歐洲電梯非電氣防爆技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對我國的啟示（下）

文/江 浩 薛季愛 姚 俊 歐陽惠卿

5.EN 13463-6﹕2005——有關(guān)點燃源控制型防護(hù)

EN 13463-6∶2005《潛在爆炸性環(huán)境中使用的非電氣設(shè)備—第六部分：通過點燃源控制實現(xiàn)的保護(hù)“b”》規(guī)定了點燃源控制型防護(hù)的技術(shù)要求，其防護(hù)機理是在設(shè)備中附加傳感器，探測即將發(fā)生的危險，在潛在點燃源轉(zhuǎn)變?yōu)橛行c燃源之前，采取控制措施防止?fàn)顟B(tài)進(jìn)一步惡化。點燃源控制系統(tǒng)一般是選擇設(shè)備某一物理參數(shù)作為被控參數(shù)，通過傳感器測量這一參數(shù)值，當(dāng)其數(shù)值超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，即采取預(yù)定的控制措施，這一控制措施可以自動運行，也可以通過向設(shè)備操作者發(fā)出警告來人工運行。在確定應(yīng)用此種防護(hù)形式之前，設(shè)備同樣需經(jīng)正確分組、分類和點燃風(fēng)險評估。圖3為點燃源控制系統(tǒng)設(shè)計流程。

該標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容是點燃源控制系統(tǒng)的功能設(shè)計應(yīng)遵循的原則。標(biāo)準(zhǔn)要求控制參數(shù)的選擇應(yīng)反映設(shè)備特征，傳感器應(yīng)輸出正確信號，控制參數(shù)超過閾值時應(yīng)能采取預(yù)定的措施。這些措施能有效抑制潛在點燃源，且必須在其轉(zhuǎn)換為有效點燃源之前起作用。標(biāo)準(zhǔn)還根據(jù)防點燃系統(tǒng)的可靠性來確定點燃保護(hù)級別，而該級別的選擇同樣取決于設(shè)備點燃風(fēng)險評估的結(jié)果。

圖3 點燃源控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖

6.EN 13463-8∶2003——關(guān)于液浸型爆炸防護(hù)

該系列標(biāo)準(zhǔn)的最后一篇EN 13463-8∶2003《潛在爆炸性環(huán)境中使用的非電氣設(shè)備—第八部分：通過液浸實現(xiàn)的保護(hù)“k”》為在液浸型爆炸防護(hù)的設(shè)計、制造、檢測等提供了基本的原則。此種防護(hù)形式的機理是使?jié)撛邳c燃源浸沒在保護(hù)液體中，或使保護(hù)形成流動的膜連續(xù)覆蓋它，隔絕點燃源與周圍的爆炸性環(huán)境接觸防止爆炸發(fā)生。這種防護(hù)的實現(xiàn)形式有多種，在某些設(shè)備中，采用保護(hù)液體僅起保護(hù)作用，而在另一些設(shè)備中，保護(hù)液體就是潤滑和/或冷卻液。

液浸型防護(hù)適用范圍廣，幾乎所有組類設(shè)備都能使用。在應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)之前此類設(shè)備必須經(jīng)過點燃風(fēng)險評估。由于液浸型防護(hù)效果取決于保護(hù)液體將點燃源與爆炸性環(huán)境的有效隔絕，因此該標(biāo)準(zhǔn)主要涉及液體性質(zhì)、液位高低、壓力、流量及密封等直接決定能否達(dá)到有效隔絕這一目的的基本因素。首先對于保護(hù)液體的選擇，標(biāo)準(zhǔn)要求保護(hù)液體必須避免其與被保護(hù)設(shè)備之間物理的（吸收被保護(hù)設(shè)備相互摩擦產(chǎn)生的熱量引起升溫）或化學(xué)的（被保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)）作用產(chǎn)生新的點燃源。標(biāo)準(zhǔn)對液位高低、壓力及流量并未給出具體參數(shù)，而是由制造商根據(jù)被保護(hù)對象、工作方式、工作液的性質(zhì)等通過計算或型式試驗來確定具體數(shù)值。

在計算或試驗時應(yīng)考慮整個正常工作溫度范圍內(nèi)液體的起伏波動、噴濺、湍流、攪拌、氣泡等最不利的條件，最終確定的極值必須保證潛在點燃源被完全浸沒或連續(xù)由足夠的保護(hù)液體覆蓋，以確保它們不能變?yōu)橛行c燃源。密封的有效性主要與設(shè)備結(jié)構(gòu)方面有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)要求密封形式必須保證保護(hù)液體的液位、壓力、流量能有效隔離點燃源與爆炸性環(huán)境，防止保護(hù)液體污染和泄漏。對于密封外殼必須根據(jù)不同種類進(jìn)行型式試驗證明其滿足要求。

三、電梯非電氣防爆安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定的一些建議

1.確保防護(hù)級別和安全的前提——辨識設(shè)備正確分類

按照EN 13463-1∶2009中對非電氣設(shè)備通用防爆要求，首先應(yīng)對電梯按照使用環(huán)境正確分組分類，確定其防護(hù)級別和安全要求。由于防爆電梯使用場合不同，其形成爆炸性環(huán)境的各組成成分、濃度等各不相同，同時由于電梯自身特點，即使是同一臺電梯其各部件也分別處于機房、井道、底坑等不同的爆炸性環(huán)境中。因此，準(zhǔn)確地對不同部件所處環(huán)境進(jìn)行辨識以對設(shè)備進(jìn)行正確分類，是決定采用何種防爆措施的前提。這樣既可以避免防爆措施不夠可靠無法起到應(yīng)有的保護(hù)效果，還可以防止采用過度保護(hù)性技術(shù)手段造成安全的大幅度冗余，帶來成本的上升。

值得注意的是，不同組類電梯安全要求并不相同，有的僅需考慮正常運行工況，有的則需考慮兩個獨立故障發(fā)生的情況。由于防爆電梯產(chǎn)品的零部件復(fù)雜，且使用時需發(fā)生人機交互，故障產(chǎn)生不僅有設(shè)備本身的原因，也有人為因素。因此必須從原始設(shè)計、制造過程、安裝、使用環(huán)境乃至操作者使用全過程，預(yù)先考慮到可能出現(xiàn)的故障類型，判斷故障出現(xiàn)的概率。

2.執(zhí)行點燃風(fēng)險評估程序

在對電梯分組分類之后應(yīng)當(dāng)執(zhí)行點燃風(fēng)險評估程序，辨識可能出現(xiàn)的點燃源，如安全鉗緊急制停時與導(dǎo)軌的摩擦或撞擊、制動器非零速報閘時的摩擦溫升等。電梯的非電氣點燃源有些僅在故障狀態(tài)下才出現(xiàn)，有些正常運行時也存在，必須與具體電梯組類中的安全要求相對應(yīng)。在列出點燃源之后可按EN 13463-1給定的順序考慮防爆安全措施，即優(yōu)先保證不會產(chǎn)生點燃源；其次為點燃源失效；再者將爆炸性環(huán)境與點燃源隔離；最后，當(dāng)爆炸無法避免時控制爆炸和防止火勢蔓延。這些防爆措施在EN 13463系列其他標(biāo)準(zhǔn)中均有所對應(yīng)，可以按照優(yōu)先級采用。此外，對電梯還必須按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行機械性能試驗、最高表面溫度測量、與防護(hù)等級相關(guān)的設(shè)備非金屬部分檢測及熱沖擊試驗。

3.避免電梯產(chǎn)生點燃源

非電氣設(shè)備防爆措施首先應(yīng)考慮避免電梯產(chǎn)生點燃源，EN標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)的防護(hù)形式為結(jié)構(gòu)安全型。防爆電梯運行時可產(chǎn)生大量非電氣點燃源，如制動器非零速制停時的溫升、安全鉗動作時的機械火花等。按照結(jié)構(gòu)安全型標(biāo)準(zhǔn)的要求，防爆電梯在設(shè)計階段必須對材料、參數(shù)等做出限制，或采用特殊的結(jié)構(gòu)，并且證明采取措施的有效性。例如，若對制動器采用結(jié)構(gòu)安全型防護(hù)，就需對制動器材料、電梯額定速度或載荷做出限制，使得其在非零速制停時引起的溫升也不會產(chǎn)生點燃源。同樣地，防爆電梯井道內(nèi)的爆炸性環(huán)境可能會被安全鉗制停時引發(fā)的機械火花點燃，若要保證結(jié)構(gòu)安全，對導(dǎo)軌潤滑油、安全鉗材料及導(dǎo)軌材料的選擇必須比普通電梯附加更多的要求，避免制停時出現(xiàn)機械火花。如果這些參數(shù)或材料已經(jīng)有成熟的設(shè)計并被證明有效，即可直接引用，然而遺憾的是根據(jù)現(xiàn)有公開文獻(xiàn)資料尚未有所發(fā)現(xiàn)，因此研究人員必須通過大量理論分析和試驗驗證。防點燃保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)是控制參數(shù)的選擇和閾值確定，在制造商不知道控制參數(shù)、無法計算或無法從認(rèn)可的參考文獻(xiàn)獲得時，應(yīng)當(dāng)通過型式試驗來確定控制參數(shù)正常運行的值和最大允值。

EN 13463-6∶2005并未對型式試驗給出具體的要求，設(shè)備制造商應(yīng)該根據(jù)被測對象、需要測量的物理量等因素來選擇合適的實驗儀器，確定實驗方案并保證實驗結(jié)果的可靠性。點燃源控制可以認(rèn)為是最為“主動”的一種防護(hù)形式，它使用范圍廣，配置靈活。但點燃源控制系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，包含信號采集、傳輸、處理和動作多個環(huán)節(jié)，必須保證其具有極高的可靠性，能夠在預(yù)期的各種情況下工作正常。

4.點燃源失效

讓點燃源失效，對應(yīng)的防護(hù)形式為點燃源控制型，設(shè)計點燃源控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是確定控制參數(shù)?？刂茀?shù)類型的選擇不僅取決于潛在點燃源產(chǎn)生的機理，還受限制于參數(shù)能否被測量到、參數(shù)能否反映真實物理狀態(tài)等因素。電梯高速旋轉(zhuǎn)的電機軸支撐處，在正常運行中，不應(yīng)出現(xiàn)摩擦點燃源。但若發(fā)生軸承損壞、油膜破裂或其他故障導(dǎo)致間隙縮小和偏心旋轉(zhuǎn)，就有可能出現(xiàn)摩擦高溫表面。為監(jiān)測這一現(xiàn)象，可供選擇的控制參數(shù)有振動和溫度兩種，前者易于測量，由于它是一種間接參數(shù)，只能反映轉(zhuǎn)子的偏心量和摩擦的激烈程度，但不直接反映摩擦造成的升溫；后者則是直接參數(shù)，但精確測量摩擦表面的溫升對傳感器設(shè)置有較高要求。事實上，控制參數(shù)的選擇往往受多種因素制約，設(shè)計人員必須綜合權(quán)衡后根據(jù)實際情況和需求確定。確定控制參數(shù)正常運行值和一個不會導(dǎo)致潛在點燃源轉(zhuǎn)變?yōu)橛行c燃源的故障運行臨界值是點燃源控制系統(tǒng)設(shè)計的第2步驟。前者較為簡單而后者則還取決于控制參數(shù)的選擇。承接上例，若選擇溫度作為控制參數(shù)，可以根據(jù)點燃風(fēng)險評估所確定的設(shè)備組類、最高表面溫度、使用環(huán)境決定臨界值；若選擇振動作為控制參數(shù)，就必須確定間隙減小到點燃水平之前的正常和最大允許振動。由于振動是間接的參數(shù)，必須深入了解間隙導(dǎo)致的振動與摩擦升溫的物理本質(zhì)，建立兩者之間的定量關(guān)系，因此工作的難度和量也大大增加。假設(shè)按照EN 13463-6標(biāo)準(zhǔn)要求為電梯設(shè)計點燃源控制系統(tǒng)，可選擇溫度為控制參數(shù)，基本步驟如下：

① 確定正常運行溫度（Tnorm）和由異常的摩擦導(dǎo)致的最高允許熱表面溫度（Tcrit）；

② 選擇傳感器測量溫度并計算其響應(yīng)時間t1；

③ 計算傳感器發(fā)出信號到電梯停止運行時間t2（防點燃保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時間）；

④ 確保t1+t2小于Tnorm上升到Tcrit的時間；

⑤ 設(shè)計的停止電梯運行裝置應(yīng)具備停止運行鎖定，以防止電梯在沒有重新設(shè)定防點燃保護(hù)系統(tǒng)的狀況下重新啟動；

⑥自動停止運行裝置屬安全裝置，該裝置的控制必須獨立于電梯的控制系統(tǒng)。

點燃源控制型防護(hù)為電梯附加了一套安全系統(tǒng)，必須保證其本身不會產(chǎn)生點燃源，且同時滿足電梯標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電氣安全裝置的要求。由于爆炸防護(hù)主要依賴附加設(shè)計的防點燃保護(hù)系統(tǒng)，它包含多個環(huán)節(jié)，包括信號采集、傳輸、處理和動作（如發(fā)出警告信息通知操作者或自動采取措施）。因此，設(shè)計的附加系統(tǒng)一般較為復(fù)雜，也增加了成本，同時必須保證該系統(tǒng)具有極高的可靠性。

5.爆炸性環(huán)境與點燃源的隔離防護(hù)

爆炸性環(huán)境與點燃源的隔離防護(hù)與此系列標(biāo)準(zhǔn)中的限流外殼型和液浸型對應(yīng)。

如果經(jīng)點燃風(fēng)險評估確定防爆電梯屬II組3類設(shè)備，設(shè)計并使用滿足標(biāo)準(zhǔn)條款要求的限流外殼作為防爆措施，既可滿足安全需求，也不會帶來成本上的大幅度增加，但其應(yīng)用場合受限制較多。

曳引式防爆電梯的變速箱一般采用渦輪蝸桿嚙合傳動，蝸桿和渦輪在嚙合齒面之間有很大相對滑動，而且容易導(dǎo)致發(fā)熱和溫升過高現(xiàn)象。因此變速箱使用的潤滑油除了潤滑之外還有冷卻、緩沖作用。潤滑油在蝸桿和齒輪表面形成的油膜可視作液浸型防護(hù)，潤滑油即為防護(hù)液體。防爆電梯的潤滑油選擇應(yīng)滿足EN 13463-5中有關(guān)液體性質(zhì)的要求，渦輪蝸桿副嚙合時對于潤滑油的攪拌和加溫，磨損下的磨屑對潤滑油性質(zhì)的改變也應(yīng)在考慮范圍中。對齒輪箱體應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行型式試驗，確保能夠承受壓力并防止漏液，保證潤滑油的液位能保持有效隔絕外界爆炸性環(huán)境。

從維護(hù)保養(yǎng)角度，為保證在整個工作壽命中維持必要的點燃保護(hù)水平，對潤滑油的檢查及更換規(guī)范應(yīng)根據(jù)防爆要求專門制定，以區(qū)別普通電梯。

6.控制爆炸和防止火勢蔓延

控制爆炸和防止火勢蔓延，對應(yīng)的防護(hù)形式為隔爆型。只有在對防爆電梯進(jìn)行正確分類和點燃風(fēng)險評估之后，采納前幾種防護(hù)措施失效時才考慮這種方法。電梯用隔爆外殼可按照EN 13463-4標(biāo)準(zhǔn)中條款設(shè)計，其外殼材料選擇，強度要求露出部分與外殼結(jié)合處密封等最為關(guān)鍵。事實上，作為保護(hù)水平高，適用范圍廣的一種爆炸保護(hù)形式，隔爆型防護(hù)目前在防爆電梯上已有使用，如隔爆制動器。

對于防爆電梯的安全部件和材料性能還必須進(jìn)行型式試驗驗證其功能及性能，型式試驗的設(shè)計及考核指標(biāo)應(yīng)綜合考慮電梯安全標(biāo)準(zhǔn)和防爆標(biāo)準(zhǔn)的要求。如安全鉗型式試驗，按電梯技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)僅考慮其力學(xué)及運動學(xué)性能，若應(yīng)用于爆炸性環(huán)境，則必須考慮其摩擦溫升或機械火花等防爆要求。同時應(yīng)增加電梯型式試驗所需部件，如齒輪箱為滿足液浸型防護(hù)的要求，其外殼必須按照EN 13463-8進(jìn)行型式試驗。

除了在設(shè)計和制造方面采取安全措施保障防爆電梯使用安全之外，針對防爆電梯的安裝、使用、維修、保養(yǎng)及安全監(jiān)察程序也應(yīng)建立與普通電梯不同的規(guī)范，以確保在上述過程中設(shè)備本身以及與之發(fā)生聯(lián)系的人員安全。

四、結(jié)束語

綜上所述，針對防爆電梯展開的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究，最需關(guān)注的是對電梯使用環(huán)境特征的了解，明確設(shè)備分組分類，對防爆電梯執(zhí)行點燃風(fēng)險評估程序，識別電梯運行過程的點燃源及潛在點燃源，選擇正確的爆炸防護(hù)形式，并經(jīng)過形式試驗驗證其有效性和可靠性。由于所分析的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容只涉及一些通用的最基本要求，無法直接引用其條款來規(guī)范防爆電梯的設(shè)計或生產(chǎn)，必須結(jié)合產(chǎn)品實際情況將標(biāo)準(zhǔn)中的原則性條款轉(zhuǎn)換為針對防爆電梯的具體技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，并制定相應(yīng)的國家防爆電梯標(biāo)準(zhǔn)，才能真正完善防爆電梯非電氣部分的防爆要求，發(fā)揮其對防爆電梯設(shè)計、生產(chǎn)及流通的規(guī)范作用，最終，為提升防爆電梯的防爆品質(zhì)起到借鑒的作用。事實上，防爆電梯作為一種在爆炸性環(huán)境下使用的機電一體化設(shè)備，其系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，使用環(huán)境多變，潛在點燃源眾多，相關(guān)防爆安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是一項系統(tǒng)工程，還需研究人員進(jìn)行大量的理論分析及試驗研究。

The ATEX 95 equipment directive 94/9/EC,Equipment and protective systems intended for use in potentiallyexplosive atmosphere.