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，敞 开型水封阻火器的结构、工作原理，从而进一步学习敞开式水封阻火器的性能参 数及其计算过程；最后，应用相关知识，设计敞开式水封阻火器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被熄灭火焰能够被熄灭的机理是传热作用 和器壁效应［1］2.1.1 传热作用当火焰进入阻火器中的孔隙或细小通道时，就形成许多细小的火焰流由于 通道或孔隙的传热面积很大，火焰通过通道壁是进行热交换后，温度会下降，到 一定程度时火焰即被熄灭但传热作用只是熄灭火焰的一种原因，不是主要原因2.1.2 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不是分子间直接作用的 结果，而是在外来能源的激发下，使分子键受到破坏，产生具备反应能力的分子， 这些具有反应能力的分子发生化学反应时首先分裂为十分活泼而寿命短促的自 由基。
化学反应是靠这些自由基进行的自由基与另一分子作用，作用的结果除 了生成物之外还能产生新的自由基这些新的自由基迅速参与分子反应后又产生 新的自由基这样自由基又消耗又生成如此不断进行下去可知易燃混合气体自 行燃烧的条件是：新产生的自由基数等于或大于消失的自由基数随着阻火器尺寸的减小，自由基与反应分子之间碰撞几率随之减少，而自由 基与通道壁之间的碰撞几率反而增加，这样就促使自由基反应减低当通道尺寸 减小到某一数值时，这种启闭效应就造成了火焰不能继续进行的条件，火焰即被 组织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[2](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⑵。
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 敞开式水封阻火器的工作原理敞开式安全水封适用于压力较低的燃气系统，主要由罐体、进气管、安全管、 出气管及水位阀等几部分组成，示意结构如图 1 所示系统基本工作原理为， 在正常工作状态下，可燃气体从进气管进入罐内，从出气管逸出，罐内气体压力 与安全管内水柱保持平衡当火焰发生倒燃时，罐内压力降增高，由于安全管的 长度短于进气管，插入水面的深度较浅，因此，安全管首先离开水面，从而使倒 燃火焰被水阻隔而无法进入另一侧C j/广「严5""$4・” jT严 SSSS/ShZl /_/-5 555』5出 Jf严亠*严 “A s^i^il jF 严-..K s 5 S』S wT(< 卜SS5 Z y,s ,_r「 严“555小5可 严■vrt>vrSsr^S 严 V^v^j 严s Sss 严 V*vd■ ■" . -. .■ 一 .： ■- „ ”- . 4]^― "V1^ ^*""1t^!1*' 'l^r^ V®1^旦火器!1—罐体；2--进气管；3—安全管;4--水位阀； 5—出气管3 敞开式安全水封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气体类型标准燃烧速率/m • s-1熄灭直径/mm气体类型标准燃烧速率/m • s-1熄灭直径/mm甲烷/空气0.3653.65乙炔/空气1.7670.78丙烷/空气0.4752.66氢气/空气3.3520.86丁烷/空气0.3962.79丙烷/氧气3.9620.38己烷/空气0.3963.05乙炔/氧气11.2770.13乙烯/空气0.7011.90氢气/氧气11.8870.30一般来说，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 =4.53 E °.4°3 (3.1)o mmD=1.54d (3.2)00式中：d0——熄灭间隙，mmE . 最小点火能，mJmmD 0 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一1半，即橙＜ 2 D 0，hm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[3]（1） 进气管内径d = 18.8 gm vin式中 d ——进气管内径， mm；mQ ——可燃气体流量， m3/h;gv ——进气管中气体平均速度， m/sin（2） 安全管内径同心安装：d =（1.4 〜1.5站s out并列安装：d =（0.8 〜1.2站s in式中 d ——安全管内径， mm；sd ——出气管外径， mmout（3） 罐体内径iQD —18.8 gPin vt式中 Dpin罐体内径， mm；v ——t（4） 罐壁厚度敞开型：罐内气体平均流速，m/s封闭型：〔丄〜丄b（180 70 丿pinpD— d pin + C2t © - p rp W d式中 t ——罐壁厚度， mm； ppd罐体设计压力， MPa；罐壁材料许用应力， MPa；© ——焊缝系数，可取 0.7 ；WC ——锈蚀附加量，一般可取 0.5mm r（5） 气室高度 敞开型：h - （1.0 〜3.5）Dg pin封闭型：h - G.l 〜3.8）Dg pin式中 h ——气室高度， mmg（6） 水室高度敞开型：h —（0.45 〜1.30）Dw pin封闭型:h —（1.85 ~ 3.00）Dw pin式中h 水室高度，mmw3.5 使用安全水封注意事项① 使用安全水封阻火器应随时注意水位，不得低于水位计标定位置，但也不 应过高，否则不仅可燃气体难以通过，而且水还有可能随可燃气体一起进入出气 管。
发生火焰倒燃后，应随时检查水位并补足，而且应使安全水封保持垂直位置② 在冬季使用安全水封阻火器时，工作完毕后应把水全部排出、洗净，以免 发生冻结③ 在使用封闭安全水封阻火器时，由于可燃气体中可能带有黏性油质杂质, 使用一段时间后易糊在阀和阀座等处，应经常检查逆止阀的气密性4 敞开式安全水封型阻火器的设计设计要求：d = 20mm,v = 1.8m/s,进气管厚度为2mm,v = 0.2m/s，设计m in t包括进水管内径、安全管内径、罐体内径、管壁厚度、气室高度、水室高度等1） 进气管内径：d 二 18.8 gm Vin其中 d = 20mm, v = 1.8m/s,,因此 Q = 2.037m3 /h ；m in g（2） 安全管内径：因为进气管内径d = 20mm，厚度为2mm，所以进气管外径d = 24mm ；m in又因为进气管与安全管并列安装，因此根据d =（0.8 ~ 1.2站s in=（0.8 ~1.2）24=19.2 ~ 28.8mm取 d = 25mm ；s（3） 罐体内径：,'QD -18.8 i匕pin \l V' ti'2 037-18.8 計一 \ 0.2- 60.00mm（4） 罐壁厚度：(1 1 vt — 〜 Dp (180 70 丿 pin(1 1 ) — 〜 60.00(180 70丿—0.30 〜 0.85mm取 t =0.50 mm ； p（5） 气室高度：h - (1.0 〜3.5)Dg pin-(1.0~3.5J50.00- 60.。