阻火器作為阻止可燃性氣體發(fā)生燃燒或者爆炸后繼續(xù)傳播的安全裝置，在化工礦山、煤礦運(yùn)等行業(yè)中被大量采用。阻火器的應(yīng)用范圍非常廣泛。阻火器的種類很多防爆阻火器是其中之一下面就對(duì)對(duì)阻火器的工作原理、分類、防爆設(shè)計(jì)及理論依據(jù)進(jìn)行分析說(shuō)明。

阻火器工作原理：阻火器原理阻火器是由能夠通過(guò)氣體的許多細(xì)小、均勻或不均勻的通道或孔隙的固體材質(zhì)所組成。火焰進(jìn)入阻火器后傳熱作用火焰進(jìn)入阻火器后被分成許多細(xì)小的火焰。由于通道或空隙的傳熱面積很大火焰通過(guò)通道壁進(jìn)行熱交換后,溫度下降,到一定程度時(shí)火焰即被熄滅。火焰能夠被熄滅的機(jī)理是傳熱作用和器壁效應(yīng)。

傳熱作用：火焰進(jìn)入阻火器后被分成許多細(xì)小的火焰流。由于通道或空隙的傳熱面積很大,火焰通過(guò)通道壁進(jìn)行熱交換后,溫度下降,到一定程度時(shí)火焰即被熄滅。根據(jù)英國(guó)羅卜爾對(duì)波紋型阻火器進(jìn)行的試驗(yàn)表明,當(dāng)把阻火器材料的導(dǎo)熱性提高460倍時(shí),其熄滅直徑(即火焰熄滅的通道直徑僅改變2.6%。這說(shuō)明材質(zhì)問(wèn)題是次要的,也就是說(shuō)傳熱作用是熄滅火焰的一種原因,但不是主要的原因。

(2)器壁效應(yīng)根據(jù)燃燒與爆炸連鎖反應(yīng)理論,認(rèn)為燃燒與爆炸現(xiàn)象不是分子間直接作用的結(jié)果,而是在外來(lái)能源(熱能、輻射能、電能、化學(xué)反應(yīng)能等)的激發(fā)下,使分子鍵受到破壞產(chǎn)生活性分子。這些具備反應(yīng)能力的活性分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí),首先分裂為十分活潑而壽命短促的自由基。自由基與其它分子相撞,生成新的產(chǎn)物,同時(shí)也產(chǎn)生新的自由基再繼續(xù)與其它分子發(fā)生反應(yīng)。易燃混合氣體自行燃燒爆炸的條件是:新產(chǎn)生的自由基數(shù)等于或大于消失的自由基數(shù)。隨著阻火器通道尺寸的減小,自由基與反應(yīng)分子之間碰撞的幾率隨之減少,而自由基與通道壁的碰撞幾率反而增加,這樣就促使自由基反應(yīng)降低。當(dāng)通道尺寸減小到某一數(shù)值時(shí),這種器壁效應(yīng)就造成了火焰不能繼續(xù)進(jìn)行的條件,火焰即被阻止。由此可知器壁效應(yīng)是阻火器阻止火焰?zhèn)鞑サ闹饕獧C(jī)理。

阻火器分類：

1、阻火器按照應(yīng)用類型可分為:

(1)阻爆轟型阻火器:用于阻止火焰以音速或超音速通過(guò)。

(2)阻爆燃型阻火器:用于阻止火焰以亞音速通過(guò)。

(3)耐燒型阻火器:用于阻止可燃?xì)怏w的燃燒火焰通過(guò),并能夠承受一定時(shí)間的火焰燃燒高溫。

(4)特殊用途阻火器:用于有特殊要求的設(shè)備上。

2、按結(jié)構(gòu)形式可分為:

(1)金屬網(wǎng)型阻火器。

(2)波紋型阻火器。

(3)泡沫金屬阻火器。

(4)平行板型阻火器。

(5)多孔板型阻火器。

(6)充填型阻火器。

(7)液封型阻火器。

阻火器的防爆設(shè)計(jì)及理論依據(jù)：阻火器主要分為外殼與阻火元件兩部分。其中阻火元件是阻火器的核心部件。本文主要探討有關(guān)阻火元件的設(shè)計(jì)。從阻火器防止火焰?zhèn)鞑サ脑砜梢灾?/span>,阻火器的防爆設(shè)計(jì)應(yīng)該主要基于其器壁效應(yīng),并同時(shí)考慮材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕等性能。根據(jù)器壁效應(yīng),當(dāng)通道窄到一定程度時(shí),自由基與器壁的碰撞占主導(dǎo)地位,自由基大量減少,燃燒反應(yīng)不能繼續(xù)進(jìn)行。對(duì)于通道的安全間隙值,在GB3836.11中規(guī)定:一定條件下(20℃、105MPa),在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)容器內(nèi),所有濃度的被試氣體或蒸氣空氣的混合物點(diǎn)燃后,通過(guò)25mm長(zhǎng)的接合面均不能點(diǎn)燃容器外爆炸性氣體混合物的容器外殼空腔兩部分之間的zui大間隙定義為zui大試驗(yàn)安全間隙(MESG)。不同的可燃?xì)怏w或蒸氣具有不同燃燒或爆炸特性,所以具有不同MESG值。需要指出的是,某一氣體的MESG值是確定的,它是該種氣體與空氣混合后,在zui易傳爆混合物濃度時(shí)測(cè)得的zui大試驗(yàn)安全間隙。根據(jù)MESG值的測(cè)試方法可知,針對(duì)某一氣體在某一濃度時(shí)有一個(gè)傳爆率為0%的zui大不傳爆間隙g0和一個(gè)傳爆率為的zui小傳爆間隙g100。改變氣體混合物濃度,在其所有濃度范圍內(nèi)測(cè)得一組g0值,其中的zui小值(g0)min即為該氣體的MESG值,該值對(duì)應(yīng)的混合物濃度即為這種氣體的zui易傳爆混合物濃度,此時(shí)其傳爆能力zui強(qiáng)。但在zui易傳爆混合物濃度之外的其它濃度時(shí)測(cè)得的g0值,以及在非標(biāo)準(zhǔn)容器或非標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度(25mm)通道上測(cè)得的g0值,在許多文獻(xiàn)上也將其稱為各對(duì)應(yīng)濃度時(shí)的zui大試驗(yàn)安全間隙(MESG),但是按照GB3836.11或IEC79-1A的規(guī)定,這種說(shuō)法是不準(zhǔn)確的。在本文中我們不妨沿用,但為方便讀者理解,將在使用非標(biāo)準(zhǔn)意義MESG時(shí)加下劃線以示區(qū)別。電工協(xié)會(huì)(IEC)按照各種氣體或蒸氣的MESG

值將其分為4個(gè)等級(jí)。如表1所示。

其中,目前有據(jù)可查的IIC級(jí)可燃?xì)怏w或蒸汽種類較少只有以下5種如表2所示：

這樣在設(shè)計(jì)阻火器時(shí),應(yīng)根據(jù)阻火器的使用環(huán)境,確定阻火器的通道長(zhǎng)度及間隙值。其值必須滿足預(yù)計(jì)使用的危險(xiǎn)場(chǎng)所內(nèi)存在的zui危險(xiǎn)(MESG值z(mì)ui小)的可燃?xì)怏w或蒸氣的安全要求,例如:(1)阻火器預(yù)計(jì)使用在某一特定的可燃?xì)怏w或蒸氣環(huán)境,如乙炔,通道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為25mm,則其通道間隙必須小于0.37mm。(2)阻火器預(yù)計(jì)使用在IIB級(jí)可燃?xì)怏w或蒸氣環(huán)境,通道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為25mm,則其通道間隙必須小于0.5mm。(3)阻火器預(yù)計(jì)使用在IIC級(jí)可燃?xì)怏w或蒸氣環(huán)境,通道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為25mm,則其通道間隙必須小于0.29mm。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,需根據(jù)制造工藝、加工精度等因素,以及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)要求,在設(shè)計(jì)時(shí)留有一定的安全裕量,例如采用適當(dāng)增加通道長(zhǎng)度或者減小間隙值的方法或者綜合采用。在實(shí)際應(yīng)用中,通常需要考慮阻火器應(yīng)用管路中對(duì)流阻的要求,因?yàn)楣I(yè)上期望使用低流阻且可以安全阻火的產(chǎn)品。間隙越小阻火性能就越好,但是流體通過(guò)阻力卻越大。所以在設(shè)計(jì)安全裕量時(shí),不能過(guò)分采用減小間隙值的做法。當(dāng)減小間隙值對(duì)管道流阻影響較大時(shí),即需要增加通道長(zhǎng)度,在保證阻火性能的前提下,間隙值不減小甚至可以加大。

可燃?xì)怏w或蒸氣混合物的MESG值隨著試驗(yàn)外殼法蘭寬度(即通道長(zhǎng)度)的減小而減小,直至某個(gè)zui小值,但不等于零;隨著試驗(yàn)外殼法蘭寬的的增加而增加,直至混合物的的臨界熄焰距離。在試驗(yàn)外殼法蘭寬度小于10mm的情況下,隨著法蘭寬度的增加,MESG值增加的很快;當(dāng)試驗(yàn)外殼法蘭寬度大于30mm時(shí),MESG值增加的比較緩慢尤其是氫氣。由此可知增加通道長(zhǎng)度對(duì)于增加阻火器的安全程度并不是一直有效的,設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮MESG、流阻等情況后確定阻火器的通道長(zhǎng)度和間隙。

上述理論是阻火器的設(shè)計(jì)依據(jù),而相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)阻火器的檢驗(yàn)方法也是基于上述理論。這些理論只能作為波紋型阻火器和平行板型阻火器的設(shè)計(jì)依據(jù)。對(duì)于金屬網(wǎng)型等其它結(jié)構(gòu)形式的阻火器,由于其通道長(zhǎng)度和間隙值的不確定性,無(wú)法參照這些理論得出通道長(zhǎng)度和間隙值進(jìn)行設(shè)計(jì),但是同樣適用于基于這些理論得出的檢驗(yàn)方法。阻火器防爆檢驗(yàn)方法：目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于煤炭行業(yè)的阻火器,主要依據(jù)AQ1074!2009煤礦瓦斯輸送管道干式阻火器通用技術(shù)條件等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造檢驗(yàn);應(yīng)用于石油及化工行業(yè)的阻火器,主要是依據(jù)GB13347和GB5908制造并檢驗(yàn);另有應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的阻火器,其制造檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是GB20800.1。另外由于GB20800修改采用EN1834,二者試驗(yàn)方法有所不同。

阻火器有關(guān)防爆性能方面的試驗(yàn)主要是:

(1)外殼強(qiáng)度試驗(yàn):檢驗(yàn)阻火器的外殼承壓能力,即在阻火器外殼上制造或模擬可能出現(xiàn)的zui大壓力并施加一定的安全系數(shù),以此證明阻火器外殼可以承受該壓力。

(2)內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn):檢驗(yàn)阻火器的阻爆性能,即在阻火器前端的封閉系統(tǒng)中制造一次可能出現(xiàn)的zui嚴(yán)重的爆炸,并以此證明,在這些條件下阻火器的隔爆外殼能承受住爆炸,且爆炸不會(huì)通過(guò)相關(guān)部件和阻火器傳到周圍環(huán)境中。

阻火器殼體強(qiáng)度試驗(yàn)：下面表3是上述標(biāo)準(zhǔn)隨針對(duì)阻火器外殼強(qiáng)度強(qiáng)度的試驗(yàn)方法的對(duì).

從上表可以看出AQ1074、GB13347和GB5908較多的考慮了阻火器外殼的使用壓力(如連接石油管道后的輸油壓力),而EN1834和GB20800.1更多考慮的是爆炸性氣體混合物的爆炸壓力。所以從防爆安全角度來(lái)講,個(gè)人認(rèn)為GB20800.1和EN1834的試驗(yàn)方法比較科學(xué)。但是其余標(biāo)準(zhǔn)中,除GB13347在設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa時(shí)以及GB5908規(guī)定的阻火器,試驗(yàn)壓力有可能小于GB20800和EN1834外(但是試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng),所以其安全系數(shù)并不低),其它試驗(yàn)均比GB20800.1和N1834嚴(yán)酷的多。所以EN1834和GB20800.1的防爆安全性能應(yīng)是合格的。內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn)：AQ1074、GB13347、GB5908中的阻火試驗(yàn)以及EN1834、GB20800.1中的內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn),其試驗(yàn)檢測(cè)目的不同,前者檢測(cè)是否有火焰?zhèn)鞒龌蛲獠繗怏w被點(diǎn)燃,主要要求阻火性能;后者檢測(cè)是否有火焰?zhèn)鞒霾⒁獠勘ㄐ詺怏w,主要要求阻火和防爆性能(內(nèi)部不傳爆)。但其理論基礎(chǔ)均是前文所述的MESG理論。

所以可以對(duì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法加以對(duì)比。

(1)試驗(yàn)裝置對(duì)比：

GB13347和GB5908中阻火試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置如圖1所示。

阻火試驗(yàn)方法:阻火器兩端均聯(lián)接管道形成封閉空腔,充以規(guī)定的爆炸性氣體混合物。在其中一端用電火花(A)點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物,點(diǎn)火之前打開(kāi)另一端的出氣閥門(mén)(E),用火焰探測(cè)器檢測(cè)這一端是否有火焰?zhèn)鞒龌驓怏w被點(diǎn)燃。EN1834及GB20800.1中的內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)是針對(duì)往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)用阻火器的,其它用途的阻火器可據(jù)情參考借用。

(2)試驗(yàn)方法對(duì)比:表4是有關(guān)阻火器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)阻火及內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)方法的對(duì)比。

注:1)AQ1074規(guī)定:按甲烷和空氣的理論當(dāng)量比配入天然氣。筆者尚未查出該理論當(dāng)量比的具體數(shù)值。天然氣中甲烷含量約為96%,在甲烷的爆炸極限(4.4%~17%)之外。此處暫以甲烷的zui易傳爆濃度8.2%代替。2)查GB3836.11可知,C3H8的zui易傳爆濃度為4.2%。表中的濃度范圍包括了該zui易傳爆濃度,故其zui大試驗(yàn)安全間隙為標(biāo)準(zhǔn)MESG。下同。

3)此安全系數(shù)為針對(duì)#A類爆炸性氣體混合物的安全系數(shù)。GB5908為明確規(guī)定所涉及的阻火器用于IIA環(huán)境,但石油儲(chǔ)罐、管道及其周圍存在的爆炸性氣體,絕大部分可以歸為IIA類。下同。

4)IIC類設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)施加安全系數(shù)的方法是加大設(shè)備的隔爆間隙或增加試驗(yàn)初始?jí)毫Α?/span>GB20800.1并未按照GB3836.2中的相關(guān)規(guī)定加大間隙或增加初壓,所以其安全系數(shù)為1。

5)IIC類電氣設(shè)備除用MESG值較小的H2做*次試驗(yàn)外,為了防止C2H2不*燃燒而產(chǎn)生的碳,通過(guò)接合面噴出而點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物,需用C2H2做第二次試驗(yàn)。

另外在SH/3413/1999石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗(yàn)及驗(yàn)收中規(guī)定石油氣管道阻火器的檢驗(yàn)方法和GB13347一致,但該標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定僅適用于IIA級(jí)烴類爆炸性氣體混合物的輸送系統(tǒng)、氣體回收系統(tǒng)和氣體放空系統(tǒng)的阻火器。從上表可以看出,除GB20800.1外,大部分阻火器的試驗(yàn)安全系數(shù)都約為1。GB20800.1修改采用EN1834,在阻火器試驗(yàn)方法上,未采用EN1834,但亦未*參照GB3836.2。如表5所示。