防火与防爆安全装置
出处：按学科分类—政治、法律 中国商业出版社《最新单位消防工作实务全书第一卷》第187页（7977字）
防火与防爆安全装置主要有阻火装置、泄压装置和指示装置等。
(一)阻火装置
阻火装置的作用是防止火焰窜入设备、容器与管道内，或阻止火焰在设备和管道内扩展。其工作原理是在可燃气体进出口两侧之间设置阻火介质，当任一侧着火时，火焰的传播被阻而不会烧向另一侧。常用的阻火装置有安全水封、阻火器和单向阀。
1．安全液封
这类阻火装置以液体作为阻火介质。目前广泛使用安全水封，它以水作为阻火介质，一般装置在气体管线与生产设备之间。常用的安全水封有开敞式和封闭式两种。
(1)开敞型安全水封。其构造和工作原理如图2－4－4所示，它由罐体1和两根管子——进气管2和安全管3组成，管3比管2短些，插入液面较浅。正常工作状态时，可燃气体经进气管2进入罐内，再从出气管5逸出，此时安全管里的水柱与罐内气体压力平衡。发生火焰倒燃时，由于进气管插入液面较深，安全管首先离开水面，火焰被水所阻而不会进入另一侧。
图2－4－4 开敞式安全水封示意图
1－罐体；2－进气管；3－安全管；4－水位截门；5－出气管
图2－4－5所示为安全管与进气管同心安置的开敞式安全水封，它的结构比较紧凑，其工作原理与上述安全水封相同。图中水位计用以观察罐内的水量是否符合要求；分水板7为减少进气时引起水的剧烈搅动，避免形成水泡；分水板4促使气水分离，避免可燃气出气时带水过多。
图2－4－5 安全管与进气管同心安置的开敞式安全水封
1－水位计；2－进气管；3－出气管；4－分水板；5－水封安全管；6－罐体；7－分气板
开敞式安全水封适用于压力较低的燃气系统。
(2)封闭式安全水封。其构造和工作原理如图2－4－6所示。正常工作时，可燃气体由进气管9流入，经逆止阀8、分气板7、分水板4和分水管3(减少乙炔带水现象)，从出气管1输出。发生火焰倒燃时，罐内压力增高，压迫水面，并通过水层使逆止阀作瞬时关闭，进气管暂停供气；同时，倒燃的火焰和气体将罐体顶部的防爆膜2冲破，散发到大气中。由于水层也起着隔火作用，因此能比较有效地防止火焰进入另一侧。
图2－4－6 封闭式安全水封
1－出气管；2－防爆膜；3－分水管；4－分水板；5－水位阀；6－罐体；7－分气板；8－逆止阀；9－进气管
逆止阀在火焰倒燃过程中只能暂时切断可燃气气源，所以在发生倒燃后，必须关闭可燃气总阀，更换防爆膜，才能继续使用。
封闭式水封适用于压力较高的燃气系统。
(3)安全液封的计算。
①进气管内径d1
式中：G——可燃气体流量，m3／h；
v——进气管中气体的平均速度，m／s
②安全管内径d3(mm)
当管子同心安置时：
d3=(1．4～1．5)d2
当管子并排安置时：
d3=(0．8～1．2)d1
两式中的d1、d2分别为进气管的内径和外径。
③罐体内径D
式中：v1——罐体内气体的平均速度，m／s。
④罐体壁厚b
开敞型：
封闭型：
式中：p——设计压力，Mpa；
D——罐体内径，mm；
t0——许用应力，Mpa；
Φ——焊缝系数，取0．7；
C——锈蚀附加量，一般取0．5mm。
⑤气室高度h2
为了保证把可燃气体中所带走的小水珠充分地分离出来，需给所形成的气水乳液分配一定的容积，气室高度按下式选取：
对于开敞型，h2=(1～3．5)D mm
对于封闭型，h2=(1．1～3．8)D mm
高度h2的较小数值，适用于具有分水板(器)的回火防止器。
⑥水室高度h1
开敞型，h1=(0．45～1．3)D mm
封闭型，h=(1．85～3)D mm
在选择开敞型的h1值时，应使得罐体中一部分水排到安全管中，并达到相当于罐体里气体最高压力的H值。此时，罐体中的水平面仍然要高于安全管的下端面。
⑦气体分配板的孔径d0
式中：v0——分气板孔中气体的许用平均速度，m／s；
z——分气板的孔数。
(4)使用安全要求
①使用安全水封时，应随时注意水位不得低于水位计(或水位截门)所标定的位置。但水位也不应过高，否则除了可燃气体通过困难外，水还可能随可燃气体一道进入出气管。每次发生火焰倒燃后，应随时检查水位并补足。安全水封应保持垂直位置。
②冬季使用安全水封时，在工作完毕后应把水全部排出、洗净，以免冻结。如发现冻结现象，只能用热水或蒸汽加热解冻，严禁用明火或红铁烘烤。为了防冻，可以水中加少量食盐以降低冰点(溶液内含食盐量为13．6%时，冰点为－10．4℃；22．4%时，为－21．2℃)。
③使用封闭式安全水封时，由于可燃气体(尤其是碳氢化合物)中可能带有粘性油质的杂质，使用一段时间后容易糊在阀和阀座等处，所以需要经常检查逆止阀的气密性。
2．阻火器
这类阻火装置的工作原理是：火焰在管中蔓延的速度随着管径的减小而减小，最后可以达到一个火焰不蔓延的临界直径。按照热损失的观点来分析，管壁受热面积和混合气体积之比为：
当管径为10cm时，其比值等于0．4。当管径为2cm时，其比值等于2。由此可见，随着管子直径的减少，热损失就逐渐加大，燃烧温度和火焰传播速度就相应降低。当管径小到某个极限值时，管壁的热损失大于反应热，从而使火焰熄灭。阻火器就是根据上述链式反应理论的原理制成的，即在管路上连接一个内装细孔金属网或砾石的圆筒，则可以阻止火焰从圆筒的一侧蔓延到另一侧。
影响阻火器性能的因素是阻火层的厚度及其孔隙直径和通道的大小。某些气体和蒸气阻火器孔隙的临界直径如下：甲烷0．4～0．5mm，氢及乙炔0．1～0．2mm，汽油及天然石油气0．1～0．2mm。
金属网阻火器如图2－4－7所示，是用若干具有一定孔径的金属网把空间分隔成许多小孔隙。对于一般有机溶剂采用4层金属网已可阻止火焰扩展，通常采用6～12层。
图2－4－7 金属网阻火器
1－阀体；2－金属网；3－垫圈；4－上盖；5－进口；6－出口
砾石阻火器是用砂粒、卵石、玻璃球或铁屑、铜屑等作为填充料，这些阻火介质使阻火器内的空间被分隔成许多非直线性小孔隙，当可燃气体发生倒燃时，这些非直线性微孔能有效地阻止火焰的蔓延，其阻火效果比金属网阻火器更好。阻火器的内径与内壳长度和管道直径的关系见表2－4－1。阻火介质可采用3～4mm直径的砾石，也可用小型金属环、陶土环或玻璃球等。
表2－4－1 阻火器的内径和外壳长度与管道直径的关系
3．单向阀
单向阀亦称逆止阀。其作用是仅允许可燃气体或液体向一个方向流动，遇有倒流时即自行关闭，从而避免在燃气或燃油系统中发生流体倒流，或高压窜入低压造成容器管道的爆裂，或发生回火时火焰的倒袭和蔓延等事故。
在工业生产上，通常在系统中流体的进口与出口之间，与燃气或燃油管道及设备相连接的辅助管线上，高压与低压系统之间的低压系统上，或压缩机与油泵的出口管线上安置单向阀。
(二)泄压装置
泄压装置包括安全阀和爆破片。
1．安全阀
安全阀的作用是为了防止设备和容器内压力过高而爆炸，包括防止物理性爆炸(如锅炉压力容器、蒸馏塔等的爆炸)和化学性爆炸(如乙炔发生器的乙炔受压分解爆炸)。当容器和设备内的压力升高超过安全规定的限度时，安全阀即自动开启，泄出部分介质，降低压力至安全范围内再自动关闭，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气时，产生动力声响，还可起到报警的作用。
安全阀按其结构和作用原理分为静重式、杠杆式和弹簧式等。目前多用弹簧式安全阀，其结构如图2－4－8所示。它由弹簧1、阀杆2、阀芯3、阀体4和调节螺栓5等组成。弹簧式安全阀是利用气体压力与弹簧压力之间的压力差变化，来达到自动开启或关闭的要求。弹簧的压力由调节螺栓来调节，这种安全阀有结构紧凑、轻便和灵敏可靠等优点。
图2－4－8 弹簧式安全阀
1－弹簧；2－阀杆；3－阀芯；4－阀体；5－调节螺栓
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、粘性杂质及其他物料堵塞粘结；应经常检查是否有漏气或不停地排气等现象，并及时检修。安全阀漏气的原因一般是密封面被腐蚀或磨损而产生凹坑沟痕，阀芯与阀座的同心度由于安装不正确或其他原因而被破坏，以及装配质量不好等。
设置安全阀时应注意下列几点。
(1)压力容器的安全阀最好直接设在容器本体上。液化气体容器上的安全阀应安装于气相部分，防止排出液态物料，发生事故。
(2)如安全阀用于排泄可燃气体，直接排入大气，则必须引至远离明火或易燃物，而且通风良好的地方，排放管必须逐段用导线接地以消除静电的作用。如果可燃气体的温度高于它的自燃点，应考虑防火措施或将气体冷却后再排入大气。
(3)安全阀用于泄放可燃液体时，宜将排泄管接入事故贮槽、污油罐或其他容器；用于泄放高温油气或易燃、可燃液体等遇空气可能立即着火的物质时，宜接入密闭系统的放空塔或事故贮槽。
(4)室内的设备如蒸馏塔、可燃气体压缩机的安全阀、放空口宜引出房顶，并高于房顶2m以上。
2．爆破片
爆破片又称防爆膜、泄压膜，是一种断裂型的安全泄压装置。它的一个重要作用是当设备发生化学性爆炸时，保护设备免遭破坏。其工作原理是根据爆炸过程的特点，在设备或容器的适当部位设置一定大小面积的脆性材料(如铝箔片等)，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。
爆破片的另一个作用是，如果压力容器的介质不洁净、易于结晶或聚合，这些杂质或结晶体有可能堵塞安全阀，使得阀门不能按规定的压力开启，失去了安全阀泄压作用，在此情况下就只得用爆破片作为泄压装置。
此外，对于工作介质为剧毒气体或在可燃气体(蒸气)里含有剧毒气体的压力容器，其泄压装置也应采用爆破片，而不宜用安全阀，以免污染环境。因为对于安全阀来说，微量的泄漏是难免的。
爆破片的安全可靠性决定于爆破片的厚度、泄压面积和膜片材料的选择。
设备或容器运行时，爆破片需长期承受工作压力、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，当受到爆炸波冲击时，易于破裂；厚度要尽可能的薄，但气密性要好等。爆破片的材料有石棉板、塑料、铝、铜、橡皮、碳钢、不锈钢等，应根据不同设备的工作介质、压力、温度等技术参数，合理选择。
爆破片应有足够的泄压面积，以保证膜片破裂时能及时泄放容器内的压力，防止压力继续迅速增加而导致容器发生爆炸。一般按1m3容积取0．035～0．18m2，但对氢和乙炔的设备则应大于0．4m2。
爆破片的厚度可按下式计算：
式中 δ——爆破片厚度，mm；
p——设计的爆破压力，pa；
D——泄压孔直径，mm；
K——应力系数，根据不同材料选择，
铝：2．4×103～2．9×103(温度＜100℃)
铜：7．7×103～8．8×103(温度＜200℃)
其中当材料完全退火，膜片厚度较薄时，K值取下限值。
安装于室内的设备，其工作介质为可燃易爆物质或含有剧毒物质时，应在爆破片上接装导爆筒，并使其通向室外安全地点，以防止爆破片破裂后，大量可燃易爆物质和剧毒物质在室内扩散，扩大火灾爆炸和中毒事故。设备的工作介质具有腐蚀性时，应在膜片上涂上聚四氟乙烯防腐剂。
对于泄压孔直径较大的爆破片，当厚度很薄时，往往会有鼓包现象。为避免采用过薄的爆破片，可在爆破片上刻划刀痕或滚花。加工后的爆破片，强度会发生变化，其爆破压力可按下式计算：
铜：δ=0．226×0．001×p×D
铝：δ=0．79×0．001×p×D
式中δ为加工后的爆破片的剩余厚度，cm。
应当指出，爆破片的可靠性必须经过爆破试验鉴定。铸铁爆破片破裂时，会发生火花，因此采用铝片或铜片比较安全。
凡有重大爆炸危险性的设备、容器及管道，都应安装爆破片(例如气体氧化塔、球磨机、进焦煤炉的气体管道、乙炔发生器等)。
(三)指示装置
用于指示系统的压力、温度和水位的装置为指示装置。它使操作者能随时观察了解系统的状态，以便及时加以控制和妥善处理。常用的指示装置有压力表、温度计和水位计(或水位龙头)。图2－4－9所示为弹簧管压力表，当气体流入弹簧弯管时，由于内压作用，使弯管向外伸展，发生角位变形，通过阀杆6和扇形齿轮7带动小齿轮8转动。小齿轮轴上装有指针，指示设备或系统内介质的压力。
图2－4－9 弹簧管式压力表
1－弹簧弯管；2－支座；3－表壳；4－接头；5－游丝；6－阀杆；7－扇形齿轮；8－小齿轮
压力表的使用应注意下列几点。
1．应经常注意检查指针转动与波动是否正常，如发现有指示不正常的现象时，应立即停止使用，并报请维修。
2．压力表应保持洁净，表盘上的玻璃明亮清晰，指针所指示的压力值能清楚易见。安全检查的情况表明，许多单位的压力表没有达到这一要求，有的表盘刻度模糊不清，有的表盘上没有指针，失去了压力表的作用。
3．压力表的连接管要定期吹洗，防止堵塞。
4．压力表应定期校验。