阻火器選型的一些技術知識基礎
防止爆炸甚至爆轟事故, 把災害控制在有限的范圍內， 把損失降到最低， 需要利用隔爆裝置將設備內發生的燃燒或爆炸火焰實施阻隔， 使之無法通過管道傳播到其它設備中去。 隔爆技術措施按作用機制不同， 分為機械隔爆和化學隔爆兩種類型。 本課題通過了解機械阻火器的工作原理、 主要應用場所、 分類方法， 金屬網型阻火器的結構、 工作原理， 從而進一步學習金屬網型阻火器的性能參數及其計算過程; 最后， 應用相關知識， 設計乙炔/空氣在標準燃燒速率下的金屬網型阻火器。
大多數阻火器由能夠通過氣體的許多細小均勻的或不均勻的通道和孔隙的基體組成， 這些通道和孔隙應盡量小， 小到能夠通過火焰就行。 這樣， 火焰進入阻火器內就被分成許多細小的火焰流， 由于通道或孔隙傳熱面積相對增大， 火焰通過管道壁時加速了熱交換， 使溫度迅速下降到著火點以下而使火焰熄滅; 另一方面， 可燃氣體在外界能源激發作用下， 會因分子鍵受到破壞而產生活化分子，這些具有反應能力的活化分子發生化學反應時， 首先分裂成自由基， 這些自由基與反應分子碰撞幾率隨阻火器通道尺寸減小而下降， 當通道尺寸減小到火焰最大熄滅直徑時， 這種器壁效應就阻止火焰繼續傳播。
(1) 隔爆型: 主要用于阻隔可燃物燃燒或爆炸火焰的傳播， 且能承受一定的爆炸壓力的作用。
(2) 耐燒型: 主要用于阻止可燃物燃燒火焰的傳播， 且能承受一端時間的燃燒作用。
(3) 阻爆轟型: 主要用于阻止可燃物從爆燃向爆轟轉變火焰的傳播， 且能承 受較大爆炸壓力的作用。
(1) 金屬網型阻火器， 由單層和多層網重疊起來。 金屬網型阻火器隨著層數增加有效性也增大， 但增加到一定層數之后效果并不加大。 國內采用 16-22 目金屬網， 國外常用 30-40 目金屬網] 2 [。 根據英國帕爾默(Palmer) 試驗除二硫化碳介質外， 一般易燃性氣體， 金屬網層數達到 5 層就能滿足要求。 再增加層數效果并無顯著改進。 一般單層金屬網阻止火焰速度不大于 14 米/秒。
(2) 波紋型阻火器用不銹鋼， 銅鎳合金， 鋁或鋁合金制成。 但是用鋁和鋁合金， 由于熔點低， 同時與銹鐵撞擊易產生火花， 因此用鋁或鋁合金， 尚有許多異議。波紋型阻火層有兩種型式。第一種型式由兩個方向折成波紋形薄板材料組成。波紋的作用是分隔成層， 并留有間隙， 形成許多曲折的通道。 另一種型式在兩層波紋薄板之間加一層扁平的薄板， 形成許多三角形的通道更利于熄滅火焰。 這種型式的阻火器在國外廣泛用于石油化工企業。
(3) 泡沫金屬阻火器是用一種最新材料制成的泡沫金屬， 其結構同多細孔的泡個沫塑料相似， 由多種金屬制成。 以鎳/鉻合金為主， 鉻的含量不少于 15%、不大于 40%, 組成阻火器材質的密度不少于 0. 5 克/厘米 30 其優點阻爆能力好，體積輕， 便于安裝使用和置換。 但是對于內部孔隙檢查有困難， 因此空隙達不到要求也不易檢查， 主要用干飛機上或石油化工系統。
(4) 平行板型阻火器顧名思義， 阻火層是由薄的不銹鋼板平行重疊而成， 板上有許多細小的縫隙或許多細小孔隙。 上下排列成許多平行的通道， 板前有 0. 6毫米空隙。 其主要優點是阻爆性能好， 機械強度高并易于清洗、 耐腐蝕。 缺點是耐燒性差、 重量大、 成本高， 一般制造成小型的， 用于汽車和柴油機系統。
(5) 金屬球型和礫石型阻火器利用金屬顆粒或礫石堆積于容器之內， 主要目的是利用顆粒之間的孔隙作為熄滅火焰的通道， 并吸收大量熱量。 這種阻火器對于乙炔火焰阻爆效果比較好， 其缺點阻力大、 易阻塞、 重量大， 但是由于結構簡單， 便于制造所以有些情況下也能被選用。
阻火層由單層或多層不銹鋼絲或同絲網重疊制作而成,
如下圖 2. 1 所示。
阻火效果隨金屬網層增加而增強， 但金屬網層數增加到一定值后， 阻火效果增強不在顯著。 金屬網層數及阻火性能與金屬網孔大小有關。 一般來說， 網孔較小的金屬網要求層數相對較少， 但金屬網孔眼過小會因流體阻力增大而造成堵塞。目前，國內常用阻火器層金屬網的網孔為 16~22 目， 國外則多采用網孔為 30 目和 40目的阻火層金屬。
圖 2. 1
金屬網型阻火器
金屬網型阻火器主要由阻火器殼體、 金屬網層(阻火層) 兩部分組成。
如下圖 2. 2 所示: 圖 2. 2 金屬網型阻火器的結構
使火焰不能繼續傳播的阻火器最大通道直徑稱為氣體熄滅直徑。 氣體熄滅直徑大小取決于氣體種類， 并直接關系到阻火器的阻火效能。 在設計阻火器時， 應根據可燃氣體燃燒速度選取熄滅直徑， 這種估算方法對大多數飽和烴和易燃氣體適用， 但不適用燃燒速度更快的易燃氣體。 另外， 由于乙炔氣體具有許多不同于一般易燃氣體的特性， 不能按飽和烴來處理。 常態下幾種常見氣體的燃燒速率與熄火直徑數據列于下表:
表 1 常態下氣體燃燒速率及熄火直徑數據 氣體類型 標準燃燒速率 /m·1s- 熄滅直徑/mm 氣體類型 標準燃燒速率 /m·1s- 熄滅直徑 /mm 甲烷/空氣 0. 365 3. 65 乙炔/空氣1. 767 0. 78 丙烷/空氣 0. 475 2. 66 氫氣/空氣3. 352 0. 86 丁烷/空氣 0. 396 2. 79 丙烷/氧氣3. 962 0. 38 己烷/空氣 0. 396 3. 05 乙炔/氧氣11. 277 0. 13 乙烯/空氣 0. 701 1. 90 氫氣/氧氣11. 887 0. 30
一般來說， 阻火層通道或孔隙直徑可按氣體熄滅直徑來選取， 但由于爆燃火焰速度遠快于標準燃燒速度， 因此， 在實際設計中， 阻火層通道或孔隙直徑按半氣體熄滅直徑選取， 當然也可以通過增加阻火層厚度來提高阻火器效能。 阻火層孔隙大小是影響阻火效能的重要因素， 易燃氣體熄滅直徑大小直接關系到阻火層的孔隙尺寸。 熄滅直徑可以通過試驗來測定， 也可通過熄滅間隙來近似估算:
d0=4. 53403. 0minE(3. 1)
D0=1. 54d0(3. 2)
式中:
0 d --熄滅間隙， mm
minE--最小點火能， mJ
0D --熄滅直徑， mm
注: 對于金屬網型阻火器的阻火層， 其網孔直徑一般不得超過熄滅直徑的一1mhD￡，半， 即02m h 是網孔直徑。
在一端開口的管道內， 點火方式可以分為靠近開口端點火、 靠近閉口端點火或靠近阻火器處點火三種情形。 無論采用何種點火方式， 阻火器內火焰傳播速度均取決于可燃氣體的性質和點火點與阻火器之間的距離(即點火距離)。 對于點火距離靠近管道開口端時的點火情形， 在相同的點火距離下， 不同性質氣體的火焰傳播速度并不相同， 同一種氣體的火焰傳播速度隨點火距離的增大而迅速提高。 一般來說， 點火距離不超過 10m， 在某種特殊情況下需要超過 10m 時， 則管道和阻火器應能承受 3. 5MPa 以上的壓力， 并設有泄爆孔。
阻火器殼體的設計必須符合一定的要求。 為使阻火器的殼體能耐腐蝕， 殼體采用鑄鐵、 鑄鋁、 鑄鋼等材料來制造， 在阻火器內部或與其他設備組裝時， 不得使用動物皮革或者植物纖維墊片; 此外， 在內部爆炸壓力的作用下， 阻火器殼體不得發生破裂或者永久性變形， 并能夠承受 0. 9MPa 以上的水壓試驗， 在水壓試驗中， 阻火器內部墊片及其他部位 1min 內應該沒有滲漏和破裂或塑性變形等發生。 對于塑性材料的阻火器殼體， 其厚度可以按照下面的公式來計算:
BpDSC2.3pLs-=+ ………………………(3. 3)
式中:
B S -阻火器殼體厚度， m;
D-殼體中腔最大內徑， cm;
p-材料允許拉應力， MPa;
Ls-設計壓力， 一般可取公稱壓力， MPa;
C-附加裕量， cm.
阻火器殼體尺寸會直接影響流體阻力的大小。 通常情況下， 阻火器殼體直徑(D) 應比與其配合使用的管道公稱直徑(d) 大 4 倍(即 D≈4d)， 阻火層距離阻火器殼體前后端的長度分別為 L￠≈(0. 5~1. 0) D 和 L￠￠≈(0. 5~1. 5) D。
對于金屬網型和多孔板型阻火器， 阻火層能有效阻止火焰傳播的最大速度(不包括爆轟火焰速度) 可以按以下經驗公式進行計算:
m2ay0.38mdn = …………(3. 4)
式中:
mn --阻火器能阻止火焰傳播的最大速度， m/s;
a--有效面積比， 即阻火層實際面積與阻火層空隙面積之比
y --阻火層厚度， cmmd --阻火層孔眼直徑， cm.
圖 3. 1 阻火器厚度與最大火焰速
關系上式用于圓形孔眼，md 表示直徑; 用于方形孔眼，md 表示寬度。阻火層厚度與最大火焰速度關系如上圖 3. 1 所示。
在阻火器使用之前， 必須經過阻爆和耐燒性能測試。 阻爆試驗是指在一定距離內將試驗裝置內的可燃氣體點燃， 使火焰或火花通過阻火器時被熄滅的一種試驗。 耐燒試驗則是指在無回燃條件下， 使可燃氣體燃燒火焰持續通過阻火層時，阻火層能夠承受一定時間內的火焰燃燒而不被燒壞的一種試驗。 此外， 一個性能優良的阻火器除了具有良好的阻火和耐燒性能， 還要有盡可能小的流阻。 阻火器 壓降的大小取決于其結構形式及氣流速度不同阻火器的壓降一般需要通過試驗來測定， 也可以利用經驗公式進行估算。
設計乙炔/空氣在標準燃燒速率下的金屬網型阻火器(要求殼體的管道公稱直徑為 50mm， 殼體直徑為 200mm, 殼體總長為 250mm)。
設計一個形狀為圓柱殼體、 材料為鑄鋼(型號 ZG230-450) 的金屬網型阻火器
表 2 典型氣體-空氣混合物的最小點火能量 名 稱 最小點火能(mJ)名稱 最小點火能(mJ) 二硫化碳 0. 009 丁烷 0. 25 乙炔 0. 019 乙烷 0. 25 氫 0. 019 丙烷 0. 26 乙醚 0. 019 甲烷 0. 28 苯 0. 20 丙烯 0. 28 戊烷 0. 24 乙烯 0. 096
查上表 2， 得乙炔/空氣混合物的最小點火能為minE=0. 019mJ,
由公式 3-1 得氣體熄滅直徑: 403. 0min053. 4Ed ==4. 53×0. 019403. 0=0. 915mm
由公式 3-2 得氣體熄滅直徑: 00 dD =1.54=1. 54×0. 915=1. 409mm 最大孔網直徑:012mhD￡=12×1. 409=0. 7mm 已知殼體直徑為 200mm， 查機械設計課程設計手冊得工程用鑄造碳鋼(型號ZG230-450) 的抗拉強度bs =450MPa， 令Ls =bs =450MPa 則有:BpDS2.3pLs-==Bp(15-2S )2.3 450 p′- T 1035BS - p·BS =15 p -2 p ·B S T B15pSp=1035 + 根據機械設計相關理論知識， 脆性材料的安全系數應取 S=3~4， 不妨假設S=3， 這時材料允許拉應力 p=150 MPa， 安全性可以達到。 TB15pSp=1035 += 15′1501035 +150 =1. 9cm; 為設計安全起見這里令BS =2. 0cm 則有附加裕量 C=2. 0-1. 9=0. 1cm 有效面積比 a 取 0. 4，md =0. 3 mm (小于 hm就可以) ， 由表 1 可知， 乙炔/氧氣標準燃燒速率為 11. 277m·1s- ， 由下面的公式可以計算得出 y。 m2ay0.38mdn = 得出 y=6. 68mm. L￠L￠￠殼體總長為 L=250mm, 殼體直徑為 D=200mm 由于阻火層距離阻火器殼體前后端的長度分別為 L￠≈(0. 5~1. 0) D 和 L￠￠≈(0. 5~1. 5) D。 不妨假設L￠=100mm, L￠￠=130mm， 根據以上計算的參數可以得到下面的阻火器殼體圖: 圖 4. 1 金屬網型阻火器殼體 通過兩周的學習， 自己了解到了很多知識， 也掌握了很多。 雖然知道了課本上的知識， 但我發現用于實際時有不少的問題， 就像這次的金屬網型阻火器的設計， 有許多參數需要實際的判斷和計算， 只能在網上找。 在網上找資料是件很辛苦的事情啊。 雖然做完了， 但估計最后的設計還有不足之處， 希望以后能有更多的機會得到鍛煉。 參考文獻 [1] 王鳳英， 劉天生. 防火防爆技術. 山西: 中北大學出版社 [2] 吳宗澤， 羅圣國. 機械設計課程設計手冊. 第 3 版. 北京: 高等教育出版社，2006 [3] 胡雙啟， 張景林. 燃燒與爆炸. 北京: 兵器工業出版社， 1992
- 上一篇：可燃性氣體或蒸汽爆炸性混合物物分級分組舉例 2022/10/7
- 下一篇：怎樣正確安裝使用阻火呼吸閥 2013/10/17
