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2018届 管道阻火器 课程设计


中北大学
课程设计说明书

学生姓名: 学 院 : 专 业 : 题 目 :

学号: 环境与安全工程学院 安全工程

1404

乙烯/空气混合气体管道波纹阻火器设计

指导教师:职称:讲师

2018 年 1 月 14 日

2018 届安全工程专业课程设计

目录
1 概论.............................................................. 1 2 机械阻火器........................................................ 2 2.1 阻火器的工作原理 ............................................ 2 2.2 阻火器的种类 ................................................ 4 2.3 阻火器主要应用场所 .......................................... 4 2.4 阻火器特点 .................................................. 5 3 波纹型阻火器(乙烯/空气)设计..................................... 6 3.1 GZW-1 型波纹型阻火器......................................... 6 3.2 波纹型阻火器结构............................................. 8 3.3 阻火器结构设计............................................... 9 3.4 阻火器性能测试.............................................. 15 4 课程设计总结 ..................................................... 16 参考文献........................................................... 17

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1 概论

爆炸阻隔是一种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他设备中去的一种防爆技术措施。 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,隔爆装置主要有工业阻火器、主 动式隔爆装置和被动式隔爆装置等几种类型。工业阻火器又分为机械阻火器、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火焰蔓延;主动式 隔爆装置通过传感器探到的爆炸信号实施制动; 被动式隔爆装置则依靠爆炸波本 身引发制动。本次设计产品为波纹型阻火器(乙烯/空气),为机械阻火器的一 种。阻火器的作用是防止外部火焰窜入存有易燃、易爆物料的设备、管道、容器 内,或者阻止火焰在设备和管道闻蔓延。 乙烯极易发生氧化爆炸,当乙烯气体浓度达到爆炸极限,遇到点火源,便可 发生氧化爆炸。乙烯在空气中爆炸浓度范围大约为 2.74~36.95%(体积)。同时 乙烯爆炸所需点火能很低,约 0.096 mJ。此外乙烯具有分解爆炸特性,其分解过 程不需要助燃剂氧气的参与。 一旦局部气体过热使少量气体分解而波及剩余气体, 短时间内气体急剧膨胀并且放出大量热量,最终导致爆炸发生[1]。故通过高效、 经济的阻火器来阻止乙烯爆炸,或进行爆炸阻隔很有必要。 防火、灭火技术是防火防爆课程的主要研究内容之一,通过本设计,进一步 学习防火、灭火的基本理论知识,掌握各类阻火器的工作原理、规格、用途、效 能以及使用方法。

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2 机械阻火器

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[2]。依照这一原理, 只要将可燃物的温度降到着火点以下,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,火焰通过时立即进行 热交换,温度降低极快。当火焰温度下降到一定温度时火焰便熄灭。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 焰温度尽快降低到着火点以下, 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[2],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
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2018 届安全工程专业课程设计 即被阻止,也即燃烧反应不能通过阻火器继续传播。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 2.1 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 v 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。

D v 火焰区(亮区)

淬熄区(暗区)

l

图 2.1 燃烧火焰淬熄原理模型[2]

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2.2 阻火器的种类
(1)按用途不同分类 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。 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。 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)按阻火器安装位置分类 管端阻火器:安装在管子顶端;管中阻火器:安装在管子中间。 (3)按阻火器用途分类 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 金属网型阻火器、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、复合型阻火器和星型旋转阀阻火 器等。(5)按阻火器使用气体介质分类 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。

2.3 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。

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2.4 阻火器特点
(1)阻火器是用来阻止易燃气体和易燃液体蒸汽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。

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3 波纹型阻火器(乙烯/空气)设计

3.1 GZW-1 型波纹型阻火器 管道阻火器适用于加热炉、裂解炉、燃气锅炉等,因为这些炉子都用可燃气 体作燃料, 由于操作上的失误或泄漏,易于造成输气管道回火而引起工艺装置爆 炸的危险。 为防止回火爆炸应安装加热炉阻火器。它安装在燃气主管和油气输送 管线上,其回火距离(火源至阻火器距离)不大于 10 m。加热炉阻火器应用于 管道上,因此亦属于管道阻火器,它有别于储罐阻火器。

图 3.1 波纹型阻火器实物图
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H

DN D2 D L

图 3.2 波纹型阻火器结构图

GZW-1 型波纹型阻火器零部件材料及外形尺寸如表 3.1 与表 3.2:
表 3.1 零部件材料 参数名称 阀体材料 阻火芯件材料 密封件材料 环境温度 (℃) 公称压力 (MPa) 防爆级别 (BS5501) 详细参数 碳钢 WCB,不锈钢 304、316 不锈钢防爆阻火波纹板 耐油石棉橡胶、四氟 PTFE ≤480 0.6~5.0 ⅡA、ⅡB、ⅡC

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表 3.2 国标法兰连接外形尺寸: GB、JB 规格 DN50 DN80 DN100 DN150 DN200 DN250 DN300 D2 110 150 170 225 280 335 395 D 140 185 205 260 315 370 435 L 220 280 325 425 495 595 655 H 235 270 275 290 305 320 405 N-d 4× 14 4× 18 4× 18 8× 18 8× 18 12× 18 12× 23

安装尺寸(mm)

3.2 波纹型阻火器结构 波纹型阻火器主要由阻火器壳体、阻火层两部分组成。阻火器壳体如下图 3.3 所示:
L

d

L’

L ??

D 壳体 阻火层 图 3.3 阻火器壳体尺寸
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2018 届安全工程专业课程设计 如图 3.4 所示,阻火层芯件核心由两层超薄的不锈钢带制成: 一层钢带被压成波型;另一层为平面钢带。将两种钢带组成间隔围绕其与圆 心轴缠绕而成, 由无数个断面为三角形的直通流道组成。 在芯件内部有一个支架, 用来增强芯件的结合强度,避免芯件在阻燃过程中被介质产生的爆炸压力冲散。

图 3.4 阻火层芯件结构

3.3 阻火器结构设计 (1)气体熄灭直径和孔网直径 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,由于乙烯气体是不饱和烃,具 有不同于普通易燃气体的特性,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如表 3.3:
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表 3.3 常态下气体燃烧速率及熄火直径数据[3] 气体类型 甲烷/空气 丙烷/空气 丁烷/空气 己烷/空气 乙烯/空气 乙炔/空气 氢气/空气 丙烷/氧气 乙炔/氧气 氢气/氧气 标准燃烧速率/m· s-1 0.365 0.475 0.396 0.396 0.701 1.767 3.352 3.962 11.277 11.887 熄灭直径/mm 3.65 2.66 2.79 3.05 1.90 0.78 0.86 0.38 0.13 0.30

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,但由于剥燃火 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:

0.403 0 = 4.53 (3.1)

0 = 1.540 (3.2) 式中:d0 ——熄灭间隙,mm; Emin——最小点火能,mJ; D0 ——熄灭直径,mm。

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表 3.4 典型气体-空气混合物最小点火能[3] 典型气体名称 二硫化碳 乙炔 氢 乙烯 乙醚 苯 最小点火能/mJ 0.009 0.019 0.019 0.096 0.19 0.20 典型气体名称 戊烷 丁烷 乙烷 丙烷 甲烷 丙烯 最小点火能/mJ 0.24 0.25 0.25 0.26 0.28 0.28

由表 3.4 可知乙炔最小点火能为 0.096 mJ。
0.403 0 = 4.53 0.0960.403 mm=1.762 mm =4.53×

0 = 1.540 =1.54× 1.762 mm=2.713 mm 实验表明, 对于波纹型和金属型阻火器和阻火层,其波纹高度和孔网直径一 般不超过熄灭直径一半,即: ? ≤
0 2

(3.3)

式中--? 为波纹(形状为等腰或等边三角形)高度或孔网直径,mm 由该式可得 hm=1.357 mm

(2)阻火层厚度 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 靠近阻火器点火三种情形。 无论何种点火方式,阻火器内火焰传播速度均取决于 可燃气体的性质和点火与阻火器之间的距离 (即点火距离) 。 由表 3.5 可以看出, 在相同点火距离下, 不同性质气体火焰传播速度并不相同;同一种气体火焰传播 速度随点火距离的增大而迅速提高,当点火距离达到 10 m 时,火焰传播速度已 达到爆轰速度(2133 m/s)。因此,为降低火焰传播速度,应尽可能缩短点火距 离。一般来说,点火距离不超过 10 m,在某种特殊情况下需超过 10 m 时,管道和 阻火器应能承受 5.5 MPa 以上压力,并设有泄爆孔。火焰传播速度与点火距离关 系如表 3.5:
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表 3.5 火焰传播速度与点火距离的关系[4] 火焰传播速度/m· s-1 气体名称 丙烷/空气 乙烯/空气 氢气/空气 点火距离/m 0.304 4.8 30 — 1.500 70.0 70 — 3.00 100.0 152 2133 10.000 100.0 2133 2133

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: = 0.38 2 (3.4)




式中:vm——阻火器能阻止火焰传播的最大速度,m/s; 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; dm——阻火层孔眼直径,cm。 上式用于三角形孔眼的波纹型阻火层,dm 表示水力直径。 关于阻火层厚度与最大火焰速度关系如图 3.5 所示:
火焰速度/m· s-1 300 a=0.8 240 d=0.76 mm 180 d=1.00 mm

120 d=1.27 mm 60

0

25

50

75 阻火器厚度/mm

图 3.5 阻火层厚度与最大火焰速度关系[5]
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2018 届安全工程专业课程设计 ① 有效面积比 a 的确定: dm 值不得超过熄灭直径的 50%。 又由于 d=1.27 远小于熄灭直径 D0=2.713 mm。波纹型阻火器阻火层的厚度 最小为 13 mm,所以取 a=0.8。 ② 阻火层厚度 y 的计算: 又几何知识可知? =
4

式中 Str、Ptr——分别为三角形孔眼的面积及周长,cm2,cm。 本次设计阻火层波纹为等边三角形,其边长: = 又知 = 2 ? =
2 1 3 3 2 ?

hm hm =2 3 0 cos 30 3 = 3 = 2 3?

,

则可得 = 3 ? =0.905 mm=0.0905 cm 由表 3.5,取乙烯/空气火焰传播速度 152 m/s。 根据式(3.4),得: = 0.38 2 ? 152=0.38 0.0905 2 ? y =4.095125 cm=40.95 mm




0.8

为有一定的安全裕量,这里取 y=41 mm (3)壳体材质 阻火器必须满足耐腐蚀、耐高温、高强度等要求。其壳体可采用铸铁、铸 铝、铸钢等材料来制造;在阻火器内部或其他设备组装时,不得使用动物皮革或 植物纤维垫片。由表 3.6 可知,合金结构钢 Cr40 满足要求。
表 3.6 常用材料力学性能[6] 材料名称 低碳钢 合金结构钢 铸钢 灰铸铁 铝合金 牌号 Q235 40Cr ZG230-450 HT100 2A12 275
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σs(MPa) 235 785 230

σb(MPa) 375 980 450 100 420

δ(%) 25 5 22

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2018 届安全工程专业课程设计 (4)壳体尺寸 ①壳体厚度 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 0.9 MPa 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 1 min 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: = 2.3 式中:SB——阻火器壳体厚度,m; D ——壳体中腔最大内径,cm; ——材料允许拉应力,MPa; p ——设计压力,一般可取公称压力,MPa; C ——附加裕量,cm。 设计要求壳体直径 D 为 80 mm。由表 3.6 知,合金结构钢(型号 40Cr)的 抗拉强度 σb=980 MPa,根据相关理论知识: 令 D=8.0 cm , =980 MPa ,p=5.0 MPa[7], SB= = 2.3




?

+ (3.5)

= ?

5.0× 8.0?2 2.3×980 ?5.0

? SB=0.0177 m=1.77 cm

为安全起见留有一定的裕量,这里令 SB=2.0 cm ,则有附加裕量 C=2.0-1.77=0.23 cm ②阻火层距离阻火器壳体前后端长度 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 则可得 L’+L”=L-2SB-y=130-2× 20-41=49 mm 可以取 L’ =24 mm ,L”=25 mm;则满足上述条件。

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2018 届安全工程专业课程设计 3.4 阻火器性能测试 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。

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4 课程设计总结

通过以上的计算、设计等相关步骤,可以设计出一个形状为圆柱形壳体、材 料为合金结构钢 Cr40 的乙烯/空气混合气体管道波纹阻火器设计。壳体的管道公 称直径为 20 mm, 壳体直径为 80 mm, 壳体总长为 130 mm, 壳体厚度为 20 mm, 阻火层厚度为 41 mm,阻火层距离阻火器壳体前端长度为 24 mm,阻火层距离 阻火器壳体后端长度为 25 mm。

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参考文献

[1] 王 海 福 , 冯 顺 山 . 防 爆 学 原 理 [M]. 北 京 : 北 京 理 工 大 学 出 版 社 , 2004: 119-121. [2] 胡双启, 张景林. 燃烧与爆炸[M]. 北京: 兵器工业出版社, 1992. [3] 王凤英, 刘天生. 防火防爆技术[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2007. [4] 宋占兵. 预混火焰在狭缝中的传播机理与熄灭条件的研究[D]. 大连: 大连理 工大学, 2005. [5] 孙少辰 , 毕明树 , 刘刚等 . 阻火器性能测试方法试验性研究 [J]. 化工学报 , 2014, 65(Sl1): 441 450. [6] 吴宗泽, 罗圣国. 机械设计课程设计手册[M]. 北京: 高等教育出版社, 2012. [7] 徐鹏. 简明工程力学[M]. 北京: 电子工业出版社, 2010.

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