劉寧寧* 劉利利 張 雪

（1.徐州八方安全設(shè)備有限公司 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)）

0 引言

隨著工業(yè)快速發(fā)展，可燃性介質(zhì)在生產(chǎn)、運(yùn)輸和存放過(guò)程中因意外泄漏或其他原因?qū)е碌娜紵ㄊ鹿室仓鹉暝龆?，因此，抑制管道?nèi)火焰蔓延的安全裝置已成為安全技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。

阻火器是一種允許氣體通過(guò)但可以阻止外部火焰進(jìn)入存有易燃易爆介質(zhì)的設(shè)備和管道，或阻止火焰在設(shè)備和管道之間蔓延的安全裝置[1]。近年來(lái)，阻火器在石油、化工、天然氣等行業(yè)被廣泛使用，保證阻火器的阻火、抗爆性能，降低管道壓力損失，提高阻火器的可靠性對(duì)生產(chǎn)安全具有重要的意義[2-3]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，阻火器的性能試驗(yàn)內(nèi)容包括阻火性能（包括阻爆燃和阻爆轟）、耐燒性能、壓力損失及通氣量等。其相關(guān)檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)較發(fā)達(dá)的國(guó)家已建立了相對(duì)完整的理論體系和技術(shù)規(guī)范。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究者在自主研發(fā)方面也取得了較大的進(jìn)展，但在阻爆轟性能試驗(yàn)、壓力損失及通氣量試驗(yàn)方面的研究還不完整、不全面[4]，尤其是在壓力損失及通氣量性能方面的研究，國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有相關(guān)的理論體系。本文針對(duì)這一問(wèn)題，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO16852，結(jié)合目前的實(shí)際情況自主研發(fā)出適用于管道阻火器的阻火性能、管端阻火器壓降-通氣量的試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試阻火器的阻火性能與壓降-通氣量關(guān)系，為阻火器的設(shè)計(jì)選型提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 測(cè)試系統(tǒng)

結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，研制出了一套集電控點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)火焰速度、壓力、通氣量等參數(shù)進(jìn)行采集、記錄與分析，得到阻火器的相關(guān)性能參數(shù)，從而判斷阻火器的各項(xiàng)性能參數(shù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并能夠根據(jù)用戶的實(shí)際使用工況迅速確定阻火器的類型及結(jié)構(gòu)尺寸。

1.1 阻火性能測(cè)試

1.1.1 系統(tǒng)研制

阻火器的阻火原理共兩點(diǎn)：一是傳熱作用，二是器壁效應(yīng)。阻火器的主要部件是能夠通過(guò)氣體且具有許多細(xì)小通道或縫隙的固體材質(zhì)組成的阻火元件。當(dāng)火焰經(jīng)過(guò)阻火元件時(shí)，被阻火元件分成許多細(xì)小的火焰流，由于傳熱作用和器壁效應(yīng)，火焰流能量被降低從而熄滅。而阻火元件的孔隙大小是決定火焰是否能被熄滅的一個(gè)重要因素，國(guó)際上將在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下（大氣壓0.1 MPa，20 ℃），剛好使火焰不能通過(guò)的狹縫寬度定義為最大試驗(yàn)安全間隙（MESG）。

ISO16852 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于爆燃和爆轟試驗(yàn)混合物的MESG 值、氣體類型等要求，如表1 所示。本文通過(guò)氣體分析儀檢測(cè)管道中混合氣體的氣體體積比，確保滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 用于爆燃和爆轟試驗(yàn)的氣體-空氣混合物標(biāo)準(zhǔn)

阻火器阻火性能測(cè)試系統(tǒng)主要由配氣系統(tǒng)、電火花點(diǎn)火裝置、管道系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、信號(hào)采集卡、高速攝像機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、配電及安全系統(tǒng)及附件組成，如圖1 所示。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，點(diǎn)火源與阻火器之間的安裝距離Lu需足以產(chǎn)生穩(wěn)定的爆轟，也可以在未受保護(hù)側(cè)增加擾動(dòng)裝置，增大火焰加速度。受保護(hù)側(cè)管道長(zhǎng)度Lp為10D（D為管道直徑），且不小于3 m，并在管端安裝盲法蘭。在未受保護(hù)側(cè)安裝有4 支火焰?zhèn)鞲衅骱? 支壓力傳感器用于檢測(cè)火焰速度和壓力，在保護(hù)側(cè)安裝有1 支火焰?zhèn)鞲衅饔糜谂袛嘧杌鹪囼?yàn)是否成功。

圖1 阻火器阻火性能測(cè)試裝置

可視化界面可通過(guò)LabVIEW 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，借助LabVIEW 圖形化編程環(huán)境完成連接測(cè)量、控制硬件、分析數(shù)據(jù)、顯示測(cè)試結(jié)果、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放等功能。

1.1.2 測(cè)試結(jié)果分析間隔。圖2 e）所示為阻火器后端（受保護(hù)側(cè)）的火焰?zhèn)鞲衅餍盘?hào)，圖中顯示僅存在點(diǎn)火后的干擾信號(hào)，說(shuō)明此處無(wú)火焰通過(guò)，阻火器阻火成功。圖3 所示為阻火器前端（未受保護(hù)側(cè)）的壓力傳感器信號(hào)，圖3中為未濾波信號(hào)（防止瞬時(shí)有效數(shù)據(jù)丟失），根據(jù)最大電壓幅值以及電壓值范圍（0～5 V，2 MPa）即可計(jì)算出火焰通過(guò)傳感器時(shí)的最大壓力值。

圖2 火焰?zhèn)鞲衅餍盘?hào)

圖3 壓力傳感器6信號(hào)

1.2 壓力損失與通氣量測(cè)試

1.2.1 系統(tǒng)研制

阻火元件是細(xì)小致密的結(jié)構(gòu)，當(dāng)介質(zhì)通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的壓力損失。壓力損失值與阻火器的結(jié)構(gòu)、尺寸、阻火元件孔隙的尺寸、阻火元件的層數(shù)等有著密切的關(guān)系。如果壓力損失較大，而通氣量很小甚至低于生產(chǎn)工藝要求，將會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成一定的影響，甚至可能會(huì)造成設(shè)備的損壞（通氣量過(guò)小會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生負(fù)壓而導(dǎo)致設(shè)備遭受真空破壞）。因此，除了阻火性能測(cè)試，還需進(jìn)行壓力損失-通氣量測(cè)試，得到測(cè)試條件下的壓降-流量關(guān)系，分析出在標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓降-流量關(guān)系，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13347—2010《石油氣體管道阻火器》計(jì)算出阻力系數(shù)，得到不同型號(hào)、尺寸、爆炸組別的阻火器的壓降-流量曲線圖，為確定阻火器的結(jié)構(gòu)、尺寸提供依據(jù)。

壓力損失與通氣量試驗(yàn)系統(tǒng)由供風(fēng)源（風(fēng)機(jī)）、連接管道、耐壓儲(chǔ)罐（用于管端阻火器）、被測(cè)阻火器、流量計(jì)、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等組成。風(fēng)機(jī)用于提供風(fēng)源，阻火器前端安裝1 個(gè)流量計(jì)，儲(chǔ)罐上安裝1 個(gè)壓力傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)流量和壓力，如圖4 所示。

圖4 管端阻火器壓力損失與通氣量測(cè)試系統(tǒng)

1.2.2 測(cè)試結(jié)果分析

本文采用管端阻火器進(jìn)行壓力損失與通氣量測(cè)試，試驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

表2 阻火器試驗(yàn)參數(shù)表

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將大氣條件轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（大氣壓為101.3 kPa，溫度為0 ℃），通過(guò)MATLAB 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到如圖5 所示的流量-壓降曲線圖，由于阻火器的壓力損失與阻火元件的孔隙尺寸、阻火元件的厚度、阻火器的結(jié)構(gòu)等有關(guān)，爆炸組別ⅡB3 的阻火器阻火元件的孔隙小于爆炸組別ⅡA的阻火器，當(dāng)阻火器的尺寸、結(jié)構(gòu)、流量不變時(shí)，前者的壓力損失大于后者；對(duì)于爆炸組別相同的阻火器，當(dāng)阻火器的結(jié)構(gòu)、壓降不變時(shí)，尺寸增大，流量也隨之增大。但也存在不同情況，當(dāng)阻火元件的厚度、阻火器的結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變時(shí)，其尺寸增大，壓力損失也可能增大，流量反而減小，這與使用工況和結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)實(shí)際使用工況即可確定阻火器的類型、結(jié)構(gòu)、尺寸等參數(shù)。例如阻火器爆炸組別為ⅡA，所需流量為600 Nm3/h，最大允許壓降為600 Pa，查曲線圖可知DN250 mm 的管道滿足要求，從而初步確定阻火器的尺寸。

圖5 流量-壓降試驗(yàn)曲線

2 結(jié)論

本文提出了阻火器性能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)自研制成功之后，進(jìn)行了多次阻火器性能試驗(yàn)，保證了試驗(yàn)場(chǎng)地和試驗(yàn)人員的安全，確保阻火器阻火性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。壓力損失與通氣量試驗(yàn)系統(tǒng)不僅可用于阻火器的通氣量試驗(yàn)，而且可用于呼吸閥、阻火呼吸閥等安全泄壓裝置的通氣量試驗(yàn)，應(yīng)用范圍更廣泛，為產(chǎn)品的研發(fā)測(cè)試及性能分析提供了有力的判定依據(jù)。但是該系統(tǒng)仍然存在一些需要改進(jìn)的地方，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)不斷改進(jìn)、不斷完善，得到更穩(wěn)定、更可靠性的在線測(cè)試系統(tǒng)是今后需要繼續(xù)努力的方向。