柯研，王新華，梁峻，湯鵬

(廣州特種機電設(shè)備檢測研究院，廣東廣州510760)

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阻隔防爆技術(shù)及檢驗要求*

柯研，王新華，梁峻，湯鵬

(廣州特種機電設(shè)備檢測研究院，廣東廣州510760)

分析了阻隔防爆技術(shù)的兩個重要機理-“冷壁作用”和“器壁效應(yīng)”，介紹了阻隔防爆技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r與研究成果；阻隔防爆技術(shù)有關(guān)規(guī)范以及實驗室測試與現(xiàn)場安全檢驗的項目、方法與合格標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測了阻隔防爆技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

阻隔防爆技術(shù)； 阻隔防爆材料； 阻燃抑爆； 安全檢驗

0　引言

阻隔防爆技術(shù)是一種實現(xiàn)了本質(zhì)安全不爆炸(HAN, Hypostasis Anchor-hold No-explosion)的技術(shù)，被各國大力推廣應(yīng)用于危險化學(xué)品，特別是燃油的存儲與運輸過程[1]。阻隔防爆技術(shù)其實就是在存儲危險化學(xué)品的容器內(nèi)按照一定規(guī)范填充金屬類、非金屬類或復(fù)合類阻隔防爆材料。所謂阻隔防爆材料，是一種多孔、輕質(zhì)、耐腐蝕、網(wǎng)狀或球狀的特殊材料。常見的金屬類阻隔防爆材料有：鋁合金、鈦合金和銅合金，非金屬類有聚氨酯、陶瓷和涂復(fù)等。阻隔防爆安全檢驗是一種能有效確認(rèn)阻隔防爆材料與安裝是否滿足安全的有效途徑。

1　阻隔防爆機理

關(guān)于阻隔防爆技術(shù)為何能實現(xiàn)本質(zhì)安全，雖暫無定論，但研究結(jié)果普遍指向阻隔防爆材料所獨有的多孔結(jié)構(gòu)。按孔洞結(jié)構(gòu)不同，可將阻隔防爆材料分為兩種：(1)孔洞平面聚集的二維“蜂窩”結(jié)構(gòu)；(2)孔洞空間聚集的三維“泡沫”結(jié)構(gòu)[1]。阻隔防爆材料首先將通過的火焰分散至各個孔洞，削弱其燃爆能力。然后利用自身較大的比表面積，發(fā)揮“冷壁作用”和“器壁效應(yīng)”，熄滅火焰流。

1.1冷壁作用與器壁效應(yīng)

冷壁作用屬物理反應(yīng)，材料因溫度遠(yuǎn)低于火焰而大量吸收其熱能。器壁效應(yīng)則屬于化學(xué)反應(yīng)，過程是材料捕捉火焰中的自由基。物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，首先活性分子會產(chǎn)生十分活潑而壽命短促的自由基，自由基與其它分子碰撞結(jié)合生成新的物質(zhì)與新的自由基。當(dāng)新自由基的數(shù)量呈增長態(tài)勢，燃燒爆炸現(xiàn)象持續(xù)進(jìn)行，反之則受到抑制?；鹧娼?jīng)過阻隔防爆材料的過程，是一個自由基不斷減少的過程。

1.2阻隔防爆與波紋型阻火器的異同

阻隔防爆與波紋型阻火器同屬廣義阻火器，都是一種利用自身孔隙阻止燃燒與爆炸發(fā)生或限制燃爆后繼傳播的安全裝置。兩者不同之處，首先在于，阻隔防爆材料充填在有其它用途的容器或管道內(nèi)部，而波紋型阻火器擁有專用的外殼，安裝在容器外部或管道連接處。此外，阻隔防爆材料的通道長度與間隙無法確定[2]，而波紋型阻火器的通道長度與間隙可確定。因此，前者不能像后者那樣依據(jù)最大試驗安全間隙(MESG)進(jìn)行設(shè)計與性能檢驗。

2　阻隔防爆技術(shù)的應(yīng)用與研究

2.1阻隔防爆應(yīng)用領(lǐng)域

國外阻隔防爆技術(shù)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是軍工行業(yè)，采取的方式是往燃料箱內(nèi)充裝不同性質(zhì)的阻隔防爆材料。從最早的軍用直升飛機，擴展至坦克和船舶，后來又發(fā)展到部分敏感地區(qū)的警用車輛。

國內(nèi)的阻隔防爆技術(shù)主要采用網(wǎng)狀鋁合金(expanded aluminum, EA)作為材料，應(yīng)用領(lǐng)域集中在民用行業(yè)，如埋地儲罐、液化石油氣罐車和撬裝式加油站。埋地儲罐多為因歷史遺留問題無法滿足新標(biāo)準(zhǔn)中安全距離要求的加油站舊罐。舊罐改造的阻隔防爆材料填充在罐體內(nèi)部直接與燃料接觸，與國外僅將材料填充于罐內(nèi)人孔、不與燃料接觸有所不同[3]。撬裝式加油站是一種整體可移動的加油系統(tǒng)，其罐體安裝在地面之上。為降低其爆炸危險性，在罐內(nèi)填充阻隔防爆材料。

2.2阻隔防爆技術(shù)研究

阻隔防爆研究方法主要有試驗和理論分析兩種。試驗是一種最直觀與可靠的方法，其研究方向包括材料淬熄火焰與降低爆炸壓力能力研究[4]、材料自身抗沖擊性與抗燒結(jié)性研究、材料抗腐蝕性與確保燃料品質(zhì)能力研究、不同留空率與置換率對抑爆效果的影響以及同一材質(zhì)處于不同理化性質(zhì)抑爆能力差異的研究。理論分析則用來解決試驗難以觀察的問題，如阻隔防爆材料在超音速火焰通過時的狀況，又比如燃爆容器抗爆設(shè)計限值等。

研究成果表明，阻隔防爆技術(shù)有三項優(yōu)點：(1)防密閉容器內(nèi)的燃燒與爆炸。阻隔防爆的抑爆能力與其材質(zhì)及置換率有密切關(guān)系；(2)防浪涌。通過防止罐車儲罐產(chǎn)生浪涌，不僅能延長護(hù)輪胎與容器的使用壽命，還能預(yù)防車輛因急剎車與緊急轉(zhuǎn)向避險造成的傾翻事故；(3)防罐體劇烈晃動產(chǎn)生的沖擊。當(dāng)儲罐受到突然的沖擊或遭遇意外的墜落，罐內(nèi)燃料會對容器的一側(cè)產(chǎn)生顯著的、有可能導(dǎo)致容器破裂的沖擊壓力[3]。而阻隔防爆材料能有效防止這種強烈沖擊。

研究也同時發(fā)現(xiàn)了阻隔防爆技術(shù)所存在的三項缺點：(1)阻隔防爆材料腐蝕后會影響燃料品質(zhì)，其殘留沉積還可能堵塞管路；(2)阻隔防爆的安裝維護(hù)成本較高，在改造與清洗過程中還有可能因違規(guī)操作導(dǎo)致意外爆炸；(3)金屬類阻隔防爆材料在使用過程中會因重力與外部沖擊等原因發(fā)生塌陷與壓緊，削弱自身抑爆性能。

3　阻隔防爆安全檢驗

3.1規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

最早的金屬類阻隔防爆材料標(biāo)準(zhǔn)是1982年美國頒布的《網(wǎng)狀鋁合金防護(hù)材料軍用規(guī)范》(MIL-B-87162)。該規(guī)范早期曾于1991年海灣戰(zhàn)爭被美軍大力推廣，后來主要用于民用領(lǐng)域。目前國際上比較普遍采用的非金屬類阻隔防爆材料標(biāo)準(zhǔn)有兩個：一個是1984年修訂的《飛機燃油箱用的阻隔惰性材料》(MIL-B-83054B)；另一個是2006年修訂的《飛機燃油箱用的自身具有導(dǎo)靜電功能的抑爆泡沫材料》(MIL-PRF-87260B)。后者與前者相比，在導(dǎo)靜電方面提出了更為具體的要求，以適應(yīng)時代的發(fā)展。

80年代，國內(nèi)一些軍工企業(yè)與民企開始開發(fā)、引進(jìn)和生產(chǎn)金屬類阻隔防爆材料(EA)。2003年和2004年阻隔防爆技術(shù)分別被科技部和安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局列為年度重點推廣科技項目[5]。2005年，安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《汽車加油(氣)站、輕質(zhì)燃油和液化石油氣汽車罐車用阻隔防爆儲罐技術(shù)要求》(AQ 3001—2005)[6]和《阻隔抑爆撬裝式汽車加油(氣)裝置技術(shù)要求》(AQ 3002—2005)頒布實施。2006年，《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》(GB 50156—2002)修訂，新增了有關(guān)阻隔防爆的技術(shù)要求。

3.2實驗室檢驗

實驗室檢驗項目包括阻隔防爆材料選用合理性判斷、材料外觀質(zhì)量檢測、材料結(jié)構(gòu)尺寸檢測、材料密度測試以及防爆性能測試五項[6]。

阻隔防爆材料的選用應(yīng)考慮儲罐與儲存介質(zhì)理化性質(zhì)，保證不污染介質(zhì)的同時不被介質(zhì)污染。材料外觀質(zhì)量要求網(wǎng)格不均勻性小于或等于25%，邊緣不展開寬度小于或等于10mm，網(wǎng)格每平方米破損小于或等于5處且每處破損面積小于或等于60mm×50mm，成品端面不平度小于或等于60mm。材料結(jié)構(gòu)尺寸要求網(wǎng)格邊長公差為±0.5mm。以上檢驗項目在實驗室通過樣品測試后，在現(xiàn)場仍需對實際使用材料進(jìn)行抽查。材料密度可采用排水法或其它方法得出，用于置換率的計算。

防爆性能通過燃爆增壓表現(xiàn)出來。燃爆增壓是指在按照一定要求填充阻隔防爆材料之后，容器內(nèi)部發(fā)生爆炸所產(chǎn)生的平均壓力峰值。試驗要求燃爆增壓不大于0.14MPa。試驗主裝置為激波管，如圖1所示。壓力傳感器量程應(yīng)滿足0～10MPa，靈敏度應(yīng)達(dá)到140pC/MPa；壓力表應(yīng)滿足0～10MPa，精度等級卷達(dá)到1.6。試驗時，留空率為5%，試樣橫截面積應(yīng)不小于激波管內(nèi)腔截面積的98%。

1.激波管；2.壓力傳感器；3.觀察窗；4.壓力表；5.點火源；6.燃爆容器；7.閥門；8.循環(huán)泵；9.配料容器；10.試樣.

圖1阻隔防爆材料防爆性能測試裝置

燃爆增壓計算公式

△P=(P1+P2+P3+……+Pn)/n-Pb

式中，△P—燃爆增壓(Pa)；P1、P2……Pn—壓力傳感器壓力峰值(Pa)；n—激波管壓力傳感器個數(shù)；Pb—試驗前表壓(Pa)。

3.3現(xiàn)場安全檢驗

阻隔防爆現(xiàn)場安全檢驗包括儲罐清洗作業(yè)安全檢驗與材料安裝規(guī)范檢驗[6]。罐體填充阻隔防爆材料之前需要進(jìn)行清洗。清洗過程，特別是經(jīng)阻隔防爆技術(shù)改造后的儲罐清洗過程，是一個具有一定危險性的作業(yè)過程，需要全程進(jìn)行監(jiān)督檢驗。檢驗的重點是確保容器內(nèi)的氧濃度處于安全范圍內(nèi)以及可燃?xì)怏w或蒸汽的濃度不大于其爆炸下限20%。此外，還應(yīng)檢查滲漏試驗用試劑與清洗作業(yè)用清洗劑。

材料安裝檢驗首先結(jié)合現(xiàn)場測量與圖紙審閱，計算出儲罐的體積，然后測試計算填充密度、置換率與留空率三個參數(shù)并檢查結(jié)構(gòu)件是否安裝牢靠。填充密度是指用阻隔防爆材料填充儲罐時，單位體積材料的質(zhì)量，可用所有填入儲罐的阻隔防爆材料的質(zhì)量與儲罐體積相除得出。置換率是指阻隔防爆材料放入充滿液體的儲罐時，所排出的液體體積與儲罐體積之比。排出液體就是用于填充的阻隔防爆材料的體積，可通過填入儲罐的材料質(zhì)量與材料密度相除得出。留空率是指阻隔防爆材料安裝后，未填充空間與罐體體積之比。未填充空間一般指內(nèi)膽與結(jié)構(gòu)件，其體積可測量計算或查閱設(shè)計文件。

填充密度的要求是25～35kg/m3。置換率和留空率的要求與罐體規(guī)格有關(guān)：對于規(guī)格大于25 m3的罐體，置換率要求不大于1.2%，留空率要求不大于10%；對于規(guī)格小于25m3的罐體，置換率要求不大于1.1%，留空率要求不大于8%。

4　結(jié)語

緊跟計算機運算能力與軟件開發(fā)功能的提高，未來阻隔防爆的研究突破會更加依靠數(shù)值模擬方法。得益于材料學(xué)的飛速發(fā)展，日后阻隔防爆材料將以更輕質(zhì)、更耐腐蝕以及價格更低廉的非金屬材料為主。在更為嚴(yán)格與科學(xué)的安裝及清洗規(guī)范與現(xiàn)場安全檢驗要求出臺后，阻隔防爆在安裝與清洗時的事故率可顯著降低。伴隨著安全性的提高、材料價格的降低，政府推廣與企業(yè)采用阻隔防爆技術(shù)的意愿將大大提高，阻隔防爆在其發(fā)展領(lǐng)域，特別是罐車與撬裝式加油站的應(yīng)用將變得更加普遍。

[1]邢志祥，杜貞，歐紅香，等.多孔非金屬材料在阻隔防爆方面的研究進(jìn)展[J].安全與環(huán)境工程，2015(22)：112-119.

[2]張朋，張松，馬秋菊，等.阻火器防爆設(shè)計及防爆檢驗方法探討[J].電氣防爆，2011(3)：40-44.

[3]張健中，許光，周廣金，等.網(wǎng)狀鋁合金阻隔防爆材料功效及應(yīng)用探討[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2014(24)：42-46.

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[6]AQ 3001—2005,汽車加油(氣)站、輕質(zhì)燃油和液化石油氣汽車罐車用阻隔防爆儲罐技術(shù)要求[S].

Separation Explosion-Proof Technology and Inspection Requirements

Ke Yan, Wang Xinhua, Liang Jun, and Tang Peng

(GuangzhouAcademyofSpecialEquipmentInspection&Testing,Guangzhou510760,China)

This paper analyzes two main mechanisms of separation explosion-proof technology which called ‘cold wall action’ and ‘wall effect’, introduces development situation and research findings of domestic and abroad technology, gives the related technical specifications as well as items, methods and acceptability criterions of laboratory test and onsite safety inspection, and forecasts development trend of the technology in future.

Separation explosion-proof technology; separation explosion-proof material; flame resistance and explosion suppression; safety inspection

質(zhì)檢總局防爆特種設(shè)備非電氣部件點燃危險辨識及評定方法研究(項目編號：2015QK263)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.04.08

TM357；X932

A

1008-7281(2016)04-0024-003

柯研男1983年生；畢業(yè)于華南理工大學(xué)機械與工程學(xué)院，安全工程及技術(shù)碩士研究生；主要研究領(lǐng)域為易燃易爆危險場所電氣防爆現(xiàn)場測試、防爆特種設(shè)備檢驗、安全生產(chǎn)靜電測試等.

2015-05-06