无火焰泄放装置性能检测技术研究*

刘柏清，王 彦，王继业

(1.广州特种机电设备检测研究院，广东 广州 510180；2.国家防爆设备质量监督检验中心(广东)，广东 广州 510760)

0 引言

随着现代工业生产工艺的高集成化、高精密化、高能效化，工业介质发生爆炸的危险性与危害性越来越突出。工业介质爆炸灾害给人类社会带来严重后果，其造成的社会效应甚至超过事故灾害本身[1-3]。据统计资料显示，爆炸造成的损失是包括火灾在内的所有其他原因造成损失的4倍[4]。通常，只要工业介质能够燃烧，那么在适当的条件下就能发生爆炸。在高科技越来越密集、经济规模越来越大的今天，任何处置、存放或加工易燃气体、液体或固体的设施和工艺都存在潜在爆炸的风险。其中粉尘爆炸发生频率高且破坏力强，爆炸粉尘往往让人出乎意料。如金属粉、纤维板、墨粉、塑料、树脂、饲料、巧克力、面粉、纸张和淀粉均有可能成为爆炸风险的粉尘。无火焰泄放装置是1种防护性技术措施，即通过控制爆炸破坏力形成，以减轻或避免爆炸事故发生造成的灾害程度[5-7]。与单一泄爆片相比，无火焰泄放装置不仅能够降低围包体内压力，还能熄灭高温火焰及燃烧产物，深受国内外各个加工行业的欢迎[8-9]。然而，我国无火焰泄放装置检测技术尚无相关标准，且无火焰泄放装置检测技术相关研究起步较晚，导致国内无火焰泄放装置设计不合理或在实际应用中使用方式不当的情况发生。

本文针对扇形无火焰泄放装置进行爆炸泄放实验，通过压力传感器、温度传感器、高速摄像机等获取的数据，旨在探讨无火焰泄放装置产品质量特性和应用技术，研究结果对企业的安全生产、减少事故损失具有重要价值和意义，并可为建立无火焰泄放检测技术的国家标准提供参考依据。

1 无火焰泄放装置工作原理

工业生产中，无火焰泄放装置主要应用于粉尘的爆炸泄放[9-10]，其原理如图1所示。无火焰泄放装置包括爆炸泄压装置、阻火元件和框架壳体3部分，可以实现无火焰蔓延和粉尘扩散的泄爆效果[11-12]。正常运行时，无火焰泄放装置内部的泄爆片处于关闭状态；发生粉尘爆炸时，爆炸超压作用在泄爆片上，致使泄爆片开启，火焰与燃烧过的、未燃烧过的粉尘进入阻火元件。当火焰通过阻火元件时对其进行热交换，迅速将高温火焰冷却，出口处只泄放压力和烟气，保证火焰不被传播避免造成二次或多次爆炸而引起的巨大损失，爆炸压力从阻火元件中释放，降低爆炸产生的压力波及噪音。无火焰泄放装置具有安装简便和有效阻止火焰的特点。常见的无火焰泄放装置按其结构型式分为扇型、板型和桶型[8,13-14]。扇形无火焰泄放装置具有对围包体尺寸利用率高、安全作业区域大、成本低等优点，成为我国工业生产中最常见的粉尘爆炸泄放装置。相比较于扇形无火焰泄放装置，桶形无火焰泄放装置具有更大的泄压面积和更高的泄放效率，但对围包体尺寸利用率较低，安全作业区域较小，而板形无火焰泄放装置具有可重复使用的优点，但制造工艺要求较高，应用条件要求较高，导致目前我国企业使用并不广泛。基于此，选取扇形无火焰泄放装置作为本文研究对象更具典型性和代表性。

图1 扇形无火焰泄放装置原理示意

2 测试样品及装置

2.1 测试用粉尘

在检测实验开始前，需测定玉米淀粉粉尘的粒径分布情况。经马尔文智能激光粒度测试仪测得的玉米淀粉粉尘粒径分布如图2所示。由图2可知本测试使用的玉米淀粉粉尘粒径大体呈正态分布，粒径分布区间为5～50 μm，粒径分布相对集中。粒径最集中于12.7～18.7 μm的粉尘，所占体积百分比大约为32.06%。其中，样品的中位粒径为15.6 μm，体积平均粒径D[4,3]为16.8 μm，表面积平均粒径D[3,2]为14.3 μm。

图2 玉米淀粉粉尘粒径分布

2.2 测试装置

本检测实验用已测定的玉米淀粉作为爆炸粉尘，利用化学点火方式模拟点火源触发爆炸，在1 m3爆炸罐内形成粉尘爆炸。1 m3爆炸罐工作原理如图3所示，1 m3爆炸罐为长径比接近1∶1的圆柱形容器，容器两侧分别对称安装有2个容积为6 L的储粉罐，通过电磁阀分别与爆炸罐内安装的2个半球形喷嘴相连通，半球形喷嘴上均匀分布着数十个喷粉孔，可将玉米淀粉粉尘均匀的分散至爆炸罐内任一空间。点火源的点火剂质量为2.4 g，由锆粉、过氧化钡和硝酸钡按4∶3∶3的质量比混合而成，充分燃烧时会产生10 kJ的能量。点火源位于1 m3爆炸罐的几何中心。爆炸罐内腔壁面上安装有奇石乐壁面压力传感器以测定爆炸罐内的压力，压力传感器与数据采集系统相连。进行玉米淀粉粉尘爆炸测试时，利用电子天平称量玉米淀粉粉尘，2个6 L储粉罐中分别放入等质量的250 g玉米淀粉粉尘样品，并充入2 MPa测试用空气。每个储粉罐下端都装有快速动作阀，该阀门打开后能在爆炸罐中形成浓度均匀的粉尘云。同时阀门打开600 ms后，点火源点燃玉米淀粉-空气混合物引发粉尘爆炸，并记录下爆炸压力-时间历史曲线，随后测试数据送往计算机处理。为使测试过程更加安全可靠，1 m3爆炸罐的操作由远程计算机完成。

图3 1 m3爆炸罐原理示意

为捕捉扇形无火焰泄放装置泄放出的火焰或粉尘形貌，本次测试使用高速摄像机，在分辨率为1 024×1 024和拍摄速度为10 000 fps的条件下记录爆炸瞬间样品和设备的状态，并将所获取图片自动保存至计算机。此外，爆炸外场压力和温度分别由奇石乐自由场压力传感器和温度传感器测定。扇形无火焰泄放装置测试现场布置如图4所示，3个自由场压力传感器和3个温度传感器分别安装在自制专用支架上，将支架放置在距离扇形无火焰泄放装置1，2，3 m的位置，以测量距离测试样品轴线方向1，2，3 m处的压力和温度变化，利用数据采集系统实时采集样品测试数据，并进行分析、处理、输出。本次测试所用仪器设备生产厂家和型号详见表1。

表1 仪器设备生产厂家和型号

图4 扇形无火焰泄放装置测试现场布置

2.3 测试样品

1 m3爆炸罐容器的一端为可拆卸法兰，将原始法兰拆除后通过转接法兰或变径法兰连接所需要测试的爆炸防护产品样品。本测试采用广东某防护用品公司生产的扇形无火焰泄放装置进行爆炸泄放实验。装置外壳材质为Q235，泄爆片尺寸为300 mm×300 mm，静开启压力为0.01 MPa±25%，适用于非金属粉尘介质，单个样品保护容积为1 m3，满足本次测试的相关条件。

3 测试依据及方案

依据EN 16009:2011 Flameless explosion venting devices的相关要求，本测试包括功能性实验和外部效应2个部分[15]。其中功能性测试主要考察测试样品在爆炸实验中的机械完整性和灭火性能，外部效应则考察测试样品泄压气流侧的冲击波压力和泄压过程中装置外的气体温度。

本测试分为2次，第1次测试为玉米淀粉500 g/m3浓度下，采用10 kJ化学点火头进行点火爆炸测试。第2次测试将第1次测试中已报废的泄爆片拆除，更换同批次同规格的新泄爆片在相同的实验条件下进行重复测试。

4 结果与讨论

奇石乐壁面压力传感器测得的扇形无火焰泄放装置保护下爆炸压力-时间曲线如图5所示。图5(a)为第1次测试下1 m3爆炸罐内的爆炸压力-时间曲线，观察到在爆炸罐内发生了玉米淀粉-空气混合物引发的粉尘爆炸，爆炸罐内压力随时间的增加，先增大后减小。压力-时间曲线最高点为扇形无火焰泄放装置保护下最大受控爆炸压力pred,FV,1，为0.156 MPa。图5(b)为第2次测试下1 m3爆炸罐内的爆炸压力-时间曲线，趋势与第1次测试基本一致，值得注意的是第2次测试得到的最大受控爆炸压力pred,FV,2，为0.302 MPa。计算得到爆炸罐内压力上升了1.94倍，可知扇形无火焰泄放装置重复使用会导致1 m3爆炸罐内压力增大。

图5 1 m3爆炸罐内爆炸压力-时间曲线

安装扇形无火焰泄放装置的外场温度-时间曲线如图6所示，温度传感器1、温度传感器2、温度传感器3分别代表距离扇形无火焰泄放装置泄压口轴线方向1，2，3 m处的温度传感器。图6(a)为第1次测试得到的外场温度-时间曲线，图像显示曲线急剧增加后下降。观察到距离扇形无火焰泄放装置泄压口轴线方向1 m处的温度传感器1升温最快，升温约为12.4 ℃，其次为距离扇形无火焰泄放装置泄压口轴线方向2 m处的温度传感器2，升温约为4.5 ℃，最后为距离扇形无火焰泄放装置泄压口轴线方向最远的温度传感器3，升温约为1.1 ℃。测试数据表明1 m3爆炸罐内玉米淀粉爆炸产生的温度从扇形无火焰泄放装置中释放到外界，随距离增加逐渐减低。图6(b)为第2次测试得到的外场温度-时间曲线。同理,可得出温度传感器1的升温为5.1℃，而温度传感器2和温度传感器3几乎没有变化。第2次测试得到的数据远远低于第1次测试得到的数据，且第2次测试扇形无火焰泄放装置外场温度的影响范围可以认为小于2 m。

图6 外场爆炸温度-时间曲线

安装扇形无火焰泄放装置的外场压力-时间曲线如图7所示，自由场压力传感器1、自由场压力传感器2、自由场压力传感器3分别代表距离扇形无火焰泄放装置泄压口轴线方向1，2，3 m处的自由场压力传感器。图7(a)～(b)分别为第1次测试和第2次测试得到的外场压力-时间曲线，图像显示外场压力随时间瞬间增大后下降，外场爆炸压力的测试曲线和外场爆炸温度的测试曲线相对应。相比于外场温度-时间曲线图，图7(b)中自由场压力传感器2和3的外场压力增长更为明显，爆炸发生时，冲击波的影响范围远远大于温度的影响范围。相较于爆炸罐内爆炸压力-时间曲线，外场爆炸压力-时间曲线在压力上升阶段斜率更大，几乎为垂直上升。因爆炸罐内粉尘燃烧的过程比气体的燃烧过程复杂，颗粒表面要进行分解或蒸发，能量传递需从颗粒表面传递至颗粒中心，导致粉尘爆炸感应期较长，压力上升时间较慢。而外场压力上升较快则是由于爆炸罐内爆炸产生的能量积聚，当扇形无火焰泄放装置上的泄爆片和不锈钢多孔丝网不足以抵抗时，能量瞬间释放，从而使外场压力瞬间上升。

图7 外场爆炸压力-时间曲线

高速摄像机拍摄到2次测试过程中扇形无火焰泄放装置熄灭火焰的过程如图8所示。根据EN 16009:2011 Flameless explosion venting devices的相关要求，2次测试均未产生任何抛射物或碎片，且未设计为失效的部件未失效，未观察到火焰传播。测试证明样品在机械完整性和灭火性均达到标准的相关要求。图8(a)，(c)，(e)为第1次测试高速摄像机拍摄的图片，图8(b)，(d)，(f)为第2次测试高速摄像机拍摄的图片，第1次测试和第2次测试所选取的图片分别为1 m3爆炸罐点火源触发后的第162.7，266.2，519.9 ms时刻图片。可清晰观测，在同样测试条件下，第1次测试从扇形无火焰泄放装置喷射出来的可见云团尺寸远远大于第2次测试，说明未燃烧过的玉米淀粉粉尘和大量爆炸产生的气体通过扇形无火焰泄放装置排出爆炸罐，减少了罐内压力(图5)。同时高速摄像机拍摄的图片印证了外场奇石乐自由场压力传感器和温度传感器的测试结果。但由于扇形无火焰泄放装置检测技术相关研究起步较晚，国内相关企业制造水平良莠不齐，导致不锈钢多孔丝网表面出现明显的不均匀喷射现象(图8(a)，(c))。相比第1次测试，图8(d)，(f)出现更严重的不均匀喷射现象，可能是由于不锈钢多孔丝网重复利用形成部分堵塞。

图8 扇形无火焰泄放装置测试高速摄像机拍摄图片

图9(a)为扇形无火焰泄放装置第1次测试后不锈钢多孔丝网，图9(b)为扇形无火焰泄放装置第2次测试后不锈钢多孔丝网。第1次测试结束后，不锈钢多孔丝网阻止了爆炸所产生的高温火焰，丝网孔隙间附着玉米淀粉粉尘燃烧后的炭黑和未点燃的残余粉尘，出现大面积的烧结现象，导致第2次测试1 m3爆炸罐内的压力较高，无法及时向外释放压力。故第2次测试结束后，不锈钢多孔丝网孔隙内残留着大量玉米淀粉粉尘燃烧后生成的炭黑，同时高温燃烧的粉尘积聚在不锈钢丝网孔隙中损坏了不锈钢丝网，证明不锈钢多孔丝网的抗烧结能力较差，无法抵御多次粉尘爆炸。为改善扇形无火焰泄放装置阻火元件使用的安全性，可通过改变不锈钢多孔丝网的网孔大小和角度，使不锈钢多孔丝网的内层、中层和外层网孔呈现不同的大小和角度，或内层金属丝采用双股丝代替单股丝，或阻火元件为不锈钢丝、镍丝、黄铜丝、紫铜丝、钛合金丝等其中的1种或几种组合。

图9 不锈钢多孔丝网

5 结论

1)扇形无火焰泄放装置重复进行爆炸泄放实验会导致爆炸罐内压力呈现升高趋势。

2)扇形无火焰泄放装置重复进行爆炸泄放实验会导致玉米淀粉粉尘燃烧爆炸，产生的压力和温度不能及时排出爆炸罐，使外场压力和温度呈现下降趋势。

3)扇形无火焰泄放装置进行重复性爆炸泄放实验会导致不锈钢丝网表面出现不均匀喷射现象。实验结束后，不锈钢丝网孔隙内残留了大量玉米淀粉粉尘燃烧后生成的炭黑以及积聚了部分高温燃烧的粉尘，致使不锈钢丝网损坏。

4)扇形无火焰泄放装置进行重复性爆炸泄放实验的研究，对企业的安全生产、减少事故损失具有重要价值和意义。