金属网型阻火器设计

1 引言
防止爆炸甚至爆轰事故,把灾害控制在有限的范围内，把损失降到最低，需要利用隔爆装置将设备内发生的燃烧或爆炸火焰实施阻隔，使之无法通过管道传播到其它设备中去。

隔爆技术措施按作用机制不同，分为机械隔爆和化学隔爆两种类型。

本课题通过了解机械阻火器的工作原理、主要应用场所、分类方法，金属网型阻火器的结构、工作原理，从而进一步学习金属网型阻火器的性能参数及其计算过程；最后，应用相关知识，设计乙炔/空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器。

2 阻火器相关知识
2.1机械阻火器的工作原理
大多数阻火器由能够通过气体的许多细小均匀的或不均匀的通道和孔隙的基体组成，这些通道和孔隙应尽量小，小到能够通过火焰就行。

这样，火焰进入阻火器内就被分成许多细小的火焰流，由于通道或孔隙传热面积相对增大，火焰通过管道壁时加速了热交换，使温度迅速下降到着火点以下而使火焰熄灭；另一方面，可燃气体在外界能源激发作用下，会因分子键受到破坏而产生活化分子，这些具有反应能力的活化分子发生化学反应时，首先分裂成自由基，这些自由基与反应分子碰撞几率随阻火器通道尺寸减小而下降，当通道尺寸减小到火焰最大熄灭直径时，这种器壁效应就阻止火焰继续传播。

2.2机械阻火器的分类
2.2.1根据阻火器的用途分类
(1) 隔爆型：主要用于阻隔可燃物燃烧或爆炸火焰的传播，且能承受一定的爆炸压力的作用。

(2) 耐烧型：主要用于阻止可燃物燃烧火焰的传播，且能承受一端时间的燃烧作用。

（3）阻爆轰型：主要用于阻止可燃物从爆燃向爆轰转变火焰的传播，且能承受较大爆炸压力的作用。

2.2.2.根据阻火器的结构型式分类
（1）金属网型阻火器，由单层和多层网重叠起来。

金属网型阻火器随着层数增加有效性也增大，但增加到一定层数之后效果并不加大。

国内采用16-22目金属网，国外常用30-40目金属网]2[。

根据英国帕尔默(Palmer)试验除二硫化碳介质外，一般易燃性气体，金属网层数达到5层就能满足要求。

再增加层数效果并无显著改进。

一般单层金属网阻止火焰速度不大于14米/秒。

(2)波纹型阻火器用不锈钢，铜镍合金，铝或铝合金制成。

但是用铝和铝合金，由于熔点低，同时与锈铁撞击易产生火花，因此用铝或铝合金，尚有许多异议。

波纹型阻火层有两种型式。

第一种型式由两个方向折成波纹形薄板材料组成。

波纹的作用是分隔成层，并留有间隙，形成许多曲折的通道。

另一种型式在两层波纹薄板之间加一层扁平的薄板，形成许多三角形的通道更利于熄灭火焰。

这种型式的阻火器在国外广泛用于石油化工企业。

(3)泡沫金属阻火器是用一种最新材料制成的泡沫金属，其结构同多细孔的泡个沫塑料相似，由多种金属制成。

以镍/铬合金为主，铬的含量不少于15%、不大于40%,组成阻火器材质的密度不少于0.5克/厘米30其优点阻爆能力好，体积轻，便于安装使用和置换。

但是对于内部孔隙检查有困难，因此空隙达不到要求也不易检查，主要用干飞机上或石油化工系统。

(4)平行板型阻火器顾名思义，阻火层是由薄的不锈钢板平行重叠而成，板上有许多细小的缝隙或许多细小孔隙。

上下排列成许多平行的通道，板前有0.6毫米空隙。

其主要优点是阻爆性能好，机械强度高并易于清洗、耐腐蚀。

缺点是耐烧性差、重量大、成本高，一般制造成小型的，用于汽车和柴油机系统。

(5)金属球型和砾石型阻火器利用金属颗粒或砾石堆积于容器之内，主要目的是利用颗粒之间的孔隙作为熄灭火焰的通道，并吸收大量热量。

这种阻火器对于乙炔火焰阻爆效果比较好，其缺点阻力大、易阻塞、重量大，但是由于结构简单，便于制造所以有些情况下也能被选用。

2.3 金属网型阻火器及其结构
阻火层由单层或多层不锈钢丝或同丝网重叠制作而成,如下图2.1所示。

阻火效果随金属网层增加而增强，但金属网层数增加到一定值后，阻火效果增强不在显著。

金属网层数及阻火性能与金属网孔大小有关。

一般来说，网孔较小的金属网要求层数相对较少，但金属网孔眼过小会因流体阻力增大而造成堵塞。

目前，国内常用阻火器层金属网的网孔为16～22目，国外则多采用网孔为30目和40目的阻火层金属。

图2.1 金属网型阻火器
金属网型阻火器主要由阻火器壳体、金属网层（阻火层）两部分组成。

如下图2.2所示：
图2.2 金属网型阻火器的结构
3 金属网型阻火器的性能参数及其计算过程
3.1气体熄灭直径及其计算过程
使火焰不能继续传播的阻火器最大通道直径称为气体熄灭直径。

气体熄灭直径大小取决于气体种类，并直接关系到阻火器的阻火效能。

在设计阻火器时，应根据可燃气体燃烧速度选取熄灭直径，这种估算方法对大多数饱和烃和易燃气体适用，但不适用燃烧速度更快的易燃气体。

另外，由于乙炔气体具有许多不同于一般易燃气体的特性，不能按饱和烃来处理。

常态下几种常见气体的燃烧速率与熄火直径数据列于下表：
表1常态下气体燃烧速率及熄火直径数据
一般来说，阻火层通道或孔隙直径可按气体熄灭直径来选取，但由于爆燃火焰速度远快于标准燃烧速度，因此，在实际设计中，阻火层通道或孔隙直径按半气体熄灭直径选取，当然也可以通过增加阻火层厚度来提高阻火器效能。

阻火层孔隙大小是影响阻火效能的重要因素，易燃气体熄灭直径大小直接关系到阻火层的孔隙尺寸。

熄灭直径可以通过试验来测定，也可通过熄灭间隙来近似估算：
d 0=4.53403
.0
min
E…………(3.1)
D 0=1.54d
0………………(3.2)
式中：
d——熄灭间隙，mm
E——最小点火能，mJ
min
D——熄灭直径，mm
注：对于金属网型阻火器的阻火层，其网孔直径一般不得超过熄灭直径的一，m h是网孔直径。

3.2 火焰传播速度及其确定方法
在一端开口的管道内，点火方式可以分为靠近开口端点火、靠近闭口端点火或靠近阻火器处点火三种情形。

无论采用何种点火方式，阻火器内火焰传播速度均取决于可燃气体的性质和点火点与阻火器之间的距离（即点火距离）。

对于点火距离靠近管道开口端时的点火情形，在相同的点火距离下，不同性质气体的火焰传播速度并不相同，同一种气体的火焰传播速度随点火距离的增大而迅速提高。

一般来说，点火距离不超过10m，在某种特殊情况下需要超过10m时，则管道和阻火器应能承受3.5MPa以上的压力，并设有泄爆孔。

3.3 阻火器壳体尺寸及其计算过程
阻火器壳体的设计必须符合一定的要求。

为使阻火器的壳体能耐腐蚀，壳体采用铸铁、铸铝、铸钢等材料来制造，在阻火器内部或与其他设备组装时，不得使用动物皮革或者植物纤维垫片；此外，在内部爆炸压力的作用下，阻火器壳体不得发生破裂或者永久性变形，并能够承受0.9MPa以上的水压试验，在水压试验中，阻火器内部垫片及其他部位1min内应该没有渗漏和破裂或塑性变形等发生。

对于塑性材料的阻火器壳体，其厚度可以按照下面的公式来计算：
………………………（3.3）
式中：B S—阻火器壳体厚度，m； D—壳体中腔最大内径，cm；
p—材料允许拉应力，MPa；Lσ—设计压力，一般可取公称压力，MPa；
C—附加裕量，cm.
阻火器壳体尺寸会直接影响流体阻力的大小。

通常情况下，阻火器壳体直径（D）应比与其配合使用的管道公称直径（d）大4倍（即D≈4d），阻火层距
离阻火器壳体前后端的长度分别为L'≈（0.5～1.0）D和L''≈（0.5～1.5）D。

3.4 阻火层厚度及其计算过程
对于金属网型和多孔板型阻火器，阻火层能有效阻止火焰传播的最大速度（不包括爆轰火焰速度）可以按以下经验公式进行计算：
…………（3.4）
式中：
ν——阻火器能阻止火焰传播的最大速度，m/s;
m
a——有效面积比，即阻火层实际面积与阻火层空隙面积之比
y ——阻火层厚度，cm
d——阻火层孔眼直径，cm.
m
图3.1 阻火器厚度与最大火焰速
关系上式用于圆形孔眼，m d表示直径；用于方形孔眼，m d表示宽度。

阻火层厚度与最大火焰速度关系如上图3.1所示。

3.5 阻火性能测试方法
在阻火器使用之前，必须经过阻爆和耐烧性能测试。

阻爆试验是指在一定距离内将试验装置内的可燃气体点燃，使火焰或火花通过阻火器时被熄灭的一种试
验。

耐烧试验则是指在无回燃条件下，使可燃气体燃烧火焰持续通过阻火层时，阻火层能够承受一定时间内的火焰燃烧而不被烧坏的一种试验。

此外，一个性能优良的阻火器除了具有良好的阻火和耐烧性能，还要有尽可能小的流阻。

阻火器压降的大小取决于其结构形式及气流速度不同阻火器的压降一般需要通过试验来测定，也可以利用经验公式进行估算。

4 乙炔/空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器的设计
设计乙炔/空气在标准燃烧速率下的金属网型阻火器（要求壳体的管道公称直径为50mm ，壳体直径为200mm,壳体总长为250mm ）。

设计一个形状为圆柱壳体、材料为铸钢（型号ZG230-450）的金属网型阻火
器。

4.1计算气体熄灭直径和最大孔网直径：
表2典型气体-空气混合物的最小点火能量
查上表2，得乙炔/空气混合物的最小点火能为min E ＝0.019mJ,
由公式3-1得气体熄灭直径: 403
.0min 053.4E d =＝4.53×0.019403.0＝0.915mm
由公式3-2得气体熄灭直径: 00d D =1.54＝1.54×0.915＝1.409mm
最大孔网直径：012m h D ≤＝1
2×1.409＝0.7mm
4.2阻火器壳体尺寸设计：
已知壳体直径为200mm ，查机械设计课程设计手册得工程用铸造碳钢（型号ZG230-450）的抗拉强度b σ=450MPa ，令L σ=b σ=450MPa 则有：B pD S 2.3p L σ-=
=
B p(15-2S )
2.3450p
-⨯
⇒ 1035B S -p ·B S =15p -2p ·B S
⇒ B 15p
S p
=
1035+
根据机械设计相关理论知识，脆性材料的安全系数应取S=3～4，不妨假设S=3，这时材料允许拉应力p=150 MPa ，安全性可以达到。

⇒B 15p S p =
1035+= 15⨯150
1035+150
=1.9cm ； 为设计安全起见这里令B S =2.0cm
则有附加裕量C=2.0-1.9=0.1cm
4.3 阻火层厚度计算过程：
有效面积比a 取0.4，m d =0.3 mm (小于h m 就可以)，由表1可知，乙炔/氧气标准燃烧速率为11.277m·1s - ，由下面的公式可以计算得出y 。

得出y =6.68mm.
4.4 阻火层距离阻火器壳体前后端长度L '、L ''的计算：
壳体总长为L=250mm, 壳体直径为D=200mm 由于阻火层距离阻火器壳体前后端的长度分别为L '≈（0.5～1.0）D 和L ''≈（0.5～1.5）D 。

不妨假设L'=100mm, L''=130mm，根据以上计算的参数可以得到下面的阻火器壳体图：
图4.1 金属网型阻火器壳体
5 课程设计心得体会
通过两周的学习，自己了解到了很多知识，也掌握了很多。

虽然知道了课本上的知识，但我发现用于实际时有不少的问题，就像这次的金属网型阻火器的设计，有许多参数需要实际的判断和计算，只能在网上找。

在网上找资料是件很辛苦的事情啊。

虽然做完了，但估计最后的设计还有不足之处，希望以后能有更多的机会得到锻炼。

参考文献
[1] 王凤英，刘天生. 防火防爆技术. 山西：中北大学出版社
[2] 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.第3版.北京：高等教育出版社，2006
[3] 胡双启，张景林. 燃烧与爆炸. 北京：兵器工业出版社，1992。