從標(biāo)準(zhǔn)談非電氣設(shè)備防爆設(shè)計(jì)

李冠峰，李云翔，秦愛(ài)中

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南鄭州 450015）

0 引言

爆炸是極為迅速的物理或化學(xué)能量釋放過(guò)程，意外爆炸通常會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性破壞。爆炸的產(chǎn)生離不開(kāi)爆炸性物質(zhì)和點(diǎn)燃源，根據(jù)爆炸性物質(zhì)出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間，爆炸性環(huán)境可分為：1）0區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長(zhǎng)期出現(xiàn)爆炸性物質(zhì)的環(huán)境；2）1區(qū)：裝備正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性物質(zhì)的環(huán)境；3）2區(qū)：裝備正常運(yùn)行時(shí)不可能出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)存在爆炸性物質(zhì)的環(huán)境。在爆炸性環(huán)境中，如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備防爆就顯得尤為重要。

1 設(shè)備防爆標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前，適用于我國(guó)爆炸性環(huán)境設(shè)備防爆的標(biāo)準(zhǔn)體系主要有GB 3836、GB 25285和GB 25286，且均為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)?！吨腥A人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化法》規(guī)定“強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，必須執(zhí)行”，“生產(chǎn)、銷(xiāo)售、進(jìn)口不符合強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的，由法律、行政法規(guī)規(guī)定的行政主管部門(mén)依法處理”。因此，上述防爆標(biāo)準(zhǔn)具有法律屬性。

1.1 GB 3836

GB 3836規(guī)定了爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備和防爆元件的結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)和標(biāo)志要求。該系列標(biāo)準(zhǔn)包含設(shè)備通用要求、隔爆外殼“d”、增安型“e”、本質(zhì)安全型“i”、正壓外殼型“p”、油浸型“o”、充砂型“q”、“n”型、澆封型“m”、最大試驗(yàn)安全間隙測(cè)定方法、氣體或蒸汽混合物按照其最大試驗(yàn)安全間隙和最小點(diǎn)燃電流的分級(jí)、爆炸性氣體環(huán)境用電器設(shè)備的檢修、危險(xiǎn)場(chǎng)所分類(lèi)、危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣安裝、電氣裝置的檢查與維護(hù)、正壓房間或建筑物的結(jié)構(gòu)和使用、本質(zhì)安全系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)本質(zhì)安全概念和現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)級(jí)別為Ga級(jí)的設(shè)備等防爆標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1.2 GB 25285

GB 25285標(biāo)準(zhǔn)包含兩部分，《基本原則和方法》規(guī)定了對(duì)可能導(dǎo)致爆炸的危險(xiǎn)情況識(shí)別和評(píng)定方法，以及與安全要求相適應(yīng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施，適用于爆炸性環(huán)境的設(shè)備、防護(hù)系統(tǒng)和元件；《礦山爆炸預(yù)防和防護(hù)的基本原則和方法》適用于在礦山井下部分和存在瓦斯、可燃性粉塵危險(xiǎn)地面裝置部分的I類(lèi)設(shè)備、防護(hù)系統(tǒng)和元件[2]。

1.3 GB 25286

GB 25286規(guī)定了用于氣體、蒸氣、薄霧與空氣，以及粉塵與空氣形成的潛在爆炸性環(huán)境中非電氣設(shè)備設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)的方法和要求?！痘痉椒ê鸵蟆分靥岢隽吮ㄐ原h(huán)境用非電氣設(shè)備類(lèi)別與保護(hù)級(jí)別、點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定、設(shè)備溫度、非金屬部件、透明件等要求，以及型式檢查與試驗(yàn)等。該標(biāo)準(zhǔn)體系還包含限流外殼型“fr”、隔爆外殼型“d”、固有安全型“g”、結(jié)構(gòu)安全型“c”、控制點(diǎn)燃源型“b”、正壓型“p”和液浸型“k”等防爆標(biāo)準(zhǔn)[3]。

目前，電氣設(shè)備防爆標(biāo)準(zhǔn)已廣為大家熟知，得到了比較好的貫徹與執(zhí)行。非電氣設(shè)備防爆標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布較晚，還處于宣貫實(shí)施過(guò)程中。

2 非電氣設(shè)備點(diǎn)燃源

在爆炸性環(huán)境中，大量使用的非電氣設(shè)備在正常運(yùn)行或故障狀態(tài)下，同樣可能產(chǎn)生機(jī)械火花、熱表面、靜電、自燃等潛在點(diǎn)燃源，也同樣可能引起意外爆炸性事故。

2.1 機(jī)械火花

機(jī)械火花是固體材料之間因撞擊或摩擦飛濺出的細(xì)小熾熱顆粒。依據(jù)能量守恒定律，機(jī)械構(gòu)件發(fā)生高速摩擦或撞擊后，勢(shì)必有一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，熱量若集中于熾熱顆粒并擴(kuò)散至爆炸性環(huán)境中，就存在引燃爆炸性環(huán)境的可能[4]。如1980年4月，某潮包藥工房因鋁板沖擊產(chǎn)生機(jī)械火花、點(diǎn)燃爆炸性環(huán)境，致使6人不幸死亡[5]。

非電氣設(shè)備中，廣泛使用的滾輪與導(dǎo)軌、鋼絲繩與卷筒、鏈輪與鏈條、風(fēng)扇與護(hù)罩、制動(dòng)器、限位器等在正常工作或故障狀態(tài)下，均存在因摩擦或撞擊產(chǎn)生機(jī)械火花的可能。

在爆炸性環(huán)境中，預(yù)防或控制機(jī)械火花的關(guān)鍵是避免或限制機(jī)械摩擦或撞擊的產(chǎn)生，主要措施包括：限制速度、保持潤(rùn)滑、限定材質(zhì)、控制間隙、油浸保護(hù)、外殼保護(hù)等。

2.2 熱表面

熱表面是設(shè)備因摩擦、碰撞運(yùn)動(dòng)或物理化學(xué)反應(yīng)等發(fā)熱的部件表面。過(guò)熱的設(shè)備表面同樣可引燃爆炸性環(huán)境，如：2007年3月，英國(guó)“不懈”號(hào)核潛艇因空氣凈化裝置產(chǎn)生高溫而引起爆炸，導(dǎo)致2人死亡，1人重傷；“瑞那德?tīng)柵廖鞣聘纭碧?hào)輪船曲軸箱因局部高溫引起爆炸，造成28人死亡。

非電氣設(shè)備常見(jiàn)熱表面通常來(lái)自離合器、制動(dòng)器、軸承座、壓縮機(jī)管道等。防爆標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)備熱表面分為T(mén)6至T1六個(gè)溫度組別，對(duì)應(yīng)的設(shè)備最高表面溫度分別為85℃、100℃、135℃、200℃、300℃、450℃，在爆炸性環(huán)境中，設(shè)備最高表面溫度必須控制在爆炸性物質(zhì)點(diǎn)燃溫度之下，尤其要注意避免因潤(rùn)滑不當(dāng)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副干摩擦、軸承抱軸等產(chǎn)生過(guò)熱表面。

另外，內(nèi)燃機(jī)排出的高溫氣體或火焰、化工反應(yīng)產(chǎn)生的高溫流體，也可能成為非電氣設(shè)備有效點(diǎn)燃源。

2.3 靜電

工程塑料、橡膠等非金屬材料在機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用日益廣泛，干燥環(huán)境中，它們重復(fù)接觸和摩擦容易產(chǎn)生并積聚靜電荷，如風(fēng)扇塑料扇葉、傳動(dòng)用皮帶等。與常規(guī)電能量相比，靜電能量比較小，但因靜電放電是在微秒甚至納秒范圍內(nèi)完成，其產(chǎn)生的瞬態(tài)大電流及熱效應(yīng)同樣存在點(diǎn)燃爆炸性環(huán)境的可能?？刂旗o電放電的主要技術(shù)途徑為有效接地、環(huán)境增濕、添加抗靜電劑、使用防靜電器具等。

2.4 自燃

自燃是指可燃物質(zhì)在沒(méi)有外來(lái)火源作用下，因受熱或自身發(fā)熱并蓄熱所產(chǎn)生的自然燃燒現(xiàn)象。通常條件下，一般可燃性物質(zhì)在空氣中都會(huì)產(chǎn)生氧化反應(yīng)，如果溫度升高、散熱過(guò)慢，氧化過(guò)程就會(huì)加快，進(jìn)而可能使溫度達(dá)到爆炸性環(huán)境引燃點(diǎn)。有效通風(fēng)、適度降溫是控制自燃的有效措施。

3 非電氣設(shè)備防爆設(shè)計(jì)

非電氣設(shè)備防爆設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是全面分析和控制潛在點(diǎn)燃源及其傳播途徑，可基于：1）不形成點(diǎn)燃源；2）不形成有效點(diǎn)燃源；3）點(diǎn)燃源不接觸爆炸性環(huán)境；4）承受爆炸并阻止傳播等四個(gè)層次開(kāi)展非電氣設(shè)備防爆設(shè)計(jì)。

3.1 采用限流外殼

在可能偶然、短時(shí)間存在爆炸性物質(zhì)的環(huán)境中，對(duì)于可能產(chǎn)生點(diǎn)燃源且尺寸較小、結(jié)構(gòu)比較緊湊的非電氣設(shè)備可采用限流外殼進(jìn)行防爆。

該方法是借助限流外殼來(lái)減小爆炸性環(huán)境進(jìn)入外殼內(nèi)部的可能性，使外殼內(nèi)部的濃度低于爆炸下限，適用于Gc、Dc級(jí)設(shè)備。其原理是用外殼將非電氣設(shè)備進(jìn)行有效密封，但不必達(dá)到氣密，外殼外部環(huán)境在極少情況下成為爆炸性環(huán)境并且存在時(shí)間很短，允許殼內(nèi)外氣體置換，但呼吸效應(yīng)不會(huì)造成爆炸性物質(zhì)顯著進(jìn)入殼內(nèi)，通過(guò)隔絕外殼內(nèi)部空氣和爆炸性環(huán)境物質(zhì)交換達(dá)到防爆目的。

3.2 采用隔爆外殼

對(duì)于連續(xù)產(chǎn)生點(diǎn)燃源且尺寸較小、結(jié)構(gòu)比較緊湊的非電氣設(shè)備可采用隔爆外殼進(jìn)行防爆，隔爆外殼防護(hù)水平較高，適用于I類(lèi)Mb級(jí)、II類(lèi)Ga、Gb級(jí)和III類(lèi)Da、Db級(jí)設(shè)備。

該方法是借助隔爆外殼來(lái)承受殼體內(nèi)部非電氣設(shè)備引燃的爆炸，隔爆外殼既能承受內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的壓力，也要能夠阻止內(nèi)部爆炸傳播到外殼之外的爆炸性環(huán)境。其原理是氣體或蒸氣可通過(guò)外殼接合面或法蘭進(jìn)入殼體內(nèi)部，如果外殼內(nèi)的爆炸性環(huán)境被非電氣設(shè)備點(diǎn)燃，外殼既不會(huì)有明顯變形，火焰也不會(huì)通過(guò)接合面或法蘭傳播到外部爆炸性環(huán)境。

該原理在防爆電氣設(shè)備中已廣泛采用，如隔爆電動(dòng)機(jī)和隔爆電氣箱柜等，該方法要求隔爆外殼必須堅(jiān)固，并且要控制接合面/法蘭尺寸，使最大允許安全間隙與可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)物質(zhì)相適應(yīng)。

3.3 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全

該方法是采用非電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)性措施進(jìn)行保護(hù)，通過(guò)設(shè)計(jì)、材料選擇、潤(rùn)滑和密封以及型式試驗(yàn)等控制非電氣設(shè)備出現(xiàn)點(diǎn)燃源的可能，適用于I類(lèi)Mb級(jí)、II類(lèi)Ga、Gb級(jí)和III類(lèi)Da、Db級(jí)設(shè)備。其原理是選擇正常工作條件下不含點(diǎn)燃源的設(shè)備類(lèi)型，將機(jī)械故障可能造成引燃溫度或引燃火花的危險(xiǎn)降低到非常低的水平。如：針對(duì)軸承可能因燒熔、抱軸等產(chǎn)生點(diǎn)燃源的可能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軸承選型時(shí)統(tǒng)籌考慮軸承的工作速度、承受負(fù)載、工作壽命、尺寸配合、空間定位、熱膨脹、化學(xué)兼容、可靠潤(rùn)滑等因素，并結(jié)合日常維護(hù)或通過(guò)配置傳感器，有效防止軸承可能因過(guò)熱而成為點(diǎn)燃源。

3.4 控制點(diǎn)燃源

該方法是在非電氣設(shè)備內(nèi)部配置必要傳感器，探測(cè)可能產(chǎn)生的點(diǎn)燃源或危險(xiǎn)條件，在潛在點(diǎn)燃源轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢撄c(diǎn)燃源之前啟動(dòng)控制措施。該方法作為主動(dòng)防護(hù)，使用范圍廣，配置靈活，但點(diǎn)燃源控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，必須保證其高可靠性，適用于I類(lèi)Mb級(jí)、II類(lèi)Ga、Gb、Gc級(jí)和III類(lèi)Da、Db、Dc級(jí)設(shè)備。

點(diǎn)燃源控制系統(tǒng)一般選擇非電氣設(shè)備某一物理參數(shù)作為被控參數(shù)，通過(guò)傳感器測(cè)量，當(dāng)其超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，即采取預(yù)定控制措施。如：常見(jiàn)化工設(shè)備配置溫度、流量和液位檢測(cè)/控制裝置等。

3.5 固有安全和正壓

非電氣設(shè)備固有安全防爆原理同電氣設(shè)備本質(zhì)安全防爆，是將非電氣設(shè)備可能產(chǎn)生的點(diǎn)燃源或能量控制在不點(diǎn)燃爆炸性環(huán)境的水平。非電氣設(shè)備正壓防爆原理同電氣設(shè)備正壓防爆，通過(guò)非電氣設(shè)備配置內(nèi)部保護(hù)氣體壓力高于外部爆炸性環(huán)境的外殼，進(jìn)而隔離潛在點(diǎn)燃源與爆炸性環(huán)境。

3.6 液浸或覆蓋

該方法使?jié)撛邳c(diǎn)燃源完全或部分浸沒(méi)在保護(hù)液體中，或者用保護(hù)液體將點(diǎn)燃源活動(dòng)表面連續(xù)覆蓋，使液體上方或設(shè)備外殼外部的爆炸性環(huán)境不會(huì)點(diǎn)燃，使?jié)撛邳c(diǎn)燃源變成無(wú)效。保護(hù)液可以是設(shè)備工藝液體本身，如：充油齒輪箱、浸油盤(pán)式制動(dòng)器，既可以起到冷卻效果，又可以防止機(jī)械火花產(chǎn)生，從而避免引燃保護(hù)液外部的爆炸性環(huán)境。

4 小結(jié)

爆炸性環(huán)境需配置防爆設(shè)備。針對(duì)電氣類(lèi)設(shè)備，因GB 3836于上世紀(jì)八十年代已頒布，多年來(lái)，國(guó)內(nèi)比較好地貫徹落實(shí)了電氣設(shè)備防爆設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)與維護(hù)。針對(duì)非電氣設(shè)備，其機(jī)械火花、高溫等點(diǎn)燃源也可引起爆炸性環(huán)境意外爆炸，隨著GB 25286等標(biāo)準(zhǔn)的新近頒布，采用控制點(diǎn)燃源、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全、采用限流外殼或隔爆外殼、固有安全和正壓、液浸或覆蓋等技術(shù)途徑，也可實(shí)現(xiàn)非電氣設(shè)備防爆設(shè)計(jì)與認(rèn)證。隨著設(shè)備防爆標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與完善，勢(shì)必將全面提升我國(guó)的設(shè)備防爆技術(shù)水平。

[1]GB 3836-2010.爆炸性環(huán)境[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[2]GB 25285-2010.爆炸性環(huán)境:爆炸預(yù)防和防護(hù)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[3]GB 25286-2010.爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[4]楊洪順, 曾昭慧譯.電氣火花和摩擦火花的防爆性[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1990.

[5]王東生等.火炸藥及其制品燃燒爆炸事故調(diào)查與防范[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2013.