管道阻火器

石油和石油产品储罐及其它燃气储罐的进出口处、呼吸阀处、安全泄压阀等处及其附近区域内常含有大量易燃气体,这些气体与空气混合在

一起就可以形成局部燃烧或爆炸的环境。当遇到雷击、明火或其它各种偶然情况产生的点火因素时,就有可能点燃局部预混气,并且火焰将沿

未燃预混气的分布方向传入储罐内,从而引起储罐爆炸等灾难性事故。所以必须在储罐的有关部位安装阻火器,以防止外部的火焰传入储罐。

燃气管道在通常情况下是安全的,这是因为在管网所输送的易燃气体中不含有氧气或其它氧化剂,火焰不可能在没有氧化剂的纯净燃气中产生

和传播。但是在某些特殊的意外条件下,例如因施土不当、地震、年久失修或其它不可预见的意外事故,就有可能造成管道网某处的破裂。如

果管道是采用低压输送燃气的,就有可能在管道破裂处造成局部压力降,引起外界空气进入管道网,使下游管网内的燃气成为与空气的预混气。

当该预混气达到爆炸极限时就具备了产生回火和导致爆炸灾害的必要条件。国内外发生的此类事故已不鲜见。如果能在管道网中适当的部位

安装管道阻火器,上述事故就可以得到有效的扼制。当然,引起燃气爆炸事故的原因很多,也很复杂,但在很多情况下管道阻火器都能起到有效

地控制爆炸灾害扩散的作用。管道阻火器按其阻火性能可以分为阻爆轰型和阻爆型两种类型。能够阻止亚音速火焰传播的管道阻火器称为

阻爆燃型管道阻火器,能够阻止超音速火焰传播的管道阻火器称为阻爆轰型管道阻火器。

1、  燃气预混气火焰在管道中传播规律和机理

在充满易燃预棍气体的实验管道称为化学爆轰激波管中,一端点燃,火焰将沿管道向未燃气体方向传播。气体的燃烧过程即放热化学反应过程。

气体的爆炸过程从放热化学反应角度来看,与燃烧过程是完全一样的,只是化学反应的速率不同。当然从力学和热力学角度来看,这是两种完全不

同的现象。沿管道向未燃气体方向传播的运动火焰称为火焰面,或称为化学反应区。一般说来,火焰面运动速度越快,说明化学反应越剧烈,即化

学反应速率越大,火焰面厚度就越小。火焰面为什么会在管道中向未燃气体方向运动呢?即火焰传播机理是什么呢?对于爆燃火焰来说,这是由于

在火焰面中化学反应放出的热量通过热传导、扩散等分子输运方式传给了火焰面前方的未反应的气体,在未反应气体中形成温度梯度,并且最邻

近火焰面的那一层未反应气体的温度首先达到燃点,开始化学反应,同时开始放出热量。这热量又继续加热前方介质使其达到燃点。反应之后的

产物不断离开火焰面。这样,未燃气体不断进入火焰面,反应产物不断离开火焰面,从实验室坐标系看就是火焰面沿管道向未燃气体方向运动。这

是最简单的层流火焰在一维管道中传播的物理模型,见图1所示。

火焰面在正常情况下是以每秒几米的低速传播的,但在一定条件下,主要是燃气与空气的预混气中燃气浓度处于爆炸极限范围内,上述缓慢燃烧过

程将变成剧烈化学反应的爆炸过程,火焰传播速度将达到每秒数千米的量级。这种高速传播的燃烧过程称为爆轰,而将管道中比较缓慢的燃烧过

程称为爆燃。在爆轰学中,以亚音速传播的火焰称为爆燃以超音速传播的火焰称为爆轰。从燃气预混气被点燃,到火焰发展成爆轰,要经历若干过

程。科学研究结果表明,当气体被点燃的初期,火焰速度较低,是爆燃。由于化学反应放热,气体受热膨胀,这就向未燃气体介质中传入一个压缩波,

它是以声速传播的。当火焰面在管道中推进时,也就不断地向未燃气体介质中传入连续的压缩波族,它们是以当地声速传播的,这里的火焰面就类

似于一个活塞的作用。从流体动力学和冲击波理论知道,压缩波后流体质点速度增大假定前方介质速度为零,压力也增大,因此声速也增大。后面

的压缩波波速等于当地声速,因此比前面的压缩波波速大,这就产生了后续压缩波不断地追赶前面压缩波的现象。当后面的压缩波追上前面的压

缩波之后,其强度(波前后的压力差)增大,逐渐地形成冲击波,称为预压冲击波。由于预压冲击波通过之后,未燃气体质点具有了与火焰传播同方向

并逐渐增大的速度,使火焰运动速度也逐渐增加,加上压力、温度、密度等其它因素对化学反应速率的影响,形成了火焰面在爆燃阶段加速运动的

机制,见图2所示。

当火焰面加速到某个值时这个值到目前为止尚不能用理论来确定,实验结果也是不稳定的,火焰速度将会突然增大,甚至超过稳定的爆轰速度值,然

后又将降回到稳定的爆轰速度。此后,火焰便以这一稳定的爆轰速度传播。上述超高速的非稳定的短暂过程称为爆燃向爆轰转变的过程,简称“DDT

过程”亦称为超压爆轰或过压爆轰工。火焰DDT现象的研究目前仍是爆轰学中感兴趣的研究课题之一,它的形成机理和微度过程尚不十分清楚。一

般认为,当火焰速度增大到某一个值时,由于外界条件的影响或内部反应介质中分子的微观涨落引起宏观不平衡,火焰面发生扭曲,火焰面与未反应气

体的界面上局部产生湍流火焰。湍流燃烧是一种极不稳定的燃烧过程,其传播速度可以从每秒几十米的低速在极短时间内增加到每秒数千米,这种

局部的湍流燃烧也被称为子爆炸。由于子爆炸的出现,使化学反应速率突然增大,导致超压的产生。从chapman和jouguet所提出的一维爆轰波模型

(称为C一J模型)知道,超压爆轰是不稳定的,它很快就被产物区的稀疏波削弱,变成C一J爆轰状态,达到稳定传播。爆轰与爆燃的传播机理是不同的,除

了传播速度不同之外,爆轰波前的预压冲击波与火焰面化学反应区是紧紧贴合在一起的。也就是说,火焰传播速度是与冲击波波速一致的。波前未燃

气体首先受到冲击波的压缩,温度、压力、密度突然提高,是从一个数值跳到另一个数值,数学图象上就形成一个间断,因此冲击波也称为间断面。未

燃气体介质在事先未受到任何 扰动的情况下,由于冲击波的作用,波后介质温度突然达到燃点,开始发生剧烈的化学反应,反应放热又通过波的形式传

递给预压冲击波也称为前驱激波,以补充它在运动中的能量损失,使它能够持续地向前高速传播。与爆燃相比,爆轰波火焰面的放热能量并不是通过

热传导、扩散等方式传递给前方介质的,这是因为放热反应之快,来不及进行热传导,热能量早己通过波的形式传递了。对于确定的燃气种类和具有

确定浓度比的予混气,其稳定的爆轰速度也是确定的。浓度比对稳定爆轰速度值的影响较小。一般说来,爆轰速度大的气体,反应速率大,爆炸压力也

大,因此其爆炸危险性也大。按照爆炸危险性大小及自燃温度高低,将爆炸气体分成若于类。各国分类法略有不同,按英国标准分为I,IA、IB、IC等4类。

我国标准GB1336一77将它们分成4级,每一级气体中又按自燃温度从高到低分为五组,这五组分别以英文字母a、b、c、d、e表示之。

各类气体的预混气火焰加速过程是不同的,实验管的直径对火焰加速过程有极为重要的影响。图3是Z.W.Rogowski所得到的实验结果。

该结果是在开端点火情况下,用IB类气体实验作出的。按英国标准,IB类气体包括城市煤气。因此该结果对煤气管道阻火器的设计与应用具有参考价值。

2、管道阻火器的原理和结构：

管道阻火器的工作原理主要是基于火焰通过狭窄通道时的熄灭现象研究。大量的实验研究结果表明,如果狭窄通道的直径指名义直径小到一定程度,火

焰在这种小通道中传播一段距离后便会自动熄灭,也称为淬熄。能使火焰发生淬熄的通道直径称为淬熄直径,用Dq来表示。火焰在具有淬熄直径的通道

上传播到熄灭之前的那段距离称为淬熄长度,用Lq来表示。

阻火器就是根据小孔淬熄原理设计的。阻火器结构如图4所示,它由外壳和阻火芯组成,可以通过法兰与管道或其它设备连接,也可以有其它各种连接方

式。阻火器外壳应具有较大的强度,能承受爆轰引起的动高压。阻火芯形式有多种,如多层金属网叠合而成的金属网式,波纹带式等。后者是目前国际上

比较通用的。波纹带可采用铝合金、不锈钢或其它耐腐蚀材料制成,裤纹带与平板带叠合卷制成圆盘状,制成阻火芯盘,装入阻火器外壳内,就将管道截面

分割成许多小三角形截面,每一个三角形孔都是一个狭窄通道。当火焰通过时,就迫使管道中的火焰面通过这些狭窄通道,这些通道都满足淬熄直径的要

求,于是火焰就在通过阻火芯时熄灭了。阻火芯的设计不仅应考虑到淬熄火焰的要求,还要尽量减小气体的流阻,因此在设计之前应作精心的计算。三角形

截面的高度波纹高、阻火芯波纹盘厚度及阻火器内部结构的变化对于其整体阻火性能都有直接的影响。K.N.Paimea对波纹板阻火器阻火性能作过实验

研究, 并得到了具有应用价值的计算公式：

V=0.38	ay
	D2

其中V是临界阻火速度（m/s）；a是用分数。

管道阻火器结构图

表示的阻火器通气自由面积与阻火芯总面积之比,Y是阻火芯厚度（mm）,D是淬熄直径。从该公式可以估算一个设计好的阻火器的临界阻火速度。阻火

器虽然并非一个燃烧器,但阻火器的设计显然应考虑到其燃烧学和爆轰学特性,设计者应对火焰及冲击波理论作详尽的了解。

3、管道阻火器的检测方法：

煤气管道阻火器用GB13347一92的方法来检测,试验介质使用城市煤气是严格的。GB13347一92对管道阻火器的技术要求、试验方法(密封性和外壳强

度的水压试验和阻火性能试验)、检验规程、标志、包装、运输、贮运等均作了明确规定。

试验装置示意图

该装置由以下几部分组成：

（1）由D、E、G、H、L组成的试验激波管；

（2）由A、F组成的点火系统；

（3）配气系统B；

（4）由C、I、K组成的火焰速度测量系统。

检测主要程序如下：

（1）将试验介质与空气按规定的混合比置入专用的混气罐内,充分混合均匀后待用,

（2）将试验管抽真空,放入预混气

（3）点燃预棍气对进入阻火器前的火焰速度进行测量；

（4）观测阻火器是否阻火（仪器监测）。

（5）连续、重复上述试验,进行数据记录。

国际规定阻爆燃爆轰型阻火器必须连续经受次阻爆燃爆轰试验,每次必须完全阻止亚音速超音速火焰通过为合格。这里仅给定了一个范围和原则。在实际

测试中,应当首先明确设计要求的阻火速度,这个阻火速度值即为安全阻火速度。实际上阻火器的极限阻火速度应比这个值高出约,即取安全系数约左右,

以安全阻火速度为标准,按上述程序连续进行次试验,均阻火成功,无一失败,并且每次试验的火焰速度均大于或等于安全阻火速度的设计值,则这个阻火器

的阻火性能视为合格。若连续十三次试验中,有一次或几次的火焰速度低于上述值,则应补做试验,否则安全阻火速度值应降低到次试验中火焰速度最低的

那一次。若连续十三次试验中有一次阻火失败,则即认为阻火器不合格。安全阻火速度值是亚音速的,则阻火器属阻爆燃型安全阻火速度值是超音速的,则

阻火器属阻爆轰型。若试验过程中发现产品质量的问题,中途停止试验并采取措施进行改进,则试验应重新按上述程序进行,改进前的试验数据一律作废,不

能将改进前后的试验数据合并计算在次之内。

4、管道阻火器的新进展及煤气管道阻火器的应用前景

阻火器的应用在工业发达国家已有近百年的历史。管道阻火器较早应用于石油化工工业,主要用于输送石油气体的管道上,火炬系统,加热炉的燃料气体管

网,油气回收系统,气体分析系统,洞库油气排放系统等处。近几十年来,随着工业的高速发展,对工业安全提出了更高的要求,阻火器的应用也越来越广泛。

化工、商业储运等凡涉及易嫩气体存在爆炸危险的场合都普遍应用了阻火器。八十年代以后,我国开始研制新型波纹式阻火器。波纹板采用不锈钢带或其

它耐腐蚀材料的薄板制成,经久耐用。从对比试验中看到,金属网式阻火器最大阻火速度200m/s；为而新型波纹板式阻火器的阻火速度已达1400m/s。阻

火器的品种规格也开始向多品种、多规格方面发展。煤气管道阻火器的应用是十分紧迫的事。我国城市管道煤气发展迅猛,各大、中城市均已开始普及或

已完成煤气管道网的建设。这无疑是符合我国国情的,同时给煤的综合利用,提高经济效益,减少城市污染,方便居民生活等方面都带来了不可估量的好处。

但随之而来的安全问题也给人们带来了深深的忧虑。随着时间的推移,埋入地下的管道网的老化、锈蚀,设备的不安全隐患等等都应引起人们高度的重视。

在煤气管道网中安装阻火器,可以在爆炸回火、防止火灾蔓延以及其它许多情况下发挥不可替代的作用,预防重大事故的发生、发展和扩大,进一步提高煤气

设备的安全度,把事故消灭在初级阶段,防止爆炸灾害的产生和升级,保障人民生命财产安全。煤气管道阻火器的安装位置及阻火器的规格应从火焰传播规律、

煤气管网的特点、安装检修方便等诸方面来综合考虑。我们认为在煤气用户的常用开关之前安装一只小型阻火器,开关之后再接软管通灶具,这种装法比较

符合上述考虑原则。如能在每一组用户的总管处安装一阻爆轰型阻火器,则更为可靠。当然,安装了阻火器,也不能说解决了所有可能的煤气爆炸事故问题。

事实上,由于煤气而引起的各种事故的原因是多种多样的,因此也不可能找到一种解决全部问题的万全之策。应当从已经发生的各类事故的原因分析中找出

主要因素,同时亦应从严格的第卷第期煤气与热力·‘科学分析中预见事故的可能性,制订有效措施预防事故的发生,这是安全管理部门和科研部门共同的责任

和义务。从经济角度来看,阻火器在保障煤气管道安全上所起的重要作用与其低廉的价格相比,是非常值得安装的。因为一台阻火器的成本与每一个煤气用

户的平均设备费投资相比只占大约千分之五,而与一次爆炸事故所造成的损失相比就更加微不足道。