泄压式防爆外壳的研究.pdf

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1、6 亘)、，龟，泄压式防爆外 壳的研究 LAW RENCE W SCOTT，上 王五数 j 摘要 美国匹兹堡矿业局研究中心对R e t i m e t(一种不锈铜咆讳材科)用作防爆电器外壳中的阻灭器的性能 进行了调研 测定了 R e t i me t的 4个级别：即(1)4 s Nc 一1 3，(2)4 5 N c 7，(3)8 0 NC-1 3和(4)8 0 NC-7。爆炸混台 物 用动 态流 动系统 配制，在 9 7 的 甲烷一空 气 混 台物 中 对 R e t i me t 的 每 个级 别 进 行连 续 3 o次试 验，由低 压 电弧 引燃。Re t i me t 的 每十 扳l捌

2、都成功 地阻 止 了所 有 甲烷 一空 气 中的火焰 前 锋。为 了确 定一 个安 垒 系数 在 甲烷，氢 气和 生气的各种混合韵 中鹭所有 4 十擐别的 R e t i m e t 进行了连续 3 0 次试验 谖安垒系数确定为 S-T=z V L 式中V z 是 甲艟一氢气一生 气中的火焙前锋进度，V 刚是甲烷一空气中的火焰前锋进度。可以求出 R e t i m e 的每 十级别能 在甲 烷一氢 气一空气中安 垒工作 的展大氢 气浓度如 下：(1)4 5 Nc 一7缎 为 1 0 H 6 3 3 NCH。；(2)4 5 NC-1 3扳为 1 5 H一 一 7 5 CH4 (3)8 0 N C

3、?缓 为 2 0 H z 一 3 1 7 C H (4)8 0 Nc l 3缎为 2 5 H 一 l 5 s CH。引言 阻火器 是一种防止火焰从 一个 位置 向另一 个位置流动的装置，它的主要作 用是 吸收热能。通常称之 为阻火器 的元件要求阻火器组件 至少 能耗 散大量热量，以便熄灭燃烧 面。与固体 材料 相 比，气体通常是一种导热能 力很差 的热导体，固体 表面能把 只与其表面靠近的气体 的大 量热 量排出。熄灭距 离是 指最 大表面空 隙，在此 空隙 中，表 面排热将破坏 自动 传播前锋。因此，阻火 器必须具 有适 当的结 构，适 宜于 将火焰前锋分 断成具有 可熄 灭尺寸 的小火 舌

4、，并将这 些小火 舌熄灭。为了熄灭燃烧 前锋，要求必须熄灭 每个 小火舌。此外，如果炽热气 体通过阻火器 这些 热气体必须进行足够地冷却，以便在阻火器外 不会产生再次 引燃。阻火器通 常或由平行小 通道 或由小通道 曲 径组 成，用来给气流提供极 小的阻力。各种常用 阻火 器被 弯皱 成金属带状物、金属丝 网、压 缩金 属栅格、预打孔板和烧结金属栅板。这些形式中 有些用途 比较 广泛，有些则更具专I 1用途。现 已研 制 出称 之 为 R e t me t的材 料，这 种 材料具有适合用作阻火器 的特性。该 材料是一 种金 属泡沫，可 用具有互连 空穴 的各种 金属和 电气开关(1 9 9 2

5、 1-5)合金制成，具有很 大的空穴容量，且孔 隙尺 寸可 以改变。这样的结构 完全 可以用作防爆 电器外 壳 的阻火器，且 可 以用来降 低 由内部 甲烷 空 气混 合物爆炸而产 生的压 力。进行这项研究所 获 得的 试验结 果，在评 定 Re t i me t可 用 作轻 型泄压式 防爆 电器外壳 的一种阻火器时是非 常 适宜的。如果这种使用证明是成功的 刚会为其 使用确立一些安全 系数 阻火 器材 料 所试 验的 材料是 一种 蜂窝状 天 然物 资 可 描述为一种 由大量 相互 连接 的开 口晶粒组成 的三维骨架 网络 这 种结 构的一个显 著特 征是 金属 网只占总体积的 5 9 5

6、是 空穴在现有 的 机构中，生产 厂 引用的 4个标称 等级 已梭确 定，即：(1)4 5 NC一 7，(2)4 5 NC 一 1 3，(3)8 0 NC一 7 和(4)8 0 NC l 3 4 5 NC一 7 和 8 O Nc 一 7 的 厚度 为7 mm4 5 Nc 一 1 3 和 8 0 Nc 一 1 3的 厚度 为 1 3 mm。为 了确 定 Re t i n e t 的热特性、机械 特性 和物 理特性，已将样 品送 到 材料实验室 进行试 验。4 5 Nc 一 1 3级 的典型 特 性 如 下 热 特 性(1)热嘭胀系数：6 0 6 1 0。i n i n 。F 一45 维普资讯 h

7、ttp:/(2)热 传 导 率：0 1 5 0 B t u h f t。F (3)比热：0 1 5 8 B t u l b。F (4)熔化温度：2，4 0 1。F 机械特性(1)抗拉强度：2，0 5 9 p s i (2)断裂延 伸率(z i n)3 (3)抗压强 度(厚度的 4 0 )：2，7 0 0 p s i(4)抗弯强度：2，6 0 2 p s i (5)悬臂粱式冲击 强度：8 8 2 f t l b i n。物理特性(1)密度：0 2 9 3 1 b i n (2)在 空气的 速度 为 3 5 0 f t mi n时的压 力 降：0 4 4i n 试 验装 置和 试 验程 序 把 由

8、市场上 可买到的防爆外壳构成的试验 容 器(容积约 5 6 6升)连接到 一个 5升 圆形 外 壳上 使 用这种结构 的 目的是 想能获得 1 0 t 1 的容 积 比，已便确 定当 5升小 室中发生 引燃 时，新鲜气体能 否从 5 6 6升小室 中吸回，并第二次 引燃，但是，这种情况没有发生。图 l 试 验容 器简 图，储视 图 试 验容 器 安装 在 两 台 应变 仪压 力传感 器 上，其 输 出用 高 速 图表 仪 连续 记 录 用 Te l e d y n e-Ha s t i n g动 态气体 混合 装 置获 得爆炸 性 甲烷一 空气馄 合物。这些混合气体 在每次试验 前用红外 线分

9、析检验。甲烷一空气 混合物 燃烧 由位 于 5升小 室一端 的低 压电弧 引燃，用 一个 排气 螺纹 管排 泄燃烧 产 生的废物，或在点 火不 成功的情况下将爆 炸混合排泄到 外界环境 中。R e t i me t 阻火器 组 件是用 直径 为 3英 寸的 一4 6 一 一 圆形 材料零 件制造 的，如图 2所示。R e t i me t 的 这些元件 用法兰固定到附在 5升小室一端的 直 径 为 3 5英寸、长 为 5英 寸 的耐热 有机 玻璃 管 上(供视 频观察火焰前锋 用)(见 图 1)。在厚度 需要 增加 的情况 下，组 件应 安装在 三 个 1 2英 寸的 Re t i me t

10、零件上。安装 在 5 6 6升外 壳内一 端的窗孔可用来 在火焰前 锋接 近阻火器 时进 行 外 部 观 察 和 摄象。D 5 毒R，羹寸 图 2阻 失器组件 用 Re t i me t 材 料(外层 边缘 表示 原来 的颜 色、内圆 为氢 气试 验后 的 浅绿 色)在 5升 外 壳 内，用 两 个 间 距 为 6英 寸 的 L s 4 0 o光 电二极管测量火焰速 度 接近火焰 前锋 的光线 用光 电二 极管测定，然后 触发 电子 计数器 和示 波器，消逝 时 间除 传播距 离 即 为火 焰速度的单位。试 验 结果 当 用 9 7 5 甲烷一空气 混合物 时，对 R e t i me r 的

11、 4个级 别 即：(1)4 5 NC-7，(2)4 5 Nc 一 1 3，(3)8 O NC一 7和 8 0 NC-1 3进 行 了 3 0次 连 续试验 对与阻火 器接触 的火 焰前锋 的视觉观 察表明，在火焰 传播方 向的 每种情 况下 阻火器 明显发热约为其厚度的 一半，同时，在爆 炸过程 中观测的低频“峰鸣”噪音时间大 约为 5 s。这 种 噪声在 5 6 6升外壳 中发 生共 鸣 Re t i me t的定 期检查表明：重 量损失很小(几毫克)，虽然颜 色 稍有改变，但是没有 产生明显的 收缩和热 损伤。用 S P S S(社会科学的统 计单元)对 Re t i me t 电 气开

12、关(1 9 9 2 I 5)维普资讯 http:/ 的所有 4个级别试验结果进行 了统计分 折 R e-t i me t 成功地阻 止了在所 有情 况下豹火焰前锋 这些结果总结在 表 1中。衰 1 9 7 5 c H 一空气混合物中 R e t i me t的试验结暴 遗鹰，s)压 力 P-口 )压 力 P l(州)级别 乎均值 栝硅慵差 平均值 准伯差 平均值 准差 4 5 NC一 7 53 9 9 1 0 2 1 a 9 8 仉 50 l _ 蚰 m O Z 3 5 NC l 3 3 B 5 B 9 7 4 1 0 0 6 1 a m 0 2 2 B町 一 7 a9 9 1 7 9 Z 5

13、 0 6 0 71 1 3 吼 0 2 8 8 一 l 3 a1 5 3 7 9 5 B 6 m 4 1 4 0 m 0 3 0 蛙 l P l 为 Re i me T 点擂 墙的 峰值压 力 逆拉)P|为阻止火焰后的峰值压力 啊荫)4 5 NC 一 7 级火焰 速度最 高 压力最 小，该级 的孔 隙率 最大 厚度最薄。8 O Nc 一 1 3火焰速度 最小，压力最大。该级的孔 隙率最小，厚度最厚。这 与预期结 果一致。很 显然，对 于任 何厚 度来 说，最大密度(8 0级)提 供的某种 安全度要比 4 5 级大。为了获得 较高 的火焰速度，用各 种 甲烷 一 氢气混合物进行 了一系列试验 氢

14、气火焰速 度 明显高于甲烷火焰速度。甲烷氢气一空气中 和 甲烷一空 气 中的 速度 比值 显 示出与 Re t i me t 在 甲烷一空 气环 境 中使 用有关 的 合理 安全 裕 度。为了确 定所 用 甲烷一 氢气一 空气的理想配 比混合物，使用了 L e c h a t l i e r 定律，表示 为 C H。Gt+H：c t l 式 中C t 相 应 为 甲烷一 空气和 氢气一空 气 的 理 想配 比混合物。用下列理想配 比浓度对 R e t i me t的每个级别进行连续 3 o次试验：氨()甲烷()o 9 5 o 5 7 9 2 1o 6 3 3 15 4 7 5 2 O 3 1

15、7 25 1 5 8 3 O O 表 2总结了这 些试验结 果。电气开关(1 9 9 2 N 5)寰 2 甲壤一氯气一空气涅台鞠 中 R e t i me t 的试鞋培暴 太演擅 羊均蕾擅 m，-】聱全熏l 5 NC一7 1 O Hl-6 3 3，；C I|7 7 9 1 4 4 4 5 NC l 3 l s H=-4 7 5，；CH l l 7 6 2 6 O e0 Nc-7 2 0 H l-3 1 7 cH_ 1 a 7 1 3 3 8 0 NC ，1 3 2 s Hl l _ 5 e，6 CI L 6 0 1 9 l 在氢气浓度高于其最高指示浓度的场所，所有试验中均发生外部混合物引燃。录

16、象磁带 和 带 式 图纸 记 录仪 显示 出：这 些 引燃 均 由热(R e t i me t的高温)引起，而不是 由火焰 通过 R e t l me t 的通道 引燃。Re t i me t 不 能耗散 足够的热 量防止 引燃，甚至在其 已阻止 最初火焰 前锋 的 情况下也 不可 能防止引燃。火焰前锋到 达阻 火 器 正面 至外 部混合 物 的 引燃 之 间大 约 延时 2 5 s，特征 为热 引燃。进 一步 增加氢气 的浓度，使 其超 过发生 热 引燃 点的 浓度，导致 引燃 一闪而 过，说明速度 出了故障。假如爆炸 所产生的全 部热 量都传递到 Re-t i me t(支 持 组 件 为

17、 耐 热 有 机 玻 璃)，则 可 用 4 5 NC一1 3级 对 2 5 氢 气一 1 5 8 甲烷一空 气 混 合物进行 R e dme t 的温度 估算：Q；V (氨气 的 H)+V：(甲烷的 H)式 中V 一氢气体积，v 一 甲烷体积，H一燃烧 热量 Q一总热量。代 人数值：Q 一 0 0 5(5 7 8 k c a l mo l e)+0 0 0 3 1 4(2 1 2 7 9 k c a l mo l e)=3 5 6 k c a l(总热能)假定 Re t i me t吸收 了全 部 能量，对温 度求 解得：Q mc(rT1)TrT】=Q me =3 5 6 0 c a l 4

18、1 8 g(0 1 5 8 c a l g C)；5 3 9 3 9 假 定 Tl 为 2 5 ，则 Re t me t 的温 度 T2 为 5 6 4 3 9。该温度远远高于 甲烷(5 4 0)和氢气(4 0 0)的 自燃 温度，这是热 引燃与 闪燃相反的 原 因。虽然速度 比值 用于规 定现在工作 中的安 47 维普资讯 http:/ 全 系数，但是 当 确定 R e t i me t在阻 止火馅 方面 的特 点时，特别 是在除 甲烷 外的可燃性 气体中 使用 的特 点时 自燃温 度可 能是一 个更 可行的 参 数。事 实 表 明，8 0 NC l 3 比 8 O NC 一 7和 4 5

19、Nc 一 1 3的 安 全 性 差，但 是 必 须 记 住，8 0 Nc1 3孔隙率 最低，速度 比最小，但 能经受 住更高的最大浓度，因而具有更高的火焰温度。结论 一般说来 Re t i me t 不 锈钢 泡沫 材料在 目前 的试验 中完全 可用 作阻火 器，在使 用 甲烷一空 气混合物 的所有试验 中，尽管颜 色稍 有改变，但 没有 明显的热损伤和显著的收缩。在 用 甲烷一氢气一 空气 混 合物 试验 中，可 见到两种故障类型：(1)热故 障。(2)闪燃 故障。当氢气浓 度增加 时，Re fi r a e t的温度 增高，火焰 速 度加快。超 过表 2所规定 的最大浓度时，贝 发 生热引

20、燃。氢气浓度进一步增加，就产 生引燃一 闪即逝，即 闪燃，表 明速度故 漳。Re fime t 不能完 全地阻止这 些高 速的火焰 前锋。应 当注意，在所 有试验 中 如果 Re t i me t 故 障，就 可观 察到 明显 的热损 伤 而且颜 色 会有急 剧变化(由纯灰色变 成深 绿 色)这说 明发 生 了极 大 的氧化 作用(不 锈钢中镍的典型特征)。因为 Re fi me t 的初 始故 障类型 是 由引燃 引 起，所 建议研 究适 台 R e t i me t 的散热技 术。如 果 能大 幅 度 降 低 Re t i me t的 温 度，则 Re t me t 能安全地工作的 甲烷一

21、氢 气一 空气 混 台物 的最 大浓 度将 明显提 高 因而相 应增 加 了 甲烷一 空 气浓度的安全裕度。同样，由于高速火焰 前锋团 结构原 因不会 在 常规防爆 外壳 中产 生，所 必 须确 定：确 定安全 系数 的基础 是 温度而 不是火 焰传播速度。王 玉 凯 译 蒋宏 辉校 低压电嚣 征订 启事 低压电器 为机械 电子工业 部郭批刊物 双 月刊，是低压 屯器专 业综台性 技术 刊物，曾 获 1 9 9 0 1 9 9 1年度 上海 市优 秀科 技期刊 奖，1 9 9 1 1 9 9 2年 度 机 电部 优 秀科 技 期 刊 二 等 奖，并 已由机电部推荐 申报参 加首届全国优秀 科

22、技期刊 评 比。主要登载 全国低 压 电器的 昕 究、设计、工艺、选用、维 修、试验、质量管理、节 能和国内外标准动态等主要内容，同时还刊登 国 外 低压 电 器理 论、技术 开 发 动 态及 主 要 译 文 内容丰富、实 用、通俗 精练，适 台广 大科 研、设计、使用 人员及专 业院 校师生、电工阅读 欢 迎 单 位 和个 人 订 闻。代号 4 2 0 0，邮政 编码 2 0 0 0 6 3，公开发 行。邮 局从 1 9 9 2年 1 1月起 征 订 1 9 9 3年上 半年 订 户 截 止 日期 1 1月底 根 据邮局规定、每 半年 征订一次，不能破季 订阅 敬请广大读 者注 意，请 勿漏订。低 压 电器 编辑 部 电 气开 关(1 9 9 2 5)维普资讯 http:/