阻火器阻火性能及通气量测试及分析

刘宁宁* 刘利利 张 雪

（1.徐州八方安全设备有限公司 2.中国矿业大学）

0 引言

随着工业快速发展，可燃性介质在生产、运输和存放过程中因意外泄漏或其他原因导致的燃烧爆炸事故也逐年增多，因此，抑制管道内火焰蔓延的安全装置已成为安全技术领域的一项重要课题。

阻火器是一种允许气体通过但可以阻止外部火焰进入存有易燃易爆介质的设备和管道，或阻止火焰在设备和管道之间蔓延的安全装置[1]。近年来，阻火器在石油、化工、天然气等行业被广泛使用，保证阻火器的阻火、抗爆性能，降低管道压力损失，提高阻火器的可靠性对生产安全具有重要的意义[2-3]。

根据国内外标准，阻火器的性能试验内容包括阻火性能（包括阻爆燃和阻爆轰）、耐烧性能、压力损失及通气量等。其相关检测技术在工业较发达的国家已建立了相对完整的理论体系和技术规范。近年来，国内研究者在自主研发方面也取得了较大的进展，但在阻爆轰性能试验、压力损失及通气量试验方面的研究还不完整、不全面[4]，尤其是在压力损失及通气量性能方面的研究，国内目前还没有相关的理论体系。本文针对这一问题，依据标准ISO16852，结合目前的实际情况自主研发出适用于管道阻火器的阻火性能、管端阻火器压降-通气量的试验系统，测试阻火器的阻火性能与压降-通气量关系，为阻火器的设计选型提供试验依据。

1 测试系统

结合计算机数据采集与处理技术，研制出了一套集电控点火系统、配气系统、管道系统、传感器系统、数据采集与处理的测试系统，通过对火焰速度、压力、通气量等参数进行采集、记录与分析，得到阻火器的相关性能参数，从而判断阻火器的各项性能参数是否满足标准要求，并能够根据用户的实际使用工况迅速确定阻火器的类型及结构尺寸。

1.1 阻火性能测试

1.1.1 系统研制

阻火器的阻火原理共两点：一是传热作用，二是器壁效应。阻火器的主要部件是能够通过气体且具有许多细小通道或缝隙的固体材质组成的阻火元件。当火焰经过阻火元件时，被阻火元件分成许多细小的火焰流，由于传热作用和器壁效应，火焰流能量被降低从而熄灭。而阻火元件的孔隙大小是决定火焰是否能被熄灭的一个重要因素，国际上将在标准试验条件下（大气压0.1 MPa，20 ℃），刚好使火焰不能通过的狭缝宽度定义为最大试验安全间隙（MESG）。

ISO16852 标准规定了用于爆燃和爆轰试验混合物的MESG 值、气体类型等要求，如表1 所示。本文通过气体分析仪检测管道中混合气体的气体体积比，确保满足标准要求。

表1 用于爆燃和爆轰试验的气体-空气混合物标准

阻火器阻火性能测试系统主要由配气系统、电火花点火装置、管道系统、传感器系统、信号采集卡、高速摄像机、数据处理系统、控制系统、配电及安全系统及附件组成，如图1 所示。依据标准要求，点火源与阻火器之间的安装距离Lu需足以产生稳定的爆轰，也可以在未受保护侧增加扰动装置，增大火焰加速度。受保护侧管道长度Lp为10D（D为管道直径），且不小于3 m，并在管端安装盲法兰。在未受保护侧安装有4 支火焰传感器和1 支压力传感器用于检测火焰速度和压力，在保护侧安装有1 支火焰传感器用于判断阻火试验是否成功。

图1 阻火器阻火性能测试装置

可视化界面可通过LabVIEW 软件来实现，借助LabVIEW 图形化编程环境完成连接测量、控制硬件、分析数据、显示测试结果、数据存储与回放等功能。

1.1.2 测试结果分析间隔。图2 e）所示为阻火器后端（受保护侧）的火焰传感器信号，图中显示仅存在点火后的干扰信号，说明此处无火焰通过，阻火器阻火成功。图3 所示为阻火器前端（未受保护侧）的压力传感器信号，图3中为未滤波信号（防止瞬时有效数据丢失），根据最大电压幅值以及电压值范围（0～5 V，2 MPa）即可计算出火焰通过传感器时的最大压力值。

图2 火焰传感器信号

图3 压力传感器6信号

1.2 压力损失与通气量测试

1.2.1 系统研制

阻火元件是细小致密的结构，当介质通过时会产生一定的压力损失。压力损失值与阻火器的结构、尺寸、阻火元件孔隙的尺寸、阻火元件的层数等有着密切的关系。如果压力损失较大，而通气量很小甚至低于生产工艺要求，将会对生产造成一定的影响，甚至可能会造成设备的损坏（通气量过小会使设备产生负压而导致设备遭受真空破坏）。因此，除了阻火性能测试，还需进行压力损失-通气量测试，得到测试条件下的压降-流量关系，分析出在标准状况下压降-流量关系，根据标准GB/T 13347—2010《石油气体管道阻火器》计算出阻力系数，得到不同型号、尺寸、爆炸组别的阻火器的压降-流量曲线图，为确定阻火器的结构、尺寸提供依据。

压力损失与通气量试验系统由供风源（风机）、连接管道、耐压储罐（用于管端阻火器）、被测阻火器、流量计、压力传感器、数据采集及控制系统等组成。风机用于提供风源，阻火器前端安装1 个流量计，储罐上安装1 个压力传感器，分别用来检测流量和压力，如图4 所示。

图4 管端阻火器压力损失与通气量测试系统

1.2.2 测试结果分析

本文采用管端阻火器进行压力损失与通气量测试，试验参数如表2 所示。

表2 阻火器试验参数表

根据试验数据，将大气条件转化为标准状态（大气压为101.3 kPa，温度为0 ℃），通过MATLAB 软件进行数据处理，得到如图5 所示的流量-压降曲线图，由于阻火器的压力损失与阻火元件的孔隙尺寸、阻火元件的厚度、阻火器的结构等有关，爆炸组别ⅡB3 的阻火器阻火元件的孔隙小于爆炸组别ⅡA的阻火器，当阻火器的尺寸、结构、流量不变时，前者的压力损失大于后者；对于爆炸组别相同的阻火器，当阻火器的结构、压降不变时，尺寸增大，流量也随之增大。但也存在不同情况，当阻火元件的厚度、阻火器的结构等发生改变时，其尺寸增大，压力损失也可能增大，流量反而减小，这与使用工况和结构有关。根据实际使用工况即可确定阻火器的类型、结构、尺寸等参数。例如阻火器爆炸组别为ⅡA，所需流量为600 Nm3/h，最大允许压降为600 Pa，查曲线图可知DN250 mm 的管道满足要求，从而初步确定阻火器的尺寸。

图5 流量-压降试验曲线

2 结论

本文提出了阻火器性能测试系统，该系统自研制成功之后，进行了多次阻火器性能试验，保证了试验场地和试验人员的安全，确保阻火器阻火性能满足相关标准的要求。压力损失与通气量试验系统不仅可用于阻火器的通气量试验，而且可用于呼吸阀、阻火呼吸阀等安全泄压装置的通气量试验，应用范围更广泛，为产品的研发测试及性能分析提供了有力的判定依据。但是该系统仍然存在一些需要改进的地方，对试验系统不断改进、不断完善，得到更稳定、更可靠性的在线测试系统是今后需要继续努力的方向。