淺析七氟丙烷滅火劑貯存壓力的保持

●鄭 斌，劉 敏，關雙權

(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)境溫度的下降導致壓力下降屬于正?，F(xiàn)象，只要在溫度回升后能夠恢復公稱工作壓力，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，又包括化學作用。兩種因素相比化學作用占主導地位。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)生的化學鏈式反應，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，迅速撲滅初期火災減少因火災發(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。在合理設計的基礎上，保持滅火劑貯存容器內(nèi)的壓力是非常關鍵的條件。

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)方程推導得出:

其中，n為氣體摩爾數(shù);R為熱力學常數(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?shù)獨赓A存于滅火劑瓶組中時，上述三個壓力指標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。可以看出，對于2.5 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)生化學反應的氣體混合時，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?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注意:(1)氮氣增壓時間不宜過短，應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?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)滅火劑貯存容器應增加不用退藥的補壓裝置，避免反復充裝造成滅火劑的浪費。(4)優(yōu)化設計滅火劑瓶組，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)設計規(guī)范［S］.

［3］鄭端文，劉海辰.消防安全技術［M］.北京:化學工業(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:南京大學出版社，2005.