阻火器選型的一些技術(shù)知識基礎(chǔ)
防止爆炸甚至爆轟事故, 把災(zāi)害控制在有限的范圍內(nèi)， 把損失降到最低， 需要利用隔爆裝置將設(shè)備內(nèi)發(fā)生的燃燒或爆炸火焰實施阻隔， 使之無法通過管道傳播到其它設(shè)備中去。 隔爆技術(shù)措施按作用機制不同， 分為機械隔爆和化學(xué)隔爆兩種類型。 本課題通過了解機械阻火器的工作原理、 主要應(yīng)用場所、 分類方法， 金屬網(wǎng)型阻火器的結(jié)構(gòu)、 工作原理， 從而進(jìn)一步學(xué)習(xí)金屬網(wǎng)型阻火器的性能參數(shù)及其計算過程; 最后， 應(yīng)用相關(guān)知識， 設(shè)計乙炔/空氣在標(biāo)準(zhǔn)燃燒速率下的金屬網(wǎng)型阻火器。
大多數(shù)阻火器由能夠通過氣體的許多細(xì)小均勻的或不均勻的通道和孔隙的基體組成， 這些通道和孔隙應(yīng)盡量小， 小到能夠通過火焰就行。 這樣， 火焰進(jìn)入阻火器內(nèi)就被分成許多細(xì)小的火焰流， 由于通道或孔隙傳熱面積相對增大， 火焰通過管道壁時加速了熱交換， 使溫度迅速下降到著火點以下而使火焰熄滅; 另一方面， 可燃?xì)怏w在外界能源激發(fā)作用下， 會因分子鍵受到破壞而產(chǎn)生活化分子，這些具有反應(yīng)能力的活化分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時， 首先分裂成自由基， 這些自由基與反應(yīng)分子碰撞幾率隨阻火器通道尺寸減小而下降， 當(dāng)通道尺寸減小到火焰最大熄滅直徑時， 這種器壁效應(yīng)就阻止火焰繼續(xù)傳播。
(1) 隔爆型: 主要用于阻隔可燃物燃燒或爆炸火焰的傳播， 且能承受一定的爆炸壓力的作用。
(2) 耐燒型: 主要用于阻止可燃物燃燒火焰的傳播， 且能承受一端時間的燃燒作用。
(3) 阻爆轟型: 主要用于阻止可燃物從爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變火焰的傳播， 且能承 受較大爆炸壓力的作用。
(1) 金屬網(wǎng)型阻火器， 由單層和多層網(wǎng)重疊起來。 金屬網(wǎng)型阻火器隨著層數(shù)增加有效性也增大， 但增加到一定層數(shù)之后效果并不加大。 國內(nèi)采用 16-22 目金屬網(wǎng)， 國外常用 30-40 目金屬網(wǎng)] 2 [。 根據(jù)英國帕爾默(Palmer) 試驗除二硫化碳介質(zhì)外， 一般易燃性氣體， 金屬網(wǎng)層數(shù)達(dá)到 5 層就能滿足要求。 再增加層數(shù)效果并無顯著改進(jìn)。 一般單層金屬網(wǎng)阻止火焰速度不大于 14 米/秒。
(2) 波紋型阻火器用不銹鋼， 銅鎳合金， 鋁或鋁合金制成。 但是用鋁和鋁合金， 由于熔點低， 同時與銹鐵撞擊易產(chǎn)生火花， 因此用鋁或鋁合金， 尚有許多異議。波紋型阻火層有兩種型式。第一種型式由兩個方向折成波紋形薄板材料組成。波紋的作用是分隔成層， 并留有間隙， 形成許多曲折的通道。 另一種型式在兩層波紋薄板之間加一層扁平的薄板， 形成許多三角形的通道更利于熄滅火焰。 這種型式的阻火器在國外廣泛用于石油化工企業(yè)。
(3) 泡沫金屬阻火器是用一種最新材料制成的泡沫金屬， 其結(jié)構(gòu)同多細(xì)孔的泡個沫塑料相似， 由多種金屬制成。 以鎳/鉻合金為主， 鉻的含量不少于 15%、不大于 40%, 組成阻火器材質(zhì)的密度不少于 0. 5 克/厘米 30 其優(yōu)點阻爆能力好，體積輕， 便于安裝使用和置換。 但是對于內(nèi)部孔隙檢查有困難， 因此空隙達(dá)不到要求也不易檢查， 主要用干飛機上或石油化工系統(tǒng)。
(4) 平行板型阻火器顧名思義， 阻火層是由薄的不銹鋼板平行重疊而成， 板上有許多細(xì)小的縫隙或許多細(xì)小孔隙。 上下排列成許多平行的通道， 板前有 0. 6毫米空隙。 其主要優(yōu)點是阻爆性能好， 機械強度高并易于清洗、 耐腐蝕。 缺點是耐燒性差、 重量大、 成本高， 一般制造成小型的， 用于汽車和柴油機系統(tǒng)。
(5) 金屬球型和礫石型阻火器利用金屬顆粒或礫石堆積于容器之內(nèi)， 主要目的是利用顆粒之間的孔隙作為熄滅火焰的通道， 并吸收大量熱量。 這種阻火器對于乙炔火焰阻爆效果比較好， 其缺點阻力大、 易阻塞、 重量大， 但是由于結(jié)構(gòu)簡單， 便于制造所以有些情況下也能被選用。
阻火層由單層或多層不銹鋼絲或同絲網(wǎng)重疊制作而成,
如下圖 2. 1 所示。
阻火效果隨金屬網(wǎng)層增加而增強， 但金屬網(wǎng)層數(shù)增加到一定值后， 阻火效果增強不在顯著。 金屬網(wǎng)層數(shù)及阻火性能與金屬網(wǎng)孔大小有關(guān)。 一般來說， 網(wǎng)孔較小的金屬網(wǎng)要求層數(shù)相對較少， 但金屬網(wǎng)孔眼過小會因流體阻力增大而造成堵塞。目前，國內(nèi)常用阻火器層金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔為 16~22 目， 國外則多采用網(wǎng)孔為 30 目和 40目的阻火層金屬。
圖 2. 1
金屬網(wǎng)型阻火器
金屬網(wǎng)型阻火器主要由阻火器殼體、 金屬網(wǎng)層(阻火層) 兩部分組成。
如下圖 2. 2 所示: 圖 2. 2 金屬網(wǎng)型阻火器的結(jié)構(gòu)
使火焰不能繼續(xù)傳播的阻火器最大通道直徑稱為氣體熄滅直徑。 氣體熄滅直徑大小取決于氣體種類， 并直接關(guān)系到阻火器的阻火效能。 在設(shè)計阻火器時， 應(yīng)根據(jù)可燃?xì)怏w燃燒速度選取熄滅直徑， 這種估算方法對大多數(shù)飽和烴和易燃?xì)怏w適用， 但不適用燃燒速度更快的易燃?xì)怏w。 另外， 由于乙炔氣體具有許多不同于一般易燃?xì)怏w的特性， 不能按飽和烴來處理。 常態(tài)下幾種常見氣體的燃燒速率與熄火直徑數(shù)據(jù)列于下表:
表 1 常態(tài)下氣體燃燒速率及熄火直徑數(shù)據(jù) 氣體類型 標(biāo)準(zhǔn)燃燒速率 /m·1s- 熄滅直徑/mm 氣體類型 標(biāo)準(zhǔn)燃燒速率 /m·1s- 熄滅直徑 /mm 甲烷/空氣 0. 365 3. 65 乙炔/空氣1. 767 0. 78 丙烷/空氣 0. 475 2. 66 氫氣/空氣3. 352 0. 86 丁烷/空氣 0. 396 2. 79 丙烷/氧氣3. 962 0. 38 己烷/空氣 0. 396 3. 05 乙炔/氧氣11. 277 0. 13 乙烯/空氣 0. 701 1. 90 氫氣/氧氣11. 887 0. 30
一般來說， 阻火層通道或孔隙直徑可按氣體熄滅直徑來選取， 但由于爆燃火焰速度遠(yuǎn)快于標(biāo)準(zhǔn)燃燒速度， 因此， 在實際設(shè)計中， 阻火層通道或孔隙直徑按半氣體熄滅直徑選取， 當(dāng)然也可以通過增加阻火層厚度來提高阻火器效能。 阻火層孔隙大小是影響阻火效能的重要因素， 易燃?xì)怏w熄滅直徑大小直接關(guān)系到阻火層的孔隙尺寸。 熄滅直徑可以通過試驗來測定， 也可通過熄滅間隙來近似估算:
d0=4. 53403. 0minE(3. 1)
D0=1. 54d0(3. 2)
式中:
0 d --熄滅間隙， mm
minE--最小點火能， mJ
0D --熄滅直徑， mm
注: 對于金屬網(wǎng)型阻火器的阻火層， 其網(wǎng)孔直徑一般不得超過熄滅直徑的一1mhD￡，半， 即02m h 是網(wǎng)孔直徑。
在一端開口的管道內(nèi)， 點火方式可以分為靠近開口端點火、 靠近閉口端點火或靠近阻火器處點火三種情形。 無論采用何種點火方式， 阻火器內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣染Q于可燃?xì)怏w的性質(zhì)和點火點與阻火器之間的距離(即點火距離)。 對于點火距離靠近管道開口端時的點火情形， 在相同的點火距離下， 不同性質(zhì)氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔⒉幌嗤?同一種氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣入S點火距離的增大而迅速提高。 一般來說， 點火距離不超過 10m， 在某種特殊情況下需要超過 10m 時， 則管道和阻火器應(yīng)能承受 3. 5MPa 以上的壓力， 并設(shè)有泄爆孔。
阻火器殼體的設(shè)計必須符合一定的要求。 為使阻火器的殼體能耐腐蝕， 殼體采用鑄鐵、 鑄鋁、 鑄鋼等材料來制造， 在阻火器內(nèi)部或與其他設(shè)備組裝時， 不得使用動物皮革或者植物纖維墊片; 此外， 在內(nèi)部爆炸壓力的作用下， 阻火器殼體不得發(fā)生破裂或者永久性變形， 并能夠承受 0. 9MPa 以上的水壓試驗， 在水壓試驗中， 阻火器內(nèi)部墊片及其他部位 1min 內(nèi)應(yīng)該沒有滲漏和破裂或塑性變形等發(fā)生。 對于塑性材料的阻火器殼體， 其厚度可以按照下面的公式來計算:
BpDSC2.3pLs-=+ ………………………(3. 3)
式中:
B S -阻火器殼體厚度， m;
D-殼體中腔最大內(nèi)徑， cm;
p-材料允許拉應(yīng)力， MPa;
Ls-設(shè)計壓力， 一般可取公稱壓力， MPa;
C-附加裕量， cm.
阻火器殼體尺寸會直接影響流體阻力的大小。 通常情況下， 阻火器殼體直徑(D) 應(yīng)比與其配合使用的管道公稱直徑(d) 大 4 倍(即 D≈4d)， 阻火層距離阻火器殼體前后端的長度分別為 L￠≈(0. 5~1. 0) D 和 L￠￠≈(0. 5~1. 5) D。
對于金屬網(wǎng)型和多孔板型阻火器， 阻火層能有效阻止火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣?/span>(不包括爆轟火焰速度) 可以按以下經(jīng)驗公式進(jìn)行計算:
m2ay0.38mdn = …………(3. 4)
式中:
mn --阻火器能阻止火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣龋?m/s;
a--有效面積比， 即阻火層實際面積與阻火層空隙面積之比
y --阻火層厚度， cmmd --阻火層孔眼直徑， cm.
圖 3. 1 阻火器厚度與最大火焰速
關(guān)系上式用于圓形孔眼，md 表示直徑; 用于方形孔眼，md 表示寬度。阻火層厚度與最大火焰速度關(guān)系如上圖 3. 1 所示。
在阻火器使用之前， 必須經(jīng)過阻爆和耐燒性能測試。 阻爆試驗是指在一定距離內(nèi)將試驗裝置內(nèi)的可燃?xì)怏w點燃， 使火焰或火花通過阻火器時被熄滅的一種試驗。 耐燒試驗則是指在無回燃條件下， 使可燃?xì)怏w燃燒火焰持續(xù)通過阻火層時，阻火層能夠承受一定時間內(nèi)的火焰燃燒而不被燒壞的一種試驗。 此外， 一個性能優(yōu)良的阻火器除了具有良好的阻火和耐燒性能， 還要有盡可能小的流阻。 阻火器 壓降的大小取決于其結(jié)構(gòu)形式及氣流速度不同阻火器的壓降一般需要通過試驗來測定， 也可以利用經(jīng)驗公式進(jìn)行估算。
設(shè)計乙炔/空氣在標(biāo)準(zhǔn)燃燒速率下的金屬網(wǎng)型阻火器(要求殼體的管道公稱直徑為 50mm， 殼體直徑為 200mm, 殼體總長為 250mm)。
設(shè)計一個形狀為圓柱殼體、 材料為鑄鋼(型號 ZG230-450) 的金屬網(wǎng)型阻火器
表 2 典型氣體-空氣混合物的最小點火能量 名 稱 最小點火能(mJ)名稱 最小點火能(mJ) 二硫化碳 0. 009 丁烷 0. 25 乙炔 0. 019 乙烷 0. 25 氫 0. 019 丙烷 0. 26 乙醚 0. 019 甲烷 0. 28 苯 0. 20 丙烯 0. 28 戊烷 0. 24 乙烯 0. 096
查上表 2， 得乙炔/空氣混合物的最小點火能為minE=0. 019mJ,
由公式 3-1 得氣體熄滅直徑: 403. 0min053. 4Ed ==4. 53×0. 019403. 0=0. 915mm
由公式 3-2 得氣體熄滅直徑: 00 dD =1.54=1. 54×0. 915=1. 409mm 最大孔網(wǎng)直徑:012mhD￡=12×1. 409=0. 7mm 已知殼體直徑為 200mm， 查機械設(shè)計課程設(shè)計手冊得工程用鑄造碳鋼(型號ZG230-450) 的抗拉強度bs =450MPa， 令Ls =bs =450MPa 則有:BpDS2.3pLs-==Bp(15-2S )2.3 450 p′- T 1035BS - p·BS =15 p -2 p ·B S T B15pSp=1035 + 根據(jù)機械設(shè)計相關(guān)理論知識， 脆性材料的安全系數(shù)應(yīng)取 S=3~4， 不妨假設(shè)S=3， 這時材料允許拉應(yīng)力 p=150 MPa， 安全性可以達(dá)到。 TB15pSp=1035 += 15′1501035 +150 =1. 9cm; 為設(shè)計安全起見這里令BS =2. 0cm 則有附加裕量 C=2. 0-1. 9=0. 1cm 有效面積比 a 取 0. 4，md =0. 3 mm (小于 hm就可以) ， 由表 1 可知， 乙炔/氧氣標(biāo)準(zhǔn)燃燒速率為 11. 277m·1s- ， 由下面的公式可以計算得出 y。 m2ay0.38mdn = 得出 y=6. 68mm. L￠L￠￠殼體總長為 L=250mm, 殼體直徑為 D=200mm 由于阻火層距離阻火器殼體前后端的長度分別為 L￠≈(0. 5~1. 0) D 和 L￠￠≈(0. 5~1. 5) D。 不妨假設(shè)L￠=100mm, L￠￠=130mm， 根據(jù)以上計算的參數(shù)可以得到下面的阻火器殼體圖: 圖 4. 1 金屬網(wǎng)型阻火器殼體 通過兩周的學(xué)習(xí)， 自己了解到了很多知識， 也掌握了很多。 雖然知道了課本上的知識， 但我發(fā)現(xiàn)用于實際時有不少的問題， 就像這次的金屬網(wǎng)型阻火器的設(shè)計， 有許多參數(shù)需要實際的判斷和計算， 只能在網(wǎng)上找。 在網(wǎng)上找資料是件很辛苦的事情啊。 雖然做完了， 但估計最后的設(shè)計還有不足之處， 希望以后能有更多的機會得到鍛煉。 參考文獻(xiàn) [1] 王鳳英， 劉天生. 防火防爆技術(shù). 山西: 中北大學(xué)出版社 [2] 吳宗澤， 羅圣國. 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊. 第 3 版. 北京: 高等教育出版社，2006 [3] 胡雙啟， 張景林. 燃燒與爆炸. 北京: 兵器工業(yè)出版社， 1992
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