如何合理使用阻爆轟型阻火器
阻爆轟型阻火器的實(shí)際應(yīng)用
阻爆轟型阻火器廣泛應(yīng)用于易燃液體、蒸氣和氣體處理領(lǐng)域的防爆。人們常常認(rèn)為阻爆轟型阻火器能提供全面的保護(hù)，這種誤解會(huì)導(dǎo)致具有潛在危險(xiǎn)的安裝。轉(zhuǎn)變這種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，關(guān)鍵要理解兩種阻爆轟型阻火器（穩(wěn)定和非穩(wěn)定）之間的根本區(qū)別。
合理設(shè)計(jì)防爆和防護(hù)系統(tǒng)，并且遵守嚴(yán)格的操作和維護(hù)程序，應(yīng)能避免在很多工藝中產(chǎn)生易燃?xì)怏w/蒸氣和空氣混合物，更不可能著火。然而，在儲(chǔ)罐通風(fēng)和蒸氣收集系統(tǒng)中，這種風(fēng)險(xiǎn)要大得多，因此合理使用阻爆轟型阻火器是確保設(shè)備在使用壽命中安全性的最重要因素。.
圖1 阻火器安裝在管路中示意圖
什么是爆轟？
爆轟發(fā)生在具有長(zhǎng)管道的開(kāi)放或封閉管道系統(tǒng)（例如通風(fēng)管或蒸氣收集系統(tǒng)）中。當(dāng)氣體/空氣混合物在管道內(nèi)著火，燃燒混合物體積因而增加，導(dǎo)致其前方的未燃混合物被預(yù)先壓縮且火焰鋒隨著燃燒率的升高而加快。該過(guò)程的早期階段稱為爆燃，這時(shí)火焰速度為亞音速且壓力波遙遙領(lǐng)先于火焰鋒；通常，對(duì)于在環(huán)境條件下引發(fā)的爆炸，火焰速度小于100 m/s且壓力低于0.1MPa.g，但若轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z，則火焰速度和壓力可分別達(dá)到 200~300m/s以及1MPa.g。由于燃燒過(guò)程進(jìn)一步加快，最后火焰鋒和壓力波相遇，在“爆燃轉(zhuǎn)爆（DDT）”區(qū)形成高壓沖擊波，該沖擊波靠近火焰鋒前方。
圖2 管道長(zhǎng)度對(duì)火焰速度和爆炸壓力的影響
DDT 區(qū)的另一個(gè)特征是超壓爆轟或不穩(wěn)定爆轟，其猛烈的沖擊波壓縮可帶來(lái)15 MPa.g以上的瞬時(shí)壓力以及 3000 m/s以上的火焰速度。這些沖擊波迅速消散，爆轟波變得穩(wěn)定，同時(shí)壓力約為2~3 MPa.g，火焰速度通常為1600~2000 m/s。
爆轟只會(huì)在特定的氣體/蒸氣濃度范圍內(nèi)發(fā)生，通常濃度都在所涉及材料的正�？扇挤秶鷥�(nèi)。接近稀/濃極限時(shí)，會(huì)出現(xiàn)馳振爆轟現(xiàn)象�；鹧嫠俣扔捎诠艿婪较蚋模◤濐^等）而臨時(shí)衰減為爆燃區(qū)的速度時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。這主要說(shuō)明火焰鋒可通過(guò) DDT/不穩(wěn)定爆轟區(qū)在爆燃和穩(wěn)定爆轟之間反復(fù)變化，而這是極其危險(xiǎn)的。
穩(wěn)定爆轟只會(huì)發(fā)生在不穩(wěn)定爆轟后，強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)很重要。在很大程度上，穩(wěn)定和不穩(wěn)定爆轟的出現(xiàn)取決于管道直徑、管道配置、管道類型（例如，滑順焊接、帶法蘭接頭的粗焊接）、氣體/蒸氣類型、空氣中的氣體/蒸氣濃度、工作溫度和工作壓力。只有在帶化學(xué)計(jì)量試驗(yàn)氣體的受控實(shí)驗(yàn)室條件下，才有可能預(yù)測(cè)出現(xiàn)這些現(xiàn)象的位置。在工藝裝置中，處理氣體/蒸氣（濃度接近可燃性稀/濃極限且位于包含無(wú)數(shù)彎頭、閥門等的管道中）的可能性比標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)氣體（丙烷、乙烯或氫氣）高。這些因素會(huì)影響防爆措施（尤其是阻爆轟型阻火器）的應(yīng)用。
阻爆轟型阻火器的工作原理
阻火匣式阻爆轟型阻火器使用小阻火匣與最佳阻火匣長(zhǎng)度來(lái)提供大量熱傳播表面積。來(lái)自燃燒氣體的熱量通過(guò)阻火匣內(nèi)的邊界層消散，最終冷卻到其自燃溫度以下。所需阻火匣大小取決于實(shí)際氣體/蒸氣，且可使用所有易燃?xì)怏w/蒸氣的基本屬性“最大試驗(yàn)安全間隙 (MESG)”來(lái)定義。
表1典型MESG 和氣體組別（根據(jù) ISO16852:2008）
所需的阻火匣長(zhǎng)度通過(guò)試驗(yàn)確定，基本上是火焰速度的函數(shù)——由于阻爆轟型阻火器的高火焰速度，其阻火匣長(zhǎng)度通常比阻爆燃型阻火器大。一般，不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器的阻火匣長(zhǎng)度比穩(wěn)定阻爆轟型阻火器大，但更重要的是，它需要更堅(jiān)固的元件支撐架來(lái)承受不穩(wěn)定事件帶來(lái)的更大作用力。通過(guò)使用整體逆流減震器，爆轟也可在到達(dá)元件前衰減為爆燃。
穩(wěn)定阻爆轟型阻火器
雖然穩(wěn)定阻爆轟型阻火器已在德國(guó)普遍使用并經(jīng)ISO16852:2008認(rèn)可，但由于它完全忽略 DDT/不穩(wěn)定爆轟和馳振爆轟的存在且似乎僅依賴于已接受的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，所以存在根本缺陷。而且，這種裝置的制造商不需要明確告知用戶使用“阻爆轟型”阻火器的風(fēng)險(xiǎn)。
若認(rèn)為將氣體/空氣濃度維持在爆炸下限 (LEL) 的25% 為根本防爆技術(shù)，則依此類推，可認(rèn)為將其維持在爆炸上限（UEL）以上 25% 也同樣可以接受。然而，由于可能需要穿過(guò)整個(gè)可燃范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)這種維持，一般不推薦這種做法。
ISO16852:2008（7.4.4、11.1h 和附件 D）試圖通過(guò)不允許單獨(dú)使用穩(wěn)定阻爆轟型阻火器以及 0、1 和 2 區(qū)（以德國(guó) TRbF 20 規(guī)范為代表）的相關(guān)防護(hù)級(jí)別來(lái)克服該問(wèn)題。實(shí)際上，若會(huì)發(fā)生爆轟，就不會(huì)注意到是否在 0、1 和 2 區(qū)，最終結(jié)果也相同。
穩(wěn)定阻爆轟型阻火器的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)低于不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器。另外，當(dāng)位于DDT/不穩(wěn)定區(qū)時(shí)，由于給不穩(wěn)定爆轟施加了極高動(dòng)負(fù)荷（設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)未考慮這一點(diǎn)），穩(wěn)定阻爆轟型阻火器通常會(huì)出現(xiàn)機(jī)械損壞（請(qǐng)參見(jiàn)下文的“工藝管道的安全度”部分）。
全球大部分地區(qū)都只認(rèn)可不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器，例如，《美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，只允許使用在穩(wěn)定和不穩(wěn)定爆轟下都證實(shí)可靠的不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器。由于爆轟事件在實(shí)踐中的不可預(yù)見(jiàn)性，沒(méi)有其他裝置可在無(wú)需考慮可能位置及使用其他防護(hù)系統(tǒng)的情況下提供全面保護(hù)。不穩(wěn)定爆轟試驗(yàn)的一個(gè)缺陷是其固有的不可預(yù)見(jiàn)性以及廣泛的火焰速度和壓力范圍（可通過(guò)對(duì)比穩(wěn)定爆轟試驗(yàn)來(lái)測(cè)量。在穩(wěn)定爆轟試驗(yàn)中，這些參數(shù)可根據(jù)理論原理計(jì)算）。然而，考慮到所執(zhí)行的試驗(yàn)次數(shù)，這顯然是比冒險(xiǎn)采用低性能的穩(wěn)定阻爆轟型阻火器更健全的解決方案。畢竟，永遠(yuǎn)也不可能用阻爆燃型阻火器代替阻爆轟型阻火器，因?yàn)榘l(fā)生爆轟的可能性很小。
與穩(wěn)定阻爆轟型阻火器相比，不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器可能有更大的壓力降。然而，考慮到穩(wěn)定阻爆轟型阻火器可能需要成對(duì)使用或與阻爆燃型阻火器搭配使用，這就不成問(wèn)題。由于需要在工藝設(shè)計(jì)階段考慮的某些因素（例如，流量和壓力降）總在事后才想起，因而導(dǎo)致了不必要的實(shí)踐和成本問(wèn)題。
只遭遇爆燃的阻爆轟型阻火器
使用阻爆轟型阻火器并不意味著它總是遭遇爆轟，事實(shí)上，可以考慮稀/濃蒸氣/空氣混合物著火后，爆燃會(huì)引起的效果。除非經(jīng)過(guò)嚴(yán)格試驗(yàn)，否則遭遇爆燃火焰鋒時(shí)，阻爆轟型阻火器仍有可能發(fā)生故障。
USCG 和 ISO16852:2008 試驗(yàn)協(xié)議都允許試驗(yàn)帶受限出口的阻爆轟型阻火器——USCG 在這方面有強(qiáng)制規(guī)定，ISO16852:2008將其作為可選項(xiàng)，導(dǎo)致大量不必要的阻爆轟型阻火器類型。受限出口指靠近阻爆轟型阻火器受保護(hù)端的局部關(guān)閉閥門或接頭。由于爆燃中的壓力波位于火焰鋒前方，這種限制可能在火焰鋒到達(dá)阻爆轟型阻火器之前產(chǎn)生背壓，從而導(dǎo)致氣體在更高的壓力（高于認(rèn)證壓力）下燃燒且火焰將穿過(guò)阻爆轟型阻火器。
重新定位阻爆轟型阻火器的閥門或接頭等元件可消除該潛在問(wèn)題，但更好的方法是確保阻爆轟型阻火器允許受限出口的存在。
高溫和高壓下的效果
阻爆轟型阻火器常用于高于環(huán)境/大氣溫度和壓力（通常達(dá)60°C 0.01MPa.g）下的工藝操作。在這種情況下，需要確定氣體或蒸氣/空氣混合物可在給定工藝中著火的條件。例如，除非高壓排氣出口有相同壓力下的空氣，當(dāng)空氣和氣體可以混合（很可能在大氣壓力下）且排氣壓力減弱（允許與氣體混合）時(shí)，阻爆轟型阻火器才需要發(fā)揮作用。在高壓下，更多能量產(chǎn)生且火焰加速度加快，因此爆炸壓力更大（基本與初始著火壓力成正比）并將在更短的管道長(zhǎng)度下到達(dá) DDT 區(qū)。
在任何情況下，若高壓和/或高溫下存在氣體/空氣，則經(jīng)測(cè)試證明任何阻爆轟型（或管道爆燃型）阻火器可在這種條件下使用至關(guān)重要。ISO16852:2008有150°C和0.06 MPa.g的限制，但阻火器肯定可用于更高的溫度和壓力�？紤]到這種阻火器可以有更大的壓力降且更昂貴，仔細(xì)評(píng)估工藝來(lái)避免不必要的問(wèn)題是關(guān)鍵。
穩(wěn)定燃燒
當(dāng)可著火的氣體/蒸氣和空氣易燃混合物通過(guò)阻火器，且該混合物基于流速在阻火器元件表面持續(xù)燃燒時(shí)，會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。在常壓儲(chǔ)罐和阻火器（用于需要防持續(xù)燃燒的情況）的不可控制通風(fēng)過(guò)程中，更可能出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，也就是說(shuō)它們可承受不定期限的預(yù)混合燃燒。根據(jù) TRbF 20 等規(guī)范，使用帶通風(fēng)管（長(zhǎng)度合適）的阻爆轟型阻火器可確保阻火器元件不發(fā)生燃燒。這種阻火器的有效性尚不可靠，因?yàn)樗僭O(shè)阻爆轟型阻火器始終易發(fā)生爆轟，然而在實(shí)踐中，也極有可能發(fā)生爆燃。
當(dāng)然，管道應(yīng)用（例如蒸氣回收裝置）中也有可能出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，且所使用的阻爆轟型阻火器必須能處理這種事件。雖然可獲得防持續(xù)燃燒阻爆轟型阻火器，其單獨(dú)使用（與所有防持續(xù)燃燒阻火器一樣）仍存在問(wèn)題，因?yàn)樗鼘?shí)際上允許未檢測(cè)到的火焰在危險(xiǎn)區(qū)域燃燒而不采取任何措施；在試驗(yàn)過(guò)程中，阻火器外殼的未防護(hù)端可能燒紅，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的溫度進(jìn)行分級(jí)。更好和更安全的方法是安裝溫度監(jiān)控設(shè)備，從而在最短時(shí)間內(nèi)采取停止燃燒的相應(yīng)措施。若阻爆轟型阻火器只能承受有限期間的燃燒且相關(guān)工藝有可能出現(xiàn)這種情況，則有必要安裝溫度傳感器。ISO16852:2008 要求在阻火器/阻爆轟型阻火器上清楚標(biāo)示穩(wěn)定燃燒時(shí)間。
工藝管道的安全度
有一個(gè)關(guān)于普通工藝管道適用性的常見(jiàn)問(wèn)題，即管道中是否會(huì)發(fā)生爆轟。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，沿著管道前行的火焰鋒/爆轟不是靜壓力（管道應(yīng)能承受正常靜態(tài)爆炸壓力，因此假設(shè)為環(huán)境條件下的1MPa.g等級(jí)），而是只作用于管道壁數(shù)微秒的動(dòng)態(tài)沖擊壓力。到目前為止，更大的危險(xiǎn)是當(dāng)火焰鋒/爆轟的前行受到如管道彎頭、閥門和阻火器/阻爆轟型阻火器等的阻礙時(shí)，其產(chǎn)生的動(dòng)量和能量作用。當(dāng)這種動(dòng)量/能量轉(zhuǎn)移，除非設(shè)備有動(dòng)量/能量作用力承受設(shè)計(jì)，否則它可能會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性故障。為此，若阻爆燃型阻火器和穩(wěn)定阻爆轟型阻火器遭遇 DDT/不穩(wěn)定爆轟，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械故障（以及火焰?zhèn)鬟f）。這種配件/閥門的位置必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)考慮、提供充分支撐并有技巧地放置不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器來(lái)最小化管道的機(jī)械故障風(fēng)險(xiǎn)。
結(jié)語(yǔ)
認(rèn)為管道系統(tǒng)中的易燃?xì)怏w/蒸氣著火后，阻爆轟型阻火器（未認(rèn)定為穩(wěn)定或不穩(wěn)定類型）能提供全面防護(hù)的觀點(diǎn)是危險(xiǎn)的。
單獨(dú)使用穩(wěn)定阻爆轟型阻火器會(huì)將人員生命和價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的工藝裝置置于危險(xiǎn)的境地，因?yàn)榉�(wěn)定阻爆轟型阻火器：只提供爆燃和穩(wěn)定爆轟防護(hù)；在位置方面有根本缺陷；不提供馳振爆轟防護(hù)；必須與其他防護(hù)系統(tǒng)一起使用。
只有不穩(wěn)定阻爆轟型阻火器能在不限制位置的情況下提供全面的爆燃、穩(wěn)定、不穩(wěn)定和馳振爆轟防護(hù)。
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