阻火器的作用和工作原理

阻火器原理与分类

储罐阻火器是防止外部火焰窜入存有易燃易爆气体的设备、管道内或阻止火焰在设备、管道间蔓延。阻火器是应用火焰通过热导体的狭小孔隙时,由于热量损失而熄灭的原理设计制造。阻火器的阻火层结构有砾石型、金属丝网型或波纹型。适用于可燃气体管道，如汽油、煤油、轻柴油、笨、甲笨、原油等油品的储灌或火炬系统、气体净化通化系统、气体分析系统、煤矿瓦斯排放系统、加热炉燃料气管网上，也可用在乙炔、氧气、氮气、天然气的管道上。阻火器可与呼吸阀配套使用,亦可单独使用。也可加装在内浮顶储罐的通气管道上。

一、主要性能

1、阻爆性能合格,连续13次阻爆性能试验，每次均能阻火。

2、耐烧性能合格，耐烧试验1小时无回火现象。

3、壳体水压试验合格。

阻火器芯子采用不锈钢材料, 耐腐蚀易于清洗。

二、工作原理

大多数阻火器是由能够通过气体的许多细小、均匀或不均匀的通道或孔隙的固体材质所组成，对这些通道或孔隙要求尽量的小，小到只要能够通过火焰就可以。这样，火焰进入阻火器后就分成许多细小的火焰流被熄灭。火焰能够被熄灭的机理是传热作用和器壁效应。

（1）传热作用 管道阻火器能够阻止火焰继续传播并迫使火焰熄灭的因素之一是传热作用。阻火器是由许多细小通道或孔隙组成的，当火焰进入这些细小通道后就形成许多细小的火焰流。由于通道或孔隙的传热面积很大，火焰通过通道壁进行热交换后，温度下降，到一定程度时火焰即被熄灭。进行的试验表明，当把阻火器材料的导热性提高460倍时，其熄灭直径仅改变2.6％。说明材质问题是次要的。即传热作用是熄灭

火焰的一种原因，但不是主要的原因。因此，对于作为阻爆用的阻火器来说，其材质的选择不是太重要的。但是在选用材质时应考虑其机械强度和耐腐蚀性能。

（2）器壁效应 根据燃烧与爆炸连锁反应理论，认为燃烧炸现象不是分子间直接作用的结果，而是在外来能源（热能、辐射能、电能、化学反应能等）的激发下，使分子分裂为十分活泼而寿命短促的自由基。化学反应是靠这些自由基进行的。自由基与另一分子作用，作用的结果除了生成物之外还能产生新的自由基。这样自由基又消耗又生新的如此不断地进行下去。可知易燃混合气体自行燃烧（在开始燃烧后，没有外界能源的作用）的条件是：新产生的自由基数等于或大于消失的自由基数。当然，自行燃烧与反应系统的条件有关，如温度、压力、气体浓度、容器的大小和材质等。随着阻火器通道尺寸的减小，自由基与反应分子之间碰撞几率随之减少，而自由基与通道壁的碰几率反而增加，这样就促使自由基反应减低。当通道尺寸减小到某一数值时，这种器壁效应就造成了火焰不能继续进行的条件，火焰即被阻止。由此可知，器壁效应是阻火器阻火焰的主要机理。由此点出发，可以设计出几种结构形式的阻火器，满足工业上的需要。

三、分类

储罐阻火器一般分为两类：

一类是用于大型氢气管道的阻火器。

这种阻火器采用法兰连接。按管道的内径来命名规格：DN15、DN20、DN25、DN40、DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN250等几种规格。

第二类是用于氢气瓶的阻火器。一般有三种：

第一种是接氢气瓶的（一头是螺纹M16*1.5，一头是Φ8或Φ10皮

接头);

第二种是两端带螺纹(M16*1.5)的氢气瓶阻火器

第三种是两端均带皮接头（Φ8或Φ10)

四、维修与保养

1、为了确保阻火器的性能达到使用目的，在安装阻火器前，须认真阅读厂家提供的说明书，并仔细核对标牌与所装管线要求是否一致。

2、阻火器上的流向标记必须与介质流向一致。

3、每隔半年检查一次。检查阻火层是否有堵塞、变形或腐蚀等缺陷。

4、被堵塞的阻火层应清洗干净，保证每个孔眼畅通，对于变形或腐蚀的阻火层应更换。

5、清洗阻火器芯件时，应采用高压蒸汽、非腐蚀性溶剂或压缩空气吹扫，不得采用锋利的硬件刷洗。

6、重新安装阻火层时，应更新垫片并确认密封面已清洁和无损伤，不得漏气。

阻火器原理作用

阻火器又名防火器，阻火器的作用是防止外部火焰窜入存有易燃易爆气体的设备、管道内或阻止火焰在设备、管道间蔓延。阻火器是应用火焰通过热导体的狭小孔隙时,由于热量损失而熄灭的原理设计制造。阻火器的阻火层结构有砾石型、金属丝网型或波纹型。适用于可燃气体管道，如汽油、煤油、轻柴油、笨、甲笨、原油等油品的储灌或火炬系统、气体净化通化系统、气体分析系统、煤矿瓦斯排放系统、加热炉燃料气的管网上，也可用在乙炔、氧气、氮气、天然气的管道用品。可与呼吸阀配套使用,亦可单独使用。

主要性能:1、阻爆性能合格,连续13次阻爆性能试验每次均能阻火。

2、耐烧性能合格，耐烧试验1小时无回火现象。3、壳体水压试验合格。本产品结构合理，重量轻、耐腐蚀。易检修，安装方便。阻火器芯子采用不锈钢材料, 耐腐蚀易于清洗。

一、阻火器简述

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。通常装在输送或排放易燃易爆气体的储罐和管线上。（作用是防止外部火焰窜入存有易燃易爆气体的设备、管道内或阻止火焰在设备、管道间蔓延。阻火器是应用火焰通过热导体的狭小孔隙时,由于热量损失而熄灭的原理设计制造。阻火器的阻火层结构有砾石型、金属丝网型或波纹型。）

石油化工装置的设计中,阻火器是用于阻止可燃气火焰继续传播的安全装置,自1928 年首先应用于石油工业以来,由于其简便易行而被石油及化工装置大量采用。国内石油化工装置中,阻火器应用已很普通,但在装置设计中,尤其是在线(管道) 阻火器选型中的某些细节问题还容易被忽视。

1 阻火器的工作原理

关于阻火器的工作原理,目前主要有两种观点:一是基于传热作用;一是基于器壁效应。

1. 1 传热作用

燃烧所需要的必要条件之一就是要达到一定的温度,即着火点。低于着火点,燃烧就会停止。依照这一原理,只要将燃烧物质的温度降到其着火点以下,就可以阻止火焰的蔓延。当火焰通过

阻火元件的许多细小通道之后将变成若干细小的火焰。设计阻火器内部的阻火元件时,则尽可能扩大细小火焰和通道壁的接触面积,强化传热,使火焰温度降到着火点以下,从而阻止火焰蔓延。

1. 2 器壁效应

燃烧与爆炸并不是分子间直接反应,而是受外来能量的激发,分子键遭到破坏,产生活化分子,活化分子又分裂为寿命短但却很活泼的自由基,自由基与其它分子相撞,生成新的产物,同时也产生新的自由基再继续与其它分子发生反应。当燃烧的可燃气通过阻火元件的狭窄通道时,自由基与通道壁的碰撞几率增大,参加反应的自由基减少。当阻火器的通道窄到一定程度时,自由基与通道壁的碰撞占主导地位,由于自由基数量急剧减少,反应不能继续进行,也即燃烧反应不能通过阻火器继续传播。 2 阻火器的分类

目前有几类分类方法。产品（阻火器）使用场合不同可分放空阻火器和管道阻火器;依阻火元件可划分为:填充型、板型、金属丝网型、液封型和波纹型等5种。其中,波纹型阻火器性能稳定,在石油化工装置中应用较多。以波纹型阻火器为例,说明其在石油化工装置设计中的选用。 3 阻火器的选用

3. 1 最大实验安全间隙—MESG值

火焰通过阻火元件的细小通道并在通道内降温。当火焰被分割小到一定程度时,经通道移走的热量足以将温度降到可燃物燃点以下,使火焰熄灭。或由器壁效应解释,当通道窄到一定程度时,自由基与管道壁的碰撞占主导地位,自由基大量减少,燃烧反应不能继续进行。因此,把在一定条件下(0. 1 MPa ,20 ℃) 刚好能够使火焰熄灭的通道尺寸定义为“最大实验安全间隙”(MESG,Maximum Experimental Safe Gap) 。阻火元件的通道尺寸是决定阻火器性能的关键因素,不同气体具有不同的MESG值。因此,在选择阻火器时, 应根据可燃气体的组成确定其MESG值。在具体选择时,又根据MESG值将气体划分为几个等级。目前国际上经常采用两类方法。一是美国全国电气协会(NEC) 的分类法,它根据气体的MESG

值将气体分为四个等级(A ,B ,C ,D) ;另一类是国际电工协会( IEC) 的方法,它也将气体分为四个等级( IIC , IIB , IIA 及I) 。两种标准划分的各类气体的MESG 值及测试气体如表1所示。

表1 两种MESG分类标准

NEC IEC MESG/ mm 测试气体

A IIC 0. 25 乙炔

B IIC 0. 28 氢气

C IIB 0. 65 乙烯

D IIA 0. 90 丙烯

G M I 1. 12 甲烷

在选用阻火器时,即可在设计规定使用的规范中首先查出所用可燃气体的等级,然后根据该组气体对应的MESG 值选择相应的阻火元件。

3. 2 混合气体MESG值的确定

在化工装置设计中,经常会遇到混合可燃性气体。在这种情况下,可根据混合气体的具体组成来确定选用依据。表2 给出不同的可燃性气体混合后可能出现的几种情况以及选用建议。

表2 混合气体MESG值

混合气体 化学反应 选用建议 举例

属NEC/ IEC分类相同类别(如全部为IIA) 不易发生 以混合气体中MESG值 最小者为设计依据 甲烷、乙烷与丁烷 采用MESG= 1. 12 可能发生 实验确定 乙炔与氢气

属NEC/ IEC 分类不同类别 不易发生 以混合气体中MESG值最小者为设计依据 乙烯与丙烯 采用MESG= 0. 65

可能发生 实验确定 乙烯与氢气

对于混合可燃气体选取MESG时,应更加慎重。当可燃混合气体的

组分之间有可能发生反应时,最安全的方法是将气体组成及操作条件提供给专业制造厂, 由制造厂根据模拟实验确定MESG值。另外,虽然理论上选用所有可燃气体中MESG值最小的阻火器可能是安全的,但在实际应用中,还要考虑整个管路系统(尤其是管道阻火器) 是否对该元件有压力降要求。因为MESG值越小,通过阻力越大,有可能需要扩大阻火器直径以达到工艺要求。

阻火器选择得当,就会在一定的条件下起到阻止火焰传播的作用。但是,每种阻火器都有其特定的工作范围,只能在一定的条件下起到安全保护作用,并不是任何情况下都能阻止火焰的传播。每种阻火器都应标出其阻火元件的通道尺寸,它只能用于MESG值大于该值的气体,否则会完全失效;每种阻火器在特定的条件下都有一定的阻火时间,当火焰端燃烧时间超过其阻火时间时,阻火器也会失效;对于在线型阻火器的选用更要注意由于安装位置不同而引起的选型变化,否则可能会因起不到预想的效果而埋下安全隐患。综上所述,在阻火器的选型过程中,在按照规范计算MESG值的同时,还要十分注意影响选型的各种因素,根据实际工况,确定适宜的阻火器,只有这样才能达到既确保安全又经济实用的目的。

3. 3 选择阻火器类型的影响因素

3. 3. 1 火源距离的影响

火焰在充满可燃气体管道中的传播速度随火焰的传播有很大的变化。如果点燃充满可燃气体的水平管道的一端,火焰首先传向管壁,然后迅速向还末引燃的气体传播,燃烧产生的热量使得燃烧气体迅速膨胀,气体膨胀又导致可燃气体前端被压缩,产生“压升”(pressure piling) 现象。火焰前端气体被压缩,密度增加,燃烧传播速度加快,燃烧时产生的热量增多,导致可燃气体前端更剧烈的“压升”。由于火焰在管道中传播的这一特性,使得火焰的传播速度可以从零加速至声速甚至超声速,火焰前端压

力也可增至约20 MPa 。因此,火源点距阻火器的距离对阻火器的选择有很大影响。如果阻火器距火源较远,那么燃烧就有了一定的加速距离,可能会由爆燃转变为爆轰,火焰前端压力的增加,对阻火元件耐压能力提出了更为严格的要求。不同制造商的产品可能会有不同。

对同种可燃气体,在相同工况下,仅仅因安装位置不同,在阻火器制造强度和阻火时间的选择上就会有很大差异。因此在选用在线阻火器时,要十分注意安装位置的影响,在满足工艺条件的情况下,应尽可能使之靠近火源点,以降低对阻火器的制造要求,在保证安全的前提下,提高经济性。

阻火器选择得当,就会在一定的条件下起到阻止火焰传播的作用。但是,每种阻火器都有其特定的工作范围,只能在一定的条件下起到安全保护作用,并不是任何情况下都能阻止火焰的传播。每种阻火器都应标出其阻火元件的通道尺寸,它只能用于MESG值大于该值的气体,否则会完全失效;每种阻火器在特定的条件下都有一定的阻火时间,当火焰端燃烧时间超过其阻火时间时,阻火器也会失效;对于在线型阻火器的选用更要注意由于安装位置不同而引起的选型变化,否则可能会因起不到预想的效果而埋下安全隐患。综上所述,在阻火器的选型过程中,在按照规范计算MESG值的同时,还要十分注意影响选型的各种因素,根据实际工况,确定适宜的阻火器,只有这样才能达到既确保安全又经济实用的目的。