CN115645789A - 一种管道爆轰阻火器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道爆轰阻火器，包括壳体组件、运动组件、阻火元件。壳体组件包括法兰、壳体套管、壳体、中法兰、限位块、壳体节流孔、导向架、吸附板。运动组件包括挡板、运动直管、运动弹簧座、弹簧、运动节流孔、先导孔。阻火组件包括筒、压板、固定弹簧座、阻火元件、密封垫、过流孔。本发明通过挡板、节流孔、吸附板、先导孔的设置，将阻火器内空间划分为主腔、节流吸附腔、预燃腔，将爆轰火焰冲击波分别用挡波回弹、减压吸附、先导预燃三种型式予以能量耗散，将爆轰冲击波的能量大幅衰减，减弱对阻火元件的冲击作用。无爆轰发生的正常工况时，经由弹簧作用提升流道面积，使得流经阻火器的介质压力降大大减小，提升流通能力。

Description

一种管道爆轰阻火器

技术领域

本发明属于阻火防爆领域领域，具体涉及一种阻火器。

背景技术

阻火器是有效切断可燃气体管线、储罐燃烧传播的重要设备。正常工况时允许气体通过，仅产生微小压降，紧急工况时阻止火焰传播。广泛应用于石油天然气开采、储运、炼制，煤化工和制药等行业。

当管道内的可燃气体被点燃时，随着传播距离的增加，封闭空间内火焰前锋的压力和速度迅速提升，火焰经由爆燃转变为爆轰。通过控制阻火芯的型式和特征参数，可以提升阻火元件的传热能力，能在阻火芯两侧建立显著的温度梯度，因而热量无法持续累积，被保护侧温度始终低于燃点而无法燃烧，达到阻断火焰传播的目的。

然而，多数生产厂商为了保证阻火器的阻火性能，仅通过控制阻火芯的特征参数来提升阻火能力。如对于波纹板阻火器，仅通过减小单元高度和增加阻火芯的数量来达到阻火的目的。这带来了另一个问题，阻火器的常用场景为无火焰传播的正常工况，阻火芯单元高度的减小和数量增加必然导致正常工况时流动能力变差，压降增大，影响用户正常使用。为了同时保证阻火和压降性能，生产厂商被迫通过扩大阻火芯直径的办法降低流动压降，但一方面降压效果有限，另一方面阻火器的制造成本大幅上升。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种管道爆轰阻火器，其阻火性能可靠、流动压降小、制造简便。

本发明的目的在于通过挡板、节流孔、吸附板、先导孔的设置，将阻火器内空间划分为主腔、节流吸附腔、预燃腔3部分，将爆轰火焰冲击波分别用挡波回弹、减压吸附、先导预燃3种型式予以能量耗散，将爆轰冲击波的能量大幅衰减，减弱对阻火元件的冲击作用。无爆轰发生的正常工况时，经由弹簧作用提升流道面积，使得流经阻火器的介质压力降大大减小，提升流通能力。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

所述管道爆轰阻火器包括壳体组件、运动组件、阻火组件。壳体组件设置两个，分别位于阻火组件的两侧，至少一个壳体组件内安装运动组件。所述壳体组件由法兰、壳体套管、壳体、中法兰、限位块、壳体节流孔、导向架、吸附板组成。所述运动组件由挡板、运动直管、运动弹簧座、弹簧、运动节流孔、先导孔组组成。所述阻火组件由筒、压板、固定弹簧座、阻火元件、密封垫、过流孔组成。

所述壳体套管与壳体连接，法兰连接于壳体套管的端部，法兰用于连接外接管道，限位块连接于壳体内、用于对运动组件限位；运动直管位于壳体管套内、且与壳体套管之间沿着自身轴线方向滑动连接，挡板固定连接于运动直管靠近阻火组件的一端，挡板位于限位块背离阻火组件的一侧，弹簧连接于挡板与阻火组件之间；壳体套管开设壳体节流孔，运动直管开设运动节流孔，壳体节流孔与运动节流孔相对，挡板位于运动直管外圆周面外的部分开设过孔，挡板在正对运动直管端部的位置开设多个先导孔。

所述壳体内设有导向架，导向架位于吸附板内侧，导向架为镂空结构，支撑块固定连接于导向架的内壁。

所述运动直管与导向架之间沿着运动直管的轴线滑动连接。

所述中法兰连接于壳体靠近阻火组件的一端，阻火组件位于两个壳体之间，两个壳体之间通过中法兰连接。

所述壳体套管和运动直管内的空间为主腔，壳体与壳体套管之间、且在档板背离阻火组件的一侧的空间为节流吸附腔，档板朝向阻火组件的一侧空间为预燃腔。

优选的，正常工况时，运动组件的挡板在弹簧弹力的作用下与壳体套管的端部贴合，主腔、节流吸附腔、预燃腔构成强流动能力的低压降流道。

优选的，正常工况时，挡板与限位块的距离达到最大间距L。最大间距L 与阀门端口公称直径DN的关系为DN/5≤L≤DN/3，法兰接外接管道的端部为阀门端口。

优选的，所述端口的入口面积为S_DN，所述壳体节流孔、运动节流孔的面积相等，面积为S₁，挡板上过孔的总面积为挡板的过流面积，所述挡板的过流面积为S₂。需满足S_DN≤S₁，S_DN≤S₂。

优选的，爆轰冲击波到达阻火器时，所述运动组件能对爆轰冲击波做出响应，响应方式为所述挡板以导向架为导向，沿轴向压缩弹簧，直到到挡板与限位块接触，到达限位位置。

优选的，爆轰冲击波到达阻火器时，一部分经由挡板反弹回爆轰上游，另一部分经由节流孔去往节流吸附腔，还有一部分经由先导孔进入预燃腔。

优选的，所述挡板到达限位位置时，壳体节流孔与运动节流孔的重叠面积为S₃，需保证S₃＞0。经节流孔节流减压后，爆轰冲击波的能量被削弱。

优选的，所述壳体节流孔、运动节流孔为矩形，沿轴向截面的孔长为a，垂直轴向截面的孔长为b。需满足a＞L。

优选的，所述壳体内表面设有吸附板，用于吸收压力波，削弱爆轰能量。

优选的，所述挡板上的先导孔组直径为d，用于预燃腔内气体的预燃，需保证d≤d_max，d_max根据试验数据获得，为使压力波和火焰前峰解耦的临界直径。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

1、本发明通过挡板、节流孔、吸附板、先导孔的设置，将阻火器内空间划分为主腔、节流吸附腔、预燃腔3部分。正常工况时，经由弹簧作用提升流道面积，流体依次经由主腔、节流吸附腔、预燃腔流至阻火元件，整个过程流动面积无缩小，使得流经阻火器的介质压力降大大减小，提升流通能力。

2、爆轰发生时，阻火器将爆轰火焰冲击波分别用挡波回弹、减压吸附、先导预燃3种型式予以能量耗散。挡板将部分爆轰压力波回弹，起到减压的作用，同时部分火焰通过先导孔进入预燃腔，此时火焰周围已无高压冲击波，低速火焰将预燃腔内的燃料提前燃烧完。节流孔在改变流动方向的同时降低压力，耗散能量。吸附板通过特定的吸附结构和吸附材料，削弱爆轰波的横波部分，进一步降低节流后的压力。最终，火焰从节流吸附腔进入已预燃过的预燃腔，而后到达阻火元件处，此时爆轰已完全或部分转变为爆燃状态。

3、经过挡波回弹、减压吸附、先导预燃3个过程，到达阻火元件的爆轰冲击波已全部或部分转变为爆燃状态，此时仅使用较少数量的阻火元件即可完成阻火，进一步减小了正常工况时的流动损失，实现了在不扩大阻火元件直径的前提下，降低压力降的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例中的阻火器正常工况示意图；

图2为图1中的阻火器抵抗爆轰状态时内件位置的示意图；

图3为挡板示意图；

图4为壳体套管示意图；

图5为运动套管示意图。

附图标记：1、壳体组件；2、运动组件；3、阻火组件；4、主腔；5、节流吸附腔；6、预燃腔；7、阀门端口；11、法兰；12、壳体套管；13、壳体；14、中法兰；15、限位块；16、壳体节流孔；17、导向架；18、吸附板；21、挡板； 22、运动直管；23、运动弹簧座；24、弹簧；25、运动节流孔；26、先导孔； 31、筒；32、压板；33、固定弹簧座；34、阻火元件；35、密封垫；36、过流孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：

本申请实施例公开一种管道爆轰阻火器，如图1所示，包括壳体组件1、运动组件2、阻火元件3，壳体组件设置两个，分别位于阻火组件的两侧，至少一个壳体组件内安装运动组件。

如图1和图2，壳体组件1包括法兰11、壳体套管12、壳体13、中法兰 14、限位块15、壳体节流孔16、导向架17、吸附板18。运动组件2包括挡板 21、运动直管22、运动弹簧座23、弹簧24、运动节流孔25、先导孔26。阻火组件3包括筒31、压板32、固定弹簧座33、阻火元件34、密封垫35、过流孔 36。

如图1和图3所示，壳体套管12与壳体13连接，法兰11连接于壳体套管 12的端部，法兰11用于连接外接管道，吸附板18设置于壳体13内壁，用于吸收压力波、削弱爆轰能量，运动直管22位于壳体13管套内、且与壳体套管 12之间沿着自身轴线方向滑动连接，挡板21固定连接于运动直管22靠近阻火组件3的一端，挡板21位于限位块15背离阻火组件3的一侧，运动弹簧座23 固定连接于档板朝向阻火组件3的一侧，弹簧24位于挡板21与阻火组件3之间，运动弹簧座23用于支撑弹簧24。挡板21位于运动直管22外圆周面外的部分开设有过孔，挡板21在正对运动直管22端部的位置开设多个先导孔26。

壳体节流孔16开设于壳体套管12的周向，运动节流孔25开设于运动直管 22的周向，且壳体节流孔16和运动节流孔25均设置多个，壳体节流孔16与运动节流孔25相对。壳体套管12和运动直管22内的空间为主腔4，壳体13 与壳体套管12之间、且在档板背离阻火组件3的一侧的空间为节流吸附腔5，档板朝向阻火组件3的一侧空间为预燃腔6。

吸附板18位于壳体13的内周向面，吸附板18与流道接触的表面采用V 型沟槽、正三角形沟槽、多孔结构、金属丝网多层套管、金属粉末烧结管等特殊结构，或涂有金属微粉、纳米吸波材料等特殊吸附材料，起到吸附爆轰压力波的作用。导向架17固定连接于吸附板18内侧，导向架17为镂空结构，支撑块固定连接于导向架17的内壁、用于对运动组件2限位。镂空的导向架17能够对运动直管22进行限位，保证了运动直管22与壳体套管12之间不会相对转动，壳体节流孔16与运动节流孔25能够保持相对，同时也使得爆轰火焰压力波在经过壳体节流孔16和运动节流孔25、流动方向转为径向后，能够穿过导向架17径向撞击至吸附板18，此时爆轰火焰压力波径向流动方向与吸附板18 的配合，能够更好的吸收压力波，削弱爆轰能量。运动直管22与导向架17之间沿着运动直管22的轴线滑动连接。具体的，导向架与壳体之间固定连接，导向架设有平行运动直管轴向的导向条，挡板外径设置有滑动槽，导向条放置于滑动槽内，同时起到轴向导向和周向防转的作用。

压板32和阻火元件34位于筒31内，压板32位于阻火元件34沿着筒31 轴线方向的两端，过流孔36开设于压板32，保证了爆轰火焰压力波能够从过流孔36穿过阻火元件34，固定弹簧座33固定连接于压板32背离阻火元件34 的一侧、用于支撑弹簧24。筒31和压板32的端面齐平，密封垫35位于壳体 13与筒31和压板32的端面之间。阻火组件3两端的两个壳体13的中法兰14 通过螺栓连接后，阻火组件3即与壳体13之间完成密封连接。其中，阻火元件34为金属波纹板型、平行金属板型、丝网型等型式。

通过挡板21、节流孔、吸附板18、先导孔26的设置，将阻火器内空间划分为主腔4、节流吸附腔5、预燃腔6，将爆轰火焰冲击波分别用挡波回弹、减压吸附、先导预燃三种型式予以能量耗散，将爆轰冲击波的能量大幅衰减，减弱对阻火元件34的冲击作用。无爆轰发生的正常工况时，经由弹簧24作用提升流道面积，使得流经阻火器的介质压力降大大减小，提升流通能力。

如图4和图5所示，正常工况时，挡板21与限位块15的距离达到最大间距L。最大间距L与阀门端口7公称直径DN的关系为DN/5≤L≤DN/3，法兰11 接外接管道的端部为阀门端口7。端口7的入口面积为S_DN，壳体节流孔16、运动节流孔25的面积相等，其总面积为S₁，挡板21的过流面积为S2。需满足 S_DN≤S₁，S_DN≤S₂。壳体节流孔16、运动节流孔25为矩形，沿轴向截面的孔长为 a，垂直轴向截面的孔长为b。需满足a＞L。挡板21上的先导孔26直径为d，用于预燃腔6内气体的预燃，需保证d≤d_max，d_max根据试验数据获得，为使压力波和火焰前峰解耦的临界直径。

正常工况时，运动组件2的挡板21在弹簧24弹力的作用下与壳体套管12 的端部贴合，此时，壳体节流孔16和运动节流孔25一一正对，主腔4、节流吸附腔5、预燃腔6构成强流动能力的低压降流道。

爆轰冲击波到达阻火器时，运动组件2能对爆轰冲击波做出响应，响应方式为挡板21以导向架17为导向，沿轴向压缩弹簧24，直到到挡板21与限位块15接触，到达限位位置。爆轰冲击波到达阻火器时，一部分经由挡板21反弹回爆轰上游，另一部分经由节流孔去往节流吸附腔5，还有一部分经由先导孔进入预燃腔6。

挡板21到达限位位置时，壳体节流孔16与运动节流孔25的重叠面积为 S3，需保证壳体节流孔/运动节流孔的总面积S1>S3＞0。经节流孔节流减压后，爆轰冲击波的能量被削弱。挡板21与限位块15接触时，S3＞0，保证了仍然有爆轰冲击波能够从S3流过，壳体13内不会压力突增到非常大，提高了安全性，同时S3＞0也导致了可能有部分火焰从S3穿过，但是在阻火组件3的配合下，阻火组件3进一步阻挡火焰穿过。所以在S3的范围、以及对阻火元件的配合设置下，实现了防止壳体13压力的突增、且保证了阻火效果。

挡板21及挡板21上的先导孔26至于运动组件中，在爆轰火焰冲击波到达挡板21时向阻火组件3方向轴向移动，提升了主腔和节流吸附腔的空间，压缩了预燃腔6的空间，使得更多的爆轰能量被挡板21反弹到上游，更多的压力波被吸附板18吸附，更少的火焰加速效应发生在预燃腔6，弹簧组24通过压缩自身吸收能量。通过上述对各腔室比例的重新分配，使得到达阻火元件34之前的压力波能量进一步降低。

本发明的运行原理：

相较于现有技术，本发明的阻火器在正常工况和爆轰火焰压力波来时的工况下具有不同的结构，通过增加了自力式运动部件而实现这一功能，其目的是在保证爆轰阻火性能的同时，降低正常工况下的使用压降，同时简单紧凑的结构不会造成制造成本的大幅上升。

正常工况时，操作压力不足以推动弹簧运动，挡板21与壳体直管接触。此时壳体节流孔16和运动节流孔25完全重合，提升过流面积。气体从端口7流进主腔4，继而流入节流吸附腔5，最后进入预燃腔6，通过阻火元件3后再依次经过壳体后端的预燃腔6、节流吸附腔5、主腔4，最终流出阻火器。整个过程中的全部过流面积均大于端口7面积，无节流减压处，最大程度降低了正常工况下气体流经阻火器的压降。

为了实现双向阻火功能，壳体和内件设置成前后对称的结构。当仅用作单向阻火时，气体流出阻火器一侧的运动组件2可以摘除，以达到进一步降低压降的目的。

爆轰火焰压力冲击波来临时，运动组件2在强大的压力波驱动下，向阻火元件3一侧轴向运动，弹簧被压缩，直至挡板21与限位块15贴合，到达限位位置。此时一部分压力波在静止的挡板21表面被反弹回上游，而一小部分火焰前锋通过先导孔到达预燃腔6，将腔内的燃料气以较低的火焰速度部分或全部燃烧完。剩余部分的压力波通过壳体节流孔16和运动节流孔25相互遮挡而形成的节流孔到达节流吸附腔5，由于流向的改变和面积的减小，此时爆轰压力进一步降低。在从节流吸附腔5进入预燃腔6的过程中，贴近吸附板18的爆轰压力波的横波部分被经过特殊结构设计、采用特殊吸附材料的吸附板部分吸附，压力进一步降低。此时火焰压力冲击波由在阻火器端口7位置的爆轰状态转变为吸附腔内的爆燃状态。而后通过预先设置的阻火元件3实现火焰完全淬熄，避免了火焰在阻火元件3下游的产生。

具体的，运动组件2开、关状态时各个部件的运动状态的描述如下：

(1)运动组件2完全开启：正常工况时，挡板21端面与壳体直管端面贴合，弹簧在弹簧座内完全伸展，壳体节流孔16和运动节流孔25完全重合，整个流道范围内流动的最小截面积不小于阻火器端口7截面积。

(2)运动组件2部分关闭：爆轰火焰压力波临近端口7时，挡板21背离阻火元件3一侧受到压力，沿着导向架17逐渐向阻火元件3方向运动，弹簧逐渐被压缩，壳体节流孔16和运动节流孔25相互重合的面积逐渐减小。

(3)运动组件2完全关闭：爆轰火焰压力波到达挡板21时，挡板21受到冲击波压力完全到达导向架17上的限位块15，挡板21靠近阻火元件3一侧端面与限位块15端面完全贴合，弹簧完全被压缩，壳体节流孔16和运动节流孔 25相互重合的面积达到最小。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种管道爆轰阻火器，其特征在于：包括阻火组件(3)、壳体组件(1)、运动组件(2)，

壳体组件(1)设置两个，分别位于阻火组件(3)的两侧，至少一个壳体组件(1)内安装运动组件(2)；

壳体组件(1)包括壳体(13)、壳体套管(12)、法兰(11)、限位块(15)，壳体套管(12)与壳体(13)连接，法兰(11)连接于壳体套管(12)的端部，法兰(11)用于连接外接管道，限位块(15)连接于壳体(13)内、用于对运动组件(2)限位；

运动组件(2)包括运动直管(22)、档板、弹簧(24)，运动直管(22)位于壳体(13)管套内、且与壳体套管(12)之间沿着自身轴线方向滑动连接，挡板(21)固定连接于运动直管(22)靠近阻火组件(3)的一端，挡板(21)位于限位块(15)背离阻火组件(3)的一侧，弹簧(24)连接于挡板(21)与阻火组件(3)之间；

壳体套管(12)开设有壳体节流孔(16)，运动直管(22)开设有运动节流孔(25)，壳体节流孔(16)与运动节流孔(25)相对，挡板(21)位于运动直管(22)外圆周面外的部分开设有过孔，挡板(21)在正对运动直管(22)端部的位置开设有多个先导孔(26)。

2.根据权利要求1所述的一种管道爆轰阻火器，其特征在于：所述挡板(21)与限位块(15)之间的最大间距L，DN/5≤L≤DN/3，法兰(11)接外接管道的端部为阀门端口(7)，DN为阀门端口(7)的公称直径。

3.根据权利要求1所述的一种管道爆轰阻火器，其特征在于：所述阀门端口(7)的入口面积为S_DN，壳体节流孔(16)、运动节流孔(25)的面积相等，面积为S₁，挡板(21)上过孔的总面积为挡板(21)的过流面积，挡板(21)的过流面积为S₂，S_DN≤S₁，S_DN≤S₂。

4.根据权利要求1所述的一种管道爆轰阻火器，其特征在于：所述挡板(21)与限位块(15)接触时，壳体节流孔(16)与运动节流孔(25)的重叠面积为S₃，S₃＞0。

5.根据权利要求4所述的一种管道爆轰阻火器，其特征在于：所述壳体节流孔(16)、运动节流孔(25)为矩形，沿轴向截面的孔长为a，垂直轴向截面的孔长为b，a＞L。

6.根据权利要求1所述的一种管道爆轰阻火器，其特征在于：所述壳体(13)内壁设有吸附板(18)，用于吸收压力波、削弱爆轰能量，吸附板(18)位于壳体(13)内壁与壳体节流孔(16)正对的位置。

7.根据权利要求6所述的一种管道爆轰阻火器，其特征在于：所述壳体(13)内固定连接有导向架(17)，导向架(17)位于吸附板(18)内侧，导向架(17)为镂空结构，支撑块固定连接于导向架(17)的内壁。

8.根据权利要求7所述的一种管道爆轰阻火器，其特征在于：所述运动直管(22)与导向架(17)之间沿着运动直管(22)的轴线滑动连接。

9.根据权利要求1所述的一种管道爆轰阻火器，其特征在于：所述壳体(13)设有中法兰(11)，阻火组件(3)位于两个壳体(13)之间，两个壳体(13)之间通过中法兰(11)连接。

10.根据权利要求1所述的一种管道爆轰阻火器，其特征在于：所述先导孔(26)直径为d，d≤d_max，d_max为使压力波和火焰前峰解耦的临界直径，根据试验数据获得。

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