阻隔防爆技術(shù)及檢驗(yàn)要求*

柯研，王新華，梁峻，湯鵬

(廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州510760)

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阻隔防爆技術(shù)及檢驗(yàn)要求*

柯研，王新華，梁峻，湯鵬

(廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州510760)

分析了阻隔防爆技術(shù)的兩個(gè)重要機(jī)理-“冷壁作用”和“器壁效應(yīng)”，介紹了阻隔防爆技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r與研究成果；阻隔防爆技術(shù)有關(guān)規(guī)范以及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)安全檢驗(yàn)的項(xiàng)目、方法與合格標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)了阻隔防爆技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

阻隔防爆技術(shù)； 阻隔防爆材料； 阻燃抑爆； 安全檢驗(yàn)

0　引言

阻隔防爆技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全不爆炸(HAN, Hypostasis Anchor-hold No-explosion)的技術(shù)，被各國(guó)大力推廣應(yīng)用于危險(xiǎn)化學(xué)品，特別是燃油的存儲(chǔ)與運(yùn)輸過(guò)程[1]。阻隔防爆技術(shù)其實(shí)就是在存儲(chǔ)危險(xiǎn)化學(xué)品的容器內(nèi)按照一定規(guī)范填充金屬類、非金屬類或復(fù)合類阻隔防爆材料。所謂阻隔防爆材料，是一種多孔、輕質(zhì)、耐腐蝕、網(wǎng)狀或球狀的特殊材料。常見(jiàn)的金屬類阻隔防爆材料有：鋁合金、鈦合金和銅合金，非金屬類有聚氨酯、陶瓷和涂復(fù)等。阻隔防爆安全檢驗(yàn)是一種能有效確認(rèn)阻隔防爆材料與安裝是否滿足安全的有效途徑。

1　阻隔防爆機(jī)理

關(guān)于阻隔防爆技術(shù)為何能實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，雖暫無(wú)定論，但研究結(jié)果普遍指向阻隔防爆材料所獨(dú)有的多孔結(jié)構(gòu)。按孔洞結(jié)構(gòu)不同，可將阻隔防爆材料分為兩種：(1)孔洞平面聚集的二維“蜂窩”結(jié)構(gòu)；(2)孔洞空間聚集的三維“泡沫”結(jié)構(gòu)[1]。阻隔防爆材料首先將通過(guò)的火焰分散至各個(gè)孔洞，削弱其燃爆能力。然后利用自身較大的比表面積，發(fā)揮“冷壁作用”和“器壁效應(yīng)”，熄滅火焰流。

1.1冷壁作用與器壁效應(yīng)

冷壁作用屬物理反應(yīng)，材料因溫度遠(yuǎn)低于火焰而大量吸收其熱能。器壁效應(yīng)則屬于化學(xué)反應(yīng)，過(guò)程是材料捕捉火焰中的自由基。物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，首先活性分子會(huì)產(chǎn)生十分活潑而壽命短促的自由基，自由基與其它分子碰撞結(jié)合生成新的物質(zhì)與新的自由基。當(dāng)新自由基的數(shù)量呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，燃燒爆炸現(xiàn)象持續(xù)進(jìn)行，反之則受到抑制。火焰經(jīng)過(guò)阻隔防爆材料的過(guò)程，是一個(gè)自由基不斷減少的過(guò)程。

1.2阻隔防爆與波紋型阻火器的異同

阻隔防爆與波紋型阻火器同屬?gòu)V義阻火器，都是一種利用自身孔隙阻止燃燒與爆炸發(fā)生或限制燃爆后繼傳播的安全裝置。兩者不同之處，首先在于，阻隔防爆材料充填在有其它用途的容器或管道內(nèi)部，而波紋型阻火器擁有專用的外殼，安裝在容器外部或管道連接處。此外，阻隔防爆材料的通道長(zhǎng)度與間隙無(wú)法確定[2]，而波紋型阻火器的通道長(zhǎng)度與間隙可確定。因此，前者不能像后者那樣依據(jù)最大試驗(yàn)安全間隙(MESG)進(jìn)行設(shè)計(jì)與性能檢驗(yàn)。

2　阻隔防爆技術(shù)的應(yīng)用與研究

2.1阻隔防爆應(yīng)用領(lǐng)域

國(guó)外阻隔防爆技術(shù)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是軍工行業(yè)，采取的方式是往燃料箱內(nèi)充裝不同性質(zhì)的阻隔防爆材料。從最早的軍用直升飛機(jī)，擴(kuò)展至坦克和船舶，后來(lái)又發(fā)展到部分敏感地區(qū)的警用車(chē)輛。

國(guó)內(nèi)的阻隔防爆技術(shù)主要采用網(wǎng)狀鋁合金(expanded aluminum, EA)作為材料，應(yīng)用領(lǐng)域集中在民用行業(yè)，如埋地儲(chǔ)罐、液化石油氣罐車(chē)和撬裝式加油站。埋地儲(chǔ)罐多為因歷史遺留問(wèn)題無(wú)法滿足新標(biāo)準(zhǔn)中安全距離要求的加油站舊罐。舊罐改造的阻隔防爆材料填充在罐體內(nèi)部直接與燃料接觸，與國(guó)外僅將材料填充于罐內(nèi)人孔、不與燃料接觸有所不同[3]。撬裝式加油站是一種整體可移動(dòng)的加油系統(tǒng)，其罐體安裝在地面之上。為降低其爆炸危險(xiǎn)性，在罐內(nèi)填充阻隔防爆材料。

2.2阻隔防爆技術(shù)研究

阻隔防爆研究方法主要有試驗(yàn)和理論分析兩種。試驗(yàn)是一種最直觀與可靠的方法，其研究方向包括材料淬熄火焰與降低爆炸壓力能力研究[4]、材料自身抗沖擊性與抗燒結(jié)性研究、材料抗腐蝕性與確保燃料品質(zhì)能力研究、不同留空率與置換率對(duì)抑爆效果的影響以及同一材質(zhì)處于不同理化性質(zhì)抑爆能力差異的研究。理論分析則用來(lái)解決試驗(yàn)難以觀察的問(wèn)題，如阻隔防爆材料在超音速火焰通過(guò)時(shí)的狀況，又比如燃爆容器抗爆設(shè)計(jì)限值等。

研究成果表明，阻隔防爆技術(shù)有三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：(1)防密閉容器內(nèi)的燃燒與爆炸。阻隔防爆的抑爆能力與其材質(zhì)及置換率有密切關(guān)系；(2)防浪涌。通過(guò)防止罐車(chē)儲(chǔ)罐產(chǎn)生浪涌，不僅能延長(zhǎng)護(hù)輪胎與容器的使用壽命，還能預(yù)防車(chē)輛因急剎車(chē)與緊急轉(zhuǎn)向避險(xiǎn)造成的傾翻事故；(3)防罐體劇烈晃動(dòng)產(chǎn)生的沖擊。當(dāng)儲(chǔ)罐受到突然的沖擊或遭遇意外的墜落，罐內(nèi)燃料會(huì)對(duì)容器的一側(cè)產(chǎn)生顯著的、有可能導(dǎo)致容器破裂的沖擊壓力[3]。而阻隔防爆材料能有效防止這種強(qiáng)烈沖擊。

研究也同時(shí)發(fā)現(xiàn)了阻隔防爆技術(shù)所存在的三項(xiàng)缺點(diǎn)：(1)阻隔防爆材料腐蝕后會(huì)影響燃料品質(zhì)，其殘留沉積還可能堵塞管路；(2)阻隔防爆的安裝維護(hù)成本較高，在改造與清洗過(guò)程中還有可能因違規(guī)操作導(dǎo)致意外爆炸；(3)金屬類阻隔防爆材料在使用過(guò)程中會(huì)因重力與外部沖擊等原因發(fā)生塌陷與壓緊，削弱自身抑爆性能。

3　阻隔防爆安全檢驗(yàn)

3.1規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

最早的金屬類阻隔防爆材料標(biāo)準(zhǔn)是1982年美國(guó)頒布的《網(wǎng)狀鋁合金防護(hù)材料軍用規(guī)范》(MIL-B-87162)。該規(guī)范早期曾于1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)被美軍大力推廣，后來(lái)主要用于民用領(lǐng)域。目前國(guó)際上比較普遍采用的非金屬類阻隔防爆材料標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)：一個(gè)是1984年修訂的《飛機(jī)燃油箱用的阻隔惰性材料》(MIL-B-83054B)；另一個(gè)是2006年修訂的《飛機(jī)燃油箱用的自身具有導(dǎo)靜電功能的抑爆泡沫材料》(MIL-PRF-87260B)。后者與前者相比，在導(dǎo)靜電方面提出了更為具體的要求，以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。

80年代，國(guó)內(nèi)一些軍工企業(yè)與民企開(kāi)始開(kāi)發(fā)、引進(jìn)和生產(chǎn)金屬類阻隔防爆材料(EA)。2003年和2004年阻隔防爆技術(shù)分別被科技部和安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局列為年度重點(diǎn)推廣科技項(xiàng)目[5]。2005年，安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《汽車(chē)加油(氣)站、輕質(zhì)燃油和液化石油氣汽車(chē)罐車(chē)用阻隔防爆儲(chǔ)罐技術(shù)要求》(AQ 3001—2005)[6]和《阻隔抑爆撬裝式汽車(chē)加油(氣)裝置技術(shù)要求》(AQ 3002—2005)頒布實(shí)施。2006年，《汽車(chē)加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(GB 50156—2002)修訂，新增了有關(guān)阻隔防爆的技術(shù)要求。

3.2實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)項(xiàng)目包括阻隔防爆材料選用合理性判斷、材料外觀質(zhì)量檢測(cè)、材料結(jié)構(gòu)尺寸檢測(cè)、材料密度測(cè)試以及防爆性能測(cè)試五項(xiàng)[6]。

阻隔防爆材料的選用應(yīng)考慮儲(chǔ)罐與儲(chǔ)存介質(zhì)理化性質(zhì)，保證不污染介質(zhì)的同時(shí)不被介質(zhì)污染。材料外觀質(zhì)量要求網(wǎng)格不均勻性小于或等于25%，邊緣不展開(kāi)寬度小于或等于10mm，網(wǎng)格每平方米破損小于或等于5處且每處破損面積小于或等于60mm×50mm，成品端面不平度小于或等于60mm。材料結(jié)構(gòu)尺寸要求網(wǎng)格邊長(zhǎng)公差為±0.5mm。以上檢驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)樣品測(cè)試后，在現(xiàn)場(chǎng)仍需對(duì)實(shí)際使用材料進(jìn)行抽查。材料密度可采用排水法或其它方法得出，用于置換率的計(jì)算。

防爆性能通過(guò)燃爆增壓表現(xiàn)出來(lái)。燃爆增壓是指在按照一定要求填充阻隔防爆材料之后，容器內(nèi)部發(fā)生爆炸所產(chǎn)生的平均壓力峰值。試驗(yàn)要求燃爆增壓不大于0.14MPa。試驗(yàn)主裝置為激波管，如圖1所示。壓力傳感器量程應(yīng)滿足0～10MPa，靈敏度應(yīng)達(dá)到140pC/MPa；壓力表應(yīng)滿足0～10MPa，精度等級(jí)卷達(dá)到1.6。試驗(yàn)時(shí)，留空率為5%，試樣橫截面積應(yīng)不小于激波管內(nèi)腔截面積的98%。

1.激波管；2.壓力傳感器；3.觀察窗；4.壓力表；5.點(diǎn)火源；6.燃爆容器；7.閥門(mén)；8.循環(huán)泵；9.配料容器；10.試樣.

圖1阻隔防爆材料防爆性能測(cè)試裝置

燃爆增壓計(jì)算公式

△P=(P1+P2+P3+……+Pn)/n-Pb

式中，△P—燃爆增壓(Pa)；P1、P2……Pn—壓力傳感器壓力峰值(Pa)；n—激波管壓力傳感器個(gè)數(shù)；Pb—試驗(yàn)前表壓(Pa)。

3.3現(xiàn)場(chǎng)安全檢驗(yàn)

阻隔防爆現(xiàn)場(chǎng)安全檢驗(yàn)包括儲(chǔ)罐清洗作業(yè)安全檢驗(yàn)與材料安裝規(guī)范檢驗(yàn)[6]。罐體填充阻隔防爆材料之前需要進(jìn)行清洗。清洗過(guò)程，特別是經(jīng)阻隔防爆技術(shù)改造后的儲(chǔ)罐清洗過(guò)程，是一個(gè)具有一定危險(xiǎn)性的作業(yè)過(guò)程，需要全程進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)。檢驗(yàn)的重點(diǎn)是確保容器內(nèi)的氧濃度處于安全范圍內(nèi)以及可燃?xì)怏w或蒸汽的濃度不大于其爆炸下限20%。此外，還應(yīng)檢查滲漏試驗(yàn)用試劑與清洗作業(yè)用清洗劑。

材料安裝檢驗(yàn)首先結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與圖紙審閱，計(jì)算出儲(chǔ)罐的體積，然后測(cè)試計(jì)算填充密度、置換率與留空率三個(gè)參數(shù)并檢查結(jié)構(gòu)件是否安裝牢靠。填充密度是指用阻隔防爆材料填充儲(chǔ)罐時(shí)，單位體積材料的質(zhì)量，可用所有填入儲(chǔ)罐的阻隔防爆材料的質(zhì)量與儲(chǔ)罐體積相除得出。置換率是指阻隔防爆材料放入充滿液體的儲(chǔ)罐時(shí)，所排出的液體體積與儲(chǔ)罐體積之比。排出液體就是用于填充的阻隔防爆材料的體積，可通過(guò)填入儲(chǔ)罐的材料質(zhì)量與材料密度相除得出。留空率是指阻隔防爆材料安裝后，未填充空間與罐體體積之比。未填充空間一般指內(nèi)膽與結(jié)構(gòu)件，其體積可測(cè)量計(jì)算或查閱設(shè)計(jì)文件。

填充密度的要求是25～35kg/m3。置換率和留空率的要求與罐體規(guī)格有關(guān)：對(duì)于規(guī)格大于25 m3的罐體，置換率要求不大于1.2%，留空率要求不大于10%；對(duì)于規(guī)格小于25m3的罐體，置換率要求不大于1.1%，留空率要求不大于8%。

4　結(jié)語(yǔ)

緊跟計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力與軟件開(kāi)發(fā)功能的提高，未來(lái)阻隔防爆的研究突破會(huì)更加依靠數(shù)值模擬方法。得益于材料學(xué)的飛速發(fā)展，日后阻隔防爆材料將以更輕質(zhì)、更耐腐蝕以及價(jià)格更低廉的非金屬材料為主。在更為嚴(yán)格與科學(xué)的安裝及清洗規(guī)范與現(xiàn)場(chǎng)安全檢驗(yàn)要求出臺(tái)后，阻隔防爆在安裝與清洗時(shí)的事故率可顯著降低。伴隨著安全性的提高、材料價(jià)格的降低，政府推廣與企業(yè)采用阻隔防爆技術(shù)的意愿將大大提高，阻隔防爆在其發(fā)展領(lǐng)域，特別是罐車(chē)與撬裝式加油站的應(yīng)用將變得更加普遍。

[1]邢志祥，杜貞，歐紅香，等.多孔非金屬材料在阻隔防爆方面的研究進(jìn)展[J].安全與環(huán)境工程，2015(22)：112-119.

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[6]AQ 3001—2005,汽車(chē)加油(氣)站、輕質(zhì)燃油和液化石油氣汽車(chē)罐車(chē)用阻隔防爆儲(chǔ)罐技術(shù)要求[S].

Separation Explosion-Proof Technology and Inspection Requirements

Ke Yan, Wang Xinhua, Liang Jun, and Tang Peng

(GuangzhouAcademyofSpecialEquipmentInspection&Testing,Guangzhou510760,China)

This paper analyzes two main mechanisms of separation explosion-proof technology which called ‘cold wall action’ and ‘wall effect’, introduces development situation and research findings of domestic and abroad technology, gives the related technical specifications as well as items, methods and acceptability criterions of laboratory test and onsite safety inspection, and forecasts development trend of the technology in future.

Separation explosion-proof technology; separation explosion-proof material; flame resistance and explosion suppression; safety inspection

質(zhì)檢總局防爆特種設(shè)備非電氣部件點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)及評(píng)定方法研究(項(xiàng)目編號(hào)：2015QK263)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.04.08

TM357；X932

A

1008-7281(2016)04-0024-003

柯研男1983年生；畢業(yè)于華南理工大學(xué)機(jī)械與工程學(xué)院，安全工程及技術(shù)碩士研究生；主要研究領(lǐng)域?yàn)橐兹家妆ｋU(xiǎn)場(chǎng)所電氣防爆現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、防爆特種設(shè)備檢驗(yàn)、安全生產(chǎn)靜電測(cè)試等.

2015-05-06