王一寧， 王志榮， 馬衛(wèi)東， 葉有俊， 劉垂鵬， 陳文濤

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院， 江蘇 南京 210000；2.南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816；3.武漢理工大學(xué) 中國(guó)應(yīng)急管理研究中心， 湖北 武漢 430070；4.中國(guó)職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)， 北京 100011)

國(guó)內(nèi)外的化工運(yùn)輸及生產(chǎn)環(huán)節(jié)頻繁涉及可燃、易燃?xì)怏w或液體，預(yù)防及阻止其發(fā)生火災(zāi)爆炸是安全生產(chǎn)的重點(diǎn)考慮因素。阻火器是利用國(guó)內(nèi)外相對(duì)完善的阻火理論制成的阻火預(yù)防設(shè)備，被應(yīng)用于各行業(yè)中。19世紀(jì)初的淬熄規(guī)律研究主要用于解決礦井爆炸問(wèn)題，之后進(jìn)行了更深層次的阻火理論研究，包括不同氣體、不同火焰速度的淬熄理論以及直接使用阻火器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分析[1]。實(shí)驗(yàn)中所用的平行板狹縫裝置類(lèi)似于阻火器，擁有阻火器的冷壁效應(yīng)，導(dǎo)致火焰在狹縫中淬熄，冷壁效應(yīng)是爆燃火焰通過(guò)阻火器而發(fā)生淬熄的主要因素[2]。一般的波紋板阻火器主要用于爆燃火焰的阻火，而在眾多的火災(zāi)事故中，大部分燃燒均經(jīng)歷爆燃轉(zhuǎn)爆轟(DDT)過(guò)程，所以對(duì)于阻火理論的研究應(yīng)該由爆燃空間上升到爆轟空間，加深爆轟理論的研究[3-5]。爆轟產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c爆燃產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔辛考?jí)差別，提出爆轟安全阻火速度的計(jì)算方法可以為阻火器的設(shè)計(jì)選型及測(cè)試提供更為準(zhǔn)確的參考依據(jù)。Roussakis和Lapp[6]提出一種阻火器測(cè)試方法，此方法考慮了阻火器保護(hù)側(cè)的流量限制對(duì)阻火器性能的影響。

阻火性能測(cè)試是保證阻火器阻火性能的重要措施，我國(guó)關(guān)于阻火器及阻火器性能測(cè)試的研究雖然較晚，但也取得了不少阻火器性能測(cè)試系統(tǒng)的研究成果[7-9]。目前國(guó)內(nèi)外使用的阻火器阻火性能測(cè)試裝置基本都是指定一特定氣體或在一定環(huán)境下使用，而且大部分集中于火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的研究。本文設(shè)計(jì)并建立了一套石油氣體管道阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)，此測(cè)試系統(tǒng)滿(mǎn)足當(dāng)前國(guó)內(nèi)外阻火器阻火性能測(cè)試要求，而且克服了特定條件下阻火性能規(guī)律研究的局限性，適用于各種阻爆燃和阻爆轟阻火器的測(cè)試及多方面的阻火性能研究。

1 國(guó)內(nèi)外阻火器阻火性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及要求

ISO 16852—2008《Flame Arresters—Performance Requirements，Test Methods and Limits for Use》[10]對(duì)阻火器的使用方法及材質(zhì)選取進(jìn)行了限定。歐洲標(biāo)準(zhǔn) BS EN 12874—2001《Flame Arresters — Performance Requirements，Test Methods and Limits for Use》[11]規(guī)定了阻火器性能要求、試驗(yàn)方法和使用極值。美國(guó)石油組織也有對(duì)各類(lèi)阻火器保養(yǎng)、使用、實(shí)驗(yàn)等的條例要求。GB 5908—2005《石油儲(chǔ)罐阻火器》[12]適用于原油、汽油和煤油等輕質(zhì)油品儲(chǔ)罐上安裝的石油儲(chǔ)罐阻火器性能的評(píng)定和試驗(yàn)，GB 13347—2010《石油氣體管道阻火器》[13]適用于石油氣體管道阻火器的評(píng)定和試驗(yàn)。除此之外，還有SH/T 3413—1999《石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗(yàn)及驗(yàn)收》[14]、HG/T 20570.19—95《阻火器的設(shè)置》[15]等標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)主要是由高等院校及特檢機(jī)構(gòu)對(duì)阻火器可燃?xì)怏w的阻火、耐燒等性能進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，研究可燃?xì)怏w的爆燃、爆轟規(guī)律。

德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中要求對(duì)體積大于1 m3的儲(chǔ)罐上的阻火器必須進(jìn)行2 h的耐燒試驗(yàn)，且試驗(yàn)介質(zhì)需為除氫氣和乙炔外的其他可燃?xì)怏w。日本標(biāo)準(zhǔn)中明確要求必須使用己烷作為試驗(yàn)介質(zhì)對(duì)石油儲(chǔ)罐阻火器進(jìn)行耐燒性能和阻爆性能測(cè)試。前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中要求在進(jìn)行阻火器的阻爆性和耐燒性等測(cè)試時(shí)，需采用阻火器使用介質(zhì)作為試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。英國(guó)阻火器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中要求對(duì)石油儲(chǔ)罐阻火器進(jìn)行連續(xù)10次阻爆試驗(yàn)才能確定其阻火性能，并且對(duì)不同環(huán)境下的耐燒測(cè)試時(shí)間要求不同，應(yīng)用于地面上的阻火器需要2 h耐燒測(cè)試且無(wú)回火，應(yīng)用于油船上的阻火器則只需1 h的耐燒測(cè)試且無(wú)回火[16-17]。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中要求的連續(xù)試驗(yàn)次數(shù)比英國(guó)阻火器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的最低要求至少多3次，每次試驗(yàn)要保證火焰、火花無(wú)法通過(guò)阻火器，出口管線(xiàn)高于進(jìn)口管線(xiàn)且需安裝隔膜，便于排除易燃、易爆介質(zhì)[18]。

2 阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方案

2.1 阻火性能測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

目前各行業(yè)使用的阻火器種類(lèi)較多[19-25]，型號(hào)各異，質(zhì)量參差不齊。為了驗(yàn)證管道阻火器的阻火性能，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)加工了一套石油氣體管道阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)，其試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 石油氣體管道阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)裝置示圖

阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)全長(zhǎng)7 m，整個(gè)管道采用16MnⅢ鑄造，設(shè)計(jì)壓力為10 MPa。以中間阻火器為分界，前端為引爆段裝置，后端為保護(hù)段裝置，引爆段管道長(zhǎng)4 m，保護(hù)段和引爆段的管道內(nèi)徑均為50 mm。引爆段裝置兩端焊接法蘭面，并配備了相應(yīng)的盲板，管道底部安裝有2個(gè)底座進(jìn)行支撐。引爆段裝置的作用主要是引爆管道內(nèi)的可燃預(yù)混氣體并對(duì)火焰進(jìn)行加速，管道上有點(diǎn)火器安裝孔、進(jìn)氣孔以及火焰?zhèn)鞲衅骱蛪毫鞲衅鞯陌惭b孔等，孔徑均為M20×1.5。保護(hù)段裝置兩端焊接法蘭面，管道底部安裝有2個(gè)底座進(jìn)行支撐。保護(hù)段裝置的作用主要是查看火焰穿過(guò)阻火器后的狀況，管道上有火焰?zhèn)鞲衅靼惭b孔和出氣孔，孔徑規(guī)格為M20×1.5。

波紋型阻火器能阻止爆燃的猛烈火焰，并承受相應(yīng)的機(jī)械和熱力作用，流動(dòng)阻力小，易于清洗和更換，因此測(cè)試試驗(yàn)中選用了DN50 mm、壓力0.6 MPa的ZGB-1波紋型阻爆燃型阻火器及DN50 mm、壓力1.6 MPa的GZJII型阻爆轟型阻火器。測(cè)試試驗(yàn)中使用的其他儀器主要有RCS2000-B型配氣儀、2X-8GA型真空泵、DA-7型雙螺桿空壓機(jī)、HM90H2-2-V2-F10-W2型高頻壓力變送器、CKG100型火焰?zhèn)鞲衅?。點(diǎn)火裝置為Kanthal耐高溫合金點(diǎn)火桿+KTD-A型可調(diào)節(jié)高能點(diǎn)火器，壓力信號(hào)采用DEWESoft公司生產(chǎn)的DEWESoftTM型數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集，火焰信號(hào)采用成都泰斯特電子信息有限公司生產(chǎn)的TST6300型動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。

2.2 阻火性能測(cè)試方案

為了驗(yàn)證管道阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，選取DN50 mm的測(cè)試管道，采用甲烷-空氣預(yù)混氣體，根據(jù)阻火性能測(cè)試要求，分別進(jìn)行13組阻爆燃及阻爆轟測(cè)試[26]。

整個(gè)阻火性能測(cè)試系統(tǒng)中安裝了4個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)引爆段的火焰速度以及保護(hù)段的火焰速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，安裝1個(gè)壓力傳感器對(duì)初始?jí)毫M(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)試時(shí)先將整個(gè)阻火性能測(cè)試系統(tǒng)抽真空至-0.1 MPa，再通過(guò)自動(dòng)配氣系統(tǒng)向測(cè)試系統(tǒng)中充入甲烷-空氣預(yù)混氣體至0.1 MPa，靜置1 min，然后通過(guò)點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火，通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅鞑杉鹧嫘盘?hào)。

3 阻火器阻火性能測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 阻爆燃測(cè)試

使用管道阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)ZGB-1波紋型阻爆燃型阻火器進(jìn)行了13組測(cè)試試驗(yàn)，第1組測(cè)試試驗(yàn)得到的不同火焰?zhèn)鞲衅鞯碾妷?時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 第1組阻爆燃測(cè)試試驗(yàn)中不同火焰?zhèn)鞲衅鞯碾妷?時(shí)間曲線(xiàn)

分析圖2可以知道，1號(hào)火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)到的火焰到達(dá)時(shí)間為3.227 s，2號(hào)火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)到的火焰到達(dá)時(shí)間為3.349 s，3號(hào)火焰?zhèn)鞲衅骱?號(hào)火焰?zhèn)鞲衅鳑](méi)有監(jiān)測(cè)到火焰信號(hào)。根據(jù)DN50 mm管道上各火焰?zhèn)鞲衅髦g的距離計(jì)算得到1號(hào)火焰?zhèn)鞲衅骱?號(hào)火焰?zhèn)鞲衅髦g的火焰平均傳播速度為3.6 m/s。

從上述分析可以看出，火焰在引爆段的傳播速度小于聲速，為爆燃傳播，且3號(hào)火焰?zhèn)鞲衅骱?號(hào)火焰?zhèn)鞲衅骶幢O(jiān)測(cè)到火焰信號(hào)，因此第1組阻爆燃試驗(yàn)結(jié)果有效。同理分析其余12組試驗(yàn)的電壓-

時(shí)間曲線(xiàn)，計(jì)算得到的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹槊棵霂酌字翈资祝媳紶顟B(tài)速度特征，火焰通過(guò)阻火器后均未監(jiān)測(cè)到火焰信號(hào)，證明阻火器性能合格。設(shè)計(jì)的阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)能夠配合阻火器完成阻爆燃試驗(yàn)，阻爆燃性能測(cè)試可靠有效。

3.2 阻爆轟測(cè)試

相比于阻爆燃型阻火器的性能測(cè)試，阻爆轟型阻火器的性能測(cè)試要求更加嚴(yán)格。選用GZJII型阻爆轟型阻火器進(jìn)行13組阻爆轟阻火性能測(cè)試，第1組阻爆轟試驗(yàn)得到的不同火焰?zhèn)鞲衅鞯碾妷?時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 第1組阻爆轟測(cè)試試驗(yàn)中不同火焰?zhèn)鞲衅鞯碾妷?時(shí)間曲線(xiàn)

分析圖3可以知道，1號(hào)火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)到的火焰到達(dá)時(shí)間為13.392 s，2號(hào)火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)到的火焰到達(dá)時(shí)間為13.393 s，3號(hào)火焰?zhèn)鞲衅骱?號(hào)火焰?zhèn)鞲衅鞫紱](méi)有監(jiān)測(cè)到火焰信號(hào)。根據(jù)DN50 mm管道上各火焰?zhèn)鞲衅髦g的距離計(jì)算出1號(hào)火焰?zhèn)鞲衅骱?號(hào)火焰?zhèn)鞲衅髦g的火焰平均傳播速度為400 m/s。

從上述分析可以看出，火焰在引爆段的傳播速度大于聲速，為爆轟傳播，且3號(hào)火焰?zhèn)鞲衅骱?號(hào)火焰?zhèn)鞲衅骶幢O(jiān)測(cè)到火焰信號(hào)，因此第1組阻爆轟試驗(yàn)結(jié)果有效。經(jīng)過(guò)13次的阻爆轟試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，引爆段內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣染_(dá)到幾百米每秒，符合爆轟狀態(tài)速度特征，火焰通過(guò)阻火器后，3號(hào)和4號(hào)火焰?zhèn)鞲衅骶鶝](méi)有監(jiān)測(cè)到火焰信號(hào)，說(shuō)明阻火器能夠成功阻止爆轟狀態(tài)下的火焰在管道內(nèi)的傳播，證明阻火器性能合格。設(shè)計(jì)的阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)能夠配合阻火器完成阻爆轟試驗(yàn)，阻爆轟性能測(cè)試可靠有效。

4 結(jié)語(yǔ)

自行設(shè)計(jì)加工了一種系統(tǒng)性的石油氣體管道阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)，制定了相應(yīng)的測(cè)試方案，并采用此測(cè)試裝置進(jìn)行了管道阻火器阻火性能測(cè)試。在阻爆燃測(cè)試中，引爆段發(fā)生爆燃，保護(hù)段無(wú)火焰信號(hào)，說(shuō)明此系統(tǒng)可應(yīng)用于阻爆燃性能測(cè)試。在阻爆轟測(cè)試中，監(jiān)測(cè)到引爆段火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到爆轟范圍，保護(hù)段仍無(wú)火焰信號(hào)，說(shuō)明此系統(tǒng)在阻爆轟性能測(cè)試中亦可有效使用。測(cè)試試驗(yàn)證明，該石油氣體管道阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)較為完整，阻火性能測(cè)試可靠有效。