阻隔防爆技术及检验要求*

柯研，王新华，梁峻，汤鹏

(广州特种机电设备检测研究院，广东广州510760)



阻隔防爆技术及检验要求*

柯研，王新华，梁峻，汤鹏

(广州特种机电设备检测研究院，广东广州510760)

分析了阻隔防爆技术的两个重要机理-“冷壁作用”和“器壁效应”，介绍了阻隔防爆技术在国内外的发展状况与研究成果；阻隔防爆技术有关规范以及实验室测试与现场安全检验的项目、方法与合格标准，预测了阻隔防爆技术未来的发展趋势。

阻隔防爆技术； 阻隔防爆材料； 阻燃抑爆； 安全检验

0　引言

阻隔防爆技术是一种实现了本质安全不爆炸(HAN, Hypostasis Anchor-hold No-explosion)的技术，被各国大力推广应用于危险化学品，特别是燃油的存储与运输过程[1]。阻隔防爆技术其实就是在存储危险化学品的容器内按照一定规范填充金属类、非金属类或复合类阻隔防爆材料。所谓阻隔防爆材料，是一种多孔、轻质、耐腐蚀、网状或球状的特殊材料。常见的金属类阻隔防爆材料有：铝合金、钛合金和铜合金，非金属类有聚氨酯、陶瓷和涂复等。阻隔防爆安全检验是一种能有效确认阻隔防爆材料与安装是否满足安全的有效途径。

1　阻隔防爆机理

关于阻隔防爆技术为何能实现本质安全，虽暂无定论，但研究结果普遍指向阻隔防爆材料所独有的多孔结构。按孔洞结构不同，可将阻隔防爆材料分为两种：(1)孔洞平面聚集的二维“蜂窝”结构；(2)孔洞空间聚集的三维“泡沫”结构[1]。阻隔防爆材料首先将通过的火焰分散至各个孔洞，削弱其燃爆能力。然后利用自身较大的比表面积，发挥“冷壁作用”和“器壁效应”，熄灭火焰流。

1.1冷壁作用与器壁效应

冷壁作用属物理反应，材料因温度远低于火焰而大量吸收其热能。器壁效应则属于化学反应，过程是材料捕捉火焰中的自由基。物质在发生化学反应时，首先活性分子会产生十分活泼而寿命短促的自由基，自由基与其它分子碰撞结合生成新的物质与新的自由基。当新自由基的数量呈增长态势，燃烧爆炸现象持续进行，反之则受到抑制。火焰经过阻隔防爆材料的过程，是一个自由基不断减少的过程。

1.2阻隔防爆与波纹型阻火器的异同

阻隔防爆与波纹型阻火器同属广义阻火器，都是一种利用自身孔隙阻止燃烧与爆炸发生或限制燃爆后继传播的安全装置。两者不同之处，首先在于，阻隔防爆材料充填在有其它用途的容器或管道内部，而波纹型阻火器拥有专用的外壳，安装在容器外部或管道连接处。此外，阻隔防爆材料的通道长度与间隙无法确定[2]，而波纹型阻火器的通道长度与间隙可确定。因此，前者不能像后者那样依据最大试验安全间隙(MESG)进行设计与性能检验。

2　阻隔防爆技术的应用与研究

2.1阻隔防爆应用领域

国外阻隔防爆技术最主要的应用领域是军工行业，采取的方式是往燃料箱内充装不同性质的阻隔防爆材料。从最早的军用直升飞机，扩展至坦克和船舶，后来又发展到部分敏感地区的警用车辆。

国内的阻隔防爆技术主要采用网状铝合金(expanded aluminum, EA)作为材料，应用领域集中在民用行业，如埋地储罐、液化石油气罐车和撬装式加油站。埋地储罐多为因历史遗留问题无法满足新标准中安全距离要求的加油站旧罐。旧罐改造的阻隔防爆材料填充在罐体内部直接与燃料接触，与国外仅将材料填充于罐内人孔、不与燃料接触有所不同[3]。撬装式加油站是一种整体可移动的加油系统，其罐体安装在地面之上。为降低其爆炸危险性，在罐内填充阻隔防爆材料。

2.2阻隔防爆技术研究

阻隔防爆研究方法主要有试验和理论分析两种。试验是一种最直观与可靠的方法，其研究方向包括材料淬熄火焰与降低爆炸压力能力研究[4]、材料自身抗冲击性与抗烧结性研究、材料抗腐蚀性与确保燃料品质能力研究、不同留空率与置换率对抑爆效果的影响以及同一材质处于不同理化性质抑爆能力差异的研究。理论分析则用来解决试验难以观察的问题，如阻隔防爆材料在超音速火焰通过时的状况，又比如燃爆容器抗爆设计限值等。

研究成果表明，阻隔防爆技术有三项优点：(1)防密闭容器内的燃烧与爆炸。阻隔防爆的抑爆能力与其材质及置换率有密切关系；(2)防浪涌。通过防止罐车储罐产生浪涌，不仅能延长护轮胎与容器的使用寿命，还能预防车辆因急刹车与紧急转向避险造成的倾翻事故；(3)防罐体剧烈晃动产生的冲击。当储罐受到突然的冲击或遭遇意外的坠落，罐内燃料会对容器的一侧产生显著的、有可能导致容器破裂的冲击压力[3]。而阻隔防爆材料能有效防止这种强烈冲击。

研究也同时发现了阻隔防爆技术所存在的三项缺点：(1)阻隔防爆材料腐蚀后会影响燃料品质，其残留沉积还可能堵塞管路；(2)阻隔防爆的安装维护成本较高，在改造与清洗过程中还有可能因违规操作导致意外爆炸；(3)金属类阻隔防爆材料在使用过程中会因重力与外部冲击等原因发生塌陷与压紧，削弱自身抑爆性能。

3　阻隔防爆安全检验

3.1规范标准

最早的金属类阻隔防爆材料标准是1982年美国颁布的《网状铝合金防护材料军用规范》(MIL-B-87162)。该规范早期曾于1991年海湾战争被美军大力推广，后来主要用于民用领域。目前国际上比较普遍采用的非金属类阻隔防爆材料标准有两个：一个是1984年修订的《飞机燃油箱用的阻隔惰性材料》(MIL-B-83054B)；另一个是2006年修订的《飞机燃油箱用的自身具有导静电功能的抑爆泡沫材料》(MIL-PRF-87260B)。后者与前者相比，在导静电方面提出了更为具体的要求，以适应时代的发展。

80年代，国内一些军工企业与民企开始开发、引进和生产金属类阻隔防爆材料(EA)。2003年和2004年阻隔防爆技术分别被科技部和安全生产监督管理总局列为年度重点推广科技项目[5]。2005年，安全生产行业标准《汽车加油(气)站、轻质燃油和液化石油气汽车罐车用阻隔防爆储罐技术要求》(AQ 3001—2005)[6]和《阻隔抑爆撬装式汽车加油(气)装置技术要求》(AQ 3002—2005)颁布实施。2006年，《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB 50156—2002)修订，新增了有关阻隔防爆的技术要求。

3.2实验室检验

实验室检验项目包括阻隔防爆材料选用合理性判断、材料外观质量检测、材料结构尺寸检测、材料密度测试以及防爆性能测试五项[6]。

阻隔防爆材料的选用应考虑储罐与储存介质理化性质，保证不污染介质的同时不被介质污染。材料外观质量要求网格不均匀性小于或等于25%，边缘不展开宽度小于或等于10mm，网格每平方米破损小于或等于5处且每处破损面积小于或等于60mm×50mm，成品端面不平度小于或等于60mm。材料结构尺寸要求网格边长公差为±0.5mm。以上检验项目在实验室通过样品测试后，在现场仍需对实际使用材料进行抽查。材料密度可采用排水法或其它方法得出，用于置换率的计算。

防爆性能通过燃爆增压表现出来。燃爆增压是指在按照一定要求填充阻隔防爆材料之后，容器内部发生爆炸所产生的平均压力峰值。试验要求燃爆增压不大于0.14MPa。试验主装置为激波管，如图1所示。压力传感器量程应满足0～10MPa，灵敏度应达到140pC/MPa；压力表应满足0～10MPa，精度等级卷达到1.6。试验时，留空率为5%，试样横截面积应不小于激波管内腔截面积的98%。

1.激波管；2.压力传感器；3.观察窗；4.压力表；5.点火源；6.燃爆容器；7.阀门；8.循环泵；9.配料容器；10.试样.

图1阻隔防爆材料防爆性能测试装置

燃爆增压计算公式

△P=(P1+P2+P3+……+Pn)/n-Pb

式中，△P—燃爆增压(Pa)；P1、P2……Pn—压力传感器压力峰值(Pa)；n—激波管压力传感器个数；Pb—试验前表压(Pa)。

3.3现场安全检验

阻隔防爆现场安全检验包括储罐清洗作业安全检验与材料安装规范检验[6]。罐体填充阻隔防爆材料之前需要进行清洗。清洗过程，特别是经阻隔防爆技术改造后的储罐清洗过程，是一个具有一定危险性的作业过程，需要全程进行监督检验。检验的重点是确保容器内的氧浓度处于安全范围内以及可燃气体或蒸汽的浓度不大于其爆炸下限20%。此外，还应检查渗漏试验用试剂与清洗作业用清洗剂。

材料安装检验首先结合现场测量与图纸审阅，计算出储罐的体积，然后测试计算填充密度、置换率与留空率三个参数并检查结构件是否安装牢靠。填充密度是指用阻隔防爆材料填充储罐时，单位体积材料的质量，可用所有填入储罐的阻隔防爆材料的质量与储罐体积相除得出。置换率是指阻隔防爆材料放入充满液体的储罐时，所排出的液体体积与储罐体积之比。排出液体就是用于填充的阻隔防爆材料的体积，可通过填入储罐的材料质量与材料密度相除得出。留空率是指阻隔防爆材料安装后，未填充空间与罐体体积之比。未填充空间一般指内胆与结构件，其体积可测量计算或查阅设计文件。

填充密度的要求是25～35kg/m3。置换率和留空率的要求与罐体规格有关：对于规格大于25 m3的罐体，置换率要求不大于1.2%，留空率要求不大于10%；对于规格小于25m3的罐体，置换率要求不大于1.1%，留空率要求不大于8%。

4　结语

紧跟计算机运算能力与软件开发功能的提高，未来阻隔防爆的研究突破会更加依靠数值模拟方法。得益于材料学的飞速发展，日后阻隔防爆材料将以更轻质、更耐腐蚀以及价格更低廉的非金属材料为主。在更为严格与科学的安装及清洗规范与现场安全检验要求出台后，阻隔防爆在安装与清洗时的事故率可显著降低。伴随着安全性的提高、材料价格的降低，政府推广与企业采用阻隔防爆技术的意愿将大大提高，阻隔防爆在其发展领域，特别是罐车与撬装式加油站的应用将变得更加普遍。

[1]邢志祥，杜贞，欧红香，等.多孔非金属材料在阻隔防爆方面的研究进展[J].安全与环境工程，2015(22)：112-119.

[2]张朋，张松，马秋菊，等.阻火器防爆设计及防爆检验方法探讨[J].电气防爆，2011(3)：40-44.

[3]张健中，许光，周广金，等.网状铝合金阻隔防爆材料功效及应用探讨[J].中国安全科学学报，2014(24)：42-46.

[4]王凯全，顾涛，疏小勇，等. 网状金属材料对火焰波阻隔作用的试验研究[J].工业安全与环保，2014(7)：10-12，42.

[5]鲁长波，安高军，王浩喆，等.储存过程中阻隔防爆材料对油品性能影响研究[J].中国安全生产科学技术，2014(10)：124-130.

[6]AQ 3001—2005,汽车加油(气)站、轻质燃油和液化石油气汽车罐车用阻隔防爆储罐技术要求[S].

Separation Explosion-Proof Technology and Inspection Requirements

Ke Yan, Wang Xinhua, Liang Jun, and Tang Peng

(GuangzhouAcademyofSpecialEquipmentInspection&Testing,Guangzhou510760,China)

This paper analyzes two main mechanisms of separation explosion-proof technology which called ‘cold wall action’ and ‘wall effect’, introduces development situation and research findings of domestic and abroad technology, gives the related technical specifications as well as items, methods and acceptability criterions of laboratory test and onsite safety inspection, and forecasts development trend of the technology in future.

Separation explosion-proof technology; separation explosion-proof material; flame resistance and explosion suppression; safety inspection

质检总局防爆特种设备非电气部件点燃危险辨识及评定方法研究(项目编号：2015QK263)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.04.08

TM357；X932

A

1008-7281(2016)04-0024-003

柯研男1983年生；毕业于华南理工大学机械与工程学院，安全工程及技术硕士研究生；主要研究领域为易燃易爆危险场所电气防爆现场测试、防爆特种设备检验、安全生产静电测试等.

2015-05-06