阻爆轰型管道阻火器

阻爆轰型阻火器广泛应用于易燃液体、蒸气和气体处理领域的防爆方面。人们常常认为阻爆轰型阻火器能提供全面的保护这种误解会导致具有潜

在危险的安装。转变这种错误的认识关键要理解两种阻爆轰型阻火器(稳定和非稳定)之间的根本区别。

合理设计防爆和防护系统并且遵守严格的操作和维护程序，可以避免在很多工艺中产生易燃气体／蒸气和空气混合物更不可能着火。然而在储罐

通风和蒸气收集系统中这种风险要大得多因此合理使用阻爆轰型阻火器是确保设备在使用寿命中安全性的最重要因素。

一、什么是爆轰?

爆轰发生在具有长管道的开放或封闭管道系统(例如通风管或蒸气的收集系统)中。当气体／空气混合物在管道内着火燃烧混合物体积因而增加导

致其前方的未燃混合物被预先压缩且火焰锋随着燃烧率的升高而加快。该过程的早期阶段称为爆燃这时火焰速度为亚音速且压力波遥遥领先于火

焰锋；通常对于在环境条件下引发的爆炸，火焰速度小于100m/s且压力低于0.1MPa.g但若转变为爆轰则火焰速度和压力可分别达到200~300m/s

以及1MPa.g。由于燃烧过程进一步加快最后火焰锋和压力波相遇在"爆燃转爆轰(DDT)"区形成高压冲击波该冲击波靠近火焰锋前方。DDT区的另

一个特征是超压爆轰或不稳定爆轰其猛烈的冲击波压缩可带来15MPa.g以上的瞬时压力以及3000m/s以上的火焰速度。这些冲击波迅速消散爆轰

波变得稳定，同时压力约为2-3MPa.g，火焰速度通常为1600-2000m/s。

爆轰只会在特定的气体/蒸气浓度范围内发生通常浓度都在所涉及材料的正常可燃范围内。接近稀/浓极限时会出现驰振爆轰现象。火焰速度由于

管道方 向更改(弯头等)而临时衰减为爆燃区的速度时也会出现这种现象。这主要说明火焰锋可通过DDT/不稳定爆轰区在爆燃和稳定爆轰之间反

复变化，而这是极其危险的。稳定爆轰只会发生在不稳定爆轰后强调这一点很重要。在很大程度上稳定和不稳定爆轰的出现取决于管道直径、管

道配置、管道类型(例如滑顺焊接、带法兰接头的粗焊接)、气体/蒸气类型、空气中的气体/蒸气浓度、工作温度和工作压力。只有在带化学计量

试验气体的受控实验室条件下才有可能预测出现这些现象的位置。在工艺装置中处理气体/蒸气(浓度接近可燃性稀/浓极限且位于包含无数弯头、

阀门等的管道中)的可能性比标准试验气体(丙烷、乙烯或氢气)高。这些因素会影响防爆措施(尤其是阻爆轰型阻火器)的应用。

二、阻爆轰型阻火器的工作原理

阻火匣式的阻爆轰型阻火器使用小阻火匣与最佳阻火匣长度来提供大的传热面积。来自燃烧气体的热量通过阻火匣内的边界层消散最终冷却到其

自燃温度以下。所需阻火匣大小取决于实际气体/蒸气且可使用所有易燃气体/蒸气的基本属性"最大试验安全间隙（MESG）"来定义。所需的阻火

匣长度通过试验确定基本上是火焰速度的函数--由于阻爆轰型阻火器的高火焰速度其阻火匣长度通常比阻爆燃型阻火器大。一般不稳定阻爆轰型

阻火器的阻火匣长度比稳定阻爆轰型阻火器大但更重要的是，它需要更坚固的元件支撑架来承受不稳定事件带来的更大作用力。通过使用整体逆

流减震器爆轰也可在到达元件前衰减为爆燃。

1、稳定阻爆轰型阻火器

虽然稳定阻爆轰型阻火器已在德国普遍使用并经ISO16852：2008认可但由于它完全忽略DDT/不稳定爆轰和驰振爆轰的存在且似乎仅依赖于已接

受的风险级别，所以存在根本缺陷。而且这种装置的制造商不需要明确告知用户使用"阻爆轰型"阻火器的风险。若认为将气体/空气浓度维持在爆

炸下限(LEL)的25％为根本防爆技术则依此类推可认为将其维持在爆炸上限(UEL)以上25％也同样可以接受。然而由于可能需要穿过整个可燃范围

来实现这种维持一般不推荐这种做法。ISO16852：2008(7.4.4、11.1h和附件D)试图通过不允许单独使用稳定阻爆轰型阻火器以及0、1和2区(以

德国TRbF20规范为代表)的相关防护级别来克服该问题。实际上若会发生爆轰，就不会注意到是否在0、1和2区，最终结果也相同。

稳定阻爆轰型的阻火器的构建标准低于不稳定阻爆轰型阻火器。另外当位于DDT/不稳定区时由于给不稳定爆轰施加了极高动负荷(设计环节未考虑

这一点)稳定阻爆轰型阻火器通常会出现机械损坏。

2、不稳定阻爆轰型阻火器

全球大部分地区都只认可不稳定阻爆轰型阻火器，例如美国海岸警卫队标准》规定只允许使用在稳定和不稳定爆轰下都证实可靠的不稳定阻爆轰型

阻火器。由于爆轰事件在实践中的不可预见性没有其他装置可在无需考虑可能位置及使用其他防护系统的情况下提供全面保护。不稳定爆轰试验的

一个缺陷是其固有的不可预见性以及广泛的火焰速度和压力范围(可通过对比稳定爆轰试验来测量。在稳定爆轰试验中这些参数可根据理论原理计

算)。然而考虑到所执行的试验次数这显然是比冒险采用低性能的稳定阻爆轰型阻火器更健全的解决方案。毕竟永远也不可能用阻爆燃型阻火器代替

阻爆轰型阻火器因为发生爆轰的可能性很小。与稳定阻爆轰型阻火器相比不稳定阻爆轰型阻火器可能有更大的压力降。然而考虑到稳定阻爆轰型阻

火器可能需要成对使用或与阻爆燃型阻火器搭配使用，这就不成问题。由于需要在工艺设计阶段考虑的某些因素(例如流量和压力降)总在事后才想

起因而导致了不必要的实践和成本问题。

3、只遭遇爆燃的阻爆轰型阻火器

使用阻爆轰型阻火器并不意味着它总是遭遇爆轰事实上可以考虑稀/浓蒸气/空气混合物着火后，爆燃会引起的效果。除非经过严格试验否则遭遇爆

燃火焰锋时阻爆轰型阻火器仍有可能发生故障。USCG和ISO16852：2008试验协议都允许试验带受限出口的阻爆轰型阻火器--uscG在这方面有强制

规定，ISO16852：2008将其作为可选项导致大量不必要的阻爆轰型阻火器类型。受限出口是指靠近阻爆轰型阻火器受保护端的局部关闭阀门或接

头。由于爆燃中的压力波位于火焰锋前方这种限制可能在火焰锋到达阻爆轰型阻火器之前产生背压从而导致气体在更高的压力(高于认证压力)下燃

烧且火焰将穿过阻爆轰型阻火器。重新定位阻爆轰型阻火器的阀门或接头等元件可消除该潜在问题但更好的方法是确保阻爆轰型阻火器允许受限出

口的存在。

4、高温和高压下的效果

阻爆轰型阻火器常用于高于环境/大气温度和压力(通常达60~℃、0.01MPa.g)下的工艺操作。在这种情况下需要确定气体或蒸气/空气混合物可在给

定工艺中着火的条件。例如除非高压排气出口有相同压力下的空气，当空气和气体可以混合(很可能在大气压力下)且排气压力减弱(允许与气体混合)

时阻爆轰型阻火器才需要发挥作用。在高压下更多能量产生且火焰加速度加快，因此爆炸压力更大(基本与初始着火压力成正比)并将在更短的管道

长度下到达DDT区。在任何情况下若高压和/或高温下存在气体/空气，则经测试证明任何阻爆轰型(或管道爆燃型)阻火器可在这种条件下使用至关重

要。ISO16852：2008有150℃和0.06MPa．g的限制但阻火器肯定可用于更高的温度和压力。考虑到这种阻火器可以有更大的压力降且更昂贵仔细评

估工艺来避免不必要的问题是关键。

5、稳定燃烧

当可着火的气体/蒸气和空气易燃混合物通过阻火器且该混合物基于流速在阻火器元件表面持续燃烧时，会出现稳定燃烧现象。在常压储罐和阻火器

(用于需要防持续燃烧的情况)的不可控制通风过程中，更可能出现稳定燃烧也就是说它们可承受不定期限的预混合燃烧。根据TRbF20等规范，使用

带通风管(长度合适)的阻爆轰型阻火器可确保阻火器元件不发生燃烧。这种阻火器的有效性尚不可靠因为它假设阻爆轰阻火器始终易发生爆轰，然

而实践中也极有可能发生爆燃。当然管道应用（列如蒸汽回收装置）也有可能出现稳定燃烧且所使用的阻爆轰型阻火器必须能处理这种事件。虽然

可获得防持续燃烧阻爆轰型阻火器其单独使用（与所有防持续燃烧阻火器一样）仍存在问题因为它实际上允许未检测到的火焰在危险区域燃烧而不

采取任何措施；在试验过程中阻火器外壳的未防护端可能烧红导致无法对危险区域的温度进行分级。更好和更安全的方法是安装温度监控设备从而

在最短时间内采取停止燃烧的相应措施，若阻爆轰型阻火器只能承受有限期间的燃烧且相关工艺有可能出现这种情况则有必要安装温度传感器。

ISO16852：2008要求在阻火器/阻爆轰型阻火器上清楚标示稳定燃烧时间。

认为管道系统中的易燃气体/蒸汽着火后阻爆轰型阻火器（未认定为稳定或不稳定类型）能提供全面防护的观点是危险的。单独使用稳定阻爆轰型阻

火器会将人员生命和价值数百万美元的工艺装置置于危险的境地，因为稳定阻爆轰型阻火器：只提供爆燃和稳定爆轰防护；在位置方面有根本缺陷；

不提供驰振爆轰防护；必须与其它防护系统一起使用。只有不稳定阻爆轰型阻火器能在不限制位置的情况下提供全面的爆燃、稳定、不稳定和驰振

爆轰防护。