阻火器基礎(chǔ)知識(shí)

一阻火器原理

阻火器是一種安裝在儲(chǔ)罐或排放可燃?xì)怏w和易燃液體蒸汽的管道上，用于阻止因回火而引起火焰向油罐或管道傳播、蔓延的安全附件。最初被應(yīng)用在石油工業(yè)中，以后又廣泛應(yīng)用于礦山、煤礦、水運(yùn)及化學(xué)工業(yè)中。

阻火器主要由殼體和濾芯兩部分組成，其中濾芯是阻止火焰?zhèn)鞑サ闹饕獦?gòu)件。

以常見的波紋型阻火器為例，其濾芯是用薄不銹鋼波紋帶與平帶共同卷制成盤狀,它的阻火能力僅僅取決于濾芯上由波紋形成的三角形截面孔的大小和濾芯的厚度。

當(dāng)火焰通過(guò)濾芯時(shí)將被這些三角形截面孔切分成若干細(xì)小的火焰，擴(kuò)大了火焰與通道壁的接觸面積,強(qiáng)化了傳熱,使得火焰溫度降到著火點(diǎn)以下,從而阻止火焰蔓延。另外由于器壁效應(yīng)，當(dāng)燃燒的可燃?xì)馔ㄟ^(guò)阻火元件的狹窄通道時(shí)，自由基與通道壁的碰撞幾率增大,參加反應(yīng)的自由基減少。當(dāng)阻火器的通道窄到一定程度時(shí)，自由基與通道壁的碰撞占主導(dǎo)地位,由于自由基數(shù)量急劇減少,從而扼制火焰向未燃?xì)怏w傳播。二阻火器分類

目前對(duì)阻火器有幾種分類方法。

按照性能可分為阻爆燃型和阻爆轟型。

阻爆燃型是指用于阻止亞音速傳播的火焰蔓延；阻爆轟型是指阻止音速和超音速傳播的火焰蔓延。

按照使用場(chǎng)合不同可分為放空阻火器和管道阻火器。

放空阻火器是指安裝在儲(chǔ)罐（或者槽車）的放空管道上，用于阻止外部火焰?zhèn)魅雰?chǔ)罐（或者槽車）內(nèi)，分為管端型和普通型：管端型阻火器為阻爆燃型，是指一端與大氣相通，為防止灰塵和雨水進(jìn)入阻火器內(nèi)部，頂部安裝由溫度控制開啟的防風(fēng)雨帽；普通型阻火器是指兩端與管道相連，通過(guò)下游管道與大氣相通，分為阻爆燃型和阻爆轟型。

管道阻火器安裝在密閉管路系統(tǒng)中，用于防止管路系統(tǒng)一端的火焰蔓延到管路系統(tǒng)的另一端，分為阻爆燃型和阻爆轟型。

按濾芯不同可分為充填型阻火器、板型阻火器、金屬網(wǎng)阻火器、波紋型阻火器及液封型阻火器等5種。

NFPA69《防爆系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》中針對(duì)阻火器的安裝位置、燃燒類型對(duì)阻火器進(jìn)行了詳細(xì)劃分：

NFPA69中阻火器的分類三阻火器選型

在一定的條件下，合適的阻火器能起到有效阻止火焰?zhèn)鞑サ淖饔茫?，每種阻火器都有其特定的工作范圍，超出其工作范圍,就無(wú)法保證阻火效果，因此需要對(duì)阻火器進(jìn)行選型。

選型中首先需要確定阻火器的使用位置、介質(zhì)類型(爆炸級(jí)別)以及操作工況(壓力、溫度)等三項(xiàng)基本因素。

根據(jù)阻火器的使用場(chǎng)所進(jìn)行管道/管端阻火器的劃分；

安裝在管道端部或儲(chǔ)罐頂部時(shí)應(yīng)選用管端型阻火器，安裝在封閉的管道系統(tǒng)中，用于防止管道系統(tǒng)未保護(hù)側(cè)的火焰蔓延到管道系統(tǒng)的被保護(hù)側(cè)時(shí)，應(yīng)選用管道型阻火器。

根據(jù)安裝位置、介質(zhì)類型和操作工況確定燃燒工況，完成阻火器初步選型。

火焰波在管道內(nèi)的傳播速度不僅與介質(zhì)種類、所在管道的溫度、壓力有關(guān)外，還與阻火器與點(diǎn)火源之間的距離、安裝位置、阻火器與點(diǎn)火源間的管道形狀有關(guān)。從爆燃轉(zhuǎn)變成爆轟需要經(jīng)歷爆燃、不穩(wěn)定爆轟、穩(wěn)定爆轟三個(gè)階段，因此阻火器安裝在爆燃階段時(shí)應(yīng)選用阻爆燃型阻火器，安裝在爆轟階段時(shí)應(yīng)選用阻爆轟型阻火器，通常由試驗(yàn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

在初步選型確認(rèn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)其他參數(shù)，諸如阻火器連接方式、阻火器通氣量、阻火器最大允許壓降、阻火器殼體/阻火芯材質(zhì)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、同心/偏心設(shè)計(jì)以及是否需要伴熱夾套等具體要求，最終完成阻火器選用。

在以上阻火器選用涉及的參數(shù)中,工況簡(jiǎn)單的可以根據(jù)工藝直接確定，而實(shí)際工程設(shè)計(jì)中工況都比較復(fù)雜,介質(zhì)通常為氣體混合物,燃燒工況也復(fù)雜多樣,因此,阻火器的選用需要慎重考慮。

下面介紹兩種主要影響因素：

1.介質(zhì)類型：GB50058《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.1中規(guī)定:爆炸性氣體混合物應(yīng)按其最大試驗(yàn)安全間隙(MESG)或最小點(diǎn)燃電流比(MICR)分級(jí)。

通常，阻火器選用過(guò)程中對(duì)介質(zhì)類型的確定一般按照介質(zhì)MESG值來(lái)劃分。根據(jù)GB3836.11《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備第11部分:由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件下，空腔內(nèi)所有濃度的被試驗(yàn)氣體或蒸汽與空氣的混合物點(diǎn)燃后，通過(guò)25mm長(zhǎng)的火焰通路均不能點(diǎn)燃外部爆炸性混合物的內(nèi)空腔兩部分之間的最大間隙。

不同的氣體介質(zhì)有不同的MESG值，而MESG是實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果。

其中，純組分可燃?xì)怏w、蒸氣MESG的測(cè)試值參見《爆炸性環(huán)境第20-1部分：氣體和蒸汽物質(zhì)特性分級(jí)一試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)》IEC60079-20-1：2010。

多組分可燃?xì)怏w、蒸氣混合物MESG可按下列方法確定：

咨詢有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)，或委托測(cè)試；

采用危險(xiǎn)性最高組分的最小MESG作為多組分混合物的MESG；

應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算，如《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50058-2014）條文說(shuō)明第5.2.3條引用的《易燃液體、氣體或蒸汽的分類和化工生產(chǎn)區(qū)電氣裝置設(shè)計(jì)》NFPA497-2008附件B的估算方法。

ENISO16852《阻火器性能要求、測(cè)試方法和使用限制》將爆炸性氣體混合物按其MESG值劃分為ⅡA1、IA、IB1、IB2、IB3、ⅡB、ⅡC等7個(gè)爆炸等級(jí)，見表1。每個(gè)組別又都存在爆燃、穩(wěn)定爆轟和非穩(wěn)定爆轟。表1

爆炸級(jí)別與氣體混合物MESG值對(duì)照

（如適用于IIAl級(jí)氣體的阻火器，是指所選的阻火器元件必須小于1.14mm）。

不同爆炸級(jí)別的介質(zhì)危險(xiǎn)程度不同,對(duì)應(yīng)的阻火器產(chǎn)品也不同。氣體介質(zhì)的MESG值越小,相應(yīng)阻火器的使用工況越嚴(yán)苛,阻火器設(shè)計(jì)難度和成本越高。因此,在阻火器選型之前,確認(rèn)氣體介質(zhì)的MESG值尤為重要。根據(jù)MESG值，最終確定選用哪種型號(hào)的阻火器，如適用氫氣的應(yīng)選用爆炸組別為IIC型阻火器。

阻火元件間隙大于介質(zhì)MESG時(shí)，阻火器將無(wú)法發(fā)揮阻止火焰?zhèn)鞑サ淖饔?。除了參考MESG值選型，還要注意安裝位置、工藝狀況、燃燒時(shí)間等。

2.燃燒工況：在管道足夠長(zhǎng)且燃燒足夠快的條件下，火焰會(huì)依次經(jīng)歷爆燃、不穩(wěn)定爆轟、穩(wěn)定爆轟等幾個(gè)燃燒階段(圖3)。圖3火焰燃燒過(guò)程示意

低壓爆燃階段，速度一般可達(dá)到112m/s，壓力為0.1MPa;

中壓爆燃階段，速度一般可達(dá)到200m/s，壓力為0.4MPa;

高壓爆燃階段，速度一般可達(dá)到300m/s，壓力為2MPa;

爆轟階段，速度一般可達(dá)到1900m/s,壓力為3.5MPa;

過(guò)度爆轟階段,速度一般可達(dá)到2300m/s,壓力為21MPa;

穩(wěn)定爆轟階段,速度一般可達(dá)到1830m/s，壓力為35MPa。

這是由于燃燒過(guò)程中產(chǎn)生“壓升”現(xiàn)象，當(dāng)點(diǎn)燃充滿可燃?xì)怏w的水平管道的一端時(shí)，火焰首先傳向管壁，然后迅速向還未引燃的氣體傳播，燃燒產(chǎn)生的熱量使得燃燒氣體迅速膨脹，氣體膨脹又導(dǎo)致可燃?xì)怏w前端被壓縮，因而產(chǎn)生“壓升”?；鹧媲岸藲怏w被壓縮，密度增加，燃燒傳播速度加快，燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量增多，導(dǎo)致可燃?xì)怏w前端更劇烈地“壓升”。

通常，如果阻火器距火源較遠(yuǎn)，那么火焰爆燃可能就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z，火焰前端壓力增加會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)的危險(xiǎn)系數(shù)大大增加，同時(shí)對(duì)阻火器的阻火和耐壓能力要求也更為嚴(yán)苛。若選用了錯(cuò)誤的阻火器，將會(huì)成為安全生產(chǎn)的重大隱患,因此，必須嚴(yán)格根據(jù)燃燒工況選擇阻爆燃型或阻爆轟型的阻火器。

不過(guò)在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于混合介質(zhì)較為復(fù)雜,管道情況和火焰點(diǎn)位置都難以確定,無(wú)法對(duì)不同條件下的阻火器選型作出明確的規(guī)定,通常需通過(guò)運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和積累的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行具體分析。

另外需要注意的是，由于管道中的彎頭對(duì)火焰?zhèn)鞑?huì)起加速作用，因此，在阻火器的選型過(guò)程中要充分考慮這一因素。當(dāng)彎頭數(shù)量超過(guò)1個(gè)時(shí),燃燒工況就變得較為復(fù)雜，需要模擬管線的真實(shí)情況，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。若無(wú)試驗(yàn)條件，為安全起見，一般要求選用爆轟型阻火器。因此，在工藝允許的條件下,應(yīng)盡量減少火源與阻火器之間的彎頭數(shù)量。

四阻火器設(shè)置相關(guān)規(guī)范性文件

許多標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)安裝在管道、管端和設(shè)備上的阻火器作出了詳細(xì)的規(guī)定。①《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第6部分：安全防護(hù)》（GB/T20801.6-2020）規(guī)定：下列設(shè)備和管道系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置阻火器：

（1）可燃液體常壓儲(chǔ)罐，以及液態(tài)烴、LNG等低溫儲(chǔ)罐的通氣口和呼吸閥進(jìn)、出口及其氣相連通管；（2）火炬、焚燒爐、氧化爐等燃燒入口；（3）有持續(xù)點(diǎn)燃源和0區(qū)的風(fēng)機(jī)、真空泵、壓縮機(jī)等機(jī)械設(shè)備進(jìn)、出口；（4）裝卸可燃液體或氣體終端站、槽船和槽罐車的呼吸閥、以及氣體總管；（5）沼氣系統(tǒng)、污水處理和垃圾填埋氣系統(tǒng)中間氣體儲(chǔ)罐的呼吸閥以及氣體總管；（6）加工可燃化學(xué)品的并聯(lián)設(shè)備或系統(tǒng)的氣體和蒸氣出口，以及集合總管進(jìn)入火炬、焚燒爐、氧化爐、活性炭吸附槽等處理進(jìn)口；（7）可能發(fā)生失控放熱反應(yīng)、自燃、自分解的反應(yīng)器或容器至大氣或不耐爆炸壓力的容器的出口；（8）輸送可能發(fā)生爆炸或爆轟的爆炸性氣體和蒸汽的管道系統(tǒng)；（9）可燃?xì)怏w在線分析設(shè)備的放空總管；進(jìn)入爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的總管。②《精細(xì)化工企業(yè)工程設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB51283-2020）規(guī)定：1.采用熱氧化爐等廢氣處理設(shè)施處理含揮發(fā)性有機(jī)物的廢氣時(shí)，應(yīng)設(shè)置燃燒室高溫聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)和燃燒室超壓泄爆裝置，宜設(shè)置進(jìn)氣濃度監(jiān)控與高濃度聯(lián)鎖系統(tǒng)、廢氣管路阻火器和泄爆裝置。2.下列潛在爆炸性環(huán)境的非電氣設(shè)備應(yīng)設(shè)置阻火器：（1）甲B、乙類可燃液體常壓儲(chǔ)罐，以及液化烴、液化天然氣等低溫儲(chǔ)罐的通氣口或呼吸閥處；（2）焚燒爐、氧化爐等燃燒設(shè)備的可燃?xì)怏w、蒸氣或燃料氣進(jìn)口；（3）輸送爆炸性氣體的風(fēng)機(jī)、真空泵、壓縮機(jī)等機(jī)械設(shè)備進(jìn)、出口；（4）裝卸可燃化學(xué)品的槽船、槽罐車的氣體置換/返回管線；（5）沼氣系統(tǒng)、污水處理和垃圾填埋氣系統(tǒng)的中間氣體儲(chǔ)罐的呼吸閥處或其氣體支管接入總管前；（6）加工可燃化學(xué)品反應(yīng)器等并聯(lián)設(shè)備系統(tǒng)、可燃溶劑回收系統(tǒng)、可燃?xì)怏w或蒸氣回收系統(tǒng)、可燃廢氣處理系統(tǒng)的單臺(tái)設(shè)備或系統(tǒng)的氣體和蒸氣出口，以及集合總管進(jìn)入可能有點(diǎn)燃源的焚燒爐、氧化爐、活性炭吸附槽等處理設(shè)備進(jìn)口；

（7）可能發(fā)生失控放熱反應(yīng)、自燃反應(yīng)、自分解反應(yīng)并產(chǎn)生可燃?xì)怏w、蒸氣的反應(yīng)器或容器，至大氣或不耐爆炸壓力的容器的出口；

（8）可燃?xì)怏w或蒸氣在線分析設(shè)備的放空總管。

③《石油化工企業(yè)防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2018版）》（GB50160-2008）規(guī)定:

加熱爐燃料氣調(diào)節(jié)閥前的管道壓力等于或小于0.4MPa（表），且無(wú)低壓自動(dòng)保護(hù)儀表時(shí)，應(yīng)在每個(gè)燃料氣調(diào)節(jié)閥與加熱爐之間設(shè)置阻火器。④《油品裝載系統(tǒng)油氣回收設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50759-2012）規(guī)定：油氣收集支管與鶴管的連接法蘭處應(yīng)設(shè)置阻火器。⑤《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T3007-2014）規(guī)定：下列儲(chǔ)罐通向大氣的通氣管或呼吸閥上應(yīng)安裝阻火器：（1）儲(chǔ)存甲B、乙、丙A類液體的固定頂儲(chǔ)罐和臥式儲(chǔ)罐；（2）儲(chǔ)存甲B、乙類液體的覆土臥式儲(chǔ)罐；（3）采用氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w密封保護(hù)系統(tǒng)的儲(chǔ)罐；（4）內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐罐頂中央通氣管。⑥《阻火器的設(shè)置》（HG/T20570.19-1995）規(guī)定：（1）化學(xué)油品的閃點(diǎn)小于等于43℃的儲(chǔ)罐，其直接放空管道（含帶有呼吸閥管道）上設(shè)置阻火器；（2）儲(chǔ)罐（和槽車）內(nèi)物料的最高工作溫度大于或等于該物料的閃點(diǎn)時(shí)，其直接放空管道（含帶有呼吸閥的放空管道上設(shè)置阻火器。最高溫度要考慮到環(huán)境溫度變化、日光照射、加熱、管失控等因素；（3）管道阻火器的設(shè)置，輸送有可能產(chǎn)生爆燃或爆轟的爆炸性混合氣體的管道（應(yīng)考慮可能的事故工況），在接收設(shè)備的入口處設(shè)置管道阻火器；（4）輸送能自行分解爆炸并引起火焰蔓延的氣體物料的管道（如乙快），在接收設(shè)備的入口或由試驗(yàn)確定的阻止爆炸最佳位置上，設(shè)置管道阻火器；（5）火炬排放氣進(jìn)入火炬頭前應(yīng)設(shè)置阻火器或阻火裝置。⑦《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐安全技術(shù)規(guī)范》（AQ3053-2015）規(guī)定：下列儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置阻火器：（1）甲、乙、丙A類油品的固定頂儲(chǔ)罐，其通氣管或呼吸閥上應(yīng)設(shè)阻火器；（2）采用氣體密封的儲(chǔ)罐上經(jīng)常與大氣相通的管道應(yīng)設(shè)阻火器；當(dāng)建罐地區(qū)月平均最低氣溫的最低值低于0℃時(shí)，呼吸閥和阻火器應(yīng)有防凍措施；在環(huán)境溫度下物料有結(jié)晶或自聚可能時(shí)，呼吸閥和阻火器應(yīng)有防結(jié)晶或自聚措施。（3）內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的罐頂中央通氣孔應(yīng)加裝阻火器。⑧《石油化工石油氣管道阻火器選用檢驗(yàn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（SH/T3413-2019）規(guī)定:當(dāng)有爆炸性混合物存在的可能且無(wú)其他防止火焰?zhèn)鞑サ脑O(shè)施時(shí)，下列管道系統(tǒng)和容器應(yīng)設(shè)置阻火器：（1）與燃燒器連接的可燃?xì)怏w輸送管道；（2）具有爆炸性氣體的儲(chǔ)罐或容器氣相空間的開放式通氣管；（3）甲B、乙類液體儲(chǔ)罐之間氣相連通管道的分支管道，儲(chǔ)罐頂部油氣排放管道的集合管；（4）裝卸設(shè)施的油氣排放（或回收）總管及分支管道。⑨《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSGD0001-2009）對(duì)管道阻火器作出如下規(guī)定：凡有以下情況之一者，一般應(yīng)當(dāng)在管道系統(tǒng)的指定位置設(shè)置管道阻火器：（1）輸送有可能產(chǎn)生爆燃或者爆轟的混合氣體管道；（2）輸送能自行分解導(dǎo)致爆炸，并且引起火焰蔓延的氣體管；（3）與明火設(shè)備連接的可燃?xì)怏w減壓后的管道（特殊情況可設(shè)置水封裝置）；（4）進(jìn)入火炬頭前的排放氣管道。對(duì)放空阻火器作出如下規(guī)定：以下放空或者排氣管道上應(yīng)當(dāng)設(shè)置放空阻火器：（1）閃點(diǎn)低于或者等于43℃，或者物料最高工作壓力高于或者等于物料閃點(diǎn)的儲(chǔ)罐的直接放空管（包括帶有呼吸閥的放空管道）；（2）可燃?xì)怏w在線分析設(shè)備的放空總管；爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所內(nèi)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管道。

但這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)阻火器的選型規(guī)定的信息較少，尤其是管道阻火器具體選用阻爆燃型還是阻爆轟型的內(nèi)容更少。具體選用阻爆燃型還是阻爆轟型，應(yīng)根據(jù)潛在/已知著火點(diǎn)距離阻火器的距離進(jìn)一步判定，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，很難確切預(yù)知可能的火焰位置，因此選擇阻爆轟型管道阻火器情況較為常見。五阻火器的安裝要求

對(duì)阻火器的安裝要求，來(lái)看看標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是如何規(guī)定的?！蹲杌鹌鞯脑O(shè)置》（HG/T20570.19-1995）中對(duì)安裝方向作出了規(guī)定：安裝管道阻爆轟阻火器時(shí)，要注意其爆轟波吸收器應(yīng)朝向有可能產(chǎn)生爆轟的方向，否則將失去阻爆轟的作用。

《石油化工金屬管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T3012-2011）對(duì)安裝位置作出了規(guī)定：（1）氫氣放空管上的阻火器應(yīng)靠近放空口端部布置。（2）加熱爐燃料氣主管上的管道阻火器應(yīng)靠近加熱爐布置，并便于檢修，管道阻火器與燃燒器距離不宜大于1