管道阻火器性能测试方法研究

孙少辰，刘 刚，孙大超，龙海涛，李绍利

（1.沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110179；
2.江苏复森特种阀门有限公司，江苏 盐城 224052）

管道阻火器是可燃油气输送管线及生产装置的重要安全部件，对外界明火引发的爆炸后火焰向整个管网的传播起到阻断作用，一旦失效就可能发生爆炸事故并造成大量人员伤亡和严重经济损失[1]。国内对于管道阻火器的研究起步较晚，测试技术体系不完善、不配套，在相关标准性能要求、测试方法及产品标准等方面总体落后于日本、美国、德国等工业发达国家，不能满足日益增长的能源安全使用要求[2-9]。

文中结合国内管道阻火器测试标准规范与产品性能测试试验数据，对管道阻火器型式试验涉及的阻火单元结构尺寸、爆轰阻火器遭遇爆燃情况、非稳定爆轰与稳定爆轰过程进行理论分析和试验测试数据分析，提出今后需要改进和完善的性能测试项目。

国内管道阻火器的标准及法规主要有GB/T 13347—2010 《石油气体管道阻火器》[10]、SH/T 3413—2019《石油化工石油气管道阻火器选用、检验及验收标准》[11]、TSG D7002—2006 《压力管道元件型式试验规则》[12]。

GB/T 13347—2010由公安部天津消防研究所、中国科技大学等单位起草，规定了石油气体管道阻火器的术语和定义、型号编制、分类、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和储存、产品合格证及使用说明书编写要求等。该标准适用对象为安装在石油气体管道上的干式阻火器。其他阻火器产品也可参照采用。

SH/T 3413—2019由中国石化工程建设有限公司主编。该标准适用于ⅡA1～ⅡC级爆炸性气体混合物的输送系统、气体回收系统和气体放空系统的阻火器选用、检验及验收。

TSG D7002—2006由原国家质量监督检验检疫总局颁布。阻火器型式试验是验证阻火器是否满足安全技术要求而进行的技术文件审查、样品检验测试和安全性能试验。管道阻火器是该规则包含的型式试验试验对象之一。

在GB/T 13347—2010出台前，国内没有对阻火器进行分级、分项试验。GB/T 13347—2010中的MESG分级、试验气体、实验装置设计和测试方法等内容基本上是参照EN 12874—2001“Performance Requirements,Test Methods and Limits for Use”[13]编写的。

这是我国阻火器检测的一大进步。

上述标准和法规规定的管道阻火器性能测试项目包括外观质量和几何尺寸、强度测试、密封测试、盐雾腐蚀测试、压降-流量测试以及阻火性能测试。

在管道阻火器的实际应用中发现[7，14]，通过型式试验检测的合格管道阻火器产品还是会发生阻火失效甚至导致爆炸，这一现象说明火焰在管道阻火器系统内传播时会受到多种因素的影响，现有标准规范规定还没有完全充分考虑到这些因素，需要通过理论与试验研究进行改进、完善与补充。

2.1 阻火单元结构尺寸检验

管道阻火器主要由阻火单元、外壳、阻火单元压环或支撑杆、法兰及垫片等部分组成（图1）。管道阻火器主要利用淬熄效应[14]阻火，其阻火原理为，当火焰、热气体快速穿过阻火器时，通过阻火单元的孔壁向外释放热量，使火焰、热气体在完全穿过阻火器之前得到充分冷却，从而防止易燃气体和易燃液体蒸发气体的火焰蔓延。其阻火单元对阻火器阻火性能起决定性作用。

图1 管道阻火器结构示图

目前市场上应用最广泛的是金属波纹板型阻火单元，金属波纹板型阻火单元又以爆轰型阻火器最为常见。波纹板型阻火器的阻火单元关键技术参数主要有波纹钢带和直钢带厚度、波纹高度、孔隙角度及阻火单元厚度等。而在国内标准只考核了阻火器外观质量，但波纹高度、阻火单元厚度等阻火器结构参数值对管道内的火焰传播速度和爆炸压力有很大的影响，进而会影响阻火器的阻火性能，因此有必要开展阻火单元的结构尺寸检验，为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。

2.2 爆轰阻火器遭遇爆燃情况

可燃气体发生爆燃时，爆燃速率受反应区（火焰前锋面）未燃物的热量和反应组分扩散控制，爆炸前锋面以亚音速在未燃烧气体中传播，传播机理是传热效应，燃烧反应强烈依赖于能量释放区域中的热量和质量扩散。爆轰现象由冲击波相关的压力和温度引发燃烧，在反应物中以超音速传播，传播归因于压缩效应（通过冲击压缩性加热传播前锋面前面的未反应气体），其产生的高压通常远比爆燃更具破坏性。

使用阻爆轰型阻火器并不意味着它总是遭遇爆轰情况。当管路中的可燃气体浓度降低时或者管路中存在泄漏点时，火焰传播点到阻火器安装位置的距离会被缩短，这种情况下阻爆轰阻火器遭遇的可能是爆燃现象，往往会使阻火器失效，尤其是在阻火器保护侧的管路较短的情况 （直接与设备相连接）、或者保护端局部关闭阀门或接头的情况下（图2）。

图2 阻爆轰型阻火器遭遇火焰爆燃时的管路特征示图

这是因为当产生爆燃现象时，爆燃中的压力波先于火焰锋面传播，如果保护侧管路较短，在火焰锋面到达阻爆轰型阻火器之前，前驱压力波聚集在阻火器保护侧会产生背压，从而导致气体在更高的压力（高于初始压力）下燃烧。在这种情况下，火焰将穿过阻爆轰型阻火器，使其失效。

目前，在国内的测试标准中，对于阻爆轰型阻火器并不进行阻爆燃试验，这无形中加大了阻爆轰型阻火器失效的概率，因此有必要在阻爆轰试验后再考核阻爆燃试验，保证爆轰阻火器使用的安全性。

2.3 非稳定爆轰与稳定爆轰过程

气体从爆燃过程向爆轰过程的转变过程 （简称DDT过程）称为超压爆轰或过压爆轰，可理解为非稳定爆轰过程。随着时间的推进，非稳定爆轰过程很快就被产物区的稀疏波削弱，达到稳定传播，形成稳定爆轰传播过程。因此，火焰在管道内传播时，传播规律是由爆燃经过非稳定爆轰再至稳定爆轰。

对应地，阻爆轰管道阻火器也可以分为非稳定阻爆轰阻火器和稳定阻爆轰阻火器。在管道阻火器的实际应用中，由于介质复杂、弯头和限流装置较多（图3），或者可燃物质泄漏（如管道小孔泄漏或者大面积泄漏等）、L/D（管道长径比）值无法确定在稳定爆轰区间、管径尺寸变小（图4）等因素的影响而很难预测稳定爆轰的区间时，就必须选择安装非稳定阻爆轰阻火器。

图3 不适合安装稳定阻爆轰阻火器的多弯头和限流装置工况

图4 不适合安装稳定阻爆轰阻火器的管径尺寸变小工况

非稳定阻爆轰阻火器适用于管道布置复杂情况下的阻火安全防护，旨在防止管道中气体或蒸汽爆炸在不稳定爆轰、稳定爆轰和爆燃条件下的继续传播。

为了考察非稳定阻爆轰阻火器的火焰速度与爆炸压力，采用江苏复森特种阀门有限公司生产的4台非稳定阻爆轰阻火器 （直径分别为50 mm、100 mm、200 mm、300 mm）和 1 台直径200 mm 的稳定阻爆轰阻火器进行对比试验，试验介质为丙烷-空气预混气体，测试数据见表1～表5。阻火情况分为阻火成功或阻火失效两种，试验表明，稳定阻爆轰阻火器安装在非稳定阻爆轰的测试环境下均阻火失效。

表1 D=50 mm非稳定阻爆轰阻火器测试结果

表2 D=100 mm非稳定阻爆轰阻火器测试结果

表3 D=200 mm非稳定阻爆轰阻火器测试结果

表4 D=300 mm非稳定阻爆轰阻火器测试结果

表5 D=200 mm稳定阻爆轰阻火器测试结果

表1中，阻火器未保护侧管道长度为5.2 m，阻火器保护侧管道长度为3.0 m。表2中，阻火器未受保护侧管道长度为10.2 m，阻火器保护侧管道长度为3.0 m。表3中，阻火器未受保护侧管道长度为19.8 m、18.5 m，阻火器保护侧管道长度为3.0 m。表4中，阻火器未受保护侧管道长度为29.7 m，阻火器保护侧管道长度为3.0 m。表5中，阻火器未受保护侧管道长度为40 m，阻火器保护侧管道长度为3.0 m。

对比表1～表4的检测数据可以看出，非稳定爆轰的爆炸最高压力11.94 MPa和最快火焰传播速度3 704 m/s均出现在直径200 mm的非稳定阻爆轰管道阻火器产品测试中。相比表5中稳定阻爆轰阻火器测试数据 （最高压力6.75 MPa、最快火焰传播速度2 284 m/s），非稳定阻爆轰阻火器的阻火速度和压力都远高于稳定阻爆轰阻火器。由此可以判断，在非稳定爆轰的环境安装使用稳定爆轰阻火器，阻火器很可能会发生失效。试验结果表明，非稳定爆轰阻火器一定可以阻止稳定爆轰火焰，但是稳定爆轰阻火器均不能够阻止非稳定爆轰火焰传播，两者差别巨大。而在国内的标准中，阻爆轰测试并未对非稳定情况和稳定情况区分对待，因此开展非稳定阻爆轰的测试是十分必要的。

管道阻火器检测技术在国际上属于垄断技术和不断发展的技术领域，工业发达国家已建立了相对完整的理论体系和技术规范，国内跟踪该技术领域已达三十多年。近些年，化工和石化行业快速发展，极大促进了管道阻火器在国内的技术自主研发和工业应用。工业应用中出现的阻火失效爆炸事故，暴露了国内阻爆技术基础研究的不足，开展阻火器测试关键技术的研究是当务之急。文中通过探讨，认为管道阻火器性能测试内容应包括外观质量和几何尺寸、强度测试、密封测试、盐雾腐蚀测试、压降-流量测试及阻火性能测试。其中，几何尺寸应包括阻火单元尺寸检验，包括波纹钢带和直钢带厚度、波纹高度、孔隙角度、阻火单元厚度等。阻火性能测试应包括阻爆燃测试、稳定阻爆轰测试（在阻爆轰测试后进行阻爆燃测试）和非稳定阻爆轰测试 （在阻爆轰测试后进行阻爆燃测试）。