阻火器壳体的设计

中北大学
课程设计说明书
学生姓名: 岳芙蓉学号：********** 学院: 化工与环境学院
专业: 安全工程
题目: 阻火器壳体的设计（一）
指导教师：徐文峥职称: 硕士生导师
2010年6月28
中北大学
课程设计任务书
2016/2017 学年第 1 学期
学院：化工与环境学院
专业：安全工程
学生姓名：岳芙蓉学号：1304054110 课程设计题目：阻火器壳体的设计（一）
起迄日期: 2016年12月19日~ 2016年12月31日
课程设计地点:03105H
指导教师:徐文峥
系主任：曹雄
下达任务书日期: 2016年12 月 19日
目录
1引言┉…………………………………………………………┉┉┉┉………┉1
1.1防爆技术的基本理论┉┉┉┉..........................................┉┉ (1)
1.2引发火灾的三个条件┉┉┉┉┉┉ (1)
2 阻火器的工作原理及分类┉┉┉┉┉┉ (1)
2.1 阻火器的工作原理┉┉┉┉┉┉ (1)
2.2 阻火器的种类┉┉┉┉┉┉ (3)
3 机械阻火器特点┉┉┉┉┉┉ (3)
4 防火防爆阻火器壳体结构设计及安装计算┉┉┉┉┉┉ (4)
4.1 防火防爆阻火器壳体结构设计┉┉┉┉┉┉ (4)
4.2 阻火器壳体材料的选择┉┉┉┉┉┉ (5)
4.3 安装计算┉┉┉┉┉┉ (5)
4.3.1 阻火器壳体尺寸的大小直接关系到对流体的阻力┉┉┉┉┉┉ (5)
4.3.2阻火器灭火能力的计算┉┉┉┉┉┉ (6)
4.3.3 阻火器壳体厚度的计算┉┉┉┉┉┉ (7)
4.4 阻火器壳体的直径及相关参数设计┉┉┉┉┉┉ (7)
5阻火器壳体结构设计┉┉┉┉┉┉ (8)
6课程设计总结┉┉┉┉┉┉ (9)
6.1阻火器的测试┉┉┉┉┉…………………………………………………┉9
6.2机械阻火器主要应用场所┉┉┉┉┉┉ (9)
参考文献 (10)
1 引言：防爆技术原理
1.1防爆技术的基本理论
从防爆技术原理看，防止物理或化学爆炸发生条件同时出现，是预防爆炸事故发生的根本技术措施。

从爆炸事故破坏力形成看，一般应同时具备以下五个条件：（1）可燃物；（2）助燃剂；（3）可燃物与助燃剂均匀混合；（4）爆炸性混合物处于相对封闭空间内；（5）足够能量的点火源。

1.2引发火灾的三个条件
引发火灾的三个条件是：可燃物、氧化剂和点火能源同时存在，相互作用。

引发爆炸的条件是：爆炸品（内含还原剂和氧化剂）或可燃物（可燃气、蒸气或粉尘）与空气混合物和起爆能源同时存在、相互作用。

如果我们采取措施避免或消除上述条件之一，就可以防止火灾或爆炸事故的发生，这就是防火防爆的基本原理。

在制定防火防爆措施时，可以从以下四个方面去考虑：
（1）预防性措施。

这是最基本、最重要的措施。

我们可以把预防性措施分为两大类：消除导致火爆灾害的物质条件（即点火可燃物与氧比剂的结合）及消除导致火爆灾害的能量条件（即点火或引爆能源），从而从根本上杜绝发火（引爆）的可能性。

（2）限制性措施。

即一旦发生火灾爆炸事故。

限制其蔓延扩大及减少其损失的措施。

如安装阻火、泄压设备，设防火墙、防爆墙等。

（3）消防措施。

配备必要的消防措施，在万一不慎起火时，能及时扑灭。

特别是如果能在着火初期将火扑灭，就可以避免发生大火灾或引发爆炸。

从广义上讲，这也是防火防爆措施的一部分。

（4）疏散性措施。

预先采取必要的措施，如建筑物、飞机、车辆上设置安全门或疏散楼梯、疏散通道等。

当一旦发生较大火灾时，能迅速将人员或重要物资撤到安全区，以减少损失。

2 阻火器的工作原理及分类
2.1 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：一种是基于传热作用；一是器壁效应。

（1）传热作用阻火器能够阻止火焰传播并迫使火焰熄灭。

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，只要将可燃物的温度降到着火点以下，可以使火焰熄灭，就可以阻止火焰的蔓延。

阻火器是由许多细小的空隙和通道组成。

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流，由于通道或空隙的传热面积很大，
火焰通过时即进行热交换，当火焰温度下降到一定温度时火焰即熄灭。

在设计阻火器的内部阻火元件时尽可能扩大细小火焰和通道壁的接触面积，强化传热，使火焰温度降低到着火点以下，达到阻止火焰蔓延的目的。

根据英国罗贝尔对阻火器进行实验表明：传热作用对阻火器熄灭火焰不是主要的，而是器壁效应起主要作用。

（2）器壁效应根据燃烧与爆炸连锁反应理论，认为燃烧与爆炸现象的产生并不是分子直接作用的结果，而是受外来能源（热能辐射能电能光能化学反应能等）的激发，分子键受到破坏，产生具备反应能的分子（称为活化分子），这些活化分子在发生化学反应时，首先分裂出十分活跃而生命短促的自由基。

化学反应就是靠这些自由基进行的。

自由基与其他分子相撞，生成新的产物，同时也产生新的自由基再继续与其他分子发生反应。

当燃烧的可燃气体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，自由基与反应分子之间的碰撞几率随之减少，自由基与通道壁的碰撞几率增大，当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，当化学反应自由基销毁速率大于产生速率时，反应不能继续进行，当通道尺寸减少到一定程度时，这种器壁效应就造成了火焰不能继续传播的条件，火焰即被阻止，也即燃烧反应不能通过阻火器继续传播[1]。

但是在大多数情况下，阻火器的传热效应和碰撞效应同时存在。

火焰发生淬熄的过程如图1所示,爆燃火焰在狭缝中淬熄主要是由于火焰面的化学反应放热与散热条件不匹配引起的。

火焰以速度υ进入狭缝时,火焰面内靠近狭缝冷壁处作为化学反应活化中心的自由基和自由原子与冷壁相碰撞放出其能量,这相当于反应区的热量流向冷壁边界,从而当火焰面到达一定距离时,在壁面附近产生了熄灭层。

随着火焰面的运动,熄灭层厚度不断增大,以至于自由基进入熄灭层内就被复合成分子并放出能量,而仅有少量自由基能穿透熄灭层与冷壁相撞。

在后续进程中,火焰在该狭缝内完全淬熄。

能使火焰发生淬熄的通道直径称为淬熄直径,用D来表示。

火焰在具有淬熄直径D的通道上传播到熄灭之前的那段距离称为淬熄长度,用L来表示。

图1 燃烧火焰淬熄原理模型
2.2 阻火器的种类
1.按阻火器阻止火焰速度分类可分为阻爆燃型阻火器和阻爆轰型阻火器。

2.按阻火器安装位置分类可分为管端阻火器(安装在管子顶端)和管中阻火器(安装在管子中间)。

3.按阻火器用途分类可分为油罐阻火器、加油站阻火器、车用阻火器、加热炉用阻火器、火炬阻火器、排风导管阻火器、船用阻火器、乙炔阻火器、氢气阻火器等。

4.按阻火器结构分类可分为金属网型阻火器(已淘汰)、波纹型阻火器、平行板型阻火器、多孔板型阻火器、泡沫金属型阻火器、充填型阻火器、水封型阻火器等。

5.按阻火器使用气体介质分类可分为Ⅰ级气体阻火器、ⅡA级气体阻火器、ⅡB级气体阻火器、ⅡC级气体阻火器。

3 机械阻火器特点
1．阻火器是用来阻止易燃气体和易燃液体蒸气的火焰蔓延的安全装置。

2.当爆炸性混合气体或爆炸性液体形成的蒸汽与空气的混合物的火焰经过足够小的断面或狭缝时，由于壁面的冷却效应和碰撞效应，导致自由基或活性分子的复合消失，破坏了化学链式反应的条件，因而不能形成连续燃烧薄膜或燃烧通路，火焰在其中传播一段距离后便会自动熄灭。

3.机械阻火器常由大量只允许火焰通过的细小通道或空隙固体材料组成。

工
业阻火器分为机械阻火器、液封阻火器和料封阻火器等类型，主要用于阻隔燃烧和爆炸初期的火灾火焰地蔓延；主动式隔爆装置通过传感器探测到的爆炸型号实施致动；被动式隔爆装置则依靠爆炸波本身来引发致动。

4.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。

4 防火防爆阻火器壳体结构设计及安装计算
防火防爆阻火器由壳体、器芯两大部件组装而成。

其中关键部件是器芯，而阻火层又是器芯设计的重中之重。

但由于本次课程设计任务书的重点是阻火器的壳体，但事实上在阻火器的应用和实际工作中，阻火层的设计才是阻火器设计的重点。

4.1 防火防爆阻火器壳体结构设计
管道阻火器就是根据小孔淬熄原理设计的。

其结构如图2所示,它由外壳1和阻火芯2组成,可以通过法兰3与管道或其它设备连接,也可以有其它各种连接方式，如管道和阻火器的自密封螺纹副等形式连接。

阻火器外壳应有较大的强度,能承受爆燃(或轰爆)引起的动高压，阻火器壳体应耐腐蚀，可以用铸铁、铸铝、铸钢、不锈钢等材料制成。

在阻火器内部或与其他设备组装时不得用动物皮革或植物纤维制作的垫片。

阻火器壳体应能承受1.8MPa压力的水压试验，壳体在水压试验中，一分钟之内不应出现渗漏，并不能有永久变形[3]。

如图2所示。

1.外壳
2.阻火芯
3.法兰
图2 管道阻火器结构
4.2 阻火器壳体材料的选择
对于阻火器的材料选用，以上三种基本上都能满足普通条件下强度要求，完成阻火器壳体应该具备的功能。

据资料显示铸铁、铸铝、铸钢、不锈钢价格依次升高，在条件允许即能达到设计所要求的各项功能并保证一定安全裕量前提下，从经济的角度出发,可以优先选用铸铁、铸铝；
由于壳体材料对于塑性材料制成的阻火器，壳体厚度计算公式为：
Sb=P*D/(2.3*[T]-P) +C 3.2
公式中：Sb —壳体的厚度（㎝）
D —壳体中腔的最大内径（㎝）
[T] —材料允许拉应力（Pa）
P —设计压力（Pa）
C —裕量（㎝）
4.3 安装计算
4.3.1 阻火器壳体尺寸的大小直接关系到对流体的阻力。

(1)透气管路的阻力计算洞库油罐透气管路一般较长，为安全作业，确保油罐安全，防止事故发生，在安装阻火器之前需进行阻力计算。

a、比摩阻R=入*V 2* r /(2*g*D ) 3.3.1.1 式中入—摩阻系数，
V —风管流速，m/s(根据进油最大流量确定V)，
O —管径，m，
R —汕蒸气容重，kg/m3，
g —重力加速度，m/s2，
V 2 r /2g —动压Pa。

b、局部阻力损失 Z
1
=∑CV 2 r /2g 3.3.1.2.式中 C—局部阻力系数，其余符号同前。

c、管路总损失 h=R*L+Z
1+ Z
2
3.3.1.3
式中L—透气管实际长度，m;
Z:—不同通径阻火器阻力，参考阻火器说明书，Pa(mmH
2
O).
在收油时，立式拱顶油罐正压为1960Pa(200mmH
2O)。

当h﹤1960Pa(200mmH
2
O)
时，收油是安全的。

但发油时候油罐进气不经过透气管道，故不考虑负压要求[6]。

4.3.2阻火器灭火能力的计算
阻火器壳体在设计过程中还必须考虑使用的管线或外界条件或储罐中气体或蒸汽本身爆炸性能、特征的不同。

经工程经验和阻火器失效或破坏导致火灾爆炸事故统计分析，可作以下近似计算。

对其他外界影响、管线本身使用条件影响，采取理想化处理。

通过经验公式予以近似计算。

现以干式阻火器灭火能力的计算：火焰在细小的孔道中的熄灭作用，有其热力学特性，可由彼得列准数(Peclet number)Pe来衡量，对于给定的阻火器和给定的可燃混合物:
Pe=(U f*d*Cp*P)/(R*T*入) 3.3.2 公式中：Uf —火焰法向速度
d —阻火元件的孔道直径
Cp —可燃物恒压热容
P —可燃混合物压力
T —可燃混合物初始温度
入—可燃混合物的热导率
当Pe﹥65时，则阻火器不适用于给定的可燃混合物，若Pe﹤65时，则阻火器能
满足要求，通常为了保险起见，一般应满足Pe﹤65/N ,取N=2[7]。

4.3.3 阻火器壳体厚度的计算
在没有进一步对壳体设计做进一步要求的情况下，壳体厚度可按照公式3.2.
进行计算，所得结果偏安全。

经检核，符合以上三个条件即经过公式3.2、3.3.1.1、3.3.1.2、3.3.1.3、
3.3.2检验都符合条件才能进行下一步设计，否则，必须反算调整，直到符合要
求为止。

4.4 阻火器壳体的直径及相关参数设计
（1）通常情况下，阻火器的壳体直径(D)约为其配合使用管道的公称直径(d)
的4倍
即D≈4 d. 3.4.1
则可得： d=D/4 3.4.2
则将D=300带入公式，得：
与阻火器配合使用管道的公称直径：
d=300/4=75
（2）阻火器阻火层距离阻火器前半部距离长度为：
L
≈(0.5～1.0)D 3.4.3
1
则将D=400带入公式,得：
L
≈(0.5～1.0)D=（150～300）
1
⑶阻火器阻火层距离阻火器后半部距离长度为：
L
≈(0.5～1.5)D 3.4.4 2
则将D=50带入公式,得：
L
≈(0.5～1.5)D=（150～450）
2
⑷关于波纹型阻火器壳体外形参考尺寸，见表1
表1 波纹型阻火器壳体外形参考尺寸
管道公称直径/mm 壳体直径/mm 壳体总长度/mm
15 50 100
20 80 130
25 100 150
40 150 200
50 200 250
70 250 300
80 300 450
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
5阻火器壳体结构设计
阻火器外壳应有较大的强度,能承受爆燃引起的动高压，阻火器壳体应耐腐蚀，可以用铸铁、铸铝、铸钢、不锈钢等材料制成。

在阻火器内部或与其他设备组装时不得用动物皮革或植物纤维制作的垫片。

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3所示：
图3金属网型阻火器
6课程设计总结：
6.1阻火器的测试
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。

6.2机械阻火器主要应用场所
1、输送易燃或可燃气体管道；
2、存储石油和石油产品油罐；
3、爆炸危险系统通风管口；
4、加热炉中的可燃气体网管；
5、油气回收系统及内燃机排气系统。

参考文献：
[1] 胡畔.石化装置设计中阻火器的选用.炼油设计Petroleum Pefinery Endineering,2002年第32卷第6期：37
[2] 胡双启，张景林.燃烧与爆炸.北京：兵器工业出版社，1992：313
[3] 胡双启，张景林.燃烧与爆炸.北京：兵器工业出版社，1992：59。