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油气爆炸抑制技术发展综述

由于油气的易燃易爆性,发生在油气工艺生产和储存场所的重大安全事故一般都伴随着油气爆炸,因此各国都非常重视油气爆炸抑制技术的研究。近年来,随着研究深度的不断增加和研究范围的日益扩展,在阻隔爆、抑爆和泄爆三个方面取得了许多高水平的油气爆炸抑制技术研究成果。

阻隔爆技术

阻隔爆技术是将阻隔爆材料加入到储存易燃易爆液体或气体容器中,利用其具有良好的火焰受阻效应、热传导效应、自由基“器壁吸附”效应以及降温效应,达到有效防止爆炸事故的目的。阻隔爆技术是有效地减弱或控制爆炸灾害的重要手段,在油气爆炸防治实践中经常使用HAN阻隔防爆技术、阻火器等装置来达到阻隔爆的功效。

HANHypostasis Anchor-hold No-explosion,本质安全不爆炸)阻隔防爆技术是根据爆炸反应的这种特性将盛装汽油等危险物品的容器内部空间采用合金的阻隔防爆材料制成或后期改造成网格状蜂窝结构,这种网格状蜂窝结构的阻隔防爆材料能够阻隔火焰在容器内部的传播从而达到防爆的目的。HAN阻隔防爆技术使用的防爆材料按性质可分为金属类材料(如钛合金、铜合金、铝合金等)、非金属类材料(如聚脂、聚醚等)和复合材料(如应用纳米技术、涂覆技术的材料)。这些材料能够俘获有焰燃烧链式反应过程中的游离基,从而中断燃烧的传播起到防爆作用。目前该技术在地埋油罐、运油车、集装罐、橇装加油装置、便携储罐等方面取得了很好的应用效果。需引起注意的是:这种技术无法俘获发生在容器外有焰燃烧链式反应过程中的游离基,不能阻隔发生在容器外的燃烧反应的传播,如果其盛装的可燃液体(或蒸气)、可燃气体发生了泄漏,这些可燃液体的蒸气、可燃气体仍能在容器外发生爆炸或燃烧,这给HAN 阻隔防爆技术的应用带来了一定的局限。另外,虽然 HAN 阻隔防爆材料还有能抑制容器内可燃液体蒸发速度、消除可燃液体在运输过程中的“浪涌”、抑制运输过程中静电的产生等作用,但都能采用其它廉价方法发挥这些作用,应用时我们还是主要考虑它的阻隔防爆作用。

阻火器是1928年首先应用于石油工业,其作用是阻止在非正常条件下爆燃或爆轰火焰传播,并使火焰淬熄,从而防止发生燃气爆炸事故。其基本工作原理为淬熄,当火焰、热气体快速穿过阻火器时,通过阻火元件的孔壁向外释放热量,火焰、热气体在完全穿过阻火器之前充分冷却,实现阻火。阻火器由外壳、阻火芯及附属配件组成。阻火器按阻火芯件的不同可分为金属网型、波纹型、平行板型、多孔板型、焊接金属蜂窝型、泡沫金属型、充填型和水封型等结构。为了增强阻火器的阻隔爆性能,国内外许多学者和专家从理论和结构方面对其进行了大量研究。例如,W.Payman等用混合气体作了火焰通过小直径管道时的淬熄研究,结果表明火焰穿越小直径管道的能力主要取决于火焰的传播速度;喻健良等在内径81mm、长度从1.42.9m 可调的一端封闭、一端开口的圆形管道中研究了多层丝网结构对开敞空间内混合可燃气体压力波的抑制作用规律及较高火焰速度时火焰淬熄过程,得到了描述丝网几何参数(目数、层数、金属丝直径等)与临界淬熄速度之间规律的经验公式;周凯元等对我国上世纪80年代末期研制的波纹板阻火器的阻火性能作了实验研究,并从理论模型研究中所得到的结论出发导出了正三角形波纹高度、波纹板阻火器的阻火芯厚度与爆燃火焰速度的关系,给出了适用于IIA类可燃气体与空气混合物爆燃火焰的阻火器参数计算公式。

抑爆技术

抑爆技术是在爆炸气氛中加入抑爆剂,一方面可使爆炸气氛中氧组分被稀释,减少可燃物质分子和氧分子作用的机会,同时也能使可燃物组分同氧隔离,在它们之间形成一层不燃的屏障,当活化分子碰撞抑爆剂时,会使活化分子失去活化能而不能反应;另一方面,若燃烧反应已经发生,加入抑爆剂后可使产生的游离基与抑爆剂发生作用,使其失去活性导致燃烧连锁反应中断,同时,抑爆剂还大量吸收燃烧反应放出的热量,使热量不能聚集,燃烧反应不能蔓延到其它可燃组分分子上去,从而实现对燃烧反应的抑制。抑爆技术中采用的抑爆剂除了氩气、氮气和二氧化碳等常见惰性气体之外,还包括水蒸气、卤代烃气体、化学干粉及矿岩粉等。从抑制作用机理上看,氩气、氮气、二氧化碳、水蒸气、矿岩粉等属于降温缓燃型的物理抑爆剂。它们不参与爆炸气氛可燃物质组分的燃烧反应,而是通过夺走部分反应热使燃烧反应速度减慢,燃烧反应温度急剧降低,当温度降低到维持燃烧反应所需的极限温度之下时,燃烧反应将停止,爆炸过程被中断,从而达到控制爆炸的效果。诸如卤代烃、化学干粉则属于化学抑爆剂,其主要作用机制是使燃烧过程中的连锁反应中断,从而使燃烧过程停止爆炸传播,达到控制爆炸的效果。

为了增强抑爆技术的可靠性和实用性,许多学者和专家对此进行了深入地研究。例如,陈思维等通过试验模拟研究了惰性气体抑制油气爆炸的作用规律,为惰性气体防爆抑爆技术的工艺实施、系统设计和关键参数计算提供了理论依据。徐斌对船舶航空煤油舱采用贮存二氧化碳作为抑爆介质进行了分析和探讨, 并设计了较为可行的航空煤油舱CO2抑爆系统。当船舶在实际遇到危险并有可能危及航空煤油舱或可能引起航空煤油舱内油气爆炸或航煤燃烧时, 可开启相应油舱的填充阀,向航空煤油舱内填充二氧化碳气体,从而隔离油面与氧气的接触。胡传东在分析了充填防爆泡沫、液氮(LNZ)惰化系统、海伦惰化系统等现行的飞机油箱主要防爆技术基础上,介绍了基于空分技术的机载惰性气体产生系统。它是以空气为原料,直接产生大量的富氮空气,惰化油箱,具有有效的抑爆作用。

泄爆技术

泄爆技术是指在爆炸初始阶段或爆炸扩展时,采取使本来密闭的装置暂时地或持久地往无危险方向敞开的一切措施,也就是通过泄爆口将内部高压已燃和未燃混合油气释放到外部空间中,使内部压力迅速降低,以防爆炸。石油化工行业针对单个容器通常采用安全泄压装置作为泄爆的手段,这些安全泄压装置普遍具有如下性能。当容器在正常的工作压力下运行时,它保持严密不漏,而一旦容器内压力超过规定,它就能自动地、迅速地、足够量地把容器内的气体排出,使容器内的压力始终保持在最高许可压力范围以内。安全泄压装置按其结构可以分为断裂型、阀型、熔化型和组合型等几种。

近年来, 断裂型安全泄压装置中的爆破片安全泄放技术在国内正逐渐完善,国内引进的成套化工装置上的国外爆破片已基本上实现国产化,代表国内先进水平的大连理工大学安全装备厂可生产31200mm10-3100MPa的各种型式爆破片,其精度接近国际先进标准的要求。目前针对爆破片安全泄放技术国家已给出标准,但这个标准只给出化工设备内介质物理超压时的安全泄放设计方法,而化学爆炸超压时的安全设计还没有统一的设计方法,有关泄放的研究还没有形成一致的结论。为此,吴龙全等结合相关规范,根据气体动力学及流体力学原理对爆破片装置流体阻力系数测定和计算进行了推导,给出了计算公式,并利用液体阻力系数法计算爆破片的泄放量。另外,为了增强安全阀的使用效能,毕明树等针对当前安全阀离线检测技术在实际应用中的不足之处,研制了新型安全阀在线检测装置。该技术和装置集安全阀技术和计算机控制技术的优越性于一身,延长了安全阀的使用寿命,也解决了安全阀的泄漏问题,具有携带方便、检测结果准确、可靠、检测依据充分、记录完整、检测过程不影响装置的正常运行等特点。刘锡光介绍了一种利用外接气源,向安全阀瓣与爆破片形成的隔离腔内直接充压,对安全阀进行在线检测的方法。该方法具有压力直接作用、检测结果准确、操作简单、不排放有害介质,且不易损坏安全阀的优点,适用于粘性大及含有固体颗粒等介质场合,有很好的推广应用价值。

结束语

综上所述,油气爆炸抑制技术在阻隔爆、抑爆和泄爆方面取得了许多研究成果,对于有效地预防和控制油气爆炸事故的发生,降低事故中的人员伤亡和减少财产损失具有重要的意义。但是,有些技术还停留在实验阶段,缺乏理论支持;有些技术只适合在特定的环境中运用,而对于一些复杂的条件下的油气爆炸难以有效地进行控制;有些技术则没有考虑环保方面的要求,把有毒有害气体直接排放到大气中去……

因此,今后开展油气爆炸抑制技术研究将朝以下几个方面发展。

1)相关油气爆炸抑制技术的理论研究。例如,开展对新型材料和结构的阻火器、惰性气体和水雾等对油气爆炸抑制机理的分析,为这些技术尽快地投入到实际应用中提供理论基础。

2)复杂条件下油气爆炸抑制技术的研究。由于油气爆炸过程的复杂性和随机性,而现在大部分油气爆炸抑制技术的研究是在较为简单的特定条件下进行,难以适应复杂的油气工艺生产和储存场所,所以很有必要针对复杂的实际情况进行研究。

3)环保型油气爆炸抑制技术的研究。目前,泄爆技术通常把超压的油气排放到空气中会造成环境污染,抑爆技术中采用卤代烃系列产品作为抑爆剂也极易破坏环境……因此,随着人们环保意识的增强,在油气爆炸防治中急需开展环保型油气爆炸抑制技术的研究。

4)简单、经济、适用的油气爆炸抑制技术研究。

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