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阻火器防爆設(shè)計及防爆檢驗方法探討

文檔作者：張朋，張松，馬秋菊，董凱文檔來源：南陽防爆電氣研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月08日
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阻火器防爆設(shè)計及防爆檢驗方法探討 《電氣防爆》2011，3
阻火器防爆設(shè)計及防爆檢驗方法探討
張朋，張松，馬秋菊，董凱
(南陽防爆電氣研究所，河南南陽473008)
[關(guān)鍵詞]阻火器；阻火(阻爆)原理；爆炸性環(huán)境；防爆設(shè)計；檢驗方法
[摘要]本文分析了阻火器的阻火(防爆)原理，通過阻火器使用環(huán)境中所存在的爆炸性
危險氣體的MESG(最大試驗安全間隙)值來確定阻火器的火焰通道長度和間隙。并且基于
MESG理論的阻火器防爆檢驗原理以及國內(nèi)外阻火器相關(guān)標準對阻火器防爆試驗方法進行了
對比。
[中圖分類號]TE83 [文獻標識碼]A [文章編號]1004—9ll8(2011)o3—0O4O一05
Approach on Desi and Test Method Related to Exploaon Protection for A Flame All'ester
ZHANG Peng，ZHANG Song，MA Qiu—jU，D0NG Kai
(Nanyang Explosion Protected E~ctricd Apparatus Research Insitute，ttenan Nanyang 473008)
Key words：flame aft'ester；fire retardant(against explosion) nciCe；=plosive environments；explosion protection
design；testing method
Al~ract：Based on the ana／yses for the principle ofa flame afester，it gives the fundamental thought in design ofa
flam e arrester，thatis，theflame passagelength and gap 0fthe attester eaR be determined bythemax exerimental safety gap
0fthe gases present in the baT~rdous environment where it is in service．Furthermore，it also analysis the testing principle on
the flame attester based on the麟theory．makes eomparson between the test procedures for the flame attesters in rele—
vant standards both here and abroad．
0 引言 1 阻火器原理及分類
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、水
運等行業(yè)中被大量采用。阻火器的應用范圍很
廣，例如：
輸送易燃可燃氣體的管道；
儲存石油及石油產(chǎn)品的油罐；
有爆炸危險系統(tǒng)的通風管口；
油氣回收系統(tǒng)；
內(nèi)燃機進排氣系統(tǒng)；
火炬系統(tǒng)。
阻火器的種類很多，防爆阻火器是其中之一。
本文提出一些對阻火器防爆設(shè)計及防爆檢驗的看
法。
I．1 阻火器原理
阻火器是由能夠通過氣體的許多細小、均勻
或不均勻的通道或孔隙的固體材質(zhì)所組成?；鹧?
進入阻火器后，被分成許多細小的火焰流而被熄
滅?；鹧婺軌虮幌绲臋C理是傳熱作用和器壁效
應。
(1)傳熱作用
火焰進入阻火器后被分成許多細小的火焰
流。由于通道或空隙的傳熱面積很大，火焰通過
通道壁進行熱交換后，溫度下降，到一定程度時火
焰即被熄滅。根據(jù)英國羅卜爾(M．Roper)對波紋
型阻火器進行的試驗表明，當把阻火器材料的導
熱性提高460倍時，其熄滅直徑(即火焰熄滅的通
[收稿日期]2011—07—15
[作者簡介]張朋，男，1982年生，2004年畢業(yè)于河南科技大學，現(xiàn)主要從事防爆電氣設(shè)計工作。
《電氣防爆》2011，3 阻火器防爆設(shè)計及防爆檢驗方法探討 41
道直徑)僅改變2．6％。這說明材質(zhì)問題是次要
的，也就是說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
根據(jù)燃燒與爆炸連鎖反應理論，認為燃燒與
爆炸現(xiàn)象不是分子間直接作用的結(jié)果，而是在外
來能源(熱能、輻射能、電能、化學反應能等)的激
發(fā)下，使分子鍵受到破壞，產(chǎn)生活性分子。這些具
備反應能力的活性分子發(fā)生化學反應時，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，同時也產(chǎn)生新的自由
基再繼續(xù)與其它分子發(fā)生反應。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
促使自由基反應降低。當通道尺寸減小到某一數(shù)
值時，這種器壁效應就造成了火焰不能繼續(xù)進行
的條件，火焰即被阻止。由此可知，器壁效應是阻
火器阻止火焰?zhèn)鞑サ闹饕獧C理。
1．2 阻火器分類
阻火器按照應用類型可分為：
(1)阻爆轟型阻火器：用于阻止火焰以音速或
超音速通過。
(2)阻爆燃型阻火器：用于阻止火焰以亞音速
通過。
(3)耐燒型阻火器：用于阻止可燃氣體的燃燒
火焰通過，并能夠承受一定時間的火焰燃燒高溫。
(4)特殊用途阻火器：用于有特殊要求的設(shè)備
上。
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。
2 阻火器的防爆設(shè)計及理論依據(jù)
阻火器主要分為外殼與阻火元件兩部分。參
考文獻[4l及參考文獻[5]均規(guī)定，阻火器的外殼
及其與阻火元件的連接部分應符合參考文獻[2]
的規(guī)定(注：參考文獻[5]的規(guī)定是應符合
GB l336—77，該標準隨后被GB 3836．2—83替代，
隨后又被參考文獻[2]替代)，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。
從阻火器防止火焰?zhèn)鞑サ脑砜梢灾?，?
火器的防爆設(shè)計應該主要基于其器壁效應，并同
時考慮材質(zhì)的機械強度和耐腐蝕等性能。
根據(jù)器壁效應，當通道窄到一定程度時，自由
基與器壁的碰撞占主導地位，自由基大量減少，燃
燒反應不能繼續(xù)進行。對于通道的安全間隙值，
在GB 3836．11中規(guī)定：一定條件下(20℃、105
脅)，在標準試驗容器內(nèi)，所有濃度的被試氣體
或蒸氣空氣的混合物點燃后，通過25 mill長的接
合面均不能點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最大間隙定義為最大試驗
安全間隙(MESG)。
不同的可燃氣體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MF_SG值是確定的，它是該種氣體與空
氣混合后，在最易傳爆混合物濃度時測得的最大
試驗安全間隙。根據(jù)MF_SG值的測試方法可知，
針對某一氣體在某一濃度時有一個傳爆率為0％
的最大不傳爆間隙go和一個傳爆率為100％的最
小傳爆間隙gl。。。改變氣體混合物濃度，在其所有
濃度范圍內(nèi)測得一組go值，其中的最小值(助)
即為該氣體的MESG值，該值對應的混合物濃度
即為這種氣體的最易傳爆混合物濃度，此時其傳
爆能力最強。
但在最易傳爆混合物濃度之外的其它濃度時
測得的go值，以及在非標準容器或非標準長度
(25 mm)通道上測得的go值，在許多文獻上也將
其稱為各對應濃度時的最大試驗安全間隙
(MESG)，但是按照GB 3836．11或ⅢC 79一lA的
規(guī)定，這種說法是不準確的。在本文中我們不妨
沿用，但為方便讀者理解，將在使用非標準意義
MESG時加下劃線以示區(qū)別。
國際電工協(xié)會(IEC)按照各種氣體或蒸氣的
MESG值將其分為4個等級。如表l所示。
其中，目前有據(jù)可查的ⅡC級可燃氣體或蒸
42 阻火器防爆設(shè)計及防爆檢驗方法探討 《電氣防爆》2011，3
氣種類較少，只有以下5種，如表2所示。
表1 可燃氣體或蒸氣MESG分級表
可燃氣體或蒸氣分級 MESG值／mm
I(CH4) MESG=1．14
ⅡA MESG~>0．9
ⅡB 0．9>MESG~>0．5
ⅡC MESG≤O．5
表2 1IC級可燃氣體或蒸氣
可燃氣體或蒸氣名稱 分子式 MESG值／mm
氫 H2 O．29
乙炔 H2 O．37
二硫化碳 CS2 0．34
二乙基二氯硅烷 ( )2SIC12 O．45
硝酸乙酯 HeONO2
這樣，在設(shè)計阻火器時，應根據(jù)阻火器的使用
環(huán)境，確定阻火器的通道長度及間隙值。其值必
須滿足預計使用的危險場所內(nèi)存在的最危險
(MESG值最小)的可燃氣體或蒸氣的安全要求，
例如：
(1)阻火器預計使用在某一特定的可燃氣體
或蒸氣環(huán)境，如乙炔，通道長度設(shè)計為25 inln，則
其通道間隙必須小于0．37 lnnl。
(2)阻火器預計使用在ⅡB級可燃氣體或蒸
氣環(huán)境，通道長度設(shè)計為25 mm，則其通道間隙必
須小于0．5 ITlno
(3)阻火器預計使用在Ⅱc級可燃氣體或蒸
氣環(huán)境，通道長度設(shè)計為25 mm，則其通道間隙必
須小于0．29mln。
在設(shè)計過程中，需根據(jù)制造工藝、加工精度等
因素，以及相關(guān)國家標準的檢驗要求，在設(shè)計時留
有一定的安全裕量，例如采用適當增加通道長度
或者減小間隙值的方法或者綜合采用。
在實際應用中，通常需要考慮阻火器應用管
路中對流阻的要求，因為工業(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，但是流體通過阻力卻越大。所以在設(shè)計安全
裕量時，不能過分采用減小間隙值的做法。當減
小間隙值對管道流阻影響較大時，即需要增加通
道長度，在保證阻火性能的前提下，間隙值不減小
甚至可以加大。
根據(jù)參考文獻[9]，可燃氣體或蒸氣混合物的
MESG值隨著試驗外殼法蘭寬度(即通道長度)的
減小而減小，直至某個最小值，但不等于零；隨著
試驗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。在試驗外殼法蘭寬度小于
10 mrll的情況下，隨著法蘭寬度的增加，MESG值
增加的很快；當試驗外殼法蘭寬度大于30 mill時，
MESG值增加的比較緩慢，尤其是氫氣。由此可
知，增加通道長度對于增加阻火器的安全程度并
不是一直有效的，設(shè)計人員應綜合考慮MESG、流
阻等情況后確定阻火器的通道長度和間隙。
上述理論是阻火器的設(shè)計依據(jù)，而相關(guān)國家標
準中對阻火器的檢驗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)計依據(jù)。對于金屬網(wǎng)型等其它結(jié)構(gòu)形式的阻
火器，由于其通道長度和間隙值的不確定性，無法
參照這些理論得出通道長度和間隙值進行設(shè)計，但
是同樣適用于基于這些理論得出的檢驗方法。
3 阻火器防爆檢驗方法
目前國內(nèi)應用于煤炭行業(yè)的阻火器，主要依
據(jù)AQ 1074-2009(煤礦瓦斯輸送管道干式阻火器
通用技術(shù)條件》等行業(yè)標準制造檢驗；應用于石油
及化工行業(yè)的阻火器，主要是依據(jù)GB 13347和
GB 5908制造并檢驗；另有應用于內(nèi)燃機進排氣系
統(tǒng)的阻火器，其制造檢驗標準是GB 20800．1。另
外，由于GB 20800修改采用EN 1834，二者試驗方
法有所不同。
阻火器有關(guān)防爆性能方面的試驗主要是：
(1)外殼強度試驗：檢驗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)的最
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)部點燃的不傳爆試驗：檢驗阻火器的阻
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)的最嚴重的爆炸，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
會通過相關(guān)部件和阻火器傳到周圍環(huán)境中。
3．1 外殼強度試驗
表3是上述標準針對阻火器外殼強度的試驗
方法的對比。
《電氣防爆》2011，3 阻火器防爆設(shè)計及防爆檢驗方法探討 43
表3 外殼強度試驗方法對比
標準 試驗壓力 試驗時間 判定方法 備注
DN300AQ1074 以下(含)：2．5 MPa；
DN300以上：2．0 MPa 5 rain 無裂痕或永久性變形
設(shè)計壓力一般為
GB13347 1．5倍設(shè)計壓力 不小于10min 無滲漏 0．6 MPa、1．6加Pa、2．5
MPa三個等級。
GB5908 O 無滲漏、裂痕或永久
．9脅 5 min 變形
等同采用EN1834；a為
靜壓法：進氣阻火器，1．5 nP，最大1．5 1min以上 無滲漏，無可見變形 壓力比，P為爆炸性氣
Ⅷ ，8；排氣阻火器，1．5 P，最大1．0 MPa； 體混合物的最大試驗測
GB2O80o．1 定壓力
動壓法 修改采用 EN 1834；該檢
：在1．5倍大氣壓下通人規(guī)定的 無裂痕或永久變形 驗方法與GB 3836
爆炸性氣體混合物并點燃 致 ．2一
；
靜壓法：同GB20800．1
EN1834 動壓法 該試驗方法引用自
：試驗方法同GB 208O0．1，但增加限制：壓力最小值0．35 MPa EN 5oo18
：1994
從上表可以看出，AQ 1074、GB 13347和GB
5908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EN 1834和GB
20800．I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講，個人認為GB
20800．1和EN 1834的試驗方法比較科學。但是
其余標準中，除GB 13347在設(shè)計壓力為O．6 MPa
時以及GB 5908規(guī)定的阻火器，試驗壓力有可能
小于GB 20800和EN 1834外(但是試驗時間較長，
所以其安全系數(shù)并不低)，其它試驗均比GB
20800．1和EN 1834 嚴酷的多。所以EN 1834 和
GB 20800．1的防爆安全性能應是合格的。
3．2 內(nèi)部點燃的不傳爆試驗
AQ1074、GB 13347、GB 5908中的阻火試驗以
及EN 1834、GB 20800．1中的內(nèi)部點燃不傳爆試
驗，其試驗檢測目的不同，前者檢測是否有火焰?zhèn)?
出或外部氣體被點燃，主要要求阻火性能；后者檢
測是否有火焰?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。所以可以對有關(guān)
標準中的試驗方法加以對比。
(1)試驗裝置對比
GB 13347和GB 5908中阻火試驗的試驗裝置
如圖1所示。
阻火試驗方法：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)點燃爆炸性氣體混合物，點
火之前打開另一端的出氣閥門(E)，用火焰探測
器檢測這一端是否有火焰?zhèn)鞒龌驓怏w被點燃。
E ．．．-一 C
．
L 臣
． 牛． 一 ．．H．
I ／ ／ ¨ l I y ，- ／
A一電火花引爆器；B．-．配氣系統(tǒng)；C-測量系統(tǒng)；D__真
空閥；E-出氣閥門；F一點火電極；G-引爆管嵌；H-火
焰加速管段；卜-傳感器；卜被測試阻火器；K_火焰探
測器；L_觀察管段
圖1 阻火器阻火試驗裝置示意圖
EN 1834及GB 20800．1中的內(nèi)部點燃不傳爆
試驗是針對往復式內(nèi)燃機用阻火器的，其它用途
的阻火器可據(jù)情參考借用。
(2)試驗方法對比
表4是有關(guān)阻火器標準對阻火及內(nèi)部點燃不
傳爆試驗方法的對比。
另外，在SH／3413-1999(<石油化工石油氣管道 器的檢驗方法和GB="器的檢驗方法和GB" GB="GB" 阻火器防爆設(shè)計及防爆檢驗方法探討="阻火器防爆設(shè)計及防爆檢驗方法探討" 表4="表4" 標準="標準" 試驗氣體混合物及其="試驗氣體混合物及其" 試驗次數(shù)="試驗次數(shù)" 安全系數(shù)="安全系數(shù)" 備注="備注" AQ1074="AQ1074" cn4="cn4" 理論當量比="理論當量比" _x005F_x0031_3次="13次" _x005F_x0031_="1" MEsG="1．1411"1111" GB5g08="GB5g08" HB="HB" O="O" _x005F_x0039_2="92" 阻爆燃型="阻爆燃型" _x005F_x0030_="0" GB1踟="GB1踟" 阻爆轟型="阻爆轟型"></石油化工石油氣管道>

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