阻爆轰型阻火器的选用

如何合理使用阻爆轰型阻火器

阻爆轰型阻火器的实际应用

阻爆轰型阻火器广泛应用于易燃液体、蒸气和气体处理领域的防爆。人们常常认为阻爆轰型阻火器能提供全面的保护，这种误解会导致具有潜在危险的安装。转变这种错误的认识，关键要理解两种阻爆轰型阻火器（稳定和非稳定）之间的根本区别。

合理设计防爆和防护系统，并且遵守严格的操作和维护程序，应能避免在很多工艺中产生易燃气体/蒸气和空气混合物，更不可能着火。然而，在储罐通风和蒸气收集系统中，这种风险要大得多，因此合理使用阻爆轰型阻火器是确保设备在使用寿命中安全性的最重要因素。

图1 阻火器安装在管路中示意图

什么是爆轰？

爆轰发生在具有长管道的开放或封闭管道系统（例如通风管或蒸气收集系统）中。当气体/空气混合物在管道内着火，燃烧混合物体积因而增加，导致其前方的未燃混合物被预先压缩且火焰锋随着燃烧率的升高而加快。该过程的早期阶段称为爆燃，这时火焰速度为亚音速且压力波遥遥领先于火焰锋；通常，对于在环境条件下引发的爆炸，火焰速度小于100 m/s且压力低于0.1MPa.g，但若转变为爆轰，则火焰速度和压力可分别达到200~300m/s以及1MPa.g。由于燃烧过程进一步加快，最后火焰锋和压力波相遇，在“爆燃转爆轰（DDT）”区形成高压冲击波，该冲击波靠近火焰锋前方。

图2 管道长度对火焰速度和爆炸压力的影响

DDT 区的另一个特征是超压爆轰或不稳定爆轰，其猛烈的冲击波压缩可带来15 MPa.g 以上的瞬时压力以及3000 m/s以上的火焰速度。这些冲击波迅速消散，爆轰波变得稳定，同时压力约为2~3 MPa.g，火焰速度通常为1600~2000 m/s。

爆轰只会在特定的气体/蒸气浓度范围内发生，通常浓度都在所涉及材料的正常可燃范围内。接近稀/浓极限时，会出现驰振爆轰现象。火焰速度由于管道方向更改（弯头等）而临时衰减为爆燃区的速度时，也会出现这种现象。这主要说明火焰锋可通过DDT/不稳定爆轰区在爆燃和稳定爆轰之间反复变化，而这是极其危险的。

稳定爆轰只会发生在不稳定爆轰后，强调这一点很重要。在很大程度上，稳定和不稳定爆轰的出现取决于管道直径、管道配置、管道类型（例如，滑顺焊接、带法兰接头的粗焊接）、气体/蒸气类型、空气中的气体/蒸气浓度、工作温度和工作压力。只有在带化学计量试验气体的受控实验室条件下，才有可能预测出现这些现象的位置。在工艺装置中，处理气体/蒸气（浓度接近可燃性稀/浓极限且位于包含无数弯头、阀门等的管道中）的可能性比标准试验气体（丙烷、乙烯或氢气）高。这些因素会影响防爆措施（尤其是阻爆轰型阻火器）的应用。

阻爆轰型阻火器的工作原理

阻火匣式阻爆轰型阻火器使用小阻火匣与最佳阻火匣长度来提供大量热传播表面积。来自燃烧气体的热量通过阻火匣内的边界层消散，最终冷却到其自燃温度以下。所需阻火匣大小取决于实际气体/蒸气，且可使用所有易燃气体/蒸气的基本属性“最大试验安全间隙(MESG)”来定义。

表1 典型MESG 和气体组别（根据ISO16852:2008）

所需的阻火匣长度通过试验确定，基本上是火焰速度的函数——由于阻爆轰型阻火器的高火焰速度，其阻火匣长度通常比阻爆燃型阻火器大。一般，不稳定阻爆轰型阻火器的阻火匣长度比稳定阻爆轰型阻火器大，但更重要的是，它需要更坚固的元件支撑架来承受不稳定事件带来的更大作用力。通过使用整体逆流减震器，爆轰也可在到达元件前衰减为爆燃。

稳定阻爆轰型阻火器

虽然稳定阻爆轰型阻火器已在德国普遍使用并经ISO16852:2008认可，但由于它完全忽略DDT/不稳定爆轰和驰振爆轰的存在且似乎仅依赖于已接受的风险级别，所以存在根本缺陷。而且，这种装置的制造商不需要明确告知用户使用“阻爆轰型”阻火器的风险。

若认为将气体/空气浓度维持在爆炸下限(LEL) 的25% 为根本防爆技术，则依此类推，可认为将其维持在爆炸上限（UEL）以上25% 也同样可以接受。然而，由于可能需要穿过整个可燃范围来实现这种维持，一般不推荐这种做法。

ISO16852:2008（7.4.4、11.1h 和附件D）试图通过不允许单独使用稳定阻爆轰型阻火器以及0、1 和 2 区（以德国TRbF 20 规范为代表）的相关防护级别来克服该问题。实际上，若会发生爆轰，就不会注意到是否在0、1 和 2 区，最终结果也相同。

稳定阻爆轰型阻火器的构建标准低于不稳定阻爆轰型阻火器。另外，当位于DDT/不稳定区时，由于给不稳定爆轰施加了极高动负荷（设计环节未考虑这一点），稳定阻爆轰型阻火器通常会出现机械损坏（请参见下文的“工艺管道的安全度”部分）。

图5 严重损坏的元件图

不稳定阻爆轰型阻火器

全球大部分地区都只认可不稳定阻爆轰型阻火器，例如，《美国海岸警卫队标准》规定，只允许使用在稳定和不稳定爆轰下都证实可靠的不稳定阻爆轰型阻火器。由于爆轰事件在实践中的不可预见性，没有其他装置可在无需考虑可能位置及使用其他防护系统的情况下提供全面保护。不稳定爆轰试验的一个缺陷是其固有的不可预见性以及广泛的火焰速度和压力范围（可通过对比稳定爆轰试验来测量。在稳定爆轰试验中，这些参数可根据理论原理计算）。然而，考虑到所执行的试验次数，这显然是比冒险采用低性能的稳定阻爆轰型阻火器更健全的解决方案。毕竟，永远也不可能用阻爆燃型阻火器代替阻爆轰型阻火器，因为发生爆轰的可能性很小。

与稳定阻爆轰型阻火器相比，不稳定阻爆轰型阻火器可能有更大的压力降。然而，考虑到稳定阻爆轰型阻火器可能需要成对使用或与阻爆燃型阻火器搭配使用，这就不成问题。由于需要在工艺设计阶段考虑的某些因素（例如，流量和压力降）总在事后才想起，因而导致了不必要的实践和成本问题。

只遭遇爆燃的阻爆轰型阻火器

使用阻爆轰型阻火器并不意味着它总是遭遇爆轰，事实上，可以考虑稀/浓蒸气/空气混合物着火后，爆燃会引起的效果。除非经过严格试验，否则遭遇爆燃火焰锋时，阻爆轰型阻火器仍有可能发生故障。

USCG 和ISO16852:2008 试验协议都允许试验带受限出口的阻爆轰型阻火器——