阻火器性能测试试验系统的研制

孙少辰，刘刚，毕明树，张志毅

（1大连理工大学化工机械学院，辽宁 大连 116024；2沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110035）

阻火器是用来阻止易燃气体、液体的火焰蔓延和防止回火而引起爆炸的安全装置，通常安装在输送或排放易燃易爆气体的储罐和管线上。阻火器的作用就是试图在火焰发生发展的初期就能抑制火焰的传播，或者即使发生爆轰，利用阻火器也能使爆轰得到有效抑制。早在1928年阻火器已被应用于石油工业，以后随着工业发展又广泛用于化学工业、煤矿、水运、采油、铁路运输、煤气输送管网及油气回收系统等。目前国外一些工业发达国家为了燃气设备和人员的绝对安全，都生产和使用各类工业和民用阻火器[1]。

阻火器的相关检测技术在国际上属于垄断技术和不断发展的技术领域，工业发达国家已建立了相对完整的理论体系和技术规范[2-7]。国内跟踪该技术领域已达三十多年，近年在自主研发方面取得了很大进展[8-10]，但在基础问题和跟踪国际领先技术的研究方面进行的不完整、不全面，亦使得阻爆技术在国内的普及率很低。因此进行阻火器相关测试技术的基础问题和关键技术问题的研究是推进管线安全保障的当务之急。基于此，本文作者进行了阻火器型式试验装置的研制工作。阻火器型式试验所需的试验装置属非标准设备，需要自行设计或制作，而阻火器性能测试试验系统就是其中之一。

1 系统研制

根据国内阻火器检测标准，阻火器主要的性能测试包括：阻火器的阻爆（爆燃、爆轰）性能测试、耐烧性、强度（耐压）等技术指标的测试。其中，阻爆燃、阻爆轰、耐烧试验则是其关键技术要求，而且在试验中需要按要求使用精确配比的爆炸限内可燃气体与空气的混合气体。本文作者查阅了国内、外的相关资料，均无可以达到试验要求的阻火器性能试验装置的研究报道。本测试系统主要要求阻火试验火焰的气源装置实现误差精度要求最高0.1%的静态配气、流量不低于1m3/min，误差精度要求0.2%动态配气；在阻火性能的系统测试中，系统可以对爆炸产生的火焰进行温度、速度、压力的实时采集处理。

1.1 试验管路设计

按照国内标准要求，对于阻爆燃试验，其管道应与阻火器连接且直径为D。对于碳氢化合物-空气的混合物（ⅡA1、ⅡA、ⅡB1、ⅡB2和ⅡB3），管道长度L1应不小于10D且不超过50D，管道长度L2值为50D；对于氢气-空气的混合物（ⅡB和ⅡC），L1应不小于10D且不超过30D，L2值为30D；阻爆轰试验管道L1的长度应足够形成稳定爆轰，管道L2长度为10D，且不少于3m。管道连接方式如图1所示，且试验管路要具有一定的承压能力，管壁厚度根据压力容器标准GB150—2011进行设计。以往试验表明，标定压力约为1MPa的管路在发生爆燃向爆轰转变的部位很容易发生破裂，但其能承受稳态爆轰压力而不发生破坏，这是由于瞬态超压的持续作用时间很短，因此端口留有泄放端，以便及时泄放压力。另外管线一般为几十倍管道直径的长度，考虑到加工、安装，尤其是火焰速度调节方面的原因，采用分段连接，每段完成不同的功能。

1.2 温度测试装置设计

阻火试验和耐烧试验过程中的温度测试是本系统的一个重点，本研究采用热电偶温度传感器进行测量，热电偶通常较硬，不宜过长且不易收放。为测量阻火单元的温度，需要探头与阻火单元固定距离。根据标准的要求，对于阻爆燃和阻爆轰测试不需要进行火焰的温度测量。但出于研究的目的，在阻火器保护端压力传感器的位置预留了一个温度传感器的端口，通过温度传感器可以准确地测量爆燃或爆轰过程中管线内火焰传播时的温度变化情况。耐烧测试则是通过保护侧温度传感器的测量值评定火焰燃烧是否达到稳定燃烧的阶段。

1.3 火焰速度测试装置设计

在阻火器性能测试系统中，对于点火是否成功及阻火器是否能成功阻火都需要用火焰探测器即光敏元件进行检测，判断有无火焰传播。由于管道内混合气体的燃烧状态很难确定，可能伴有烟气，因此本装置采用对可见光不敏感紫外光感应传感器。按照标准要求，在管道上的不同测试点安装光传感器探头，这样火焰依次通过各测试点的时间便可以记录下来，由此可以计算火焰到达阻火器测试点时 的即时速度。

图1 阻火器阻火试验管路

1.4 配气装置设计

无论是阻爆燃、阻爆轰试验还是耐烧试验都规定了测试要求的混合气体。根据国内标准要求，配气装置的气体种类和要求如表1所示。进行配气时，操作人员可将各种组分气体参数输入到操作台中，以便随时调用。配气工作时，控制系统能随时监视运行情况，并能及时作出反应。在运行过程，配气装置的显示界面能将配气工作情况实时显示给操作人员。本系统配气方法可分为重量法、分压法和控制流量法。

（1）重量法 重量法是根据分子量和所要配置 的浓度计算物质的量，然后称量组分气体和稀释气体的质量，定量配置混合气体的方法，组分气体浓度计算公式为式（1）。

式中，Xi为组分气体浓度，%；mi为充入管路的组分气体i的质量，g；Mi为充入管路的该组分气体i的摩尔质量，g/mol；n为充入管路的各组分气体总的物质的量，mol。

（2）分压法 分压法是根据所要配制的混合气 的浓度计算出需要往管路中充入组分气后管路内的压力值，通过控制这一压力值来达到配制所需浓度的混合气体的目的，其组分气体浓度计算公式为 式（2）。

式中，Xi为组分气体浓度，%；Pi为组分气体i的分压值；Pj为组分气体j的分压值。

（3）控制流量法 控制流量法是通过流量控制 计改变充入管路内各组分气体的流量，实现各组分气体的混合配比。并设置混合器用于动态试验气体的均匀混合，各组分气体混合均匀后再充入被测 管路。

不论是重量法、分压法和控制流量法都采用气体分析仪测量配气后的浓度配比，保证其精度。本配气系统可实现静态、动态混合配气的要求，实现静态配气的最高误差精度要求为0.1%、流量不低于1m3/min，最高误差要求为0.2%的动态配气。目前的配气系统由沈阳特种设备检测研究院研制，采用汇气排的形式充入系统中，汇气排设计压力为15MPa、4瓶位，并配有8套（乙炔/氢气各4套）转换接头，可进行不同原料气的切换，系统中还包括安全泄压装置、压力表。汇气排经软管与置于户外的钢瓶和放空管道相连接。通过设置氮气置换、放空及真空系统可对实验管路进行氮气置换、氮气保护及真空保护，增加系统的安全性。

表1 爆燃、爆轰测试混合气体要求

1.5 数据采集系统设计

在阻爆燃、阻爆轰试验和耐烧试验中，需要对火焰的速度、压力、温度变化进行实时采集。由于火焰传播的速度很快，所以对传感器部分和采集板卡的要求很高。本系统基于NI高性能的PXI Express平台，配合以高精度、具有隔离性能的数据采集板卡，可以实现对压力、温度、应变、电压、电流等信号的准确采集，同时保证了系统的安全性。借助NI LabVIEW图形化编程环境完成连接测量与控制硬件、分析数据、显示结果及数据存储，从而构建适合测试测量的系统。同时，考虑到试验现场的安全，系统控制器采用远程控制器。借助远程控制器，可以实现PC对PXI Express测量系统的控制，二者之间通过光纤连接，延展后最长可达100m，实现PXI Express测量硬件与PC的电隔离。

传感器部分主要包括：压力传感器、温度传感器和火焰传感器。由于需要很快的反应速度，因此压力传感器和火焰速度传感器都采用电压信号，其中压力传感器为0～5V，火焰传感器为0～12V。温度传感器采用4～20mA的电流信号。

如果试验过程中有诸如信号类型变化、显示图表变化、存储类型位置等变化，需要打开对应的程序框图，如图2所示。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。

2 系统结构

系统包括配气系统、传感器子系统、数据采集系统、流量测试系统及附件。数据采集系统基于PXI 架构进行设计，包括数据采集终端、系统软件和应用软件等，可实现对压力、温度、火焰信号的准确采集、处理，具有操作方便、界面简单、数据信号有效度高的特点。传感器子系统包括压力传感器、温度传感器和火焰传感器。混配气系统可以自动调节控制混合气体浓度、压力，该装置可以实现混气浓度的自校准功能，具有配气精度高、速度快的特点。流量测试系统由气源、储气罐、气体流量计和U形压力计组成。软件系统包括开发平台Lab VIEW 2011和模块驱动程序以及应用软件等。

2.1 配气系统

系统由4瓶位瓶装气体汇气排、控制柜及仪表箱、真空及置换系统、动态混配气输出管线、静态混配气输出管线组成，配气装置连接如图3所示。

经过计算，采取4瓶位瓶装气体汇气排形式供应可燃气（原料气），不但可满足静态配气气量的需要，亦可满足动态试验气量需要。真空、置换系统可实现配气系统管道内部的真空及置换，以避免不相关气体的混入，从而保证混和气精度不受影响。控制系统采用质量流量控制计和精密压力传感器两种方式监控。

2.2 数据采集系统硬件结构

数据采集系统硬件结构包括：主控计算机，数据采集机箱，中央处理器，电压数据采集板卡，温度数据板卡。

2.3 数据采集系统软件结构

数据采集系统的软件结构如图4所示。阻火器性能测试试验系统的软件各个模块功能根据试验需求具有不同处理层次。在图4中，给出了各个模块的具体功能。

图2 LabVIEW图形编程语言程序

图3 配气装置连接

图4 试验装置软件功能结构

2.4 程序流程

在阻火试验中，系统软件对传感器数据进行采集、实时显示，并记录、处理试验数据。首先进入系统初始化程序，以确定系统板卡工作正常，初始化流程如图5所示。

在初始化流程结束后，进入程序的静态流程和动态流程。静态流程是确定数据采集任务、路径以及文件头地址等信息；动态流程是采集传感器数据，按路径存到指定文件中，并可以对数据进行处理分析。具体过程如图6和图7所示。

图5 系统初始化流程

3 系统测试结果

依据TSG 7002—2006《压力管道元件型式试验规则》、GB/T 13347—2010《石油气体管道阻火器》标准对阻火器性能测试试验系统进行了测试。试验样品采用DN150mm的管道阻火器，试验气体采用体积浓度为4.2%、2.1%的丙烷/空气混合物，分别进行阻爆测试、耐烧测试。

测试内容包括系统的配气功能、火焰速度、管内压力及温度测量、数据采集处理等特性，测试结果如表2所示。

图6 静态流程

图7 动态流程

图8 火焰测速传感器信号

图9 火焰传播过程中压力信号

其中，阻爆试验数据采集结果如图8、图9所示。图8为火焰传感器信号，图9为压力传感器信号。火焰传感器1信号如图8(a)所示，无火焰时信 号为均值为3V的电压信号，有火焰通过时信号为均值为0V的电压信号。火焰传感器2同样也是如此，如图8(b)。因此，这样计算3V到0V的下降沿时间间距，就可以计算出火焰通过两传感器的 速度。

当无火焰传播过去时，图表中仅有点火时的干扰信号，如图8(c)所示。曲线说明传感器位置无火焰通过。

在耐烧试验中，受保护侧与未受保护侧都安装温度传感器，用来检测耐烧试验过程中阻火单元的耐烧性能。对于一般的管道阻火器，如果火焰直接接触到阻火单元，那么几分钟的时间内就会发生回火，图10为丙烷/空气混合气体下管道阻火器的耐烧温度曲线，可以看到当阻火单元两侧的温度相同 时阻火器失效。

图10 丙烷-空气混合气体耐烧试验温度曲线

表2 阻火器性能测试结果

4 主要关键技术问题

（1）设计满足阻火性能测试需求的高精度混气装置 混合气自动配气装置由计算机，电气控制部分，气体浓度分析仪及配套阀门和管路组成。气源经减压器和稳压器粗调再经各调节阀控制，进入混合器。计算机根据所要配混合气各组成气体的浓度比及各气源气体浓度，确定电气控制参数，向执行阀门发送控制信号，利用阀门的动作，控制各组成气体进行混合的流量。计算机实时监控配气过程并记录过程数据。控制程序根据浓度差异，调节电磁调节阀开度，变动其通流面积，经反馈控制进行连续配气。

（2）建立阻火器性能测试模型 参照国内外阻火器性能测试的相关标准，选择与阻火器管径配套的管道连接。根据不同性能的检测要求，通过理论计算与试验相结合的方法选定阻火器阻火单元前后的管道长度。在适当检测位置安装不同类型的传感器，完成一定混合气体流量下耐烧、回火、阻爆燃、阻爆轰、强度等性能测试的试验过程。

（3）检测阻火单元前后混合气体点火状态，实时采集、记录处理阻火性能试验数据 阻火器阻火单元前后安装有火焰传感器、温度传感器和压力传感器。阻火单元附近的可燃气体是否燃烧或燃烧充分，可以根据这3组传感器数据综合判断。火焰及爆炸波的传播速度和爆炸冲击波压力测试是一个典型的瞬态信号测试过程。测试系统由传感器、放大器、连接电缆及数据记录设备组成。

5 结 论

阻火器性能测试试验系统自2011年开始研制以来，完成了多次阻爆测试和耐烧测试，试验效果达到国家有关标准要求。建立阻火器完整的性能测试系统，可实现阻火器阻爆燃、阻爆轰试验和耐烧试验等试验过程控制和记录，并可保证试验过程和试验人员的安全。该项检测系统的研发及应用将完善国内对阻火器性能进行完整检测的现有技术，形成一套具有自主知识产权的阻火器性能测试系统。

该系统既可以满足国内产品的检测需要，也对进口产品的安全使用提供可靠的检测评价服务，满足中国作为世界贸易组织（WTO）成员国对进口产品实现国民待遇的要求。符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006—2020年）中关于发展公共安全事业和开发工业运输设施安全关键技术研究的要求，完善了公共检测服务平台的建设。

[1] 孙少辰，毕明树，刘刚，等. 阻火器性能测试方法试验性研究[J]. 化工学报，2014，65（s1）：441-450.

[2] Grossel Stanley S. Deflagration and detonation flame arresters[M]. New York：Process Safety and Design Inc.，2002：5-14.

[3] Bauer P. Experimental investigation on flame and detonation quenching：Applicability of static flame arresters[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2005，2（18）：63-68.

[4] Palmer K N，Rogowski Z W. The use of flame arresters for protection of enclosed equipment in propane–air atmospheres[J].IChemESymposium Series，1968，25：76-85.

[5] Palmer K N，Tonkin P S. The quenching of propane-air explosion by crimped-ribbon flame arresters. In：Second symposium on chemical process hazards[J].IChemE Symposium Series，1963，15： 16-20.

[6] Howard W B. Flame arresters and flashback preventers[J].Plant/Operations Progress，1983，1（4）：203-208.

[7] Roussakis N，Lapp L. A comprehensive test method for inline flame[J].Plant/Operations Progress，1991，10（2）：85-92.

[8] 喻建良. 预混火焰在微小通道中传播和淬熄的研究[D]. 大连：大连理工大学，2008.

[9] 胡春明. 预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究[D]. 大连：大连理工大学，2006.

[10] 王雪莱. 阻火器标准型式试验测试系统研制[D]. 大连：大连理工大学，2008.