劉寧寧* 劉利利 張 雪

（1.徐州八方安全設(shè)備有限公司 2.中國礦業(yè)大學(xué)）

0 引言

隨著工業(yè)快速發(fā)展，可燃性介質(zhì)在生產(chǎn)、運輸和存放過程中因意外泄漏或其他原因?qū)е碌娜紵ㄊ鹿室仓鹉暝龆?，因此，抑制管道?nèi)火焰蔓延的安全裝置已成為安全技術(shù)領(lǐng)域的一項重要課題。

阻火器是一種允許氣體通過但可以阻止外部火焰進(jìn)入存有易燃易爆介質(zhì)的設(shè)備和管道，或阻止火焰在設(shè)備和管道之間蔓延的安全裝置[1]。近年來，阻火器在石油、化工、天然氣等行業(yè)被廣泛使用，保證阻火器的阻火、抗爆性能，降低管道壓力損失，提高阻火器的可靠性對生產(chǎn)安全具有重要的意義[2-3]。

根據(jù)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，阻火器的性能試驗內(nèi)容包括阻火性能（包括阻爆燃和阻爆轟）、耐燒性能、壓力損失及通氣量等。其相關(guān)檢測技術(shù)在工業(yè)較發(fā)達(dá)的國家已建立了相對完整的理論體系和技術(shù)規(guī)范。近年來，國內(nèi)研究者在自主研發(fā)方面也取得了較大的進(jìn)展，但在阻爆轟性能試驗、壓力損失及通氣量試驗方面的研究還不完整、不全面[4]，尤其是在壓力損失及通氣量性能方面的研究，國內(nèi)目前還沒有相關(guān)的理論體系。本文針對這一問題，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO16852，結(jié)合目前的實際情況自主研發(fā)出適用于管道阻火器的阻火性能、管端阻火器壓降-通氣量的試驗系統(tǒng)，測試阻火器的阻火性能與壓降-通氣量關(guān)系，為阻火器的設(shè)計選型提供試驗依據(jù)。

1 測試系統(tǒng)

結(jié)合計算機數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，研制出了一套集電控點火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理的測試系統(tǒng)，通過對火焰速度、壓力、通氣量等參數(shù)進(jìn)行采集、記錄與分析，得到阻火器的相關(guān)性能參數(shù)，從而判斷阻火器的各項性能參數(shù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并能夠根據(jù)用戶的實際使用工況迅速確定阻火器的類型及結(jié)構(gòu)尺寸。

1.1 阻火性能測試

1.1.1 系統(tǒng)研制

阻火器的阻火原理共兩點：一是傳熱作用，二是器壁效應(yīng)。阻火器的主要部件是能夠通過氣體且具有許多細(xì)小通道或縫隙的固體材質(zhì)組成的阻火元件。當(dāng)火焰經(jīng)過阻火元件時，被阻火元件分成許多細(xì)小的火焰流，由于傳熱作用和器壁效應(yīng)，火焰流能量被降低從而熄滅。而阻火元件的孔隙大小是決定火焰是否能被熄滅的一個重要因素，國際上將在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下（大氣壓0.1 MPa，20 ℃），剛好使火焰不能通過的狹縫寬度定義為最大試驗安全間隙（MESG）。

ISO16852 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于爆燃和爆轟試驗混合物的MESG 值、氣體類型等要求，如表1 所示。本文通過氣體分析儀檢測管道中混合氣體的氣體體積比，確保滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 用于爆燃和爆轟試驗的氣體-空氣混合物標(biāo)準(zhǔn)

阻火器阻火性能測試系統(tǒng)主要由配氣系統(tǒng)、電火花點火裝置、管道系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、信號采集卡、高速攝像機、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、配電及安全系統(tǒng)及附件組成，如圖1 所示。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，點火源與阻火器之間的安裝距離Lu需足以產(chǎn)生穩(wěn)定的爆轟，也可以在未受保護(hù)側(cè)增加擾動裝置，增大火焰加速度。受保護(hù)側(cè)管道長度Lp為10D（D為管道直徑），且不小于3 m，并在管端安裝盲法蘭。在未受保護(hù)側(cè)安裝有4 支火焰?zhèn)鞲衅骱? 支壓力傳感器用于檢測火焰速度和壓力，在保護(hù)側(cè)安裝有1 支火焰?zhèn)鞲衅饔糜谂袛嘧杌鹪囼炇欠癯晒Α?/p>

圖1 阻火器阻火性能測試裝置

可視化界面可通過LabVIEW 軟件來實現(xiàn)，借助LabVIEW 圖形化編程環(huán)境完成連接測量、控制硬件、分析數(shù)據(jù)、顯示測試結(jié)果、數(shù)據(jù)存儲與回放等功能。

1.1.2 測試結(jié)果分析間隔。圖2 e）所示為阻火器后端（受保護(hù)側(cè)）的火焰?zhèn)鞲衅餍盘?，圖中顯示僅存在點火后的干擾信號，說明此處無火焰通過，阻火器阻火成功。圖3 所示為阻火器前端（未受保護(hù)側(cè)）的壓力傳感器信號，圖3中為未濾波信號（防止瞬時有效數(shù)據(jù)丟失），根據(jù)最大電壓幅值以及電壓值范圍（0～5 V，2 MPa）即可計算出火焰通過傳感器時的最大壓力值。

圖2 火焰?zhèn)鞲衅餍盘?/p>

圖3 壓力傳感器6信號

1.2 壓力損失與通氣量測試

1.2.1 系統(tǒng)研制

阻火元件是細(xì)小致密的結(jié)構(gòu)，當(dāng)介質(zhì)通過時會產(chǎn)生一定的壓力損失。壓力損失值與阻火器的結(jié)構(gòu)、尺寸、阻火元件孔隙的尺寸、阻火元件的層數(shù)等有著密切的關(guān)系。如果壓力損失較大，而通氣量很小甚至低于生產(chǎn)工藝要求，將會對生產(chǎn)造成一定的影響，甚至可能會造成設(shè)備的損壞（通氣量過小會使設(shè)備產(chǎn)生負(fù)壓而導(dǎo)致設(shè)備遭受真空破壞）。因此，除了阻火性能測試，還需進(jìn)行壓力損失-通氣量測試，得到測試條件下的壓降-流量關(guān)系，分析出在標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓降-流量關(guān)系，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13347—2010《石油氣體管道阻火器》計算出阻力系數(shù)，得到不同型號、尺寸、爆炸組別的阻火器的壓降-流量曲線圖，為確定阻火器的結(jié)構(gòu)、尺寸提供依據(jù)。

壓力損失與通氣量試驗系統(tǒng)由供風(fēng)源（風(fēng)機）、連接管道、耐壓儲罐（用于管端阻火器）、被測阻火器、流量計、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等組成。風(fēng)機用于提供風(fēng)源，阻火器前端安裝1 個流量計，儲罐上安裝1 個壓力傳感器，分別用來檢測流量和壓力，如圖4 所示。

圖4 管端阻火器壓力損失與通氣量測試系統(tǒng)

1.2.2 測試結(jié)果分析

本文采用管端阻火器進(jìn)行壓力損失與通氣量測試，試驗參數(shù)如表2 所示。

表2 阻火器試驗參數(shù)表

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，將大氣條件轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（大氣壓為101.3 kPa，溫度為0 ℃），通過MATLAB 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到如圖5 所示的流量-壓降曲線圖，由于阻火器的壓力損失與阻火元件的孔隙尺寸、阻火元件的厚度、阻火器的結(jié)構(gòu)等有關(guān)，爆炸組別ⅡB3 的阻火器阻火元件的孔隙小于爆炸組別ⅡA的阻火器，當(dāng)阻火器的尺寸、結(jié)構(gòu)、流量不變時，前者的壓力損失大于后者；對于爆炸組別相同的阻火器，當(dāng)阻火器的結(jié)構(gòu)、壓降不變時，尺寸增大，流量也隨之增大。但也存在不同情況，當(dāng)阻火元件的厚度、阻火器的結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變時，其尺寸增大，壓力損失也可能增大，流量反而減小，這與使用工況和結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)實際使用工況即可確定阻火器的類型、結(jié)構(gòu)、尺寸等參數(shù)。例如阻火器爆炸組別為ⅡA，所需流量為600 Nm3/h，最大允許壓降為600 Pa，查曲線圖可知DN250 mm 的管道滿足要求，從而初步確定阻火器的尺寸。

圖5 流量-壓降試驗曲線

2 結(jié)論

本文提出了阻火器性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)自研制成功之后，進(jìn)行了多次阻火器性能試驗，保證了試驗場地和試驗人員的安全，確保阻火器阻火性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。壓力損失與通氣量試驗系統(tǒng)不僅可用于阻火器的通氣量試驗，而且可用于呼吸閥、阻火呼吸閥等安全泄壓裝置的通氣量試驗，應(yīng)用范圍更廣泛，為產(chǎn)品的研發(fā)測試及性能分析提供了有力的判定依據(jù)。但是該系統(tǒng)仍然存在一些需要改進(jìn)的地方，對試驗系統(tǒng)不斷改進(jìn)、不斷完善，得到更穩(wěn)定、更可靠性的在線測試系統(tǒng)是今后需要繼續(xù)努力的方向。