●鄭 斌，劉 敏，關(guān)雙權(quán)

(1.首鋼公司，河北 唐山 063200;2.首安工業(yè)消防有限公司，北京 101304)

內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))和滅火裝置(以下簡稱裝置)已經(jīng)逐步成為當(dāng)今氣體消防產(chǎn)品中的一支生力軍。該滅火劑的滅火機理集化學(xué)作用與物理作用于一身，具備潔凈、環(huán)保、高效的特點，是哈龍滅火劑替代物的骨干力量，因此一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，由于滅火劑的特殊物理性質(zhì)，使該系統(tǒng)或裝置在伺應(yīng)狀態(tài)時必須進行氮氣增壓方可貯存。在使用過程中貯存壓力下降的現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致壓降的原因很多，如:貯存環(huán)境溫度的下降、容器閥及其相關(guān)密封點泄漏、壓力顯示器損壞、壓力顯示器單向閥損壞、出廠前增壓不飽滿等等。貯存環(huán)境溫度的下降導(dǎo)致壓力下降屬于正?，F(xiàn)象，只要在溫度回升后能夠恢復(fù)公稱工作壓力，并在壓力顯示器綠區(qū)內(nèi)浮動就沒有問題。對于容器閥及其相關(guān)密封點泄漏、壓力顯示器損壞、壓力顯示器單向閥損壞的問題，可通過返修或更換壓力顯示器及其單向閥來解決。如何保證滅火劑貯存容器在出廠前氮氣增壓飽滿、出廠后壓力長期穩(wěn)定是國內(nèi)眾多生產(chǎn)商面臨的難題之一。對此各廠家先后采取了多種措施，包括:出廠前增壓后補壓、調(diào)整充壓時間和速率、略低于公稱貯存溫度(20℃)增壓、增壓后人工或自然實效處理、水浴維持恒壓狀態(tài)下增壓等。這些措施雖然取得了一定效果，但仍存在效率低、穩(wěn)定性差的問題。為此，本文通過對兩個典型案例的討論，對增壓方式及工藝要求提出了若干建議。

1 七氟丙烷系統(tǒng)及裝置的基本特性

七氟丙烷的滅火機理既包括物理作用，又包括化學(xué)作用。兩種因素相比化學(xué)作用占主導(dǎo)地位。物理作用在于降低燃燒區(qū)域中氧的濃度使其低于維持燃燒所需的氧濃度值，實現(xiàn)窒息滅火?；瘜W(xué)作用在于惰化火焰中的活性自由基，抑制燃燒過程中發(fā)生的化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而實現(xiàn)斷鏈滅火。目前，就系統(tǒng)或裝置的滅火劑輸送距離而言，2.5 MPa級別的輸送距離一般為30 m左右(幾何長度)，4.2 MPa級別的輸送距離一般為40 m左右(幾何長度)，5.6 MPa級別的輸送距離一般為50 m左右(幾何長度)。維持其滅火劑的輸送距離的動力主要是容器內(nèi)的增壓氮氣和滅火劑的飽和蒸氣。

考慮減少滅火劑受熱后氟化氫(HF)的產(chǎn)生量減輕對人體造成的傷害，迅速撲滅初期火災(zāi)減少因火災(zāi)發(fā)生蔓延和火勢增長而造成滅火效能降低等因素，在《氣體滅火系統(tǒng)及部件》與《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中，對于七氟丙烷滅火劑噴射時間均有明確要求，即不大于10 s。保持滅火劑的合理噴射時間是確保系統(tǒng)或裝置滅火成功的關(guān)鍵因素之一，方法有多種多樣，這里不一一贅述。然而每一種方法都會受到各方面條件的制約。在合理設(shè)計的基礎(chǔ)上，保持滅火劑貯存容器內(nèi)的壓力是非常關(guān)鍵的條件。

2 壓力下降案例及分析

2.1 案例簡介

2.1.1 案例1:某年1月，某項目要求生產(chǎn)商對系統(tǒng)滅火劑瓶組(共計8具2.5 MPa)進行檢修(其中包括稱重、密封、強度試驗等項目的檢測和滅火劑的灌充與氮氣增壓)，氮氣接入點為瓶組封頭上部，檢漏合格后發(fā)往用戶使用。時隔半月左右，在環(huán)境溫度正常的情況下發(fā)現(xiàn)滅火劑瓶組的貯存壓力減少近1 MPa，由生產(chǎn)商再度檢修處理，本次檢修的氮氣接入點為容器閥入口處，檢漏合格后發(fā)往用戶，此后再沒有壓力下降現(xiàn)象發(fā)生。

2.1.2 案例2:某項目在維修懸掛滅火裝置過程時，對罐體實施氮氣增壓，氮氣接入點為罐體封頭上部，達到公稱工作壓力后，放置一段時間在相同環(huán)境溫度和罐體無泄漏的情況下卻發(fā)生壓力下降，尤其是罐體直徑較小的滅火裝置上述現(xiàn)象更為突出。再度補壓時，對氮氣增壓工藝進行了調(diào)整，氮氣接入點為罐體滅火劑液面底部，滅火裝置貯存壓力趨于穩(wěn)定后發(fā)往用戶正常使用。

2.2 原因分析

2.2.1 壓力下降原因的理論分析

與外貯壓式產(chǎn)品不同，內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)或裝置的滅火劑在液化貯存的同時需要用氮氣在容器內(nèi)進行增壓。氮氣處于0～50℃時，在精度要求不太高的情況下可以看做是理想氣體，不同溫度和壓力下的氮氣密度可以通過理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)得出:

其中，n為氣體摩爾數(shù);R為熱力學(xué)常數(shù)，取值為8.314 J·mol－1·K－1;M 為氣體的摩爾質(zhì)量。聯(lián)合上述式(1)、(2)推導(dǎo)出氮氣的密度計算公式為:

其中，溫度為t℃，并把壓強P的單位換算成Pa，氮氣的摩爾質(zhì)量為 28.013 g·mol－1。

對于 2.5 MPa(表壓)、4.2 MPa(表壓)和 5.6 MPa(表壓)三個系列的內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)，當(dāng)?shù)獨赓A存于滅火劑瓶組中時，上述三個壓力指標(biāo)表達的是氮氣與七氟丙烷滅火劑飽和蒸氣壓力的和，符合氣體分壓定律(即道爾頓定律)，氮氣分得的壓力分別為:

因此，可以解出當(dāng)20℃時，貯存于滅火劑瓶組中的氮氣密度分別為:

然而，七氟丙烷滅火劑在20℃時的飽和蒸氣壓為0.4 MPa(絕對壓力)，飽和蒸氣密度為31.176 kg·m－3?？梢钥闯觯瑢τ?.5 MPa(表壓)的內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)，其滅火劑瓶組中的氮氣密度小于七氟丙烷滅火劑的飽和蒸氣密度，而4.2 MPa(表壓)和5.6 MPa(表壓)的內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)，其滅火劑瓶組中的氮氣密度則大于七氟丙烷滅火劑的飽和蒸氣密度。根據(jù)氣體分子運動理論，兩種不能直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體混合時，密度高的氣體分子會向密度較低的氣體中擴散，因此前者在氮氣與七氟丙烷滅火劑加壓共存時，會出現(xiàn)七氟丙烷飽和蒸氣向氮氣中擴散的現(xiàn)象，而后兩者則會出現(xiàn)氮氣分子向七氟丙烷飽和蒸氣中擴散的現(xiàn)象。

當(dāng)?shù)獨庠鰤簳r間過短時，氮氣分子與七氟丙烷滅火劑飽和蒸氣分子之間的布朗運動速度加快，來不及相互擴散至平衡狀態(tài)，就會造成短時間內(nèi)壓力達到公稱工作壓力的假象。待穩(wěn)定一段時間以后，上述相互擴散的分子運動平衡時，壓力就會有所回落。這是造成滅火劑貯存壓力下降的主要原因。

2.2.2 實際案例分析

圖1 兩種內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)滅火劑瓶組示意圖

從上述案例1、案例2的充裝工藝改良過程可以看出，初次維修充裝后壓力下降是因為氮氣增壓時間較短，沒有實現(xiàn)氮氣分子與七氟丙烷分子的充分混合，所以后期出現(xiàn)壓力下降。如圖1所示，在案例1中，初次維修時氮氣增壓裝置不是與容器閥直接相連，而是單獨焊于封頭上部，氮氣增壓時是先從滅火劑液面上部進入(瓶組a)。第二次維修時對瓶組的氮氣增壓裝置進行了改造，直接連接容器閥，使氮氣從液態(tài)七氟丙烷底部進入(瓶組b)。如圖2所示，在案例2中，初次維修時氮氣接入點均為封頭上部(裝置a和裝置b)。其中由于裝置b的截面積小于裝置a，在相同氮氣增壓方式和滅火劑充裝量的情況下，氮氣增壓時升壓速度更快、灌裝時間更短，放置一段時間后壓力下降幅度也會更大。第二次維修時則使氮氣從液態(tài)七氟丙烷底部進入(裝置c)。在這兩個案例中，通過對氮氣增壓方式的改進，使氮氣分子與七氟丙烷分子的接觸機會增多，相互溶合的效果得以加強，灌充時間滯后，增壓速度減慢，瓶組或裝置貯存壓力趨于穩(wěn)定。

圖2 三種內(nèi)貯壓式七氟丙烷滅火裝置儲罐示意圖

3 結(jié)論和建議

保持七氟丙烷滅火劑的貯存壓力是保證滅火系統(tǒng)滅火劑噴射時間的重要措施。通過理論分析和實際案例分析可知，氮氣和七氟丙烷氣體分子的相互擴散是導(dǎo)致貯存壓力下降的主要原因。通過改良滅火劑瓶組的氮氣增壓工藝，將增壓氮氣從瓶組或罐體的底部注入，更有利于保證滅火劑瓶組貯存壓力的穩(wěn)定。除氮氣充裝位置外，在滅火劑灌裝方面還應(yīng)注意:(1)氮氣增壓時間不宜過短，應(yīng)針對不同形狀的滅火劑貯存容器、不同數(shù)量的滅火劑充裝量、不同充裝環(huán)境溫度等因素制定出合理的充裝方案。(2)在對滅火劑貯存容器進行氮氣增壓的過程中，要適當(dāng)?shù)倪M行輕微振蕩搖勻處理，以使氮氣分子與七氟丙烷分子充分混合，避免因短時間增壓，增壓速度過快而出現(xiàn)達到貯存壓力的假象。(3)滅火劑貯存容器應(yīng)增加不用退藥的補壓裝置，避免反復(fù)充裝造成滅火劑的浪費。(4)優(yōu)化設(shè)計滅火劑瓶組，尤其是其上的灌充裝置。(5)合理的充裝時間和環(huán)境溫度的保證是必不可少的，通常情況下環(huán)境溫度要求20℃左右，于滅火劑瓶組而言建議以1 h為宜，對于滅火裝置罐體而言建議0.5 h為宜。并且要有15 d左右自然實效處理，壓力穩(wěn)定后再出廠。

［1］GB 25972－2010，氣體滅火系統(tǒng)及部件［S］.

［2］GB 50370－2005，氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］鄭端文，劉海辰.消防安全技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［4］GB 18614－2002，七氟丙烷(HFC227ea)滅火劑［S］.

［5］朱力平.消防工程師手冊［M］.南京:南京大學(xué)出版社，2005.