壓裂車防火隔離裝置預防原理及其安全設計分析

段太波

（川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，四川 成都 610052）

壓裂車廣泛應用于各種常規、非常規油氣井壓裂作業，也可用于水力噴砂、煤礦高壓水力采煤、船舶高壓水力除銹等作業。壓裂車體主要分為底盤和臺上設備兩大部分。臺上由發動機、變速箱、壓裂泵動力端液力端、電氣控制系統、氣液管匯系統等組成。壓裂車各類管線的密封連接方式、整體布局、排設走向的設計難度極大，整車管線交錯復雜，高溫零部件與載有可燃介質管線交錯環繞，各型壓裂車的管線設計方案也各有優劣勢，車輛的火災風險很大。

據了解，某型壓裂車出現過防凍液噴濺霧化、遇發動機高溫部件引發閃燃的事件。分析發現，目前壓裂車日均施工時間為6 ～8h，施工功率較大，壓裂車臺上管件密封螺栓長期處于強震動狀態，密封螺栓可能失去緊固效果，導致管件內正壓力油液噴濺泄漏。壓裂車臺上防凍液管線管徑較大，管件之間采用了橡膠軟管連接。由于壓裂車工況惡劣，溫差大、液體沖擊等因素，導致橡膠軟管在壓裂工況下的使用時間遠低于正常使用時間，就會產生龜裂、裂縫及變形，使防凍液泄漏。防凍液的泄漏不僅會導致壓裂車臺上發動機冷卻液液位低、發動機無法正常工作影響壓裂現場施工，還會產生環境污染和火災的風險。而此類火災一旦發生，產生的后果較為嚴重，需要特別重視。

1 壓裂車火災危險性及防火隔離裝置預防原理分析

開展防火隔離裝置火災預防原理分析，需對汽車上常見可燃液體燃燒特性進行研究分析，我們選擇四種在汽車上廣泛使用的可燃液體：A 型自動變速箱油、B 型CVT 變速箱油、C 型汽車防凍液、D 型汽車潤滑劑，比較四者熱釋放速率HRR、點燃時間TTI、放熱總量THR，分析它們火災危險性。這些典型的油品在常溫下測得的熱物性參數列于表1 中。

表1 汽車油品熱物性參數（溫度：15℃）

1.1 火災危險性分析

熱釋放總量是熱釋放速率對時間的積分而來，圖1和圖2 分別用圖形展示了上述四種汽車常用可燃液體在20kW/m2條件下隨著時間推移，放熱總量和熱釋放速率之間的相互作用關系。分析得知，自動變速箱油自身儲能最高，儲能較高地體現為油品的熱釋放總量最大；反之，汽車防凍液儲能最低。熱釋放總量與輻射熱通量的大小、風量大小等外部環境因素無關，熱釋放總量曲線的梯度可呈現著火蔓延速率。同時，我們也可以得出，汽車防凍液點燃的速度極低，傳播速率小，另外，3 種液體點燃初期傳播速率接近，后因儲能不同，傳播抑制時間各不相同。

圖1 汽車油品熱釋放速率

圖2 汽車油品總放熱量

使用0.55 次冪規則統計方法，在各個輻射工況下，將4 種可燃液體的點燃時間取平均值，可得其點火時間如圖3 所示。外部通量同點火時間的關系依據Janssens法則如圖4 所示，圖中橫軸為臨界輻射強度，可得出4種可燃液體點燃時間同輻射強度間呈線性關系。圖中易得自動變速箱油、CVT 變速箱油、汽車潤滑劑的臨界輻射通量分別為2.94kW/m2、0.961kW/m2和0.980kW/m2。其中汽車防凍液臨界輻射強度低于零，因此汽車防凍液在沒有任何輻射且不受時間限制時，只需一個電火花就可引燃。

圖3 4 種油品輻射條件下的TTI

圖4 點燃時間同輻射強度間關系

如果材料具有較高安全等級需要滿足火災增長指數低和火災性能指數高兩個條件。綜上可以得出，汽車防凍液在四種可燃液體中火災性能指數最高且火災增長指數最低，因此汽車防凍液安全等級最高。相反，汽車潤滑劑安全等級最低。

1.2 防火隔離裝置火災預防原理

綜合比較四種汽車常用可燃液體火災的危險性，自動變速箱油和CVT 變速箱油要比其他兩種油品容易被引燃，點燃后，危險性要高于其他油品。汽車防凍液最難被引燃，但其臨界輻射強度最低，在不受時間控制時，最易在外部輻射條件下被引燃。因此可采取防熱輻射、安全隔離等措施來進行汽車防凍液的火災預防，降低其火災危險性。

2 壓裂車防火隔離裝置的安全設計

壓裂車防火隔離裝置的安全設計主要思路是將防凍液可能發生噴濺霧化泄漏部位與壓裂車發動機高溫部位的空間位置相隔離，避免防凍液與壓裂車高溫部件直接接觸，同時通過裝置的隔離和散熱功能減少防凍液受到的熱輻射。安全設計的部分包括水箱隔離板和橡膠管隔離盒，共兩部分。

2.1 水箱隔離板安全設計

對壓裂車臺上水箱的結構和安裝位置進行研究分析，確定直接使用整塊板料作為隔離板材料，選擇的材料為1mm 不銹鋼板，隔離板基本尺寸為1220mm×2440mm。選用此材料具有便于設計加工制作、強度高、防腐蝕、散熱效果良好的優點。

水箱隔離板結構設計上，將壓裂車臺上水箱本體及水箱頂端整體覆蓋，無須多余安裝附件。隔離板中間開油液管線孔及防凍液管線孔，同時隔離板邊緣翻折以提高隔離板穩定性。

由于不同的車型管線布局差異極大，管線開孔位置采用一種車型一種方案的辦法。涉及的車型有杰瑞2000 型、2500 型，四機2000 型、2500 型共四種車型，同車型的液路管線布局不同，產生了6 種防火隔離板管線開孔方式。

水箱隔離板的安裝位置，選取水箱上原有的螺栓孔進行連接安裝。螺栓孔的位置選擇水箱上的結構強點，不需加裝其他的連接件，結構穩定，拆裝方便。

2.2 橡膠管隔離盒安全設計

橡膠管隔離盒采用隔離板相同的不銹鋼材料制作，提高了材料的使用率，尺寸大小根據具體管路的直徑和橡膠管的長度分別設計。隔離盒設計為半開式，封住橡膠管三面，剩余一面作為觀察面。橡膠管兩側為防凍液管，管面光滑且無結構安裝點，因此，橡膠管隔離盒只能采用卡箍式安裝方式。隔離盒兩端處焊半圓弧面，可與防凍液管緊密貼合。

3 壓裂車防火隔離裝置的應用效果

壓裂車防火隔離裝置在應用時，通過不銹鋼板的阻隔，完全將儲存防凍液的水箱、液路管線等可能發生防凍液噴濺霧化泄漏部位與壓裂車發動機高溫部位的空間位置相隔離，降低了防凍液受到的熱輻射能量，消除了防凍液霧化閃燃的火災隱患。同時防火隔離裝置并未改變壓裂車原有結構，不影響壓裂車正常操作使用及日常維護保養；該裝置在安裝過程中未使用焊接，其連接方式如鉚接、螺栓連接等均可自由拆卸，為后期壓裂車臺上發動機、變速箱等設備的修理提供了便利。

壓裂車防火隔離裝置已經投入試驗超50 個月時間，現場使用效果良好。該裝置作為壓裂車被動安全裝置，配合對壓裂車臺上橡膠件老化程度的加強檢查、對管線連接螺栓定時巡檢緊固等主動安全措施，破壞了防凍液霧化閃燃造成火災的生成條件，起到了良好的應用效果。

通過一系列自主創新、優化設計等舉措，大幅縮減了壓裂車防火隔離裝置的研制、安裝時間，在三人協同工作的情況下，每套防火隔離裝置的加工時間僅需約3工時，安裝時間僅需4 工時。機械廠在較短時間內完成了80 套壓裂車、6 種型號防火隔離裝置的安全設計、制作安裝和投入使用；并且提高了材料的使用率，減少材料浪費，通過優化下料過程，材料的使用率達97%，每套防火隔離裝置的平均材料成本為1545 元、平均工時費用1680 元，平均每套壓裂車防火隔離裝置的成本僅3225 元。

4 結語

本文針對壓裂施工作業中壓裂車防凍液噴濺霧化、遇發動機高溫部件引發閃燃的可能，進行壓裂車火災危險性和防火隔離裝置預防原理分析。通過比較車輛四種非動力可燃液體在各種輻射條件工況下的熱釋放速率HRR、點燃時間TTI、放熱總量THR，得出汽車防凍液輻射強度最低，在不受時間控制時，其最容易在外部輻射條件下引燃的結論。針對霧化防凍液閃燃的風險和危害，探究出可采取防熱輻射、安全隔離等措施來進行火災預防，降低火災危險性。

同時，本文提出一種壓裂車防火隔離裝置的安全設計，并實踐探究其應用效果。機械廠共研制、安裝壓裂車臺上防火隔離裝置80 套，防火隔離裝置投入使用后，完全將儲存防凍液的水箱、液路管線等可能發生防凍液噴濺霧化泄漏部位與壓裂車發動機高溫部位的空間位置相隔離，降低了防凍液受到的熱輻射能量，消除了防凍液霧化閃燃的火災隱患。壓裂車防火隔離裝置結構合理、設計精巧，安裝在壓裂車上不改變外形尺寸、拆裝檢修方便、整潔美觀，通過自主設計創造了經濟效益、實現降本增效。壓裂車防火隔離裝置的安全設計極大地增強了設備本質安全，在落實各項壓裂提速提效保障措施和提升施工隊伍形象方面，推動作用明顯。