阻火器选用典型因素分析

韩 旭，杨 帆

(北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100076)



阻火器选用典型因素分析

韩 旭，杨 帆

(北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100076)

介绍了阻火器的分类、选用、安装以及选用过程中应注意的问题，阐述了混合物MESG值的计算方法和阻火器通气量换算，对阻火器在工程设计中的选用及安装具有实际的指导意义。

阻火器；MESG值；通气量；压降

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.011

20世纪70年代，我国引进了13套大型化肥装置，至此，中国的化肥，特别是氮肥行业逐渐与世界接轨。随着各类化工装置生产规模的日趋增大，装置的安全问题也越来越被重视，尤其各类化工设备、管道以及阀门内部的大量易燃、易爆介质，是火灾爆炸事故发生和扩大的根源。阻火器作为非电气设备防爆的主要安全防护设备，广泛适用于封闭空间开口处或封闭系统管线，其在允许流体通过的同时又能有效阻止火焰的传播。当火焰通过阻火器时，阻火元件将火焰分割成许多个小单元，由于强化传热作用和器壁效应，从而使火焰熄灭，阻止火焰传播，达到阻火目的。

1 阻火器分类

NFPA 69—2008标准中针对阻火器的安装位置、燃烧类型对阻火器进行了详细划分(见图1)。

在一定的条件下，选择适当的阻火器能起到有效阻止火焰传播的作用，但是，每种阻火器都有其特定的工作范围，超出其工作范围，就无法保证阻火效果。因此，在阻火器选用过程中，需要仔细考虑各方面因素。

图1 NFPA69中阻火器的分类[1]

2 阻火器的选用

2.1 阻火器选用基本流程

要选择一个适合的阻火器，首先需确定阻火器的使用位置、介质类型(爆炸级别)以及操作工况(压力、温度)等三项基本因素。根据阻火器的使用场所进行管道/管端阻火器的划分，根据安装位置、介质类型和操作工况确定燃烧工况，完成阻火器初步选型。在初步选型确认的基础上，根据其他参数，诸如阻火器连接方式、阻火器通气量、阻火器最大允许压降、阻火器壳体/阻火芯材质、设计标准、同心/偏心设计以及是否需要伴热夹套等具体要求，最终完成阻火器选用。在以上阻火器选用涉及的参数中，工况简单的可以根据工艺直接确定，而实际工程设计中工况都比较复杂，介质通常为气体混合物，燃烧工况也复杂多样，因此，阻火器的选用更是需要慎重考虑。

2.2 介质类型

GB50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》[2]第3.4.1中规定：爆炸性气体混合物应按其最大试验安全间隙(MESG)或最小点燃电流比(MICR)分级。通常，阻火器选用过程中对介质类型的确定一般按照介质MESG值来划分。根据GB3836.11-2008《爆炸性环境用防爆电气设备第11部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》[3]，在标准规定的试验条件下，空腔内所有浓度的被试验气体或蒸汽与空气的混合物点燃后，通过25mm长的火焰通路均不能点燃外部爆炸性混合物的内空腔两部分之间的最大间隙。

不同的气体介质有不同的MESG值，EN ISO16852-2010《Flame arresters-Performance requirements，test methods and limits for use》将爆炸性气体混合物按其MESG值划分为ⅡA1、ⅡA、ⅡB1、ⅡB2、ⅡB3、ⅡB、ⅡC等7个爆炸等级[4]，见表1。

表1 爆炸级别与气体混合物MESG值对照

不同爆炸级别的介质危险程度不同，对应的阻火器产品也不同。气体介质的MESG值越小，相应阻火器的使用工况越严苛，阻火器设计难度和成本越高。因此，在阻火器选型之前，确认气体介质的MESG值尤为重要。一般来说，介质(单一组分)的MESG值可在有关资料中查到，如果是混合介质，由于介质之间可能发生反应，因此，需要不同的方法来确定多组分混合物的MESG值，具体有以下几种。

(1)将气体组成及操作条件提供给权威机构用标准方法测试。

(2)采用混合物中爆炸级别最高的介质的MESG值作为混合气体的MESG值[5]。

(3)根据NFPA497-2008中Le Chatelier经验公式[6]对混合气体的MESG值进行估算。

Xi——各组分介质体积分数；MESGi——各组分介质MESG值。

若混合物中含有惰性气体组分(如氮气)：当惰性气体组分<5%时，其MESG值取无限大；当惰性气体组分≥5%时，其MESG值取2。

但上述公式不适用于下列情况：①混合气体中含有乙炔，或其他具有自分解特性的气体；②混合气体中含有氧气或强氧化物；③混合气体中一氧化碳含量超过5%。

在上述3种方法中，第1种方法最为权威，不过时间和金钱花费最多。按第2种方法考虑MESG值最为保守，但若混合气体中最小MESG值对应的气体量很小，该方法则过于保守。按第3种方法进行多组分混合物的MESG值的估算，既能够较准确地进行选型，又具备较好的经济性。

2.3 燃烧工况

在管道足够长且燃烧足够快的条件下，火焰会依次经历爆燃、不稳定爆轰、稳定爆轰等几个燃烧阶段(见图2)。低压爆燃阶段，速度一般可达到112m/s，压力为0.1MPa；中压爆燃阶段，速度一般可达到200m/s，压力为0.4MPa；高压爆燃阶段，速度一般可达到300m/s，压力为2MPa；爆轰阶段，速度一般可达到1 900m/s，压力为3.5MPa；过度爆轰阶段，速度一般可达到2 300m/s，压力为21MPa；稳定爆轰阶段，速度一般可达到1 830m/s，压力为35MPa[7]。这是由于燃烧过程中产生“压升”的现象[8]，当点燃充满可燃气体的水平管道的一端时，火焰首先传向管壁，然后迅速向还未引燃的气体传播，燃烧产生的热量使得燃烧气体迅速膨胀，气体膨胀又导致可燃气体前端被压缩，因而产生“压升”。火焰前端气体被压缩，密度增加，燃烧传播速度加快，燃烧时产生的热量增多，导致可燃气体前端更剧烈地“压升”。通常，如果阻火器距火源较远，那么火焰爆燃可能就会转变为爆轰，火焰前端压力增加会导致管道内的危险系数大大增加，同时对阻火器的阻火和耐压能力要求也更为严苛。若选用了错误的阻火器，将会成为安全生产的重大隐患，因此，必须严格根据燃烧工况选择阻爆燃型或阻爆轰型的阻火器。不过在实际工程应用中，由于混合介质较为复杂，管道情况和火焰点位置都难以确定，无法对不同条件下的阻火器选型作出明确的规定，通常需通过运用标准和积累的工程经验进行具体分析。

另外需要注意的是，由于管道中的弯头对火焰传播会起加速作用，因此，在阻火器的选型过程中要充分考虑这一因素。当弯头数量超过1个时，燃烧工况就变得较为复杂，需要模拟管线的真实情况，通过试验来确定。若无试验条件，为安全起见，一般要求选用爆轰型阻火器。因此,在工艺允许的条件下，应尽量减少火源与阻火器之间的弯头数量[9]。

图2 火焰燃烧过程示意

2.4 阻火器通气量与压降

阻火器的特点是在阻止火焰传播的同时对通过的气体具有较小的压降，因此，在阻火器选型时通常应根据流量—压降曲线确定合适的阻火器口径。根据国际标准EN ISO16852-2016的要求，阻火器通气量试验一般应以标况下空气的流量进行记录，因此，要确定介质在操作条件下的压降值，必须首先对工艺流量进行换算，换算过程如下。

(1)将工艺流量换算成标况下介质流量：

(2)将标况下介质流量换算成标况下空气流量：

(3)确定混合气体平均相对分子质量：

其中：Q为体积流量，m3/h；T为温度，K；P为压强，Pa；M为相对分子量；Vi为混合气体中各气体体积分数。

另外，当阻火器与呼吸阀配套在储罐上使用时，需在选型过程中核算阻火器的通气量及压降。众所周知，呼吸阀和阻火器作为储罐的重要安全附件，在许多储罐都有配置，但仍时常有储罐被抽瘪的事故发生，究其原因，主要是因为选用了不合适的呼吸阀和阻火器。由于阻火器的存在，当呼吸阀正常开启时，介质通过阻火器会产生一定的压降，压降越大，呼吸阀的泄放量越受到影响。当呼吸阀实际排放能力达不到所需泄放量时，储罐内就会产生压力(真空)积聚，要么导致罐内压力超过储罐设计压力，要么导致储罐被抽瘪。因此，在阻火呼吸阀选型时，需严格按照阻火呼吸阀连接后通过试验得到的通气量-压力数据进行选型。若阻火器和呼吸阀为分开选型，则必须确保在所需泄放量下阻火器的压降低于呼吸阀的最大允许超压值。

2.5 阻火器典型适用位置

在各类化工装置中，有着大量的、各种潜在爆炸性环境用非电气设备，阻火器作为非电气设备防爆的主要安全防护设备，在以下几种典型适用位置都应加以安装。

(1)易燃液体常压储罐和低温储罐的通气口和呼吸阀进出口。其中，直接排大气的呼吸阀应配备管端阻火器，排管道的呼吸阀应配备管道阻火器。

(2)如火炬、焚烧炉、氧化炉等燃烧设备的总线或支线入口。

(3)有持续点燃源和0区的机械设备(风机、真空泵、压缩机等)进出口。

(4)近海/钻井平台、码头、铁路、公路、装卸可燃液体或气体的终端站，以及装卸可燃化学品的槽船、槽罐车的呼吸阀和气体置换/返回管线。

(5)生物气系统、污水处理系统等中间气体储罐的呼吸阀以及气体总管。

(6)可燃气体和溶剂加工、处理、回收系统中单台设备或系统的气体或蒸汽的进出口。

(7)可燃气体或蒸汽在线分析设备的放空总管。

(8)进入爆炸性气体环境危险区域的内燃发动机的排气总管。

(9)经爆炸风险评估，要求设置阻火器的其他位置。

3 结语

本文从阻火器的分类、选用、安装等几个方面，详细介绍了阻火器的选用流程和选用过程中应注意的因素，但在实际工程设计中，阻火器的选用和安装是十分复杂的，应广泛参考相似工况下的工程经验，选用具有完整阻火性能和数据测试报告的阻火器产品，确保系统相关设备及工厂的安全。

[1]NFPA 69-2008，Explosion Prevention Systems[S].

[2]GB50058-2014，爆炸危险环境电力装置设计规范[S].

[3]GB3836.11-2008，爆炸性环境用防爆电气设备第11部分：由隔爆外壳“d”保护的设备[S].

[4]EN ISO16852-2010，Flame arresters-Performance requirements，test methods and limits for use[S].

[5]胡敏，赵予川，董利萍，等. 用于混合介质的阻火器爆炸级别探讨[J]. 炼油技术与工程，2008，38(6):57-59.

[6]NFPA 497-2008 Recommended Practice for the Classification of Flammable Liquids，Gases，or Vapors and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas[S].

[7]韩旭，陈睿，阻火器的选型准则[J]. 化学工程与装备，2016(11)：217-219.

[8]赵闯杰，李硕，阻火器的选型及在化工管道上的应用[J]. 引文版:工程技术，2015(3)：209.

[9]洪梅，徐康.石油化工装置中管道阻火器的选用及安装[J].石化技术，2015(12)：251-252.

修改稿日期： 2017-04-13

Typical Factors Analysis of Flame Arrester Selection

HAN Xu，YANG Fan

(BeijingAerospacePetrochemicalTechnologyEquipmentEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100076)

This paper introduces the classification，selection and installation as well as the important issues in the selection process. It also describes in details the calculation method of MESG mixture value and the conversion of flow rate of flame arrester. The research is of practical significance for the selection and selection of flame arrester in the engineering design.

fire arrester；MESG value；flow rate；pressure drop

韩旭(1985年—)，男，黑龙江牡丹江人，2011年毕业于中国石油大学(北京)机械工程专业，硕士，工程师，现主要从事安全保护类阀门设计工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.011

TE665.3

B

1004-8901(2017)03-0042-03