石油氣體管道阻火器阻火性能測試系統(tǒng)研制

王一寧， 王志榮， 馬衛(wèi)東， 葉有俊， 劉垂鵬， 陳文濤

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院， 江蘇 南京 210000；2.南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816；3.武漢理工大學(xué) 中國應(yīng)急管理研究中心， 湖北 武漢 430070；4.中國職業(yè)安全健康協(xié)會， 北京 100011)

國內(nèi)外的化工運輸及生產(chǎn)環(huán)節(jié)頻繁涉及可燃、易燃氣體或液體，預(yù)防及阻止其發(fā)生火災(zāi)爆炸是安全生產(chǎn)的重點考慮因素。阻火器是利用國內(nèi)外相對完善的阻火理論制成的阻火預(yù)防設(shè)備，被應(yīng)用于各行業(yè)中。19世紀初的淬熄規(guī)律研究主要用于解決礦井爆炸問題，之后進行了更深層次的阻火理論研究，包括不同氣體、不同火焰速度的淬熄理論以及直接使用阻火器進行的實驗分析[1]。實驗中所用的平行板狹縫裝置類似于阻火器，擁有阻火器的冷壁效應(yīng)，導(dǎo)致火焰在狹縫中淬熄，冷壁效應(yīng)是爆燃火焰通過阻火器而發(fā)生淬熄的主要因素[2]。一般的波紋板阻火器主要用于爆燃火焰的阻火，而在眾多的火災(zāi)事故中，大部分燃燒均經(jīng)歷爆燃轉(zhuǎn)爆轟(DDT)過程，所以對于阻火理論的研究應(yīng)該由爆燃空間上升到爆轟空間，加深爆轟理論的研究[3-5]。爆轟產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c爆燃產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔辛考壊顒e，提出爆轟安全阻火速度的計算方法可以為阻火器的設(shè)計選型及測試提供更為準確的參考依據(jù)。Roussakis和Lapp[6]提出一種阻火器測試方法，此方法考慮了阻火器保護側(cè)的流量限制對阻火器性能的影響。

阻火性能測試是保證阻火器阻火性能的重要措施，我國關(guān)于阻火器及阻火器性能測試的研究雖然較晚，但也取得了不少阻火器性能測試系統(tǒng)的研究成果[7-9]。目前國內(nèi)外使用的阻火器阻火性能測試裝置基本都是指定一特定氣體或在一定環(huán)境下使用，而且大部分集中于火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的研究。本文設(shè)計并建立了一套石油氣體管道阻火器阻火性能測試系統(tǒng)，此測試系統(tǒng)滿足當(dāng)前國內(nèi)外阻火器阻火性能測試要求，而且克服了特定條件下阻火性能規(guī)律研究的局限性，適用于各種阻爆燃和阻爆轟阻火器的測試及多方面的阻火性能研究。

1 國內(nèi)外阻火器阻火性能測試標準及要求

ISO 16852—2008《Flame Arresters—Performance Requirements，Test Methods and Limits for Use》[10]對阻火器的使用方法及材質(zhì)選取進行了限定。歐洲標準 BS EN 12874—2001《Flame Arresters — Performance Requirements，Test Methods and Limits for Use》[11]規(guī)定了阻火器性能要求、試驗方法和使用極值。美國石油組織也有對各類阻火器保養(yǎng)、使用、實驗等的條例要求。GB 5908—2005《石油儲罐阻火器》[12]適用于原油、汽油和煤油等輕質(zhì)油品儲罐上安裝的石油儲罐阻火器性能的評定和試驗，GB 13347—2010《石油氣體管道阻火器》[13]適用于石油氣體管道阻火器的評定和試驗。除此之外，還有SH/T 3413—1999《石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗及驗收》[14]、HG/T 20570.19—95《阻火器的設(shè)置》[15]等標準。

國內(nèi)主要是由高等院校及特檢機構(gòu)對阻火器可燃氣體的阻火、耐燒等性能進行測試試驗，研究可燃氣體的爆燃、爆轟規(guī)律。

德國標準中要求對體積大于1 m3的儲罐上的阻火器必須進行2 h的耐燒試驗，且試驗介質(zhì)需為除氫氣和乙炔外的其他可燃氣體。日本標準中明確要求必須使用己烷作為試驗介質(zhì)對石油儲罐阻火器進行耐燒性能和阻爆性能測試。前蘇聯(lián)標準中要求在進行阻火器的阻爆性和耐燒性等測試時，需采用阻火器使用介質(zhì)作為試驗介質(zhì)進行測試。英國阻火器測試標準中要求對石油儲罐阻火器進行連續(xù)10次阻爆試驗才能確定其阻火性能，并且對不同環(huán)境下的耐燒測試時間要求不同，應(yīng)用于地面上的阻火器需要2 h耐燒測試且無回火，應(yīng)用于油船上的阻火器則只需1 h的耐燒測試且無回火[16-17]。美國標準中要求的連續(xù)試驗次數(shù)比英國阻火器測試標準中的最低要求至少多3次，每次試驗要保證火焰、火花無法通過阻火器，出口管線高于進口管線且需安裝隔膜，便于排除易燃、易爆介質(zhì)[18]。

2 阻火器阻火性能測試系統(tǒng)及測試方案

2.1 阻火性能測試系統(tǒng)試驗裝置

目前各行業(yè)使用的阻火器種類較多[19-25]，型號各異，質(zhì)量參差不齊。為了驗證管道阻火器的阻火性能，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計加工了一套石油氣體管道阻火器阻火性能測試系統(tǒng)，其試驗裝置見圖1。

圖1 石油氣體管道阻火器阻火性能測試系統(tǒng)試驗裝置示圖

阻火器阻火性能測試系統(tǒng)全長7 m，整個管道采用16MnⅢ鑄造，設(shè)計壓力為10 MPa。以中間阻火器為分界，前端為引爆段裝置，后端為保護段裝置，引爆段管道長4 m，保護段和引爆段的管道內(nèi)徑均為50 mm。引爆段裝置兩端焊接法蘭面，并配備了相應(yīng)的盲板，管道底部安裝有2個底座進行支撐。引爆段裝置的作用主要是引爆管道內(nèi)的可燃預(yù)混氣體并對火焰進行加速，管道上有點火器安裝孔、進氣孔以及火焰?zhèn)鞲衅骱蛪毫鞲衅鞯陌惭b孔等，孔徑均為M20×1.5。保護段裝置兩端焊接法蘭面，管道底部安裝有2個底座進行支撐。保護段裝置的作用主要是查看火焰穿過阻火器后的狀況，管道上有火焰?zhèn)鞲衅靼惭b孔和出氣孔，孔徑規(guī)格為M20×1.5。

波紋型阻火器能阻止爆燃的猛烈火焰，并承受相應(yīng)的機械和熱力作用，流動阻力小，易于清洗和更換，因此測試試驗中選用了DN50 mm、壓力0.6 MPa的ZGB-1波紋型阻爆燃型阻火器及DN50 mm、壓力1.6 MPa的GZJII型阻爆轟型阻火器。測試試驗中使用的其他儀器主要有RCS2000-B型配氣儀、2X-8GA型真空泵、DA-7型雙螺桿空壓機、HM90H2-2-V2-F10-W2型高頻壓力變送器、CKG100型火焰?zhèn)鞲衅?。點火裝置為Kanthal耐高溫合金點火桿+KTD-A型可調(diào)節(jié)高能點火器，壓力信號采用DEWESoft公司生產(chǎn)的DEWESoftTM型數(shù)據(jù)采集儀進行采集，火焰信號采用成都泰斯特電子信息有限公司生產(chǎn)的TST6300型動態(tài)信號采集系統(tǒng)進行采集。

2.2 阻火性能測試方案

為了驗證管道阻火器阻火性能測試系統(tǒng)的可靠性和實用性，選取DN50 mm的測試管道，采用甲烷-空氣預(yù)混氣體，根據(jù)阻火性能測試要求，分別進行13組阻爆燃及阻爆轟測試[26]。

整個阻火性能測試系統(tǒng)中安裝了4個火焰?zhèn)鞲衅鲗σ蔚幕鹧嫠俣纫约氨Ｗo段的火焰速度進行監(jiān)測，安裝1個壓力傳感器對初始壓力進行監(jiān)測。測試時先將整個阻火性能測試系統(tǒng)抽真空至-0.1 MPa，再通過自動配氣系統(tǒng)向測試系統(tǒng)中充入甲烷-空氣預(yù)混氣體至0.1 MPa，靜置1 min，然后通過點火器進行點火，通過火焰?zhèn)鞲衅鞑杉鹧嫘盘枴?/p>

3 阻火器阻火性能測試結(jié)果及分析

3.1 阻爆燃測試

使用管道阻火器阻火性能測試系統(tǒng)對ZGB-1波紋型阻爆燃型阻火器進行了13組測試試驗，第1組測試試驗得到的不同火焰?zhèn)鞲衅鞯碾妷?時間曲線見圖2。

圖2 第1組阻爆燃測試試驗中不同火焰?zhèn)鞲衅鞯碾妷?時間曲線

分析圖2可以知道，1號火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測到的火焰到達時間為3.227 s，2號火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測到的火焰到達時間為3.349 s，3號火焰?zhèn)鞲衅骱?號火焰?zhèn)鞲衅鳑]有監(jiān)測到火焰信號。根據(jù)DN50 mm管道上各火焰?zhèn)鞲衅髦g的距離計算得到1號火焰?zhèn)鞲衅骱?號火焰?zhèn)鞲衅髦g的火焰平均傳播速度為3.6 m/s。

從上述分析可以看出，火焰在引爆段的傳播速度小于聲速，為爆燃傳播，且3號火焰?zhèn)鞲衅骱?號火焰?zhèn)鞲衅骶幢O(jiān)測到火焰信號，因此第1組阻爆燃試驗結(jié)果有效。同理分析其余12組試驗的電壓-

時間曲線，計算得到的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹槊棵霂酌字翈资?，但均符合爆燃狀態(tài)速度特征，火焰通過阻火器后均未監(jiān)測到火焰信號，證明阻火器性能合格。設(shè)計的阻火器阻火性能測試系統(tǒng)能夠配合阻火器完成阻爆燃試驗，阻爆燃性能測試可靠有效。

3.2 阻爆轟測試

相比于阻爆燃型阻火器的性能測試，阻爆轟型阻火器的性能測試要求更加嚴格。選用GZJII型阻爆轟型阻火器進行13組阻爆轟阻火性能測試，第1組阻爆轟試驗得到的不同火焰?zhèn)鞲衅鞯碾妷?時間曲線見圖3。

圖3 第1組阻爆轟測試試驗中不同火焰?zhèn)鞲衅鞯碾妷?時間曲線

分析圖3可以知道，1號火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測到的火焰到達時間為13.392 s，2號火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測到的火焰到達時間為13.393 s，3號火焰?zhèn)鞲衅骱?號火焰?zhèn)鞲衅鞫紱]有監(jiān)測到火焰信號。根據(jù)DN50 mm管道上各火焰?zhèn)鞲衅髦g的距離計算出1號火焰?zhèn)鞲衅骱?號火焰?zhèn)鞲衅髦g的火焰平均傳播速度為400 m/s。

從上述分析可以看出，火焰在引爆段的傳播速度大于聲速，為爆轟傳播，且3號火焰?zhèn)鞲衅骱?號火焰?zhèn)鞲衅骶幢O(jiān)測到火焰信號，因此第1組阻爆轟試驗結(jié)果有效。經(jīng)過13次的阻爆轟試驗發(fā)現(xiàn)，引爆段內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣染_到幾百米每秒，符合爆轟狀態(tài)速度特征，火焰通過阻火器后，3號和4號火焰?zhèn)鞲衅骶鶝]有監(jiān)測到火焰信號，說明阻火器能夠成功阻止爆轟狀態(tài)下的火焰在管道內(nèi)的傳播，證明阻火器性能合格。設(shè)計的阻火器阻火性能測試系統(tǒng)能夠配合阻火器完成阻爆轟試驗，阻爆轟性能測試可靠有效。

4 結(jié)語

自行設(shè)計加工了一種系統(tǒng)性的石油氣體管道阻火器阻火性能測試系統(tǒng)，制定了相應(yīng)的測試方案，并采用此測試裝置進行了管道阻火器阻火性能測試。在阻爆燃測試中，引爆段發(fā)生爆燃，保護段無火焰信號，說明此系統(tǒng)可應(yīng)用于阻爆燃性能測試。在阻爆轟測試中，監(jiān)測到引爆段火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到爆轟范圍，保護段仍無火焰信號，說明此系統(tǒng)在阻爆轟性能測試中亦可有效使用。測試試驗證明，該石油氣體管道阻火器阻火性能測試系統(tǒng)較為完整，阻火性能測試可靠有效。