管道阻火器性能測試方法研究

孫少辰，劉 剛，孫大超，龍海濤，李紹利

（1.沈陽特種設備檢測研究院，遼寧 沈陽 110179；2.江蘇復森特種閥門有限公司，江蘇 鹽城 224052）

管道阻火器是可燃油氣輸送管線及生產(chǎn)裝置的重要安全部件，對外界明火引發(fā)的爆炸后火焰向整個管網(wǎng)的傳播起到阻斷作用，一旦失效就可能發(fā)生爆炸事故并造成大量人員傷亡和嚴重經(jīng)濟損失[1]。國內(nèi)對于管道阻火器的研究起步較晚，測試技術(shù)體系不完善、不配套，在相關(guān)標準性能要求、測試方法及產(chǎn)品標準等方面總體落后于日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家，不能滿足日益增長的能源安全使用要求[2-9]。

文中結(jié)合國內(nèi)管道阻火器測試標準規(guī)范與產(chǎn)品性能測試試驗數(shù)據(jù)，對管道阻火器型式試驗涉及的阻火單元結(jié)構(gòu)尺寸、爆轟阻火器遭遇爆燃情況、非穩(wěn)定爆轟與穩(wěn)定爆轟過程進行理論分析和試驗測試數(shù)據(jù)分析，提出今后需要改進和完善的性能測試項目。

1 國內(nèi)管道阻火器測試法規(guī)及標準

國內(nèi)管道阻火器的標準及法規(guī)主要有GB/T 13347—2010 《石油氣體管道阻火器》[10]、SH/T 3413—2019《石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗及驗收標準》[11]、TSG D7002—2006 《壓力管道元件型式試驗規(guī)則》[12]。

GB/T 13347—2010由公安部天津消防研究所、中國科技大學等單位起草，規(guī)定了石油氣體管道阻火器的術(shù)語和定義、型號編制、分類、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸和儲存、產(chǎn)品合格證及使用說明書編寫要求等。該標準適用對象為安裝在石油氣體管道上的干式阻火器。其他阻火器產(chǎn)品也可參照采用。

SH/T 3413—2019由中國石化工程建設有限公司主編。該標準適用于ⅡA1～ⅡC級爆炸性氣體混合物的輸送系統(tǒng)、氣體回收系統(tǒng)和氣體放空系統(tǒng)的阻火器選用、檢驗及驗收。

TSG D7002—2006由原國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布。阻火器型式試驗是驗證阻火器是否滿足安全技術(shù)要求而進行的技術(shù)文件審查、樣品檢驗測試和安全性能試驗。管道阻火器是該規(guī)則包含的型式試驗試驗對象之一。

在GB/T 13347—2010出臺前，國內(nèi)沒有對阻火器進行分級、分項試驗。GB/T 13347—2010中的MESG分級、試驗氣體、實驗裝置設計和測試方法等內(nèi)容基本上是參照EN 12874—2001“Performance Requirements,Test Methods and Limits for Use”[13]編寫的。 這是我國阻火器檢測的一大進步。

上述標準和法規(guī)規(guī)定的管道阻火器性能測試項目包括外觀質(zhì)量和幾何尺寸、強度測試、密封測試、鹽霧腐蝕測試、壓降-流量測試以及阻火性能測試。

2 管道阻火器性能測試方法研究

在管道阻火器的實際應用中發(fā)現(xiàn)[7，14]，通過型式試驗檢測的合格管道阻火器產(chǎn)品還是會發(fā)生阻火失效甚至導致爆炸，這一現(xiàn)象說明火焰在管道阻火器系統(tǒng)內(nèi)傳播時會受到多種因素的影響，現(xiàn)有標準規(guī)范規(guī)定還沒有完全充分考慮到這些因素，需要通過理論與試驗研究進行改進、完善與補充。

2.1 阻火單元結(jié)構(gòu)尺寸檢驗

管道阻火器主要由阻火單元、外殼、阻火單元壓環(huán)或支撐桿、法蘭及墊片等部分組成（圖1）。管道阻火器主要利用淬熄效應[14]阻火，其阻火原理為，當火焰、熱氣體快速穿過阻火器時，通過阻火單元的孔壁向外釋放熱量，使火焰、熱氣體在完全穿過阻火器之前得到充分冷卻，從而防止易燃氣體和易燃液體蒸發(fā)氣體的火焰蔓延。其阻火單元對阻火器阻火性能起決定性作用。

圖1 管道阻火器結(jié)構(gòu)示圖

目前市場上應用最廣泛的是金屬波紋板型阻火單元，金屬波紋板型阻火單元又以爆轟型阻火器最為常見。波紋板型阻火器的阻火單元關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)主要有波紋鋼帶和直鋼帶厚度、波紋高度、孔隙角度及阻火單元厚度等。而在國內(nèi)標準只考核了阻火器外觀質(zhì)量，但波紋高度、阻火單元厚度等阻火器結(jié)構(gòu)參數(shù)值對管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫τ泻艽蟮挠绊?，進而會影響阻火器的阻火性能，因此有必要開展阻火單元的結(jié)構(gòu)尺寸檢驗，為工業(yè)裝置阻火器的設計和選型提供更為準確的參考依據(jù)。

2.2 爆轟阻火器遭遇爆燃情況

可燃氣體發(fā)生爆燃時，爆燃速率受反應區(qū)（火焰前鋒面）未燃物的熱量和反應組分擴散控制，爆炸前鋒面以亞音速在未燃燒氣體中傳播，傳播機理是傳熱效應，燃燒反應強烈依賴于能量釋放區(qū)域中的熱量和質(zhì)量擴散。爆轟現(xiàn)象由沖擊波相關(guān)的壓力和溫度引發(fā)燃燒，在反應物中以超音速傳播，傳播歸因于壓縮效應（通過沖擊壓縮性加熱傳播前鋒面前面的未反應氣體），其產(chǎn)生的高壓通常遠比爆燃更具破壞性。

使用阻爆轟型阻火器并不意味著它總是遭遇爆轟情況。當管路中的可燃氣體濃度降低時或者管路中存在泄漏點時，火焰?zhèn)鞑c到阻火器安裝位置的距離會被縮短，這種情況下阻爆轟阻火器遭遇的可能是爆燃現(xiàn)象，往往會使阻火器失效，尤其是在阻火器保護側(cè)的管路較短的情況 （直接與設備相連接）、或者保護端局部關(guān)閉閥門或接頭的情況下（圖2）。

圖2 阻爆轟型阻火器遭遇火焰爆燃時的管路特征示圖

這是因為當產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象時，爆燃中的壓力波先于火焰鋒面?zhèn)鞑ィ绻Ｗo側(cè)管路較短，在火焰鋒面到達阻爆轟型阻火器之前，前驅(qū)壓力波聚集在阻火器保護側(cè)會產(chǎn)生背壓，從而導致氣體在更高的壓力（高于初始壓力）下燃燒。在這種情況下，火焰將穿過阻爆轟型阻火器，使其失效。

目前，在國內(nèi)的測試標準中，對于阻爆轟型阻火器并不進行阻爆燃試驗，這無形中加大了阻爆轟型阻火器失效的概率，因此有必要在阻爆轟試驗后再考核阻爆燃試驗，保證爆轟阻火器使用的安全性。

2.3 非穩(wěn)定爆轟與穩(wěn)定爆轟過程

氣體從爆燃過程向爆轟過程的轉(zhuǎn)變過程 （簡稱DDT過程）稱為超壓爆轟或過壓爆轟，可理解為非穩(wěn)定爆轟過程。隨著時間的推進，非穩(wěn)定爆轟過程很快就被產(chǎn)物區(qū)的稀疏波削弱，達到穩(wěn)定傳播，形成穩(wěn)定爆轟傳播過程。因此，火焰在管道內(nèi)傳播時，傳播規(guī)律是由爆燃經(jīng)過非穩(wěn)定爆轟再至穩(wěn)定爆轟。

對應地，阻爆轟管道阻火器也可以分為非穩(wěn)定阻爆轟阻火器和穩(wěn)定阻爆轟阻火器。在管道阻火器的實際應用中，由于介質(zhì)復雜、彎頭和限流裝置較多（圖3），或者可燃物質(zhì)泄漏（如管道小孔泄漏或者大面積泄漏等）、L/D（管道長徑比）值無法確定在穩(wěn)定爆轟區(qū)間、管徑尺寸變?。▓D4）等因素的影響而很難預測穩(wěn)定爆轟的區(qū)間時，就必須選擇安裝非穩(wěn)定阻爆轟阻火器。

圖3 不適合安裝穩(wěn)定阻爆轟阻火器的多彎頭和限流裝置工況

圖4 不適合安裝穩(wěn)定阻爆轟阻火器的管徑尺寸變小工況

非穩(wěn)定阻爆轟阻火器適用于管道布置復雜情況下的阻火安全防護，旨在防止管道中氣體或蒸汽爆炸在不穩(wěn)定爆轟、穩(wěn)定爆轟和爆燃條件下的繼續(xù)傳播。

為了考察非穩(wěn)定阻爆轟阻火器的火焰速度與爆炸壓力，采用江蘇復森特種閥門有限公司生產(chǎn)的4臺非穩(wěn)定阻爆轟阻火器 （直徑分別為50 mm、100 mm、200 mm、300 mm）和 1 臺直徑200 mm 的穩(wěn)定阻爆轟阻火器進行對比試驗，試驗介質(zhì)為丙烷-空氣預混氣體，測試數(shù)據(jù)見表1～表5。阻火情況分為阻火成功或阻火失效兩種，試驗表明，穩(wěn)定阻爆轟阻火器安裝在非穩(wěn)定阻爆轟的測試環(huán)境下均阻火失效。

表1 D=50 mm非穩(wěn)定阻爆轟阻火器測試結(jié)果

表2 D=100 mm非穩(wěn)定阻爆轟阻火器測試結(jié)果

表3 D=200 mm非穩(wěn)定阻爆轟阻火器測試結(jié)果

表4 D=300 mm非穩(wěn)定阻爆轟阻火器測試結(jié)果

表5 D=200 mm穩(wěn)定阻爆轟阻火器測試結(jié)果

表1中，阻火器未保護側(cè)管道長度為5.2 m，阻火器保護側(cè)管道長度為3.0 m。表2中，阻火器未受保護側(cè)管道長度為10.2 m，阻火器保護側(cè)管道長度為3.0 m。表3中，阻火器未受保護側(cè)管道長度為19.8 m、18.5 m，阻火器保護側(cè)管道長度為3.0 m。表4中，阻火器未受保護側(cè)管道長度為29.7 m，阻火器保護側(cè)管道長度為3.0 m。表5中，阻火器未受保護側(cè)管道長度為40 m，阻火器保護側(cè)管道長度為3.0 m。

對比表1～表4的檢測數(shù)據(jù)可以看出，非穩(wěn)定爆轟的爆炸最高壓力11.94 MPa和最快火焰?zhèn)鞑ニ俣? 704 m/s均出現(xiàn)在直徑200 mm的非穩(wěn)定阻爆轟管道阻火器產(chǎn)品測試中。相比表5中穩(wěn)定阻爆轟阻火器測試數(shù)據(jù) （最高壓力6.75 MPa、最快火焰?zhèn)鞑ニ俣? 284 m/s），非穩(wěn)定阻爆轟阻火器的阻火速度和壓力都遠高于穩(wěn)定阻爆轟阻火器。由此可以判斷，在非穩(wěn)定爆轟的環(huán)境安裝使用穩(wěn)定爆轟阻火器，阻火器很可能會發(fā)生失效。試驗結(jié)果表明，非穩(wěn)定爆轟阻火器一定可以阻止穩(wěn)定爆轟火焰，但是穩(wěn)定爆轟阻火器均不能夠阻止非穩(wěn)定爆轟火焰?zhèn)鞑ィ瑑烧卟顒e巨大。而在國內(nèi)的標準中，阻爆轟測試并未對非穩(wěn)定情況和穩(wěn)定情況區(qū)分對待，因此開展非穩(wěn)定阻爆轟的測試是十分必要的。

3 結(jié)語

管道阻火器檢測技術(shù)在國際上屬于壟斷技術(shù)和不斷發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，工業(yè)發(fā)達國家已建立了相對完整的理論體系和技術(shù)規(guī)范，國內(nèi)跟蹤該技術(shù)領(lǐng)域已達三十多年。近些年，化工和石化行業(yè)快速發(fā)展，極大促進了管道阻火器在國內(nèi)的技術(shù)自主研發(fā)和工業(yè)應用。工業(yè)應用中出現(xiàn)的阻火失效爆炸事故，暴露了國內(nèi)阻爆技術(shù)基礎(chǔ)研究的不足，開展阻火器測試關(guān)鍵技術(shù)的研究是當務之急。文中通過探討，認為管道阻火器性能測試內(nèi)容應包括外觀質(zhì)量和幾何尺寸、強度測試、密封測試、鹽霧腐蝕測試、壓降-流量測試及阻火性能測試。其中，幾何尺寸應包括阻火單元尺寸檢驗，包括波紋鋼帶和直鋼帶厚度、波紋高度、孔隙角度、阻火單元厚度等。阻火性能測試應包括阻爆燃測試、穩(wěn)定阻爆轟測試（在阻爆轟測試后進行阻爆燃測試）和非穩(wěn)定阻爆轟測試 （在阻爆轟測試后進行阻爆燃測試）。