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石油化工业阻隔爆技术研究综述

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qikan025 发表于 2018-8-30 20:25:11 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
摘要:近几年随着我国对石油需求的不断提高,石油化工业的火灾爆炸事故也频繁发生,为了有效控制和预防爆炸灾害,阻隔防爆技术正在迅速发展,它能将已发生的爆炸控制在一定范围内并扑灭,防止灾害的进一步扩大。本文在参考国内相关资料的基础上,综述了目前正在广泛使用的阻火器、安全阀、防爆片、HAN阻隔防爆技术等防爆抑爆方法,分析其防爆原理和优缺点,为阻隔爆新技术的开发提供参考资料。
关键字:石油化工 阻隔爆 研究综述
Explosion Suppression and Isolation Techniques in Petrol Industry
Abstract: In recent years, and more and more explosions had been taken place in petrol industry. For preventing and controlling explosions, the explosion isolating techniques are rapid developed, which can limit the occurred explosion within a certain range or extinguish it, so as to prevent disaster enlarging. Reference to the masses of interrelated data, the paper summarized flame arrester, relief valve, Hypostasis Anchor-hold No-explosion and so on, and analyzed working principle, advantages and disadvantages of these methods. The findings can provide a research reference for future development of new explosion suppression and isolation technique.
Key words: petrol industry;explosion suppression and isolation;research summary

引言:
近几年,我国石油化工业正在迅速发展,目前,我国在建和拟建的油库库容大都在100×104m3以上,有的库容甚至规划达到2000×104m3。单罐容积最小为5×104m3,最大为15×104m3,其中10×104m3以上的储罐较多。我国目前最大的石油库容量为100×104m3[1]。如此巨大的石油库一旦发生火灾爆炸等事故,将会造成严重的人员伤亡和经济损失。例如,1989年8月12日,青岛市黄岛油库5号原油罐,因雷击爆炸着火,引燃其它5台油罐,大火燃烧 104小时,油罐区沦为一片废墟,直接经济损失3540万元,19人死亡于救火过程中。2003年8月15日19时20分,挂有京A97113牌照的油罐车在丰台辛店村以西的一院落内爆炸燃起大火,烧毁了架空输电线和通信光缆,导致石景山到吕村地区大面积断电,涉及居民千余户。这一事故使得长辛店水源基地、八一射击场等9个高压电用户及附近其他用户停电,停电时间最长达23小时。此次事故中被毁坏的电力设备,居北京历史之最,因此被供电部门称为北京最严重的电力设施毁坏事故。2008年10月22日,一辆油罐车在海南省澄迈县琼城汽修厂维修时发生爆炸,3人当场死亡,5人受伤,其中1名伤者生命垂危。随着火灾爆炸事故的不断发生,提高石油化工业的安全水平也日益成为人们关注的焦点,对于能够预防和控制事故发生的阻隔防爆技术也迅速发展。
1 阻火器
阻火器是用来阻止易燃气体和易燃液体蒸气火焰蔓延的安全装置。它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、容器或者阻止火焰在设备和管道间的蔓延 [2]。
1 阻火器的种类
根据消焰原理,一般采用具有不然性、透气性和一定强度的多孔材料来作为消焰原件。阻火器常用的类型有金属网型、波纹型、填料型、泡沫金属填充型等,其中波纹型阻火器性能稳定,在石油化工装置中应用较多。各种类型阻火器的比较见表1-1[3]。
1.2 阻火器的基本原理
关于阻火器的工作原理,目前主要有两种观点:一是基于传热作用;一是基于器壁效应。
(1)传热作用
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。依照这一原理,只要将燃烧物质的温度降到其着火点以下,就可以阻止火焰的蔓延。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。设计阻火器内部的阻火元件时,则尽可能扩大细小火焰和通道壁的接触面积,强化传热,使火焰温度降到着火点以下,从而阻止火焰蔓延。
(2)器壁效应
燃烧与爆炸并不是分子间直接反应,而是受外来能量的激发,分子键遭到破坏,产生活化分子,活化分子又分裂为寿命短但却很活泼的自由基,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。当燃烧的可燃气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,自由基与通道壁的碰撞占主导地位,由于自由基数量急剧减少,反应不能继续进行,即燃烧反应不能通过阻火器继续传播[4]。
阻火器结构比较简单,造价低廉,安装维修方便,应用比较广泛,常安装在输送可燃气体的管道、储存石油及其产品的油罐呼吸阀、油气回收系统、燃气加热炉的送气系统、接火炬系统的管网,及内燃机的排气系统等。但是由于阻火器产品管理不明确,价格无统一规定,且容易出现优质产品竞争不过劣质产品的现象,造成目前使用阻火器存在大量的隐患。







表1-1                  几种不同类型阻火器的比较

类型        结构特点        优点        缺点        适应范围
金属网型        阻火层由单层或多层不锈钢丝网重叠起来组成        结构简单,容易制造,造价低廉        阻爆范围小,易于损坏,不耐烧        石油储罐,输气管道,油轮
波纹型        阻火层常用不锈钢或铜镍合金压制成波纹状分层组装而成        使用范围大,流体阻力小,能阻止爆炸火焰,易于置换和清洗        结构较复杂,造价较高        石油储罐,油气回收系统,气体管道等
填料型        阻火层由粒状材料堆积而成,填充材料可采用砾石沙粒、卵石、玻璃球或铁屑等        孔隙小,结构简单,易于制造        阻力大,易于阻塞,质量大        化工厂反应器,氢气、乙炔管道等
泡沫金属填充型        阻火层用泡沫金属制成,泡沫金属由镍、铬合金为主的多种金属组成        阻爆性能好,体积较轻,易于制造,便于安装        检查孔隙困难,孔隙度不易达到要求        石油化工系统
多孔板型        阻火层用不锈钢薄板水平方向重叠而成,板上由许多细小缝隙或孔眼,形成有规则的孔道        阻爆性能好,机械强度高,易清洗,结构较简单        耐烧性差,质量大,阻力大,造价较高,不能承受猛烈爆炸        汽车、柴油机排气系统
平行板型        阻火层由不锈钢薄板垂直平行排列而成,板间隙在0.3~0.7mm,形成许多细小通道        能承受较猛烈的爆炸,易于制造和清扫        体积较重,流阻较大        内燃机排气系统

2 泄压装置
泄压装置的作用是当密闭容器内的压力异常升高超过了安全限度,能自动将容器内压力降低到安全水平,以防止容器发生爆炸。泄压装置有安全阀、防爆片等[3]。
2.1 安全阀
安全阀是一个自动阀门,当容器和设备内的压力升高超过设定之时自动打开,排出部分介质,压力降到安全范围再自动关闭,从而实现设备和容器内压力的自动控制,防止设备和容器的破裂爆炸。安全阀在泄出气体或蒸汽时,产生动力声响,还可起到报警的作用。安全阀按其作用原理分为杠杆式和弹簧式两种类型,其结构如图2-1所示。
     
a)杠杆式安全阀

b)弹簧式安全阀
图2-1 安全阀的结构
为使安全阀经常保持灵敏有效,应定期作排气试验,防止排气管、阀体及弹簧等被气流中的灰渣、黏性杂质及其他物料堵塞粘结;应经常检查是否漏气或不停的排气等现象,并及时检修。
2.2 防爆片
防爆片又称防爆膜、泄压膜,是一次性的安全泄压装置。在设备或容器的适当部位设置一定大小面积的脆性材料,构成薄弱环节,当爆炸刚发生时,这些薄弱环节在较小的爆炸压力作用下,首先遭受破坏,立即将大量气体和热量释放出去,爆炸压力也就很难再继续升高,从而保护设备或容器的主体免遭更大损坏,使在场的生产人员不致遭受致命的伤亡。
设备或容器运行时,爆破片需要长期承受工作压力、温度或腐蚀,还要保证设备的气密性,而且遇到爆炸增压时必须立即破裂。这就要求泄压膜材料要有一定的强度,以承受工作压力;有良好的耐热、耐腐蚀性;同时还应具有脆性,当受到爆破波冲击时,易于破裂;厚度要尽可能的薄,但气密性要好等。
2.3 组合型防爆泄压装置
安全阀具有动作后恢复的优点,但不能完全密封,不适合黏稠物料。防爆片则有排放量大、密封性好的特点,但破裂后不能恢复。因此,在一些特殊的场合,将两者组合起来使用,可以充分发挥它们各自的优点。
(1)安全阀入口处装设防爆片   
这种安装方法适应于密封和耐腐蚀要求高以及黏污介质,爆破片对安全阀起保护作用,安全阀也可使容器暂时继续运行。这种结构除了要求阀和膜具有单独使用时所要求的性能外,还必须保证膜片破裂后不妨碍安全阀的动作,两者的动作压力和排放能力要适配。并且在阀与膜片之间装设压力表或试验旋塞及报警装置,以便在防爆片泄露或破裂时能及时发现。
(2)安全阀出口处装设防爆片     
这种安装方法适应于介质是昂贵气体或剧毒气体,且无黏性物质,或者容器内压力有脉动的场合,安全阀对防爆片起稳压作用,而防爆片又可防止安全阀的泄露。此处的安全阀应是一种特殊设计的安全阀,即不管阀与膜片之间存在压力与否,当容器内压升至安全阀开启压力值时就能动作排气。
(3)容器上同时安装安全阀和防爆片     
这种安装方式是将安全阀作为一级泄放装置,当因物理原因超压时,由安全阀排放;而防爆片为二级泄放装置,当因化学反应原因急剧超压时,由防爆片与安全阀同时排放。这种结构用于保护露天装置或半敞开式厂房内的设备,当设备爆炸压力升高、防爆片破裂、待爆炸气体泄放之后,安全阀可立即关闭,以免继续外泄或空气进入造成危险。
2.4 安全液封
安全液封通常安装在操作压力低于0.02MPa的气体管线上,用以防止火焰蔓延。对需要控制操作压力(最高不超过0.05MPa),防止气体倒流的地方也常设有安全液封。安全液封的阻火原理是由于液体在进出气管之间,在液封两侧的任意侧着火后,火焰在液封处被熄灭,从而阻止火势蔓延。常用的安全液封是以水作为阻火介质,一般安装在气体管线和生产设备之间。常用的安全水封有敞开式和封闭式两种类型。如图2-2所示。

a) 敞开式液封

b) 封闭式液封
1-验水栓 2-进气管 3-安全管
4-外壳 5-爆破片 6-单向阀
图2-2 安全液封
3 HAN阻隔防爆技术
HAN阻隔防爆技术是一项可以有效防止易燃易爆的气态和液态危险化学品在储运中因意外事故(静电、焊接、枪击、碰撞、错误操作等)引起的爆炸,从根本上解决易燃易爆液态、气态危险化学品储运过程中本质安全的专有技术。HAN是英文Hypostasis Anchor-hold No-explosion 的缩写,其含义为本质安全不爆炸。HAN阻隔防爆技术是我国具有自主知识产权的一项先进技术[5]。
3.1 阻隔防爆机理
HAN隔爆材料是在原有阻隔防爆材料的基础上发展起来的。阻隔防爆材料,又称抑爆材料。把这种网状阻隔防爆材料加入到储存易燃易爆液体的容器中,当遇到明火、雷击、意外撞击时,就可以有效地防止爆炸事故。HAN的抑爆原理主要有两方面:一是叠层装入油箱中的抑爆材料,其蜂窝状的高孔隙结构把油箱内腔分为若干个“小室”,这些“小室”可以高效地遏制火焰传播,使燃爆压力波急剧衰减;二是这种蜂窝结构的材料在单位容积内具有较高的表面效能,从而具有良好的吸热性,可以迅速地将燃烧释放出来的绝大部分热量吸收,使燃烧反应后的温度大大降低,反应气体的膨胀程度大为缩小,容器内的压力值增高不大,进而使燃峰速度达不到爆炸的极限速度,爆炸因而难以产生[6]。
3.2 应用情况
HAN阻隔防爆技术针对不同的化学介质选择不同材质的阻隔防爆材料,采用不同的加工工艺和应用方法解决易燃易爆液态、气态危险化学品储运过程的本质安全,HAN阻隔防爆技术可广泛适用于陆运、航空、航海等领域;运用于易燃易爆油罐、气罐、油库、气库,易燃易爆气态、液态危险化学品槽车;易燃易爆气态、液态危险;化学品输运管道;飞机、坦克、军舰和轮船等的燃料系统,这项技术在国外已广泛应用于军事和民用领域,美国、德国、英国、加拿大等国家已批量生产同类产品。目前的产品主要有HAN阻隔防爆地埋式储油罐、HAN阻隔防爆运油车、HAN阻隔防爆橇裝式加油(气)装置[5]。
3.3 HAN阻隔防爆技术的优缺点
HAN阻隔防爆技术具有以下特点:
(1)保护易燃、易爆气态、液态危险化学品储运容器和装置,在遇到静电,明火、焊接、枪击、雷击、碰撞、错误操作等意外事故时不爆炸;(2)防止浪涌,可减少容器内介质的浪涌能量,避免浪涌而造成的事故;(3)阻隔火焰的燃烧,明显降低火焰高度,利于灭火;(4)消除危险化学品储运容器和装置的静电;(5)结构强度高、抗压缩,使用寿命长;对阻隔防爆容器随时可进行补焊;维护简便,随时清洗。但安装了HAN阻隔防爆材料的容器只能消除容器内的危险区域,给其应用带来了一定的局限。另一方面,昂贵的造价和巨额的改造费用也限制了HAN阻隔防爆技术的推广[5]。
4 真空腔体技术
上述在石油化工业中使用的阻隔抑爆技术存在这样或那样的缺陷,因此,探索新型阻火隔爆材料和结构,也成为迫切需要解决的问题。目前处于世界领先地位的新技术——真空腔体抑爆结构,是以瓦斯爆炸为基础进行实验,基于煤矿瓦斯爆炸与石油化工业火灾爆炸的相似点,有望将该技术用于石油行业。真空腔结构是蒋曙光教授利用真空的吸气作用自行设计了一种结构[7-8],在实验过程中,该结构一端通过嵌有弱面板的法兰与实验管道相连,一端用与腔体相同材料的法兰封闭,腔内接近0.004MPa的低真空,把这种带有弱面并抽成真空的腔体称为真空腔。当管内发生瓦斯爆炸时,利用弱面一边是真空、一边是爆炸产生的高压气体造成的压力差将其冲碎,这样管道与真空腔相同,管内的已燃气体、未燃气体在真空的吸气作用下迅速地被“吸”到腔体内,管道内就不会产生不可承受的爆炸压力,并且在爆炸的初始阶段就可约束和限制爆炸燃烧的范围,最大限度地熄灭火焰。在蒋曙光教授指导下的实验小组加工设计了一套真空腔体结构,并对17m长、80mm×80mm截面的方形管道内的瓦斯爆炸进行了抑爆试验。通过大量的实验证明,真空腔体对瓦斯爆炸火焰传播具有熄火作用,对瓦斯爆炸波具有抑制作用。
真空腔体结构容易实现,腔体所用材料只需满足抗压、抗爆要求,成本低,维护方便,它能达到任何可燃气体或可燃粉尘爆炸的泄压目的,因此可将其用于石油行业[9-10]。
5 小结
石油化工业的火灾爆炸事故日益严重,促使人们寻求更加合理科学的方法抑制火灾爆炸事故的发生。目前国内外的阻隔防爆技术主要有阻火器、安全阀、防爆片、安全液封、HAN阻隔防爆技术等,中国矿业大学的真空腔技术,为阻隔爆技术提供了新的思路。现有的各种阻隔防爆技术需要进一步的研究和完善,采取综合预防措施,以保证石油化工业的安全。
参考文献:
[1]赵新颖,李自立等.石油储罐火灾爆炸事故树分析[J].油气储运,2007,26(1):37-40.
[2]朱彤.油罐阻火器的选择与使用[J].石油库与加油站,2002,12(6):29-33.
[3]黄郑华,李建华.化工工艺设备防火防爆[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2008.
[4]胡畔.石化装置设计中阻火器的选用[J].炼油设计,2002,32(6):37-39.
[5]张广华,刘强,张世昌等.HAN阻隔防爆技术实用手册[M].北京:煤炭工业出版社,2005.
[6]化学危险品单位应积极采用HAN阻隔防爆新技术[J].中国石油和化工,2002(9):15.
[7]蒋曙光,欧雪梅,吴征艳.抑制可燃物爆炸传播的方法及装置.中国 200710020127.X,2007-8-15.
[8] 蒋曙光,欧雪梅,吴征艳,等.抑制可燃物爆炸传播的装置.中国200720034728.1,2008-01-09.
[9]吴征艳.真空腔对瓦斯爆炸抑制作用研究[D].徐州:中国矿业大学,2007.
[10] Jiang Shu-guang,Wu Zheng-yan,Li Qing-hua,et al.Vacuum chamber suppression of gas-explosion propagation in a tunnel.Journal of China University of Mining & Technology,2008,18(3):337-341


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