孫少辰，劉剛，畢明樹(shù)，張志毅

（1大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院，遼寧 大連 116024；2沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110035）

阻火器是用來(lái)阻止易燃?xì)怏w、液體的火焰蔓延和防止回火而引起爆炸的安全裝置，通常安裝在輸送或排放易燃易爆氣體的儲(chǔ)罐和管線上。阻火器的作用就是試圖在火焰發(fā)生發(fā)展的初期就能抑制火焰的傳播，或者即使發(fā)生爆轟，利用阻火器也能使爆轟得到有效抑制。早在1928年阻火器已被應(yīng)用于石油工業(yè)，以后隨著工業(yè)發(fā)展又廣泛用于化學(xué)工業(yè)、煤礦、水運(yùn)、采油、鐵路運(yùn)輸、煤氣輸送管網(wǎng)及油氣回收系統(tǒng)等。目前國(guó)外一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家為了燃?xì)庠O(shè)備和人員的絕對(duì)安全，都生產(chǎn)和使用各類工業(yè)和民用阻火器[1]。

阻火器的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)在國(guó)際上屬于壟斷技術(shù)和不斷發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已建立了相對(duì)完整的理論體系和技術(shù)規(guī)范[2-7]。國(guó)內(nèi)跟蹤該技術(shù)領(lǐng)域已達(dá)三十多年，近年在自主研發(fā)方面取得了很大進(jìn)展[8-10]，但在基礎(chǔ)問(wèn)題和跟蹤國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)的研究方面進(jìn)行的不完整、不全面，亦使得阻爆技術(shù)在國(guó)內(nèi)的普及率很低。因此進(jìn)行阻火器相關(guān)測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究是推進(jìn)管線安全保障的當(dāng)務(wù)之急。基于此，本文作者進(jìn)行了阻火器型式試驗(yàn)裝置的研制工作。阻火器型式試驗(yàn)所需的試驗(yàn)裝置屬非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，需要自行設(shè)計(jì)或制作，而阻火器性能測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)就是其中之一。

1 系統(tǒng)研制

根據(jù)國(guó)內(nèi)阻火器檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，阻火器主要的性能測(cè)試包括：阻火器的阻爆（爆燃、爆轟）性能測(cè)試、耐燒性、強(qiáng)度（耐壓）等技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試。其中，阻爆燃、阻爆轟、耐燒試驗(yàn)則是其關(guān)鍵技術(shù)要求，而且在試驗(yàn)中需要按要求使用精確配比的爆炸限內(nèi)可燃?xì)怏w與空氣的混合氣體。本文作者查閱了國(guó)內(nèi)、外的相關(guān)資料，均無(wú)可以達(dá)到試驗(yàn)要求的阻火器性能試驗(yàn)裝置的研究報(bào)道。本測(cè)試系統(tǒng)主要要求阻火試驗(yàn)火焰的氣源裝置實(shí)現(xiàn)誤差精度要求最高0.1%的靜態(tài)配氣、流量不低于1m3/min，誤差精度要求0.2%動(dòng)態(tài)配氣；在阻火性能的系統(tǒng)測(cè)試中，系統(tǒng)可以對(duì)爆炸產(chǎn)生的火焰進(jìn)行溫度、速度、壓力的實(shí)時(shí)采集處理。

1.1 試驗(yàn)管路設(shè)計(jì)

按照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于阻爆燃試驗(yàn)，其管道應(yīng)與阻火器連接且直徑為D。對(duì)于碳?xì)浠衔?空氣的混合物（ⅡA1、ⅡA、ⅡB1、ⅡB2和ⅡB3），管道長(zhǎng)度L1應(yīng)不小于10D且不超過(guò)50D，管道長(zhǎng)度L2值為50D；對(duì)于氫氣-空氣的混合物（ⅡB和ⅡC），L1應(yīng)不小于10D且不超過(guò)30D，L2值為30D；阻爆轟試驗(yàn)管道L1的長(zhǎng)度應(yīng)足夠形成穩(wěn)定爆轟，管道L2長(zhǎng)度為10D，且不少于3m。管道連接方式如圖1所示，且試驗(yàn)管路要具有一定的承壓能力，管壁厚度根據(jù)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)GB150—2011進(jìn)行設(shè)計(jì)。以往試驗(yàn)表明，標(biāo)定壓力約為1MPa的管路在發(fā)生爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變的部位很容易發(fā)生破裂，但其能承受穩(wěn)態(tài)爆轟壓力而不發(fā)生破壞，這是由于瞬態(tài)超壓的持續(xù)作用時(shí)間很短，因此端口留有泄放端，以便及時(shí)泄放壓力。另外管線一般為幾十倍管道直徑的長(zhǎng)度，考慮到加工、安裝，尤其是火焰速度調(diào)節(jié)方面的原因，采用分段連接，每段完成不同的功能。

1.2 溫度測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

阻火試驗(yàn)和耐燒試驗(yàn)過(guò)程中的溫度測(cè)試是本系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)，本研究采用熱電偶溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，熱電偶通常較硬，不宜過(guò)長(zhǎng)且不易收放。為測(cè)量阻火單元的溫度，需要探頭與阻火單元固定距離。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)于阻爆燃和阻爆轟測(cè)試不需要進(jìn)行火焰的溫度測(cè)量。但出于研究的目的，在阻火器保護(hù)端壓力傳感器的位置預(yù)留了一個(gè)溫度傳感器的端口，通過(guò)溫度傳感器可以準(zhǔn)確地測(cè)量爆燃或爆轟過(guò)程中管線內(nèi)火焰?zhèn)鞑r(shí)的溫度變化情況。耐燒測(cè)試則是通過(guò)保護(hù)側(cè)溫度傳感器的測(cè)量值評(píng)定火焰燃燒是否達(dá)到穩(wěn)定燃燒的階段。

1.3 火焰速度測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

在阻火器性能測(cè)試系統(tǒng)中，對(duì)于點(diǎn)火是否成功及阻火器是否能成功阻火都需要用火焰探測(cè)器即光敏元件進(jìn)行檢測(cè)，判斷有無(wú)火焰?zhèn)鞑?。由于管道?nèi)混合氣體的燃燒狀態(tài)很難確定，可能伴有煙氣，因此本裝置采用對(duì)可見(jiàn)光不敏感紫外光感應(yīng)傳感器。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，在管道上的不同測(cè)試點(diǎn)安裝光傳感器探頭，這樣火焰依次通過(guò)各測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間便可以記錄下來(lái)，由此可以計(jì)算火焰到達(dá)阻火器測(cè)試點(diǎn)時(shí) 的即時(shí)速度。

圖1 阻火器阻火試驗(yàn)管路

1.4 配氣裝置設(shè)計(jì)

無(wú)論是阻爆燃、阻爆轟試驗(yàn)還是耐燒試驗(yàn)都規(guī)定了測(cè)試要求的混合氣體。根據(jù)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求，配氣裝置的氣體種類和要求如表1所示。進(jìn)行配氣時(shí)，操作人員可將各種組分氣體參數(shù)輸入到操作臺(tái)中，以便隨時(shí)調(diào)用。配氣工作時(shí)，控制系統(tǒng)能隨時(shí)監(jiān)視運(yùn)行情況，并能及時(shí)作出反應(yīng)。在運(yùn)行過(guò)程，配氣裝置的顯示界面能將配氣工作情況實(shí)時(shí)顯示給操作人員。本系統(tǒng)配氣方法可分為重量法、分壓法和控制流量法。

（1）重量法 重量法是根據(jù)分子量和所要配置 的濃度計(jì)算物質(zhì)的量，然后稱量組分氣體和稀釋氣體的質(zhì)量，定量配置混合氣體的方法，組分氣體濃度計(jì)算公式為式（1）。

式中，Xi為組分氣體濃度，%；mi為充入管路的組分氣體i的質(zhì)量，g；Mi為充入管路的該組分氣體i的摩爾質(zhì)量，g/mol；n為充入管路的各組分氣體總的物質(zhì)的量，mol。

（2）分壓法 分壓法是根據(jù)所要配制的混合氣 的濃度計(jì)算出需要往管路中充入組分氣后管路內(nèi)的壓力值，通過(guò)控制這一壓力值來(lái)達(dá)到配制所需濃度的混合氣體的目的，其組分氣體濃度計(jì)算公式為 式（2）。

式中，Xi為組分氣體濃度，%；Pi為組分氣體i的分壓值；Pj為組分氣體j的分壓值。

（3）控制流量法 控制流量法是通過(guò)流量控制 計(jì)改變充入管路內(nèi)各組分氣體的流量，實(shí)現(xiàn)各組分氣體的混合配比。并設(shè)置混合器用于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)氣體的均勻混合，各組分氣體混合均勻后再充入被測(cè) 管路。

不論是重量法、分壓法和控制流量法都采用氣體分析儀測(cè)量配氣后的濃度配比，保證其精度。本配氣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)混合配氣的要求，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)配氣的最高誤差精度要求為0.1%、流量不低于1m3/min，最高誤差要求為0.2%的動(dòng)態(tài)配氣。目前的配氣系統(tǒng)由沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院研制，采用匯氣排的形式充入系統(tǒng)中，匯氣排設(shè)計(jì)壓力為15MPa、4瓶位，并配有8套（乙炔/氫氣各4套）轉(zhuǎn)換接頭，可進(jìn)行不同原料氣的切換，系統(tǒng)中還包括安全泄壓裝置、壓力表。匯氣排經(jīng)軟管與置于戶外的鋼瓶和放空管道相連接。通過(guò)設(shè)置氮?dú)庵脫Q、放空及真空系統(tǒng)可對(duì)實(shí)驗(yàn)管路進(jìn)行氮?dú)庵脫Q、氮?dú)獗Ｗo(hù)及真空保護(hù)，增加系統(tǒng)的安全性。

表1 爆燃、爆轟測(cè)試混合氣體要求

1.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在阻爆燃、阻爆轟試驗(yàn)和耐燒試驗(yàn)中，需要對(duì)火焰的速度、壓力、溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。由于火焰?zhèn)鞑サ乃俣群芸欤詫?duì)傳感器部分和采集板卡的要求很高。本系統(tǒng)基于NI高性能的PXI Express平臺(tái)，配合以高精度、具有隔離性能的數(shù)據(jù)采集板卡，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度、應(yīng)變、電壓、電流等信號(hào)的準(zhǔn)確采集，同時(shí)保證了系統(tǒng)的安全性。借助NI LabVIEW圖形化編程環(huán)境完成連接測(cè)量與控制硬件、分析數(shù)據(jù)、顯示結(jié)果及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從而構(gòu)建適合測(cè)試測(cè)量的系統(tǒng)。同時(shí)，考慮到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的安全，系統(tǒng)控制器采用遠(yuǎn)程控制器。借助遠(yuǎn)程控制器，可以實(shí)現(xiàn)PC對(duì)PXI Express測(cè)量系統(tǒng)的控制，二者之間通過(guò)光纖連接，延展后最長(zhǎng)可達(dá)100m，實(shí)現(xiàn)PXI Express測(cè)量硬件與PC的電隔離。

傳感器部分主要包括：壓力傳感器、溫度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?。由于需要很快的反?yīng)速度，因此壓力傳感器和火焰速度傳感器都采用電壓信號(hào)，其中壓力傳感器為0～5V，火焰?zhèn)鞲衅鳛?～12V。溫度傳感器采用4～20mA的電流信號(hào)。

如果試驗(yàn)過(guò)程中有諸如信號(hào)類型變化、顯示圖表變化、存儲(chǔ)類型位置等變化，需要打開(kāi)對(duì)應(yīng)的程序框圖，如圖2所示?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語(yǔ)言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括配氣系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、流量測(cè)試系統(tǒng)及附件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于PXI 架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集終端、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度、火焰信號(hào)的準(zhǔn)確采集、處理，具有操作方便、界面簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)信號(hào)有效度高的特點(diǎn)。傳感器子系統(tǒng)包括壓力傳感器、溫度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳌；炫錃庀到y(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)控制混合氣體濃度、壓力，該裝置可以實(shí)現(xiàn)混氣濃度的自校準(zhǔn)功能，具有配氣精度高、速度快的特點(diǎn)。流量測(cè)試系統(tǒng)由氣源、儲(chǔ)氣罐、氣體流量計(jì)和U形壓力計(jì)組成。軟件系統(tǒng)包括開(kāi)發(fā)平臺(tái)Lab VIEW 2011和模塊驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用軟件等。

2.1 配氣系統(tǒng)

系統(tǒng)由4瓶位瓶裝氣體匯氣排、控制柜及儀表箱、真空及置換系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)混配氣輸出管線、靜態(tài)混配氣輸出管線組成，配氣裝置連接如圖3所示。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，采取4瓶位瓶裝氣體匯氣排形式供應(yīng)可燃?xì)猓ㄔ蠚猓?，不但可滿足靜態(tài)配氣氣量的需要，亦可滿足動(dòng)態(tài)試驗(yàn)氣量需要。真空、置換系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)配氣系統(tǒng)管道內(nèi)部的真空及置換，以避免不相關(guān)氣體的混入，從而保證混和氣精度不受影響?？刂葡到y(tǒng)采用質(zhì)量流量控制計(jì)和精密壓力傳感器兩種方式監(jiān)控。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括：主控計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集機(jī)箱，中央處理器，電壓數(shù)據(jù)采集板卡，溫度數(shù)據(jù)板卡。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。阻火器性能測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件各個(gè)模塊功能根據(jù)試驗(yàn)需求具有不同處理層次。在圖4中，給出了各個(gè)模塊的具體功能。

圖2 LabVIEW圖形編程語(yǔ)言程序

圖3 配氣裝置連接

圖4 試驗(yàn)裝置軟件功能結(jié)構(gòu)

2.4 程序流程

在阻火試驗(yàn)中，系統(tǒng)軟件對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、實(shí)時(shí)顯示，并記錄、處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化程序，以確定系統(tǒng)板卡工作正常，初始化流程如圖5所示。

在初始化流程結(jié)束后，進(jìn)入程序的靜態(tài)流程和動(dòng)態(tài)流程。靜態(tài)流程是確定數(shù)據(jù)采集任務(wù)、路徑以及文件頭地址等信息；動(dòng)態(tài)流程是采集傳感器數(shù)據(jù)，按路徑存到指定文件中，并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。具體過(guò)程如圖6和圖7所示。

圖5 系統(tǒng)初始化流程

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

依據(jù)TSG 7002—2006《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》、GB/T 13347—2010《石油氣體管道阻火器》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)阻火器性能測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)樣品采用DN150mm的管道阻火器，試驗(yàn)氣體采用體積濃度為4.2%、2.1%的丙烷/空氣混合物，分別進(jìn)行阻爆測(cè)試、耐燒測(cè)試。

測(cè)試內(nèi)容包括系統(tǒng)的配氣功能、火焰速度、管內(nèi)壓力及溫度測(cè)量、數(shù)據(jù)采集處理等特性，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖6 靜態(tài)流程

圖7 動(dòng)態(tài)流程

圖8 火焰測(cè)速傳感器信號(hào)

圖9 火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中壓力信號(hào)

其中，阻爆試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖8、圖9所示。圖8為火焰?zhèn)鞲衅餍盘?hào)，圖9為壓力傳感器信號(hào)?；鹧?zhèn)鞲衅?信號(hào)如圖8(a)所示，無(wú)火焰時(shí)信 號(hào)為均值為3V的電壓信號(hào)，有火焰通過(guò)時(shí)信號(hào)為均值為0V的電壓信號(hào)。火焰?zhèn)鞲衅?同樣也是如此，如圖8(b)。因此，這樣計(jì)算3V到0V的下降沿時(shí)間間距，就可以計(jì)算出火焰通過(guò)兩傳感器的 速度。

當(dāng)無(wú)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)去時(shí)，圖表中僅有點(diǎn)火時(shí)的干擾信號(hào)，如圖8(c)所示。曲線說(shuō)明傳感器位置無(wú)火焰通過(guò)。

在耐燒試驗(yàn)中，受保護(hù)側(cè)與未受保護(hù)側(cè)都安裝溫度傳感器，用來(lái)檢測(cè)耐燒試驗(yàn)過(guò)程中阻火單元的耐燒性能。對(duì)于一般的管道阻火器，如果火焰直接接觸到阻火單元，那么幾分鐘的時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生回火，圖10為丙烷/空氣混合氣體下管道阻火器的耐燒溫度曲線，可以看到當(dāng)阻火單元兩側(cè)的溫度相同 時(shí)阻火器失效。

圖10 丙烷-空氣混合氣體耐燒試驗(yàn)溫度曲線

表2 阻火器性能測(cè)試結(jié)果

4 主要關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

（1）設(shè)計(jì)滿足阻火性能測(cè)試需求的高精度混氣裝置 混合氣自動(dòng)配氣裝置由計(jì)算機(jī)，電氣控制部分，氣體濃度分析儀及配套閥門和管路組成。氣源經(jīng)減壓器和穩(wěn)壓器粗調(diào)再經(jīng)各調(diào)節(jié)閥控制，進(jìn)入混合器。計(jì)算機(jī)根據(jù)所要配混合氣各組成氣體的濃度比及各氣源氣體濃度，確定電氣控制參數(shù)，向執(zhí)行閥門發(fā)送控制信號(hào)，利用閥門的動(dòng)作，控制各組成氣體進(jìn)行混合的流量。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控配氣過(guò)程并記錄過(guò)程數(shù)據(jù)。控制程序根據(jù)濃度差異，調(diào)節(jié)電磁調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，變動(dòng)其通流面積，經(jīng)反饋控制進(jìn)行連續(xù)配氣。

（2）建立阻火器性能測(cè)試模型 參照國(guó)內(nèi)外阻火器性能測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選擇與阻火器管徑配套的管道連接。根據(jù)不同性能的檢測(cè)要求，通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法選定阻火器阻火單元前后的管道長(zhǎng)度。在適當(dāng)檢測(cè)位置安裝不同類型的傳感器，完成一定混合氣體流量下耐燒、回火、阻爆燃、阻爆轟、強(qiáng)度等性能測(cè)試的試驗(yàn)過(guò)程。

（3）檢測(cè)阻火單元前后混合氣體點(diǎn)火狀態(tài)，實(shí)時(shí)采集、記錄處理阻火性能試驗(yàn)數(shù)據(jù) 阻火器阻火單元前后安裝有火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅骱蛪毫鞲衅?。阻火單元附近的可燃?xì)怏w是否燃燒或燃燒充分，可以根據(jù)這3組傳感器數(shù)據(jù)綜合判斷?；鹧婕氨úǖ膫鞑ニ俣群捅_擊波壓力測(cè)試是一個(gè)典型的瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試過(guò)程。測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、放大器、連接電纜及數(shù)據(jù)記錄設(shè)備組成。

5 結(jié) 論

阻火器性能測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)自2011年開(kāi)始研制以來(lái)，完成了多次阻爆測(cè)試和耐燒測(cè)試，試驗(yàn)效果達(dá)到國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。建立阻火器完整的性能測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)阻火器阻爆燃、阻爆轟試驗(yàn)和耐燒試驗(yàn)等試驗(yàn)過(guò)程控制和記錄，并可保證試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)人員的安全。該項(xiàng)檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用將完善國(guó)內(nèi)對(duì)阻火器性能進(jìn)行完整檢測(cè)的現(xiàn)有技術(shù)，形成一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的阻火器性能測(cè)試系統(tǒng)。

該系統(tǒng)既可以滿足國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的檢測(cè)需要，也對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的安全使用提供可靠的檢測(cè)評(píng)價(jià)服務(wù)，滿足中國(guó)作為世界貿(mào)易組織（WTO）成員國(guó)對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國(guó)民待遇的要求。符合《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006—2020年）中關(guān)于發(fā)展公共安全事業(yè)和開(kāi)發(fā)工業(yè)運(yùn)輸設(shè)施安全關(guān)鍵技術(shù)研究的要求，完善了公共檢測(cè)服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)。

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