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管道阻火器的设计原则及阻火器的设计计算(浙江扬修)

作者:浙江扬修 发布日期:2021-09-02 21:02:22 关注次数:

在易燃易爆气体储罐的进出口处,储罐上的呼吸阀和泄压安全阀出口处及其附近区域 内常常含有一定量的易燃气体,这些气体和空 气混合在一起就可以形成局部燃烧甚至爆炸的环境。当遇到雷击、明火或其他各种偶然情 况产生的点火因素时,就有可能点燃局部预混 气,并且火焰可能会沿着未燃预混气的分布方向传人储罐内,引起贮罐内部起火爆炸等灾难 性事故。为了阻止外部可能产生的火焰传入储 罐造成危险,需要在储罐的相关位置安装储罐阻火器。

      对于可燃气体输送管道,由于其所输送的气体中没有氧化剂一般不会产生火焰。但在某 些不可预料的特殊条件下,例如年久失修或意 外事故,有可能造成管道的破裂,进而有可能 在下游管道中形成可燃气和空气的预混气。当 该预混气达到爆炸极限时就具备了回火和导致爆炸灾害的必要条件,国内外产生的此类事 故较多。如果能在输送管道中的合适位置安装 管道阻火器,在很多情况下就可以有效地遏制 这种事故的发生。

      总之,为了防止在非正常条件下火焰沿可 燃气体的分布方向传播,避免爆炸灾害的产 生,工业上常使用阻火器这种安全装置。阻火器的作用是阻止爆燃或爆轰火焰通过,但不影响气体通过。


      合理地设计阻火器十分重要,一个阻火器能否有效地阻火主要取决于孔隙的大小、孔的长度(即阻火芯的厚度)和爆炸火焰的传播度,工业上比较期望获得具有低流阻和高阻性能的阻火器。本节针对目前普遍使用的波纹型阻火器对其设计原则做了简要说明。

1、阻火芯材料

      通常阻火芯的材质应采用导热系数大、熔点高的、耐腐蚀性好的材料,通常采用不锈钢波纹板。若采用铝或铜板当受到强大的回火压力时,阻火器容易变形甚至破裂,不能起到阻火作用。例如国外一个原油罐区,采用了由铝板制成的阻火器,当发生火灾时由于回火压力过大,引起阻火器铝板破裂,火焰进入原油罐内酿成原油罐爆炸的重大事故。为此阻火器应选用不锈钢波纹板制造,这样具有一定的抗腐蚀性且不易变形使用寿命长。

2、阻火单元尺寸

 

      如上图所示即为阻火单元的关键尺寸示意,波纹型阻火器通常采用正三角形阻火单元。8为金属薄片的厚度,h为正三角形单元的高度,L为阻火芯的厚度,即阻火单元的长度。阻火芯的金属薄片应在加工条件和强度允许的条件下尽可能的薄,以充分地减小阻火器的流阻损失。根据阻火器的工作原理,阻火芯与火焰的接触面积越大则热量交换越充分,阻火效果越好,即三角形单元越小通道越长则降温效率越高。因此从理论上讲减小三角形高度h可以相应的缩短三角形通道长度L,但h过小会增大气体的流阻,L过小会导致阻火器阻火能力减弱。因此在设计阻火器时,应综合考虑L和h值的选取。对于不同等级的气体介质,国外某厂家经过试验确定了L和h的最佳尺寸组合,避免了考虑无穷多种类的阻火芯尺寸。例如对于IIA类介质,三角形单元的高度h应取0.8mm较为合适,当口径小于DN50时L应取20mm,当口径在DN80到DN350之间时L应取40mm,当口径大于DN400时L应取80mm。

3、阻火芯的最大外径

      阻火器的阻火芯的最大外径为D。从减小流阻损失的角度考虑,阻火芯所有的单元孔隙面积之和应大于或等于两端联接管道的横截面积。

4、阻火器设计计算

      目前关于火焰在狭缝中的传播和熄灭的理论研究还相对较少,对于阻火器的设计多依赖于一般的经验公式或半经验公式。波纹型阻火器所能阻止的最大爆燃火焰传播速度可按公式(1)计算:

 

      式中V为阻火器能够阻止的最大火焰传播速度,a、L和d分别为有效面积比(即阻火层总面积与阻火层空隙面积之比)、阻火层厚度和阻火单元的当量直径。但(1)式只能应用于爆燃火焰,对爆轰的情况误差较大,因为爆轰的能量传递方式为冲击波压缩,与爆燃火焰以热传导为主的能量传递方式不同。类似地,对于丙烷一空气爆燃火焰的实验研究总结可得,阻爆燃型阻火器可以阻止的IIA类介质与空气混合物的最大火焰传播速度可按公式(2)计算:

 

      式中V为阻火器能够阻止的最大火焰传播速度。L和h分别为阻火层的厚度和阻火单元的高度,(2)式只在应用于丙烷一空气爆燃火焰时比较准确。美国Groth也在经过实验研究后得到了阻火层厚度与火焰速度及熄灭直径的关系,即公式(3):

     

     式中V为火焰传播速度,L和rn分别为阻火层的厚度和熄灭的水力半径。公式(3)表明了火焰速度和阻火层熄灭水力半径与阻火器所需厚度的关系。在这个厚度下,阻火器能阻止高速的火焰传播。由(1)(2)(3)式均可看出,燃气火焰速度与阻火器的阻火层厚度成正比,与孔隙直径的平方成反比。以3寸阻爆燃型阻火器为例进行计算,测试介质为丙烷与空气的混合气,为IIA类介质,根据表1介质的MESG值>0.9mm。根据国外某厂家的推荐尺寸,正三角形单元的高度取为0.8mm,阻火芯厚度取为40mm,薄片厚度取0.5mm。经粗略估算当阻火芯外径为108mm时所有空隙面积之和约等于两端管道截面积,根据结构要求取阻火芯外径为165mm。根据公式(1)计算得到该阻火器的最大阻火速度为380m/s,根据公式(2)计算得到该阻火器的最大阻火速度为427m/s。由此可以看出该阻火器可以阻止爆燃火焰的通过。

      阻火器是石油储罐和可燃气体输送管道等储运系统中的重要安全附件,对避免爆炸着火等灾害的产生有着重要的意义。


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