压裂车防火隔离装置预防原理及其安全设计分析

段太波

（川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川 成都 610052）

压裂车广泛应用于各种常规、非常规油气井压裂作业，也可用于水力喷砂、煤矿高压水力采煤、船舶高压水力除锈等作业。压裂车体主要分为底盘和台上设备两大部分。台上由发动机、变速箱、压裂泵动力端液力端、电气控制系统、气液管汇系统等组成。压裂车各类管线的密封连接方式、整体布局、排设走向的设计难度极大，整车管线交错复杂，高温零部件与载有可燃介质管线交错环绕，各型压裂车的管线设计方案也各有优劣势，车辆的火灾风险很大。

据了解，某型压裂车出现过防冻液喷溅雾化、遇发动机高温部件引发闪燃的事件。分析发现，目前压裂车日均施工时间为6 ～8h，施工功率较大，压裂车台上管件密封螺栓长期处于强震动状态，密封螺栓可能失去紧固效果，导致管件内正压力油液喷溅泄漏。压裂车台上防冻液管线管径较大，管件之间采用了橡胶软管连接。由于压裂车工况恶劣，温差大、液体冲击等因素，导致橡胶软管在压裂工况下的使用时间远低于正常使用时间，就会产生龟裂、裂缝及变形，使防冻液泄漏。防冻液的泄漏不仅会导致压裂车台上发动机冷却液液位低、发动机无法正常工作影响压裂现场施工，还会产生环境污染和火灾的风险。而此类火灾一旦发生，产生的后果较为严重，需要特别重视。

1 压裂车火灾危险性及防火隔离装置预防原理分析

开展防火隔离装置火灾预防原理分析，需对汽车上常见可燃液体燃烧特性进行研究分析，我们选择四种在汽车上广泛使用的可燃液体：A 型自动变速箱油、B 型CVT 变速箱油、C 型汽车防冻液、D 型汽车润滑剂，比较四者热释放速率HRR、点燃时间TTI、放热总量THR，分析它们火灾危险性。这些典型的油品在常温下测得的热物性参数列于表1 中。

表1 汽车油品热物性参数（温度：15℃）

1.1 火灾危险性分析

热释放总量是热释放速率对时间的积分而来，图1和图2 分别用图形展示了上述四种汽车常用可燃液体在20kW/m2条件下随着时间推移，放热总量和热释放速率之间的相互作用关系。分析得知，自动变速箱油自身储能最高，储能较高地体现为油品的热释放总量最大；反之，汽车防冻液储能最低。热释放总量与辐射热通量的大小、风量大小等外部环境因素无关，热释放总量曲线的梯度可呈现着火蔓延速率。同时，我们也可以得出，汽车防冻液点燃的速度极低，传播速率小，另外，3 种液体点燃初期传播速率接近，后因储能不同，传播抑制时间各不相同。

图1 汽车油品热释放速率

图2 汽车油品总放热量

使用0.55 次幂规则统计方法，在各个辐射工况下，将4 种可燃液体的点燃时间取平均值，可得其点火时间如图3 所示。外部通量同点火时间的关系依据Janssens法则如图4 所示，图中横轴为临界辐射强度，可得出4种可燃液体点燃时间同辐射强度间呈线性关系。图中易得自动变速箱油、CVT 变速箱油、汽车润滑剂的临界辐射通量分别为2.94kW/m2、0.961kW/m2和0.980kW/m2。其中汽车防冻液临界辐射强度低于零，因此汽车防冻液在没有任何辐射且不受时间限制时，只需一个电火花就可引燃。

图3 4 种油品辐射条件下的TTI

图4 点燃时间同辐射强度间关系

如果材料具有较高安全等级需要满足火灾增长指数低和火灾性能指数高两个条件。综上可以得出，汽车防冻液在四种可燃液体中火灾性能指数最高且火灾增长指数最低，因此汽车防冻液安全等级最高。相反，汽车润滑剂安全等级最低。

1.2 防火隔离装置火灾预防原理

综合比较四种汽车常用可燃液体火灾的危险性，自动变速箱油和CVT 变速箱油要比其他两种油品容易被引燃，点燃后，危险性要高于其他油品。汽车防冻液最难被引燃，但其临界辐射强度最低，在不受时间控制时，最易在外部辐射条件下被引燃。因此可采取防热辐射、安全隔离等措施来进行汽车防冻液的火灾预防，降低其火灾危险性。

2 压裂车防火隔离装置的安全设计

压裂车防火隔离装置的安全设计主要思路是将防冻液可能发生喷溅雾化泄漏部位与压裂车发动机高温部位的空间位置相隔离，避免防冻液与压裂车高温部件直接接触，同时通过装置的隔离和散热功能减少防冻液受到的热辐射。安全设计的部分包括水箱隔离板和橡胶管隔离盒，共两部分。

2.1 水箱隔离板安全设计

对压裂车台上水箱的结构和安装位置进行研究分析，确定直接使用整块板料作为隔离板材料，选择的材料为1mm 不锈钢板，隔离板基本尺寸为1220mm×2440mm。选用此材料具有便于设计加工制作、强度高、防腐蚀、散热效果良好的优点。

水箱隔离板结构设计上，将压裂车台上水箱本体及水箱顶端整体覆盖，无须多余安装附件。隔离板中间开油液管线孔及防冻液管线孔，同时隔离板边缘翻折以提高隔离板稳定性。

由于不同的车型管线布局差异极大，管线开孔位置采用一种车型一种方案的办法。涉及的车型有杰瑞2000 型、2500 型，四机2000 型、2500 型共四种车型，同车型的液路管线布局不同，产生了6 种防火隔离板管线开孔方式。

水箱隔离板的安装位置，选取水箱上原有的螺栓孔进行连接安装。螺栓孔的位置选择水箱上的结构强点，不需加装其他的连接件，结构稳定，拆装方便。

2.2 橡胶管隔离盒安全设计

橡胶管隔离盒采用隔离板相同的不锈钢材料制作，提高了材料的使用率，尺寸大小根据具体管路的直径和橡胶管的长度分别设计。隔离盒设计为半开式，封住橡胶管三面，剩余一面作为观察面。橡胶管两侧为防冻液管，管面光滑且无结构安装点，因此，橡胶管隔离盒只能采用卡箍式安装方式。隔离盒两端处焊半圆弧面，可与防冻液管紧密贴合。

3 压裂车防火隔离装置的应用效果

压裂车防火隔离装置在应用时，通过不锈钢板的阻隔，完全将储存防冻液的水箱、液路管线等可能发生防冻液喷溅雾化泄漏部位与压裂车发动机高温部位的空间位置相隔离，降低了防冻液受到的热辐射能量，消除了防冻液雾化闪燃的火灾隐患。同时防火隔离装置并未改变压裂车原有结构，不影响压裂车正常操作使用及日常维护保养；该装置在安装过程中未使用焊接，其连接方式如铆接、螺栓连接等均可自由拆卸，为后期压裂车台上发动机、变速箱等设备的修理提供了便利。

压裂车防火隔离装置已经投入试验超50 个月时间，现场使用效果良好。该装置作为压裂车被动安全装置，配合对压裂车台上橡胶件老化程度的加强检查、对管线连接螺栓定时巡检紧固等主动安全措施，破坏了防冻液雾化闪燃造成火灾的生成条件，起到了良好的应用效果。

通过一系列自主创新、优化设计等举措，大幅缩减了压裂车防火隔离装置的研制、安装时间，在三人协同工作的情况下，每套防火隔离装置的加工时间仅需约3工时，安装时间仅需4 工时。机械厂在较短时间内完成了80 套压裂车、6 种型号防火隔离装置的安全设计、制作安装和投入使用；并且提高了材料的使用率，减少材料浪费，通过优化下料过程，材料的使用率达97%，每套防火隔离装置的平均材料成本为1545 元、平均工时费用1680 元，平均每套压裂车防火隔离装置的成本仅3225 元。

4 结语

本文针对压裂施工作业中压裂车防冻液喷溅雾化、遇发动机高温部件引发闪燃的可能，进行压裂车火灾危险性和防火隔离装置预防原理分析。通过比较车辆四种非动力可燃液体在各种辐射条件工况下的热释放速率HRR、点燃时间TTI、放热总量THR，得出汽车防冻液辐射强度最低，在不受时间控制时，其最容易在外部辐射条件下引燃的结论。针对雾化防冻液闪燃的风险和危害，探究出可采取防热辐射、安全隔离等措施来进行火灾预防，降低火灾危险性。

同时，本文提出一种压裂车防火隔离装置的安全设计，并实践探究其应用效果。机械厂共研制、安装压裂车台上防火隔离装置80 套，防火隔离装置投入使用后，完全将储存防冻液的水箱、液路管线等可能发生防冻液喷溅雾化泄漏部位与压裂车发动机高温部位的空间位置相隔离，降低了防冻液受到的热辐射能量，消除了防冻液雾化闪燃的火灾隐患。压裂车防火隔离装置结构合理、设计精巧，安装在压裂车上不改变外形尺寸、拆装检修方便、整洁美观，通过自主设计创造了经济效益、实现降本增效。压裂车防火隔离装置的安全设计极大地增强了设备本质安全，在落实各项压裂提速提效保障措施和提升施工队伍形象方面，推动作用明显。