浅析七氟丙烷灭火剂贮存压力的保持

●郑 斌，刘 敏，关双权

(1.首钢公司，河北 唐山 063200;2.首安工业消防有限公司，北京 101304)

内贮压式七氟丙烷灭火系统(以下简称系统)和灭火装置(以下简称装置)已经逐步成为当今气体消防产品中的一支生力军。该灭火剂的灭火机理集化学作用与物理作用于一身，具备洁净、环保、高效的特点，是哈龙灭火剂替代物的骨干力量，因此一直受到业界的广泛关注。然而，由于灭火剂的特殊物理性质，使该系统或装置在伺应状态时必须进行氮气增压方可贮存。在使用过程中贮存压力下降的现象时有发生，导致压降的原因很多，如:贮存环境温度的下降、容器阀及其相关密封点泄漏、压力显示器损坏、压力显示器单向阀损坏、出厂前增压不饱满等等。贮存环境温度的下降导致压力下降属于正常现象，只要在温度回升后能够恢复公称工作压力，并在压力显示器绿区内浮动就没有问题。对于容器阀及其相关密封点泄漏、压力显示器损坏、压力显示器单向阀损坏的问题，可通过返修或更换压力显示器及其单向阀来解决。如何保证灭火剂贮存容器在出厂前氮气增压饱满、出厂后压力长期稳定是国内众多生产商面临的难题之一。对此各厂家先后采取了多种措施，包括:出厂前增压后补压、调整充压时间和速率、略低于公称贮存温度(20℃)增压、增压后人工或自然实效处理、水浴维持恒压状态下增压等。这些措施虽然取得了一定效果，但仍存在效率低、稳定性差的问题。为此，本文通过对两个典型案例的讨论，对增压方式及工艺要求提出了若干建议。

1 七氟丙烷系统及装置的基本特性

七氟丙烷的灭火机理既包括物理作用，又包括化学作用。两种因素相比化学作用占主导地位。物理作用在于降低燃烧区域中氧的浓度使其低于维持燃烧所需的氧浓度值，实现窒息灭火。化学作用在于惰化火焰中的活性自由基，抑制燃烧过程中发生的化学链式反应，从而实现断链灭火。目前，就系统或装置的灭火剂输送距离而言，2.5 MPa级别的输送距离一般为30 m左右(几何长度)，4.2 MPa级别的输送距离一般为40 m左右(几何长度)，5.6 MPa级别的输送距离一般为50 m左右(几何长度)。维持其灭火剂的输送距离的动力主要是容器内的增压氮气和灭火剂的饱和蒸气。

考虑减少灭火剂受热后氟化氢(HF)的产生量减轻对人体造成的伤害，迅速扑灭初期火灾减少因火灾发生蔓延和火势增长而造成灭火效能降低等因素，在《气体灭火系统及部件》与《气体灭火系统设计规范》中，对于七氟丙烷灭火剂喷射时间均有明确要求，即不大于10 s。保持灭火剂的合理喷射时间是确保系统或装置灭火成功的关键因素之一，方法有多种多样，这里不一一赘述。然而每一种方法都会受到各方面条件的制约。在合理设计的基础上，保持灭火剂贮存容器内的压力是非常关键的条件。

2 压力下降案例及分析

2.1 案例简介

2.1.1 案例1:某年1月，某项目要求生产商对系统灭火剂瓶组(共计8具2.5 MPa)进行检修(其中包括称重、密封、强度试验等项目的检测和灭火剂的灌充与氮气增压)，氮气接入点为瓶组封头上部，检漏合格后发往用户使用。时隔半月左右，在环境温度正常的情况下发现灭火剂瓶组的贮存压力减少近1 MPa，由生产商再度检修处理，本次检修的氮气接入点为容器阀入口处，检漏合格后发往用户，此后再没有压力下降现象发生。

2.1.2 案例2:某项目在维修悬挂灭火装置过程时，对罐体实施氮气增压，氮气接入点为罐体封头上部，达到公称工作压力后，放置一段时间在相同环境温度和罐体无泄漏的情况下却发生压力下降，尤其是罐体直径较小的灭火装置上述现象更为突出。再度补压时，对氮气增压工艺进行了调整，氮气接入点为罐体灭火剂液面底部，灭火装置贮存压力趋于稳定后发往用户正常使用。

2.2 原因分析

2.2.1 压力下降原因的理论分析

与外贮压式产品不同，内贮压式七氟丙烷灭火系统或装置的灭火剂在液化贮存的同时需要用氮气在容器内进行增压。氮气处于0～50℃时，在精度要求不太高的情况下可以看做是理想气体，不同温度和压力下的氮气密度可以通过理想气体状态方程推导得出:

其中，n为气体摩尔数;R为热力学常数，取值为8.314 J·mol－1·K－1;M 为气体的摩尔质量。联合上述式(1)、(2)推导出氮气的密度计算公式为:

其中，温度为t℃，并把压强P的单位换算成Pa，氮气的摩尔质量为 28.013 g·mol－1。

对于 2.5 MPa(表压)、4.2 MPa(表压)和 5.6 MPa(表压)三个系列的内贮压式七氟丙烷灭火系统，当氮气贮存于灭火剂瓶组中时，上述三个压力指标表达的是氮气与七氟丙烷灭火剂饱和蒸气压力的和，符合气体分压定律(即道尔顿定律)，氮气分得的压力分别为:

因此，可以解出当20℃时，贮存于灭火剂瓶组中的氮气密度分别为:

然而，七氟丙烷灭火剂在20℃时的饱和蒸气压为0.4 MPa(绝对压力)，饱和蒸气密度为31.176 kg·m－3。可以看出，对于2.5 MPa(表压)的内贮压式七氟丙烷灭火系统，其灭火剂瓶组中的氮气密度小于七氟丙烷灭火剂的饱和蒸气密度，而4.2 MPa(表压)和5.6 MPa(表压)的内贮压式七氟丙烷灭火系统，其灭火剂瓶组中的氮气密度则大于七氟丙烷灭火剂的饱和蒸气密度。根据气体分子运动理论，两种不能直接发生化学反应的气体混合时，密度高的气体分子会向密度较低的气体中扩散，因此前者在氮气与七氟丙烷灭火剂加压共存时，会出现七氟丙烷饱和蒸气向氮气中扩散的现象，而后两者则会出现氮气分子向七氟丙烷饱和蒸气中扩散的现象。

当氮气增压时间过短时，氮气分子与七氟丙烷灭火剂饱和蒸气分子之间的布朗运动速度加快，来不及相互扩散至平衡状态，就会造成短时间内压力达到公称工作压力的假象。待稳定一段时间以后，上述相互扩散的分子运动平衡时，压力就会有所回落。这是造成灭火剂贮存压力下降的主要原因。

2.2.2 实际案例分析

图1 两种内贮压式七氟丙烷灭火系统灭火剂瓶组示意图

从上述案例1、案例2的充装工艺改良过程可以看出，初次维修充装后压力下降是因为氮气增压时间较短，没有实现氮气分子与七氟丙烷分子的充分混合，所以后期出现压力下降。如图1所示，在案例1中，初次维修时氮气增压装置不是与容器阀直接相连，而是单独焊于封头上部，氮气增压时是先从灭火剂液面上部进入(瓶组a)。第二次维修时对瓶组的氮气增压装置进行了改造，直接连接容器阀，使氮气从液态七氟丙烷底部进入(瓶组b)。如图2所示，在案例2中，初次维修时氮气接入点均为封头上部(装置a和装置b)。其中由于装置b的截面积小于装置a，在相同氮气增压方式和灭火剂充装量的情况下，氮气增压时升压速度更快、灌装时间更短，放置一段时间后压力下降幅度也会更大。第二次维修时则使氮气从液态七氟丙烷底部进入(装置c)。在这两个案例中，通过对氮气增压方式的改进，使氮气分子与七氟丙烷分子的接触机会增多，相互溶合的效果得以加强，灌充时间滞后，增压速度减慢，瓶组或装置贮存压力趋于稳定。

图2 三种内贮压式七氟丙烷灭火装置储罐示意图

3 结论和建议

保持七氟丙烷灭火剂的贮存压力是保证灭火系统灭火剂喷射时间的重要措施。通过理论分析和实际案例分析可知，氮气和七氟丙烷气体分子的相互扩散是导致贮存压力下降的主要原因。通过改良灭火剂瓶组的氮气增压工艺，将增压氮气从瓶组或罐体的底部注入，更有利于保证灭火剂瓶组贮存压力的稳定。除氮气充装位置外，在灭火剂灌装方面还应注意:(1)氮气增压时间不宜过短，应针对不同形状的灭火剂贮存容器、不同数量的灭火剂充装量、不同充装环境温度等因素制定出合理的充装方案。(2)在对灭火剂贮存容器进行氮气增压的过程中，要适当的进行轻微振荡摇匀处理，以使氮气分子与七氟丙烷分子充分混合，避免因短时间增压，增压速度过快而出现达到贮存压力的假象。(3)灭火剂贮存容器应增加不用退药的补压装置，避免反复充装造成灭火剂的浪费。(4)优化设计灭火剂瓶组，尤其是其上的灌充装置。(5)合理的充装时间和环境温度的保证是必不可少的，通常情况下环境温度要求20℃左右，于灭火剂瓶组而言建议以1 h为宜，对于灭火装置罐体而言建议0.5 h为宜。并且要有15 d左右自然实效处理，压力稳定后再出厂。

［1］GB 25972－2010，气体灭火系统及部件［S］.

［2］GB 50370－2005，气体灭火系统设计规范［S］.

［3］郑端文，刘海辰.消防安全技术［M］.北京:化学工业出版社，2004.

［4］GB 18614－2002，七氟丙烷(HFC227ea)灭火剂［S］.

［5］朱力平.消防工程师手册［M］.南京:南京大学出版社，2005.