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管道阻火器的設計原則及阻火器的設計計算(浙江揚修)

作者:浙江揚修 發(fā)布日期:2021-09-02 21:02:22 關(guān)注次數:

在易燃易爆氣體儲罐的進(jìn)出口處,儲罐上的呼吸閥和泄壓安全閥出口處及其附近區域 內常常含有一定量的易燃氣體,這些氣體和空 氣混合在一起就可以形成局部燃燒甚至爆炸的環(huán)境。當遇到雷擊、明火或其他各種偶然情 況產(chǎn)生的點(diǎn)火因素時(shí),就有可能點(diǎn)燃局部預混 氣,并且火焰可能會(huì )沿著(zhù)未燃預混氣的分布方向傳人儲罐內,引起貯罐內部起火爆炸等災難 性事故。為了阻止外部可能產(chǎn)生的火焰傳入儲 罐造成危險,需要在儲罐的相關(guān)位置安裝儲罐阻火器。

      對于可燃氣體輸送管道,由于其所輸送的氣體中沒(méi)有氧化劑一般不會(huì )產(chǎn)生火焰。但在某 些不可預料的特殊條件下,例如年久失修或意 外事故,有可能造成管道的破裂,進(jìn)而有可能 在下游管道中形成可燃氣和空氣的預混氣。當 該預混氣達到爆炸極限時(shí)就具備了回火和導致爆炸災害的必要條件,國內外產(chǎn)生的此類(lèi)事 故較多。如果能在輸送管道中的合適位置安裝 管道阻火器,在很多情況下就可以有效地遏制 這種事故的發(fā)生。

      總之,為了防止在非正常條件下火焰沿可 燃氣體的分布方向傳播,避免爆炸災害的產(chǎn) 生,工業(yè)上常使用阻火器這種安全裝置。阻火器的作用是阻止爆燃或爆轟火焰通過(guò),但不影響氣體通過(guò)。


      合理地設計阻火器十分重要,一個(gè)阻火器能否有效地阻火主要取決于孔隙的大小、孔的長(cháng)度(即阻火芯的厚度)和爆炸火焰的傳播度,工業(yè)上比較期望獲得具有低流阻和高阻性能的阻火器。本節針對目前普遍使用的波紋型阻火器對其設計原則做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1、阻火芯材料

      通常阻火芯的材質(zhì)應采用導熱系數大、熔點(diǎn)高的、耐腐蝕性好的材料,通常采用不銹鋼波紋板。若采用鋁或銅板當受到強大的回火壓力時(shí),阻火器容易變形甚至破裂,不能起到阻火作用。例如國外一個(gè)原油罐區,采用了由鋁板制成的阻火器,當發(fā)生火災時(shí)由于回火壓力過(guò)大,引起阻火器鋁板破裂,火焰進(jìn)入原油罐內釀成原油罐爆炸的重大事故。為此阻火器應選用不銹鋼波紋板制造,這樣具有一定的抗腐蝕性且不易變形使用壽命長(cháng)。

2、阻火單元尺寸

 

      如上圖所示即為阻火單元的關(guān)鍵尺寸示意,波紋型阻火器通常采用正三角形阻火單元。8為金屬薄片的厚度,h為正三角形單元的高度,L為阻火芯的厚度,即阻火單元的長(cháng)度。阻火芯的金屬薄片應在加工條件和強度允許的條件下盡可能的薄,以充分地減小阻火器的流阻損失。根據阻火器的工作原理,阻火芯與火焰的接觸面積越大則熱量交換越充分,阻火效果越好,即三角形單元越小通道越長(cháng)則降溫效率越高。因此從理論上講減小三角形高度h可以相應的縮短三角形通道長(cháng)度L,但h過(guò)小會(huì )增大氣體的流阻,L過(guò)小會(huì )導致阻火器阻火能力減弱。因此在設計阻火器時(shí),應綜合考慮L和h值的選取。對于不同等級的氣體介質(zhì),國外某廠(chǎng)家經(jīng)過(guò)試驗確定了L和h的最佳尺寸組合,避免了考慮無(wú)窮多種類(lèi)的阻火芯尺寸。例如對于IIA類(lèi)介質(zhì),三角形單元的高度h應取0.8mm較為合適,當口徑小于DN50時(shí)L應取20mm,當口徑在DN80到DN350之間時(shí)L應取40mm,當口徑大于DN400時(shí)L應取80mm。

3、阻火芯的最大外徑

      阻火器的阻火芯的最大外徑為D。從減小流阻損失的角度考慮,阻火芯所有的單元孔隙面積之和應大于或等于兩端聯(lián)接管道的橫截面積。

4、阻火器設計計算

      目前關(guān)于火焰在狹縫中的傳播和熄滅的理論研究還相對較少,對于阻火器的設計多依賴(lài)于一般的經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式。波紋型阻火器所能阻止的最大爆燃火焰傳播速度可按公式(1)計算:

 

      式中V為阻火器能夠阻止的最大火焰傳播速度,a、L和d分別為有效面積比(即阻火層總面積與阻火層空隙面積之比)、阻火層厚度和阻火單元的當量直徑。但(1)式只能應用于爆燃火焰,對爆轟的情況誤差較大,因為爆轟的能量傳遞方式為沖擊波壓縮,與爆燃火焰以熱傳導為主的能量傳遞方式不同。類(lèi)似地,對于丙烷一空氣爆燃火焰的實(shí)驗研究總結可得,阻爆燃型阻火器可以阻止的IIA類(lèi)介質(zhì)與空氣混合物的最大火焰傳播速度可按公式(2)計算:

 

      式中V為阻火器能夠阻止的最大火焰傳播速度。L和h分別為阻火層的厚度和阻火單元的高度,(2)式只在應用于丙烷一空氣爆燃火焰時(shí)比較準確。美國Groth也在經(jīng)過(guò)實(shí)驗研究后得到了阻火層厚度與火焰速度及熄滅直徑的關(guān)系,即公式(3):

     

     式中V為火焰傳播速度,L和rn分別為阻火層的厚度和熄滅的水力半徑。公式(3)表明了火焰速度和阻火層熄滅水力半徑與阻火器所需厚度的關(guān)系。在這個(gè)厚度下,阻火器能阻止高速的火焰傳播。由(1)(2)(3)式均可看出,燃氣火焰速度與阻火器的阻火層厚度成正比,與孔隙直徑的平方成反比。以3寸阻爆燃型阻火器為例進(jìn)行計算,測試介質(zhì)為丙烷與空氣的混合氣,為IIA類(lèi)介質(zhì),根據表1介質(zhì)的MESG值>0.9mm。根據國外某廠(chǎng)家的推薦尺寸,正三角形單元的高度取為0.8mm,阻火芯厚度取為40mm,薄片厚度取0.5mm。經(jīng)粗略估算當阻火芯外徑為108mm時(shí)所有空隙面積之和約等于兩端管道截面積,根據結構要求取阻火芯外徑為165mm。根據公式(1)計算得到該阻火器的最大阻火速度為380m/s,根據公式(2)計算得到該阻火器的最大阻火速度為427m/s。由此可以看出該阻火器可以阻止爆燃火焰的通過(guò)。

      阻火器是石油儲罐和可燃氣體輸送管道等儲運系統中的重要安全附件,對避免爆炸著(zhù)火等災害的產(chǎn)生有著(zhù)重要的意義。


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