阻火器阻火性能的影響因素
摘要：為了研究阻火器阻火性能的影響因素，搭建了阻火器阻火性能測試平臺，對阻火器阻火性能進行試驗研究。試驗以一臺DN100阻爆然型阻火器為樣機，在相同規格試驗管路、相同點火距離，不同管路長度的情況下進行試驗，得到阻火器阻火成功與失敗時測試點處的火焰速度和爆炸壓力值，研究發現爆炸壓力和火焰速度都是阻火器阻火性能的重要參數。
關鍵詞: 阻火器; 阻火性能；火焰速度；爆炸壓力
1. 引言阻火器是裝置運行過程中發生火災等意外情況下阻止火焰向源頭傳播的安全裝置，廣泛應用于儲罐、管道、排風、火炬等系統。作為阻止災害發生的最后一道安全屏障，其阻火性能至關重要。火焰與流動的相互作用，涉及火焰結構、火焰傳播、火焰不穩定性等基本環節，因此一直是燃燒研究的重點課題之一。在工業災害中，壓力波作用于火焰會進一步加快燃燒速度，同時火焰會失穩而誘發湍流，甚至可能出現燃燒轉爆轟現象。管道內火焰傳播過程是一個加速、加壓的燃燒爆炸過程，所造成的危害極大。管道波紋阻火器作為一類安全設備，其核心部件阻火單元允許介質流通，阻止火焰傳播。國內外不少學者研究了爆炸火焰傳播速度、壓力變化等宏觀參數，也研究了火焰陣面結構特性及其影響因素等微觀特性，多作為實驗室課題對管道內火焰傳播規律進行研究，對于阻火器產品的阻火性能和測試試驗方法研究很少[1-4]。本文將從火焰速度和爆炸壓力對阻火器阻火性能進行試驗研究。
2. 阻火器阻火機理
對于阻火器的工作原理，目前主要有兩種觀點：一種認為壁面傳熱作用是阻火器能夠阻火的主要原因，而另一種則認為器壁效應對火焰的熄滅影響很大[21]。
（1）傳熱作用
阻火器能夠阻止火焰繼續傳播并迫使火焰熄滅的因素之一是傳熱作用。我們知道，阻火器是由許多細小通道或孔隙組成的，當火焰進入這些細小通道后就形成許多細小的火焰流。由于通道或孔隙的傳熱面積很大，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。
（2）器壁效應
根據燃燒與爆炸連鎖的反應理論，認為燃燒與爆炸現象不是分子間直接作用的結果，而是在外來能源（熱能、輻射能、電能、化學反應能等）的激發下，使分子鍵受到破壞，產生具備反應能力的分子（稱為活性分子），這些具有反應能力的分子發生化學反應時，首先分裂為十分活潑而壽命短促的自由基。這樣自由基又消耗又生成如此不斷地進行下去。已知可燃氣體自行燃燒的條件是：新產生的自由基數等于或大于消失的自由基數。當然，自行燃燒與反應系統的條件有關，如溫度、壓力、氣體濃度、容器的大小和材質等。隨著阻火器通道尺寸的減小，自由基與反應分子之間碰撞幾率隨之減少，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值時，這種器壁效應造成了火焰不能繼續進行的條件，火焰即被阻止。
不同試驗條件下，火焰淬熄的原因可能不同，但就爆燃火焰在通道中傳播而言，一般認為壁面傳熱是火焰熄滅的主要原因。
3. 試驗裝置
阻火性能試驗裝置主要包括試驗管路、高精度配氣系統、數據采集系統。試驗中，利用配氣系統向管路中充入指定濃度的可燃氣體，并采用火花塞點火。通過安裝壓力傳感器和火焰傳感器，測量火焰傳播速度與爆炸壓力值。
3.1配氣系統
配氣系統由計算機，電氣控制部分，氣體濃度分析儀及配套閥門和管路組成，如圖1所示。該配氣系統可以實現靜態、動態混合配氣的要求，實現靜態配氣的最高誤差精度要求為0.1%、流量不低于1 m3/min，實現動態配氣的最高誤差要求為0.2%。氣源經減壓器和穩壓器粗調再經各調節閥控制，進入混合器。計算機根據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，向執行閥門發送控制信號，利用閥門的動作，控制各組成氣體進行混合的流量。計算機實時監控配氣過程并記錄過程數據。控制程序根據濃度差異，調節電磁調節閥開度，變動其通流面積，經反饋控制進行連續配氣[6]。
圖1 配氣系統
3.2采集系統
在試驗中，需要對火焰速度和壓力變化進行實時的采集。由于火焰傳播的速度很快，所以對采集板卡的要求很高。本系統基于NI高性能的PXIExpress平臺，配合以高精度、具有隔離性能的數據采集板卡，可以實現對壓力、溫度、應變、電壓、電流等信號的準確采集，同時保證了系統的安全性。數據采集系統如圖2所示。
圖2 數據采集系統
4. 試驗
4.1試驗方案
試驗采用丙烷—空氣混合氣體，丙烷濃度為4.2%[7]，試驗壓力為101.3Kpa，點火方式為火花塞點火，點火電壓為12KV。保護側管道長度為50D，點火距離為40D。第一次阻火試驗阻火器前端管道長度為40D，第二次阻火試驗阻火器前端管道長度為50D，管道點火端用盲板密閉，另一端用PE薄膜封閉。通過保持點火距離不變，得到不同長徑比下測試點處不同火焰傳播速度和壓力值，獲得阻火器阻火與否的試驗數據，并由數據采集系統采樣記錄[8]。
4.2測試結果
圖3為第一次阻火試驗測試信號圖，其中a)、b)為阻火器前端測速信號，c)為壓力信號，d)為阻火器后端火焰探測信號，由圖中a)、b)數據可以計算出此次火焰到達測試點處的火焰速度為220m/s，由d)可知該處火焰傳感器未探測到火焰存在，證明阻火器此次阻火成功。由c)可知火焰到達測試點處的最大爆炸壓力為0.17MPa。
圖3 第一測阻火試驗測試信號
圖4為第二次阻火試驗測試信號圖，由圖中a)、b)數據可以計算出此次火焰到達測試點處的火焰速度為133m/s，由d)可知該處火焰傳感器探測到火焰存在，證明阻火器阻火失效。由圖4中c)可知火焰到達測試點處的最大爆炸壓力為0.36MPa。
圖4 第二次阻火試驗測試信號
4.3試驗結果分析
本試驗針對丙烷—空氣混合氣體爆燃傳播過程中，火焰速度和爆炸壓力進行了研究，試驗過程分別按兩種不同的點火方案進行。
（1）一般情況下，火焰速度、爆炸壓力會隨著阻火端長徑比的增大而增加，直到達到穩定爆轟。封閉管道內的爆燃過程是一個復雜的傳播變化過程，在不同長徑比，相同點火距離的情況下，測試火焰傳播速度或壓力值出現波動現象，兩組測試過程的測量值分別是火焰速度133m/s、爆炸壓力為0.36MPa，阻火失敗；火焰速度220 m/s、爆炸壓力為0.17MPa，阻火成功。由圖3、圖4中a)、b)可以看出火焰傳感器的火焰信號過程是兩個從有到無的反復過程，可見火焰陣面在此測試點處有震蕩過程存在，即火焰沒有在遇到阻火單元處熄滅。
（2）由圖3、圖4中c)可以看到，壓力波在測試點處的震蕩明顯。壓力波與火焰的相互作用，包括壓縮波、反射壓縮波及稀疏波對火焰的作用。由圖3中c)可以看到，壓力信號有多個波峰，峰值由大到小，直至出現負壓，說明燃燒過程結束，管內形成短時負壓[8]；由圖4中c)可以看到，壓力信號有多個波峰，峰值逐步增大再減小，直至出現負壓，說明燃燒過程持續，多種壓力波出現疊加現象，直至氣源耗盡。
5 結論
從火焰傳感器和壓力傳感器的信號可以看到，管道內火焰傳播過程伴隨著流場壓力的變化，表征為火焰和壓力波的震蕩。在相同點火距離，不同點火位置情況下，出現高火焰速度情況下阻火器阻火成功，低火焰速度情況下阻火器阻火失敗的試驗結果。可見，以火焰傳播速度和爆炸壓力為特征的火焰傳播能量是阻火成敗的關鍵，而阻火速度并不是阻火器成功阻火的唯一標準，爆炸壓力也是一個重要參數。
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