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阻火器防爆设计及防爆检验方法探讨

文档作者：张朋，张松，马秋菊，董凯文档来源：南阳防爆电气研究所		点击数：	更新时间： 2021年12月08日
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阻火器防爆设计及防爆检验方法探讨 《电气防爆》2011，3
阻火器防爆设计及防爆检验方法探讨
张朋，张松，马秋菊，董凯
(南阳防爆电气研究所，河南南阳473008)
[关键词]阻火器；阻火(阻爆)原理；爆炸性环境；防爆设计；检验方法
[摘要]本文分析了阻火器的阻火(防爆)原理，通过阻火器使用环境中所存在的爆炸性
危险气体的MESG(最大试验安全间隙)值来确定阻火器的火焰通道长度和间隙。并且基于
MESG理论的阻火器防爆检验原理以及国内外阻火器相关标准对阻火器防爆试验方法进行了
对比。
[中图分类号]TE83 [文献标识码]A [文章编号]1004—9ll8(2011)o3—0O4O一05
Approach on Desi and Test Method Related to Exploaon Protection for A Flame All'ester
ZHANG Peng，ZHANG Song，MA Qiu—jU，D0NG Kai
(Nanyang Explosion Protected E~ctricd Apparatus Research Insitute，ttenan Nanyang 473008)
Key words：flame aft'ester；fire retardant(against explosion) nciCe；=plosive environments；explosion protection
design；testing method
Al~ract：Based on the ana／yses for the principle ofa flame afester，it gives the fundamental thought in design ofa
flam e arrester，thatis，theflame passagelength and gap 0fthe attester eaR be determined bythemax exerimental safety gap
0fthe gases present in the baT~rdous environment where it is in service．Furthermore，it also analysis the testing principle on
the flame attester based on the麟theory．makes eomparson between the test procedures for the flame attesters in rele—
vant standards both here and abroad．
0 引言 1 阻火器原理及分类
阻火器作为阻止可燃性气体发生燃烧或者爆
炸后继续传播的安全装置，在化工、矿山、煤矿、水
运等行业中被大量采用。阻火器的应用范围很
广，例如：
输送易燃可燃气体的管道；
储存石油及石油产品的油罐；
有爆炸危险系统的通风管口；
油气回收系统；
内燃机进排气系统；
火炬系统。
阻火器的种类很多，防爆阻火器是其中之一。
本文提出一些对阻火器防爆设计及防爆检验的看
法。
I．1 阻火器原理
阻火器是由能够通过气体的许多细小、均匀
或不均匀的通道或孔隙的固体材质所组成。火焰
进入阻火器后，被分成许多细小的火焰流而被熄
灭。火焰能够被熄灭的机理是传热作用和器壁效
应。
(1)传热作用
火焰进入阻火器后被分成许多细小的火焰
流。由于通道或空隙的传热面积很大，火焰通过
通道壁进行热交换后，温度下降，到一定程度时火
焰即被熄灭。根据英国罗卜尔(M．Roper)对波纹
型阻火器进行的试验表明，当把阻火器材料的导
热性提高460倍时，其熄灭直径(即火焰熄灭的通
[收稿日期]2011—07—15
[作者简介]张朋，男，1982年生，2004年毕业于河南科技大学，现主要从事防爆电气设计工作。
《电气防爆》2011，3 阻火器防爆设计及防爆检验方法探讨 41
道直径)仅改变2．6％。这说明材质问题是次要
的，也就是说传热作用是熄灭火焰的一种原因，但
不是主要的原因。
(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(热能、辐射能、电能、化学反应能等)的激
发下，使分子键受到破坏，产生活性分子。这些具
备反应能力的活性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。自由基与其
它分子相撞，生成新的产物，同时也产生新的自由
基再继续与其它分子发生反应。易燃混合气体自
行燃烧爆炸的条件是：新产生的自由基数等于或
大于消失的自由基数。随着阻火器通道尺寸的减
小，自由基与反应分子之间碰撞的几率随之减少，
而自由基与通道壁的碰撞几率反而增加，这样就
促使自由基反应降低。当通道尺寸减小到某一数
值时，这种器壁效应就造成了火焰不能继续进行
的条件，火焰即被阻止。由此可知，器壁效应是阻
火器阻止火焰传播的主要机理。
1．2 阻火器分类
阻火器按照应用类型可分为：
(1)阻爆轰型阻火器：用于阻止火焰以音速或
超音速通过。
(2)阻爆燃型阻火器：用于阻止火焰以亚音速
通过。
(3)耐烧型阻火器：用于阻止可燃气体的燃烧
火焰通过，并能够承受一定时间的火焰燃烧高温。
(4)特殊用途阻火器：用于有特殊要求的设备
上。
按结构形式可分为：
(1)金属网型阻火器。
(2)波纹型阻火器。
(3)泡沫金属阻火器。
(4)平行板型阻火器。
(5)多孔板型阻火器。
(6)充填型阻火器。
(7)液封型阻火器。
2 阻火器的防爆设计及理论依据
阻火器主要分为外壳与阻火元件两部分。参
考文献[4l及参考文献[5]均规定，阻火器的外壳
及其与阻火元件的连接部分应符合参考文献[2]
的规定(注：参考文献[5]的规定是应符合
GB l336—77，该标准随后被GB 3836．2—83替代，
随后又被参考文献[2]替代)，其中阻火元件是阻
火器的核心部件。本文主要探讨有关阻火元件的
设计。
从阻火器防止火焰传播的原理可以知道，阻
火器的防爆设计应该主要基于其器壁效应，并同
时考虑材质的机械强度和耐腐蚀等性能。
根据器壁效应，当通道窄到一定程度时，自由
基与器壁的碰撞占主导地位，自由基大量减少，燃
烧反应不能继续进行。对于通道的安全间隙值，
在GB 3836．11中规定：一定条件下(20℃、105
胁)，在标准试验容器内，所有浓度的被试气体
或蒸气空气的混合物点燃后，通过25 mill长的接
合面均不能点燃容器外爆炸性气体混合物的容器
外壳空腔两部分之间的最大间隙定义为最大试验
安全间隙(MESG)。
不同的可燃气体或蒸气具有不同燃烧或爆炸
特性，所以具有不同MESG值。需要指出的是，某
一气体的MF_SG值是确定的，它是该种气体与空
气混合后，在最易传爆混合物浓度时测得的最大
试验安全间隙。根据MF_SG值的测试方法可知，
针对某一气体在某一浓度时有一个传爆率为0％
的最大不传爆间隙go和一个传爆率为100％的最
小传爆间隙gl。。。改变气体混合物浓度，在其所有
浓度范围内测得一组go值，其中的最小值(助)
即为该气体的MESG值，该值对应的混合物浓度
即为这种气体的最易传爆混合物浓度，此时其传
爆能力最强。
但在最易传爆混合物浓度之外的其它浓度时
测得的go值，以及在非标准容器或非标准长度
(25 mm)通道上测得的go值，在许多文献上也将
其称为各对应浓度时的最大试验安全间隙
(MESG)，但是按照GB 3836．11或ⅢC 79一lA的
规定，这种说法是不准确的。在本文中我们不妨
沿用，但为方便读者理解，将在使用非标准意义
MESG时加下划线以示区别。
国际电工协会(IEC)按照各种气体或蒸气的
MESG值将其分为4个等级。如表l所示。
其中，目前有据可查的ⅡC级可燃气体或蒸
42 阻火器防爆设计及防爆检验方法探讨 《电气防爆》2011，3
气种类较少，只有以下5种，如表2所示。
表1 可燃气体或蒸气MESG分级表
可燃气体或蒸气分级 MESG值／mm
I(CH4) MESG=1．14
ⅡA MESG~>0．9
ⅡB 0．9>MESG~>0．5
ⅡC MESG≤O．5
表2 1IC级可燃气体或蒸气
可燃气体或蒸气名称 分子式 MESG值／mm
氢 H2 O．29
乙炔 H2 O．37
二硫化碳 CS2 0．34
二乙基二氯硅烷 ( )2SIC12 O．45
硝酸乙酯 HeONO2
这样，在设计阻火器时，应根据阻火器的使用
环境，确定阻火器的通道长度及间隙值。其值必
须满足预计使用的危险场所内存在的最危险
(MESG值最小)的可燃气体或蒸气的安全要求，
例如：
(1)阻火器预计使用在某一特定的可燃气体
或蒸气环境，如乙炔，通道长度设计为25 inln，则
其通道间隙必须小于0．37 lnnl。
(2)阻火器预计使用在ⅡB级可燃气体或蒸
气环境，通道长度设计为25 mm，则其通道间隙必
须小于0．5 ITlno
(3)阻火器预计使用在Ⅱc级可燃气体或蒸
气环境，通道长度设计为25 mm，则其通道间隙必
须小于0．29mln。
在设计过程中，需根据制造工艺、加工精度等
因素，以及相关国家标准的检验要求，在设计时留
有一定的安全裕量，例如采用适当增加通道长度
或者减小间隙值的方法或者综合采用。
在实际应用中，通常需要考虑阻火器应用管
路中对流阻的要求，因为工业上期望使用低流阻
且可以安全阻火的产品。间隙越小阻火性能就越
好，但是流体通过阻力却越大。所以在设计安全
裕量时，不能过分采用减小间隙值的做法。当减
小间隙值对管道流阻影响较大时，即需要增加通
道长度，在保证阻火性能的前提下，间隙值不减小
甚至可以加大。
根据参考文献[9]，可燃气体或蒸气混合物的
MESG值随着试验外壳法兰宽度(即通道长度)的
减小而减小，直至某个最小值，但不等于零；随着
试验外壳法兰宽的的增加而增加，直至混合物的
的临界熄焰距离。在试验外壳法兰宽度小于
10 mrll的情况下，随着法兰宽度的增加，MESG值
增加的很快；当试验外壳法兰宽度大于30 mill时，
MESG值增加的比较缓慢，尤其是氢气。由此可
知，增加通道长度对于增加阻火器的安全程度并
不是一直有效的，设计人员应综合考虑MESG、流
阻等情况后确定阻火器的通道长度和间隙。
上述理论是阻火器的设计依据，而相关国家标
准中对阻火器的检验方法也是基于上述理论。这
些理论只能作为波纹型阻火器和平行板型阻火器
的设计依据。对于金属网型等其它结构形式的阻
火器，由于其通道长度和间隙值的不确定性，无法
参照这些理论得出通道长度和间隙值进行设计，但
是同样适用于基于这些理论得出的检验方法。
3 阻火器防爆检验方法
目前国内应用于煤炭行业的阻火器，主要依
据AQ 1074-2009(煤矿瓦斯输送管道干式阻火器
通用技术条件》等行业标准制造检验；应用于石油
及化工行业的阻火器，主要是依据GB 13347和
GB 5908制造并检验；另有应用于内燃机进排气系
统的阻火器，其制造检验标准是GB 20800．1。另
外，由于GB 20800修改采用EN 1834，二者试验方
法有所不同。
阻火器有关防爆性能方面的试验主要是：
(1)外壳强度试验：检验阻火器的外壳承压能
力，即在阻火器外壳上制造或模拟可能出现的最
大压力并施加一定的安全系数，以此证明阻火器
外壳可以承受该压力。
(2)内部点燃的不传爆试验：检验阻火器的阻
爆性能，即在阻火器前端的封闭系统中制造一次
可能出现的最严重的爆炸，并以此证明，在这些条
件下阻火器的隔爆外壳能承受住爆炸，且爆炸不
会通过相关部件和阻火器传到周围环境中。
3．1 外壳强度试验
表3是上述标准针对阻火器外壳强度的试验
方法的对比。
《电气防爆》2011，3 阻火器防爆设计及防爆检验方法探讨 43
表3 外壳强度试验方法对比
标准 试验压力 试验时间 判定方法 备注
DN300AQ1074 以下(含)：2．5 MPa；
DN300以上：2．0 MPa 5 rain 无裂痕或永久性变形
设计压力一般为
GB13347 1．5倍设计压力 不小于10min 无渗漏 0．6 MPa、1．6加Pa、2．5
MPa三个等级。
GB5908 O 无渗漏、裂痕或永久
．9胁 5 min 变形
等同采用EN1834；a为
静压法：进气阻火器，1．5 nP，最大1．5 1min以上 无渗漏，无可见变形 压力比，P为爆炸性气
Ⅷ ，8；排气阻火器，1．5 P，最大1．0 MPa； 体混合物的最大试验测
GB2O80o．1 定压力
动压法 修改采用 EN 1834；该检
：在1．5倍大气压下通人规定的 无裂痕或永久变形 验方法与GB 3836
爆炸性气体混合物并点燃 致 ．2一
；
静压法：同GB20800．1
EN1834 动压法 该试验方法引用自
：试验方法同GB 208O0．1，但增加限制：压力最小值0．35 MPa EN 5oo18
：1994
从上表可以看出，AQ 1074、GB 13347和GB
5908较多的考虑了阻火器外壳的使用压力(如连
接石油管道后的输油压力)，而EN 1834和GB
20800．I更多考虑的是爆炸性气体混合物的爆炸
压力。所以从防爆安全角度来讲，个人认为GB
20800．1和EN 1834的试验方法比较科学。但是
其余标准中，除GB 13347在设计压力为O．6 MPa
时以及GB 5908规定的阻火器，试验压力有可能
小于GB 20800和EN 1834外(但是试验时间较长，
所以其安全系数并不低)，其它试验均比GB
20800．1和EN 1834 严酷的多。所以EN 1834 和
GB 20800．1的防爆安全性能应是合格的。
3．2 内部点燃的不传爆试验
AQ1074、GB 13347、GB 5908中的阻火试验以
及EN 1834、GB 20800．1中的内部点燃不传爆试
验，其试验检测目的不同，前者检测是否有火焰传
出或外部气体被点燃，主要要求阻火性能；后者检
测是否有火焰传出并引爆外部爆炸性气体，主要
要求阻火和防爆性能(内部不传爆)。但其理论基
础均是前文所述的MESG理论。所以可以对有关
标准中的试验方法加以对比。
(1)试验装置对比
GB 13347和GB 5908中阻火试验的试验装置
如图1所示。
阻火试验方法：阻火器两端均联接管道形成
封闭空腔，充以规定的爆炸性气体混合物。在其
中一端用电火花(A)点燃爆炸性气体混合物，点
火之前打开另一端的出气阀门(E)，用火焰探测
器检测这一端是否有火焰传出或气体被点燃。
E ．．．-一 C
．
L 臣
． 牛． 一 ．．H．
I ／ ／ ¨ l I y ，- ／
A一电火花引爆器；B．-．配气系统；C-测量系统；D__真
空阀；E-出气阀门；F一点火电极；G-引爆管嵌；H-火
焰加速管段；卜-传感器；卜被测试阻火器；K_火焰探
测器；L_观察管段
图1 阻火器阻火试验装置示意图
EN 1834及GB 20800．1中的内部点燃不传爆
试验是针对往复式内燃机用阻火器的，其它用途
的阻火器可据情参考借用。
(2)试验方法对比
表4是有关阻火器标准对阻火及内部点燃不
传爆试验方法的对比。
另外，在SH／3413-1999(<石油化工石油气管道 器的检验方法和GB="器的检验方法和GB" GB="GB" 阻火器防爆设计及防爆检验方法探讨="阻火器防爆设计及防爆检验方法探讨" 表4="表4" 标准="标准" 试验气体混合物及其="试验气体混合物及其" 试验次数="试验次数" 安全系数="安全系数" 备注="备注" AQ1074="AQ1074" cn4="cn4" 理论当量比="理论当量比" _x005F_x0031_3次="13次" _x005F_x0031_="1" MEsG="1．1411"1111" GB5g08="GB5g08" HB="HB" O="O" _x005F_x0039_2="92" 阻爆燃型="阻爆燃型" _x005F_x0030_="0" GB1踟="GB1踟" 阻爆轰型="阻爆轰型"></石油化工石油气管道>

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