●鄭 斌，劉 敏，關(guān)雙權(quán)

(1.首鋼公司，河北 唐山 063200;2.首安工業(yè)消防有限公司，北京 101304)

內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng))和滅火裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)裝置)已經(jīng)逐步成為當(dāng)今氣體消防產(chǎn)品中的一支生力軍。該滅火劑的滅火機(jī)理集化學(xué)作用與物理作用于一身，具備潔凈、環(huán)保、高效的特點(diǎn)，是哈龍滅火劑替代物的骨干力量，因此一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，由于滅火劑的特殊物理性質(zhì)，使該系統(tǒng)或裝置在伺應(yīng)狀態(tài)時(shí)必須進(jìn)行氮?dú)庠鰤悍娇少A存。在使用過(guò)程中貯存壓力下降的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致壓降的原因很多，如:貯存環(huán)境溫度的下降、容器閥及其相關(guān)密封點(diǎn)泄漏、壓力顯示器損壞、壓力顯示器單向閥損壞、出廠前增壓不飽滿(mǎn)等等。貯存環(huán)境溫度的下降導(dǎo)致壓力下降屬于正?，F(xiàn)象，只要在溫度回升后能夠恢復(fù)公稱(chēng)工作壓力，并在壓力顯示器綠區(qū)內(nèi)浮動(dòng)就沒(méi)有問(wèn)題。對(duì)于容器閥及其相關(guān)密封點(diǎn)泄漏、壓力顯示器損壞、壓力顯示器單向閥損壞的問(wèn)題，可通過(guò)返修或更換壓力顯示器及其單向閥來(lái)解決。如何保證滅火劑貯存容器在出廠前氮?dú)庠鰤猴枬M(mǎn)、出廠后壓力長(zhǎng)期穩(wěn)定是國(guó)內(nèi)眾多生產(chǎn)商面臨的難題之一。對(duì)此各廠家先后采取了多種措施，包括:出廠前增壓后補(bǔ)壓、調(diào)整充壓時(shí)間和速率、略低于公稱(chēng)貯存溫度(20℃)增壓、增壓后人工或自然實(shí)效處理、水浴維持恒壓狀態(tài)下增壓等。這些措施雖然取得了一定效果，但仍存在效率低、穩(wěn)定性差的問(wèn)題。為此，本文通過(guò)對(duì)兩個(gè)典型案例的討論，對(duì)增壓方式及工藝要求提出了若干建議。

1 七氟丙烷系統(tǒng)及裝置的基本特性

七氟丙烷的滅火機(jī)理既包括物理作用，又包括化學(xué)作用。兩種因素相比化學(xué)作用占主導(dǎo)地位。物理作用在于降低燃燒區(qū)域中氧的濃度使其低于維持燃燒所需的氧濃度值，實(shí)現(xiàn)窒息滅火?；瘜W(xué)作用在于惰化火焰中的活性自由基，抑制燃燒過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而實(shí)現(xiàn)斷鏈滅火。目前，就系統(tǒng)或裝置的滅火劑輸送距離而言，2.5 MPa級(jí)別的輸送距離一般為30 m左右(幾何長(zhǎng)度)，4.2 MPa級(jí)別的輸送距離一般為40 m左右(幾何長(zhǎng)度)，5.6 MPa級(jí)別的輸送距離一般為50 m左右(幾何長(zhǎng)度)。維持其滅火劑的輸送距離的動(dòng)力主要是容器內(nèi)的增壓氮?dú)夂蜏缁饎┑娘柡驼魵狻?/p>

考慮減少滅火劑受熱后氟化氫(HF)的產(chǎn)生量減輕對(duì)人體造成的傷害，迅速撲滅初期火災(zāi)減少因火災(zāi)發(fā)生蔓延和火勢(shì)增長(zhǎng)而造成滅火效能降低等因素，在《氣體滅火系統(tǒng)及部件》與《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)于七氟丙烷滅火劑噴射時(shí)間均有明確要求，即不大于10 s。保持滅火劑的合理噴射時(shí)間是確保系統(tǒng)或裝置滅火成功的關(guān)鍵因素之一，方法有多種多樣，這里不一一贅述。然而每一種方法都會(huì)受到各方面條件的制約。在合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，保持滅火劑貯存容器內(nèi)的壓力是非常關(guān)鍵的條件。

2 壓力下降案例及分析

2.1 案例簡(jiǎn)介

2.1.1 案例1:某年1月，某項(xiàng)目要求生產(chǎn)商對(duì)系統(tǒng)滅火劑瓶組(共計(jì)8具2.5 MPa)進(jìn)行檢修(其中包括稱(chēng)重、密封、強(qiáng)度試驗(yàn)等項(xiàng)目的檢測(cè)和滅火劑的灌充與氮?dú)庠鰤?，氮?dú)饨尤朦c(diǎn)為瓶組封頭上部，檢漏合格后發(fā)往用戶(hù)使用。時(shí)隔半月左右，在環(huán)境溫度正常的情況下發(fā)現(xiàn)滅火劑瓶組的貯存壓力減少近1 MPa，由生產(chǎn)商再度檢修處理，本次檢修的氮?dú)饨尤朦c(diǎn)為容器閥入口處，檢漏合格后發(fā)往用戶(hù)，此后再?zèng)]有壓力下降現(xiàn)象發(fā)生。

2.1.2 案例2:某項(xiàng)目在維修懸掛滅火裝置過(guò)程時(shí)，對(duì)罐體實(shí)施氮?dú)庠鰤?，氮?dú)饨尤朦c(diǎn)為罐體封頭上部，達(dá)到公稱(chēng)工作壓力后，放置一段時(shí)間在相同環(huán)境溫度和罐體無(wú)泄漏的情況下卻發(fā)生壓力下降，尤其是罐體直徑較小的滅火裝置上述現(xiàn)象更為突出。再度補(bǔ)壓時(shí)，對(duì)氮?dú)庠鰤汗に囘M(jìn)行了調(diào)整，氮?dú)饨尤朦c(diǎn)為罐體滅火劑液面底部，滅火裝置貯存壓力趨于穩(wěn)定后發(fā)往用戶(hù)正常使用。

2.2 原因分析

2.2.1 壓力下降原因的理論分析

與外貯壓式產(chǎn)品不同，內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)或裝置的滅火劑在液化貯存的同時(shí)需要用氮?dú)庠谌萜鲀?nèi)進(jìn)行增壓。氮?dú)馓幱?～50℃時(shí)，在精度要求不太高的情況下可以看做是理想氣體，不同溫度和壓力下的氮?dú)饷芏瓤梢酝ㄟ^(guò)理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)得出:

其中，n為氣體摩爾數(shù);R為熱力學(xué)常數(shù)，取值為8.314 J·mol－1·K－1;M 為氣體的摩爾質(zhì)量。聯(lián)合上述式(1)、(2)推導(dǎo)出氮?dú)獾拿芏扔?jì)算公式為:

其中，溫度為t℃，并把壓強(qiáng)P的單位換算成Pa，氮?dú)獾哪栙|(zhì)量為 28.013 g·mol－1。

對(duì)于 2.5 MPa(表壓)、4.2 MPa(表壓)和 5.6 MPa(表壓)三個(gè)系列的內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)，當(dāng)?shù)獨(dú)赓A存于滅火劑瓶組中時(shí)，上述三個(gè)壓力指標(biāo)表達(dá)的是氮?dú)馀c七氟丙烷滅火劑飽和蒸氣壓力的和，符合氣體分壓定律(即道爾頓定律)，氮?dú)夥值玫膲毫Ψ謩e為:

因此，可以解出當(dāng)20℃時(shí)，貯存于滅火劑瓶組中的氮?dú)饷芏确謩e為:

然而，七氟丙烷滅火劑在20℃時(shí)的飽和蒸氣壓為0.4 MPa(絕對(duì)壓力)，飽和蒸氣密度為31.176 kg·m－3?？梢钥闯?，對(duì)于2.5 MPa(表壓)的內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)，其滅火劑瓶組中的氮?dú)饷芏刃∮谄叻闇缁饎┑娘柡驼魵饷芏?，?.2 MPa(表壓)和5.6 MPa(表壓)的內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)，其滅火劑瓶組中的氮?dú)饷芏葎t大于七氟丙烷滅火劑的飽和蒸氣密度。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)理論，兩種不能直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體混合時(shí)，密度高的氣體分子會(huì)向密度較低的氣體中擴(kuò)散，因此前者在氮?dú)馀c七氟丙烷滅火劑加壓共存時(shí)，會(huì)出現(xiàn)七氟丙烷飽和蒸氣向氮?dú)庵袛U(kuò)散的現(xiàn)象，而后兩者則會(huì)出現(xiàn)氮?dú)夥肿酉蚱叻轱柡驼魵庵袛U(kuò)散的現(xiàn)象。

當(dāng)?shù)獨(dú)庠鰤簳r(shí)間過(guò)短時(shí)，氮?dú)夥肿优c七氟丙烷滅火劑飽和蒸氣分子之間的布朗運(yùn)動(dòng)速度加快，來(lái)不及相互擴(kuò)散至平衡狀態(tài)，就會(huì)造成短時(shí)間內(nèi)壓力達(dá)到公稱(chēng)工作壓力的假象。待穩(wěn)定一段時(shí)間以后，上述相互擴(kuò)散的分子運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)，壓力就會(huì)有所回落。這是造成滅火劑貯存壓力下降的主要原因。

2.2.2 實(shí)際案例分析

圖1 兩種內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)滅火劑瓶組示意圖

從上述案例1、案例2的充裝工藝改良過(guò)程可以看出，初次維修充裝后壓力下降是因?yàn)榈獨(dú)庠鰤簳r(shí)間較短，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)氮?dú)夥肿优c七氟丙烷分子的充分混合，所以后期出現(xiàn)壓力下降。如圖1所示，在案例1中，初次維修時(shí)氮?dú)庠鰤貉b置不是與容器閥直接相連，而是單獨(dú)焊于封頭上部，氮?dú)庠鰤簳r(shí)是先從滅火劑液面上部進(jìn)入(瓶組a)。第二次維修時(shí)對(duì)瓶組的氮?dú)庠鰤貉b置進(jìn)行了改造，直接連接容器閥，使氮?dú)鈴囊簯B(tài)七氟丙烷底部進(jìn)入(瓶組b)。如圖2所示，在案例2中，初次維修時(shí)氮?dú)饨尤朦c(diǎn)均為封頭上部(裝置a和裝置b)。其中由于裝置b的截面積小于裝置a，在相同氮?dú)庠鰤悍绞胶蜏缁饎┏溲b量的情況下，氮?dú)庠鰤簳r(shí)升壓速度更快、灌裝時(shí)間更短，放置一段時(shí)間后壓力下降幅度也會(huì)更大。第二次維修時(shí)則使氮?dú)鈴囊簯B(tài)七氟丙烷底部進(jìn)入(裝置c)。在這兩個(gè)案例中，通過(guò)對(duì)氮?dú)庠鰤悍绞降母倪M(jìn)，使氮?dú)夥肿优c七氟丙烷分子的接觸機(jī)會(huì)增多，相互溶合的效果得以加強(qiáng)，灌充時(shí)間滯后，增壓速度減慢，瓶組或裝置貯存壓力趨于穩(wěn)定。

圖2 三種內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火裝置儲(chǔ)罐示意圖

3 結(jié)論和建議

保持七氟丙烷滅火劑的貯存壓力是保證滅火系統(tǒng)滅火劑噴射時(shí)間的重要措施。通過(guò)理論分析和實(shí)際案例分析可知，氮?dú)夂推叻闅怏w分子的相互擴(kuò)散是導(dǎo)致貯存壓力下降的主要原因。通過(guò)改良滅火劑瓶組的氮?dú)庠鰤汗に?，將增壓氮?dú)鈴钠拷M或罐體的底部注入，更有利于保證滅火劑瓶組貯存壓力的穩(wěn)定。除氮?dú)獬溲b位置外，在滅火劑灌裝方面還應(yīng)注意:(1)氮?dú)庠鰤簳r(shí)間不宜過(guò)短，應(yīng)針對(duì)不同形狀的滅火劑貯存容器、不同數(shù)量的滅火劑充裝量、不同充裝環(huán)境溫度等因素制定出合理的充裝方案。(2)在對(duì)滅火劑貯存容器進(jìn)行氮?dú)庠鰤旱倪^(guò)程中，要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行輕微振蕩搖勻處理，以使氮?dú)夥肿优c七氟丙烷分子充分混合，避免因短時(shí)間增壓，增壓速度過(guò)快而出現(xiàn)達(dá)到貯存壓力的假象。(3)滅火劑貯存容器應(yīng)增加不用退藥的補(bǔ)壓裝置，避免反復(fù)充裝造成滅火劑的浪費(fèi)。(4)優(yōu)化設(shè)計(jì)滅火劑瓶組，尤其是其上的灌充裝置。(5)合理的充裝時(shí)間和環(huán)境溫度的保證是必不可少的，通常情況下環(huán)境溫度要求20℃左右，于滅火劑瓶組而言建議以1 h為宜，對(duì)于滅火裝置罐體而言建議0.5 h為宜。并且要有15 d左右自然實(shí)效處理，壓力穩(wěn)定后再出廠。

［1］GB 25972－2010，氣體滅火系統(tǒng)及部件［S］.

［2］GB 50370－2005，氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］鄭端文，劉海辰.消防安全技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［4］GB 18614－2002，七氟丙烷(HFC227ea)滅火劑［S］.

［5］朱力平.消防工程師手冊(cè)［M］.南京:南京大學(xué)出版社，2005.