 爆炸級別與氣體混合物MESG值對照

不同爆炸級別的介質危險程度不同，對應的阻火器產品也不同。氣體介質的MESG值越小，相應阻火器的使用工況越嚴苛，阻火器設計難度和成本越高。因此，在阻火器選型之前，確認氣體介質的MESG值尤為重要。一般來說，介質(單一組分)的MESG值可在有關資料中查到，如果是混合介質，由于介質之間可能發生反應，因此，需要不同的方法來確定多組分混合物的MESG值，具體有以下幾種。

(1)將氣體組成及操作條件提供給權威機構用標準方法測試。

(2)采用混合物中爆炸級別最高的介質的MESG值作為混合氣體的MESG值[5]。

(3)根據NFPA497-2008中Le Chatelier經驗公式[6]對混合氣體的MESG值進行估算。

Xi——各組分介質體積分數；MESGi——各組分介質MESG值。

若混合物中含有惰性氣體組分(如氮氣)：當惰性氣體組分<5%時，其MESG值取無限大；當惰性氣體組分≥5%時，其MESG值取2。

但上述公式不適用于下列情況：①混合氣體中含有乙炔，或其他具有自分解特性的氣體；②混合氣體中含有氧氣或強氧化物；③混合氣體中一氧化碳含量超過5%。

在上述3種方法中，第1種方法最為權威，不過時間和金錢花費最多。按第2種方法考慮MESG值最為保守，但若混合氣體中最小MESG值對應的氣體量很小，該方法則過于保守。按第3種方法進行多組分混合物的MESG值的估算，既能夠較準確地進行選型，又具備較好的經濟性。

2.3 燃燒工況

在管道足夠長且燃燒足夠快的條件下，火焰會依次經歷爆燃、不穩定爆轟、穩定爆轟等幾個燃燒階段(見圖2)。低壓爆燃階段，速度一般可達到112m/s，壓力為0.1MPa；中壓爆燃階段，速度一般可達到200m/s，壓力為0.4MPa；高壓爆燃階段，速度一般可達到300m/s，壓力為2MPa；爆轟階段，速度一般可達到1 900m/s，壓力為3.5MPa；過度爆轟階段，速度一般可達到2 300m/s，壓力為21MPa；穩定爆轟階段，速度一般可達到1 830m/s，壓力為35MPa[7]。這是由于燃燒過程中產生“壓升”的現象[8]，當點燃充滿可燃氣體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，燃燒產生的熱量使得燃燒氣體迅速膨脹，氣體膨脹又導致可燃氣體前端被壓縮，因而產生“壓升”。火焰前端氣體被壓縮，密度增加，燃燒傳播速度加快，燃燒時產生的熱量增多，導致可燃氣體前端更劇烈地“壓升”。通常，如果阻火器距火源較遠，那么火焰爆燃可能就會轉變為爆轟，火焰前端壓力增加會導致管道內的危險系數大大增加，同時對阻火器的阻火和耐壓能力要求也更為嚴苛。若選用了錯誤的阻火器，將會成為安全生產的重大隱患，因此，必須嚴格根據燃燒工況選擇阻爆燃型或阻爆轟型的阻火器。不過在實際工程應用中，由于混合介質較為復雜，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定，通常需通過運用標準和積累的工程經驗進行具體分析。

另外需要注意的是，由于管道中的彎頭對火焰傳播會起加速作用，因此，在阻火器的選型過程中要充分考慮這一因素。當彎頭數量超過1個時，燃燒工況就變得較為復雜，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，應盡量減少火源與阻火器之間的彎頭數量[9]。

圖2 火焰燃燒過程示意

2.4 阻火器通氣量與壓降

阻火器的特點是在阻止火焰傳播的同時對通過的氣體具有較小的壓降，因此，在阻火器選型時通常應根據流量—壓降曲線確定合適的阻火器口徑。根據國際標準EN ISO16852-2016的要求，阻火器通氣量試驗一般應以標況下空氣的流量進行記錄，因此，要確定介質在操作條件下的壓降值，必須首先對工藝流量進行換算，換算過程如下。

(1)將工藝流量換算成標況下介質流量：

(2)將標況下介質流量換算成標況下空氣流量：

(3)確定混合氣體平均相對分子質量：

其中：Q為體積流量，m3/h；T為溫度，K；P為壓強，Pa；M為相對分子量；Vi為混合氣體中各氣體體積分數。

另外，當阻火器與呼吸閥配套在儲罐上使用時，需在選型過程中核算阻火器的通氣量及壓降。眾所周知，呼吸閥和阻火器作為儲罐的重要安全附件，在許多儲罐都有配置，但仍時常有儲罐被抽癟的事故發生，究其原因，主要是因為選用了不合適的呼吸閥和阻火器。由于阻火器的存在，當呼吸閥正常開啟時，介質通過阻火器會產生一定的壓降，壓降越大，呼吸閥的泄放量越受到影響。當呼吸閥實際排放能力達不到所需泄放量時，儲罐內就會產生壓力(真空)積聚，要么導致罐內壓力超過儲罐設計壓力，要么導致儲罐被抽癟。因此，在阻火呼吸閥選型時，需嚴格按照阻火呼吸閥連接后通過試驗得到的通氣量-壓力數據進行選型。若阻火器和呼吸閥為分開選型，則必須確保在所需泄放量下阻火器的壓降低于呼吸閥的最大允許超壓值。

2.5 阻火器典型適用位置

在各類化工裝置中，有著大量的、各種潛在爆炸性環境用非電氣設備，阻火器作為非電氣設備防爆的主要安全防護設備，在以下幾種典型適用位置都應加以安裝。

(1)易燃液體常壓儲罐和低溫儲罐的通氣口和呼吸閥進出口。其中，直接排大氣的呼吸閥應配備管端阻火器，排管道的呼吸閥應配備管道阻火器。

(2)如火炬、焚燒爐、氧化爐等燃燒設備的總線或支線入口。

(3)有持續點燃源和0區的機械設備(風機、真空泵、壓縮機等)進出口。

(4)近海/鉆井平臺、碼頭、鐵路、公路、裝卸可燃液體或氣體的終端站，以及裝卸可燃化學品的槽船、槽罐車的呼吸閥和氣體置換/返回管線。

(5)生物氣系統、污水處理系統等中間氣體儲罐的呼吸閥以及氣體總管。

(6)可燃氣體和溶劑加工、處理、回收系統中單臺設備或系統的氣體或蒸汽的進出口。

(7)可燃氣體或蒸汽在線分析設備的放空總管。

(8)進入爆炸性氣體環境危險區域的內燃發動機的排氣總管。

(9)經爆炸風險評估，要求設置阻火器的其他位置。

3 結語

本文從阻火器的分類、選用、安裝等幾個方面，詳細介紹了阻火器的選用流程和選用過程中應注意的因素，但在實際工程設計中，阻火器的選用和安裝是十分復雜的，應廣泛參考相似工況下的工程經驗，選用具有完整阻火性能和數據測試報告的阻火器產品，確保系統相關設備及工廠的安全。

[1]NFPA 69-2008，Explosion Prevention Systems[S].

[2]GB50058-2014，爆炸危險環境電力裝置設計規范[S].

[3]GB3836.11-2008，爆炸性環境用防爆電氣設備第11部分：由隔爆外殼“d”保護的設備[S].

[4]EN ISO16852-2010，Flame arresters-Performance requirements，test methods and limits for use[S].

[5]胡敏，趙予川，董利萍，等. 用于混合介質的阻火器爆炸級別探討[J]. 煉油技術與工程，2008，38(6):57-59.

[6]NFPA 497-2008 Recommended Practice for the Classification of Flammable Liquids，Gases，or Vapors and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas[S].

[7]韓旭，陳睿，阻火器的選型準則[J]. 化學工程與裝備，2016(11)：217-219.

[8]趙闖杰，李碩，阻火器的選型及在化工管道上的應用[J]. 引文版:工程技術，2015(3)：209.

[9]洪梅，徐康.石油化工裝置中管道阻火器的選用及安裝[J].石化技術，2015(12)：251-252.

修改稿日期： 2017-04-13

Typical Factors Analysis of Flame Arrester Selection

HAN Xu，YANG Fan

(BeijingAerospacePetrochemicalTechnologyEquipmentEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100076)

This paper introduces the classification，selection and installation as well as the important issues in the selection process. It also describes in details the calculation method of MESG mixture value and the conversion of flow rate of flame arrester. The research is of practical significance for the selection and selection of flame arrester in the engineering design.

fire arrester；MESG value；flow rate；pressure drop

韓旭(1985年—)，男，黑龍江牡丹江人，2011年畢業于中國石油大學(北京)機械工程專業，碩士，工程師，現主要從事安全保護類閥門設計工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.011

TE665.3

B

1004-8901(2017)03-0042-03