阻爆轟型阻火器的工作原理

阻爆轟型阻火器廣泛應(yīng)用于易燃液體、蒸氣和氣體處理領(lǐng)域的防爆方面。人們常常認(rèn)為阻爆轟型阻火器能提供全面的保護(hù)這種誤解會導(dǎo)致具有潛在危險的安裝。轉(zhuǎn)變這種錯誤的認(rèn)識關(guān)鍵要理解兩種阻爆轟型阻火器(穩(wěn)定和非穩(wěn)定)之間的根本區(qū)別。

合理設(shè)計防爆和防護(hù)系統(tǒng)并且遵守嚴(yán)格的操作和維護(hù)程序，可以避免在很多工藝中產(chǎn)生蒸氣和空氣混合物更不可能著火。然而在儲罐通風(fēng)和蒸氣收集系統(tǒng)中這種風(fēng)險要大得多因此合理使用阻爆轟型阻火器是確保設(shè)備在使用壽命中安全性的最重要因素。

一、阻爆轟型阻火器的工作原理什么是爆轟?

爆轟發(fā)生在具有長管道的開放或封閉管道系統(tǒng)(例如通風(fēng)管或蒸氣的收集系統(tǒng))中。當(dāng)氣體／空氣混合物在管道內(nèi)著火燃燒混合物體積因而增加導(dǎo)致其前方的未燃混合物被預(yù)先壓縮且火焰鋒隨著燃燒率的升高而加快。該過程的早期階段稱為爆燃這時火焰速度為亞音速且壓力波于火焰鋒；通常對于在環(huán)境條件下引發(fā)的爆炸，火焰速度小于100m/s且壓力低于0.1MPa.g但若轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z則火焰速度和壓力可分別達(dá)到200~300m/s以及1MPa.g。由于燃燒過程進(jìn)一步加快最后火焰鋒和壓力波相遇在"爆燃轉(zhuǎn)爆轟(DDT)"區(qū)形成高壓沖擊波該沖擊波靠近火焰鋒前方。DDT區(qū)的另一個特征是超壓爆轟或不穩(wěn)定爆轟其猛烈的沖擊波壓縮可帶來15MPa.g以上的瞬時壓力以及3000m/s以上的火焰速度。這些沖擊波迅速消散爆轟波變得穩(wěn)定，同時壓力約為2-3MPa.g，火焰速度通常為1600-2000m/s。

爆轟只會在特定的氣體/蒸氣濃度范圍內(nèi)發(fā)生通常濃度都在所涉及材料的正常可燃范圍內(nèi)。接近稀/濃極會出現(xiàn)馳振爆轟現(xiàn)象。火焰速度由于管道方向更改(彎頭等)而臨時衰減為爆燃區(qū)的速度時也會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。這主要說明火焰鋒可通過DDT/不穩(wěn)定爆轟區(qū)在爆燃和穩(wěn)定爆轟之間反復(fù)變化，而這是極其危險的。穩(wěn)定爆轟只會發(fā)生在不穩(wěn)定爆轟后強調(diào)這一點很重要。在很大程度上穩(wěn)定和不穩(wěn)定爆轟的出現(xiàn)取決于管道直徑、管道配置、管道類型(例如滑順焊接、帶法蘭接頭的粗焊接)、氣體/蒸氣類型、空氣中的氣體/蒸氣濃度、工作溫度和工作壓力。只有在帶化學(xué)計量試驗氣體的受控實驗室條件下才有可能預(yù)測出現(xiàn)這些現(xiàn)象的位置。在工藝裝置中處理氣體/蒸氣(濃度接近可燃性稀/濃極限且位于包含無數(shù)彎頭、閥門等的管道中)的可能性比標(biāo)準(zhǔn)試驗氣體(丙烷、乙烯或氫氣)高。這些因素會影響防爆措施(尤其是阻爆轟型阻火器)的應(yīng)用。

二、阻爆轟型阻火器的工作原理

阻火匣式的阻爆轟型阻火器使用小阻火匣與阻火匣長度來提供大的傳熱面積。來自燃燒氣體的熱量通過阻火匣內(nèi)的邊界層消散最終冷卻到其自燃溫度以下。所需阻火匣大小取決于實際氣體/蒸氣且可使用所有蒸氣的基本屬性"試驗安全間隙（MESG）"來定義。所需的阻火匣長度通過試驗確定基本上是火焰速度的函數(shù)--由于阻爆轟型阻火器的高火焰速度其阻火匣長度通常比阻爆燃型阻火器大。一般不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器的阻火匣長度比穩(wěn)定阻爆轟型阻火器大但更重要的是，它需要更堅固的元件支撐架來承受不穩(wěn)定事件帶來的更大作用力。通過使用整體逆流減震器爆轟也可在到達(dá)元件前衰減為爆燃。

1、穩(wěn)定阻爆轟型阻火器

雖然穩(wěn)定阻爆轟型阻火器已在德國普遍使用并經(jīng)ISO16852：2008認(rèn)可但由于它*忽略DDT/不穩(wěn)定爆轟和馳振爆轟的存在且似乎僅依賴于已接受的風(fēng)險級別，所以存在根本缺陷。而且這種裝置的制造商不需要明確告知用戶使用"阻爆轟型"阻火器的風(fēng)險。若認(rèn)為將氣體/空氣濃度維持在爆炸下限(LEL)的25％為根本防爆技術(shù)則依此類推可認(rèn)為將其維持在爆炸上限(UEL)以上25％也同樣可以接受。然而由于可能需要穿過整個可燃范圍來實現(xiàn)這種維持一般不這種做法。ISO16852：2008(7.4.4、11.1h和附件D)試圖通過不允許單獨使用穩(wěn)定阻爆轟型阻火器以及0、1和2區(qū)(以德國TRbF20規(guī)范為代表)的相關(guān)防護(hù)級別來克服該問題。實際上若會發(fā)生爆轟，就不會注意到是否在0、1和2區(qū)，最終結(jié)果也相同。穩(wěn)定阻爆轟型的阻火器的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)低于不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器。另外當(dāng)位于DDT/不穩(wěn)定區(qū)時由于給不穩(wěn)定爆轟施加了動負(fù)荷(設(shè)計環(huán)節(jié)未考慮這一點)穩(wěn)定阻爆轟型阻火器通常會出現(xiàn)機械損壞。

2、不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器

大部分地區(qū)都只認(rèn)可不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器，例如美國海岸警衛(wèi)隊標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定只允許使用在穩(wěn)定和不穩(wěn)定爆轟下都證實可靠的不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器。由于爆轟事件在實踐中的不可預(yù)見性沒有其他裝置可在無需考慮可能位置及使用其他防護(hù)系統(tǒng)的情況下提供全面保護(hù)。不穩(wěn)定爆轟試驗的一個

缺陷是其固有的不可預(yù)見性以及廣泛的火焰速度和壓力范圍(可通過對比穩(wěn)定爆轟試驗來測量。在穩(wěn)定爆轟試驗中這些參數(shù)可根據(jù)理論原理計算)。然而考慮到所執(zhí)行的試驗次數(shù)這顯然是比冒險采用低性能的穩(wěn)定阻爆轟型阻火器更健全的解決方案。畢竟永遠(yuǎn)也不可能用阻爆燃型阻火器代替阻爆轟型阻火器因為發(fā)生爆轟的可能性很小。與穩(wěn)定阻爆轟型阻火器相比不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器可能有更大的壓力降。然而考慮到穩(wěn)定阻爆轟型阻火器可能需要成對使用或與阻爆燃型阻火器搭配使用，這就不成問題。由于需要在工藝設(shè)計階段考慮的某些因素(例如流量和壓力降)總在事后才想起因而導(dǎo)致了不必要的實踐和成本問題。

3、只遭遇爆燃的阻爆轟型阻火器

使用阻爆轟型阻火器并不意味著它總是遭遇爆轟事實上可以考慮稀/濃蒸氣/空氣混合物著火后，爆燃會引起的效果。除非經(jīng)過嚴(yán)格試驗否則遭遇爆燃火焰鋒時阻爆轟型阻火器仍有可能發(fā)生故障。USCG和ISO16852：2008試驗協(xié)議都允許試驗帶受限出口的阻爆轟型阻火器--uscG在這方面有強制規(guī)定，

ISO16852：2008將其作為可選項導(dǎo)致大量不必要的阻爆轟型阻火器類型。受限出口是指靠近阻爆轟型阻火器受保護(hù)端的局部關(guān)閉閥門或接頭。由于爆燃中的壓力波位于火焰鋒前方這種限制可能在火焰鋒到達(dá)阻爆轟型阻火器之前產(chǎn)生背壓從而導(dǎo)致氣體在更高的壓力(高于認(rèn)證壓力)下燃燒且火焰將穿過阻爆轟型阻火器。重新定位阻爆轟型阻火器的閥門或接頭等元件可消除該潛在問題但更好的方法是確保阻爆轟型阻火器允許受限出口的存在。

4、高溫和高壓下的效果

阻爆轟型阻火器常用于高于環(huán)境/大氣溫度和壓力(通常達(dá)60~℃、0.01MPa.g)下的工藝操作。在這種情況下需要確定氣體或蒸氣/空氣混合物可在給定工藝中著火的條件。例如除非高壓排氣出口有相同壓力下的空氣，當(dāng)空氣和氣體可以混合(很可能在大氣壓力下)且排氣壓力減弱(允許與氣體混合)時阻爆轟型阻火器才需要發(fā)揮作用。在高壓下更多能量產(chǎn)生且火焰加速度加快，因此爆炸壓力更大(基本與初始著火壓力成正比)并將在更短的管道長度下到達(dá)DDT區(qū)。在任何情況下若高壓和/或高溫下存在氣體/空氣，則經(jīng)測試證明任何阻爆轟型(或管道爆燃型)阻火器可在這種條件下使用至關(guān)重要。ISO16852：2008有150℃和0.06MPa．g的限制但阻火器肯定可用于更高的溫度和壓力?？紤]到這種阻火器可以有更大的壓力降且更昂貴仔細(xì)評估工藝來避免不必要的問題是關(guān)鍵。

5、穩(wěn)定燃燒

當(dāng)可著火的氣體/蒸氣和空氣易燃混合物通過阻火器且該混合物基于流速在阻火器元件表面持續(xù)燃燒時，會出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。在常壓儲罐和阻火器(用于需要防持續(xù)燃燒的情況)的不可控制通風(fēng)過程中，更可能出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒也就是說它們可承受不定期限的預(yù)混合燃燒。根據(jù)TRbF20等規(guī)范，使用帶通風(fēng)管(長度合適)的阻爆轟型阻火器可確保阻火器元件不發(fā)生燃燒。這種阻火器的有效性尚不可靠因為它假設(shè)阻爆轟阻火器始終易發(fā)生爆轟，然而實踐中也極有可能發(fā)生爆燃。當(dāng)然管道應(yīng)用（列如蒸汽回收裝置）也有可能出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒且所使用的阻爆轟型阻火器必須能處理這種事件。

阻爆轟型阻火器的工作原理

雖然可獲得防持續(xù)燃燒阻爆轟型阻火器其單獨使用（與所有防持續(xù)燃燒阻火器一樣）仍存在問題因為它實際上允許未檢測到的火焰在危險區(qū)域燃燒而不采取任何措施；在試驗過程中阻火器外殼的未防護(hù)端可能燒紅導(dǎo)致無法對危險區(qū)域的溫度進(jìn)行分級。更好和更安全的方法是安裝溫度監(jiān)控設(shè)備從而在最短時間內(nèi)采取停止燃燒的相應(yīng)措施，若阻爆轟型阻火器只能承受有限期間的燃燒且相關(guān)工藝有可能出現(xiàn)這種情況則有必要安裝溫度傳感器。ISO16852：2008要求在阻火器/阻爆轟型阻火器上清楚標(biāo)示穩(wěn)定燃燒時間。認(rèn)為管道系統(tǒng)中的蒸汽著火后阻爆轟型阻火器（未認(rèn)定為穩(wěn)定或不穩(wěn)定類型）能提供全面防護(hù)的觀點是危險的。單獨使用穩(wěn)定阻爆轟型阻火器會將人員生命和價值數(shù)百萬美元的工藝裝置置于危險的境地，因為穩(wěn)定阻爆轟型阻火器：只提供爆燃和穩(wěn)定爆轟防護(hù)；在位置方面有根本缺陷；不提供馳振爆轟防護(hù)；必須與其它防護(hù)系統(tǒng)一起使用。只有不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器能在不限制位置的情況下提供全面的爆燃、穩(wěn)定、不穩(wěn)定和馳振爆轟防護(hù)。