防爆設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(中海油天津化工研空設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300131)

1 引言

隨著石油和化工行業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的防爆設(shè)備走入了我們的視野。防爆設(shè)備是應(yīng)用在爆炸性環(huán)境場所中，即正常氣壓下，標(biāo)準(zhǔn)氧含量為21%，環(huán)境溫度在-20～+40℃范圍內(nèi)，可燃性氣體、蒸氣、纖維、粉塵、飛絮等物質(zhì)與空氣混合后，可以被點(diǎn)燃，且能保持燃燒自行擴(kuò)散的環(huán)境。爆炸性環(huán)境的危險(xiǎn)性在于環(huán)境本身比較容易被點(diǎn)燃，產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)。顧名思義，防爆技術(shù)即是在設(shè)備本身做文章，以減弱或消除使用設(shè)備產(chǎn)生的點(diǎn)燃源為初衷，將點(diǎn)燃風(fēng)險(xiǎn)降到可以接受的程度，從而實(shí)現(xiàn)防爆的目的。

2 點(diǎn)燃源型式

目前，使用在爆炸性環(huán)境中的設(shè)備包括防爆電氣設(shè)備和防爆非電氣設(shè)備。不同設(shè)備的點(diǎn)燃源不盡相同，但點(diǎn)燃源的型式主要包括電氣放電、靜電放電、機(jī)械火花、高溫表面、輻射源等。防爆的概念涉及甚廣，使用在爆炸性環(huán)境內(nèi)的設(shè)備，無論是單一的儀表元件、控制器、電機(jī)、工業(yè)車輛、空調(diào)、發(fā)電機(jī)組、無人機(jī)等電氣設(shè)備，還是防爆扳手、手動(dòng)搬運(yùn)車、防爆潛油泵等防爆非電氣設(shè)備，甚至是成百上千套上述總成的整體系統(tǒng)，都應(yīng)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。下面將通過分析如何避免或消除點(diǎn)燃源的潛在危險(xiǎn)，來介紹防爆設(shè)備的設(shè)計(jì)思路。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 限制電氣放電影響

在控制電路中，我們經(jīng)常可以見到開關(guān)、斷路器、接觸器、繼電器等控制器件，這些器件本身都含有開關(guān)元件，開關(guān)在接通和斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧和火花形式的電氣放電，這種放電通常具有很大的能量，激發(fā)和電離爆炸性環(huán)境內(nèi)的介質(zhì)分子，可迅速引起局部高溫，產(chǎn)生強(qiáng)烈的反應(yīng)。此外，插座和插頭在帶電插拔的瞬間，會(huì)產(chǎn)生電弧放電；直流電機(jī)工作時(shí)，換向器和碳刷之間的摩擦可導(dǎo)致電氣放電火花；連接導(dǎo)線的絕緣等級不達(dá)標(biāo)，引起短路或漏電也可導(dǎo)致電氣放電的發(fā)生。這些放電現(xiàn)象對于使用在石化行業(yè)危險(xiǎn)環(huán)境的電氣設(shè)備而言，是非常危險(xiǎn)的，也是無法避免和消除的。既然無法消除，我們可以想辦法降低其對外界環(huán)境的破壞。

針對這個(gè)問題，我們首先可考慮對此類器件或設(shè)備進(jìn)行隔爆型式的保護(hù)，限制電氣放電后的影響。隔爆型保護(hù)，是設(shè)計(jì)一個(gè)具有一定強(qiáng)度的隔爆外殼，將這些火花元件、設(shè)備置于外殼內(nèi)部。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，如果發(fā)生電氣放電，點(diǎn)燃外殼內(nèi)部可燃性環(huán)境，形成一定的爆炸壓力。此時(shí)，這個(gè)隔爆外殼可足以承受內(nèi)部壓力，不被損壞，也不會(huì)將內(nèi)部火焰?zhèn)鞑ブ镣鈿ね猓斐筛蟮钠茐?。隔爆型保護(hù)是對火花元件、電機(jī)和其他電氣控制總成的最簡單、最直接、也最易實(shí)現(xiàn)的保護(hù)方式，但由于需要增加大于設(shè)備本身體積的外殼，所以隔爆型存在設(shè)備整體體積變大，占空間的弊端，以至于有些特定場合無法實(shí)現(xiàn)。

正壓型的保護(hù)型式，也可對火花類器件或設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，即將上述電氣設(shè)備置于正壓外殼內(nèi)部，向外殼內(nèi)通入非可燃保護(hù)氣，保持外殼內(nèi)部氣體的壓力高于外部環(huán)境的壓力，且能阻止外部危險(xiǎn)環(huán)境介質(zhì)的進(jìn)入。正壓型是一種相對較復(fù)雜的防爆技術(shù)，主旨思路是將正壓外殼內(nèi)部保持為安全區(qū)域的狀態(tài)，所以外殼內(nèi)可不受制約的安裝電氣設(shè)備，即便外殼內(nèi)發(fā)生電氣放電，也不會(huì)引燃外殼內(nèi)的保護(hù)氣。正壓型式除了要設(shè)計(jì)正壓外殼，主要的難點(diǎn)是保護(hù)氣源的控制，同時(shí)需要增加過壓和失壓的保護(hù)。正壓型對于氣路和氣壓的控制和電氣保護(hù)的設(shè)計(jì)與隔爆型外殼對于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度上的設(shè)計(jì)要復(fù)雜的多。正壓型多適用于大型的電動(dòng)機(jī)、電氣控制柜的防爆設(shè)計(jì)，通常體積較大。

以上為大功率火花元件設(shè)備采用的保護(hù)方式，當(dāng)電氣設(shè)備為小功率設(shè)備或印制電路板，則可以采用其他幾種保護(hù)型式保護(hù)。本質(zhì)安全型就是針對電路系統(tǒng)而言的，是利用限制電路能量的方式來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的。即使電路發(fā)生短路、斷路、擊穿故障，引起放電都不會(huì)引燃爆炸性環(huán)境。本質(zhì)安全型電氣設(shè)備包括本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備，關(guān)聯(lián)設(shè)備是我們常見的齊納式或隔離式安全柵?；景踩O(shè)計(jì)措施包括：限制電路中的電壓和電流，限制電路中的電容和電感等儲(chǔ)能元件，關(guān)聯(lián)設(shè)備的本安端參數(shù)選擇與本安設(shè)備輸入端電氣參數(shù)應(yīng)匹配，本安端與非本安端的絕緣耐壓也滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

同樣的，部分小功率設(shè)備、電路板也可以選擇澆封型型式保護(hù)，用澆封復(fù)合物將電氣元器件澆封起來，澆封固化后，元器件的帶電部分，包括焊接點(diǎn)、芯片管腳等均被隔離在復(fù)合物的內(nèi)部，無裸露帶電部件外露在外，起主要隔離保護(hù)作用的復(fù)合物應(yīng)具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度、較好的耐熱性能和較好的絕緣特性。電氣元器件盡量選擇可靠元件，即額定運(yùn)行時(shí)元器件的電氣參數(shù)不超過額定參數(shù)的2/3。安裝時(shí)元器件的機(jī)械間距也應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。澆封厚度根據(jù)設(shè)備外殼材質(zhì)和厚度不同，可按照標(biāo)準(zhǔn)選擇，滿足最小厚度要求即可。澆封型設(shè)備還應(yīng)保證在正常運(yùn)行情況，可預(yù)見故障情況下，內(nèi)部電氣元件的最高溫度不超過澆封復(fù)合物的連續(xù)運(yùn)行溫度。為了保證復(fù)合物的可靠隔離作用，不因?yàn)樵O(shè)備故障過熱，失去保護(hù)功能，通常還須在電路中串接溫度保護(hù)元件和/或熔斷器，以實(shí)現(xiàn)超溫?cái)嚯姳Ｗo(hù)。

個(gè)別的專用設(shè)備還可以設(shè)計(jì)成增安型、nA型，例如線圈繞組、接線盒、蓄電池，這些設(shè)備自身不包含開關(guān)、熔斷器等火花元件，同時(shí)滿足不同電位帶電導(dǎo)體的電氣間隙和爬電距離符合可靠距離，這樣可保證不會(huì)發(fā)生擊穿放電現(xiàn)象。增安型設(shè)備的保護(hù)外殼除了應(yīng)有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能，還應(yīng)具備一定的防護(hù)性能，防止外部水氣及其他污染物進(jìn)入，破壞內(nèi)部元件的絕緣，導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生。

此外，還有其他的防爆型式，防爆機(jī)理與上述的基本接近，這里不做贅述。

3.2 防止靜電放電

高阻絕緣體由于摩擦?xí)a(chǎn)生靜電電荷，電荷累計(jì)起來，可以形成很高的靜電電壓，在一定條件下，就可以發(fā)生靜電放電。靜電放電能量的大小與靜電電荷總量、絕緣體的形狀和放電面積大小、靜電電壓等有關(guān)，且主要與絕緣材料上的靜電電壓有關(guān)。相對于電氣放電而言，靜電放電為無源式放電，放電能量較弱，但仍然可以點(diǎn)燃爆炸性環(huán)境。靜電放電可分為兩種情況：絕緣體上的靜電放電現(xiàn)象和被絕緣的導(dǎo)體上的靜電放電現(xiàn)象，前者絕緣體上所帶靜電電荷不能隨意移動(dòng)，只有部分電荷可以釋放到地，也叫局部放電，只要絕緣體上有足夠的靜電電荷，同時(shí)具有很高的靜電電壓，即可構(gòu)成放電條件；后者情況不同，接觸到接地導(dǎo)體時(shí)，被絕緣的導(dǎo)體上感應(yīng)的靜電電荷即會(huì)全部釋放，較低靜電電壓，也可能釋放較多電荷，更容易滿足放電條件，因此后者的靜電放電更加危險(xiǎn)。由靜電理論可知，降低靜電電荷積累的方法很多，比如增加空氣濕度，選擇電阻率較低的絕緣材料，工藝上控制，在絕緣材料上噴涂抗靜電漆等等，但是，最直接也是最有效的方法是選擇電阻率較低的絕緣材料，從而控制靜電放電的危險(xiǎn)。

3.3 避免機(jī)械火花

機(jī)械火花，顧名思義，就是固體之間由于機(jī)械作用力產(chǎn)生的火花，二者劇烈接觸后，動(dòng)能無法在瞬間得到釋放，能量守恒轉(zhuǎn)化為熱能，機(jī)械碰撞產(chǎn)生的溫度瞬間上升很高，個(gè)別顆粒高速分離出來，從而形成機(jī)械火花。機(jī)械火花的能量不容小覷，也足以點(diǎn)燃爆炸環(huán)境。機(jī)械火花點(diǎn)燃能力主要與下面幾個(gè)方面相關(guān)，一是碰撞體的材料成分和硬度，二是碰撞速度；三是碰撞接觸面的形狀和接觸面積；四是環(huán)境的溫度和濕度。由于機(jī)械火花點(diǎn)燃爆炸性環(huán)境的原因是非常復(fù)雜的，很難從理論上做具體的論述。通常，我們以往的經(jīng)驗(yàn)是在可能出現(xiàn)機(jī)械碰撞或摩擦的表面采用例如銅和不銹鋼等無火花材料，來防止機(jī)械火花。隔爆型電機(jī)的端蓋與軸之間就是采用銅套作為中間過渡件，避免轉(zhuǎn)軸與外殼碰撞形成火花。

3.4 避免高溫表面

高溫表面可以點(diǎn)燃爆炸性環(huán)境中的可燃介質(zhì)，高溫表面也是點(diǎn)燃源其中的一種。爆炸性環(huán)境可燃介質(zhì)的點(diǎn)燃溫度是應(yīng)該避免的危險(xiǎn)溫度，所以我們應(yīng)該控制所有設(shè)備在正常運(yùn)行或在可預(yù)見的故障狀態(tài)下，運(yùn)行的溫度均不超過危險(xiǎn)溫度，或者設(shè)置控制裝置保護(hù)，使設(shè)備在未達(dá)到危險(xiǎn)溫度前，將設(shè)備斷電，阻止溫度進(jìn)一步上升。這里的高溫表面，不限制高溫源的狀態(tài)，也就是既包括高溫固體表面，也包含高溫氣體。這里，我們可參考防爆內(nèi)燃機(jī)排氣口的溫度限制來理解高溫表面的形態(tài)。

3.5 選擇符合條件輻射源

我們知道，輻射源的類型有很多，一些輻射源的輻射能量是具有一定的點(diǎn)燃能力的，比如具備一定條件的射頻源、激光輻射和超聲波輻射等。輻射源通常含有連續(xù)源和脈沖源兩種形式。第一，對于射頻在一定范圍的連續(xù)射頻源和脈沖時(shí)間超過熱起燃時(shí)間的脈沖輻射源，射頻功率應(yīng)不超過爆炸性環(huán)境通用標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，對于脈沖時(shí)間不超過熱起燃時(shí)間的脈沖輻射源，其射頻能量應(yīng)結(jié)合相關(guān)要求，對其設(shè)限。其中，熱起燃時(shí)間，是指由火花沉積的能量積聚在其周圍的少量氣體中而沒有明顯的熱耗散的時(shí)間。第二，連續(xù)式激光源，與脈沖式激光源不同，前者由于加熱了受照射點(diǎn)部位產(chǎn)生高溫可引起點(diǎn)燃，帶來潛在危險(xiǎn)。這里的高溫，既取決于激光的輻射功率，也不能忽視受照射點(diǎn)材料的熱傳導(dǎo)率和受照射點(diǎn)的面積，輻射功率越大，受照射點(diǎn)材料熱傳導(dǎo)率越小，面積越小，越容易產(chǎn)生高溫，所以連續(xù)式激光源應(yīng)同時(shí)限制射頻功率和單位面積的射頻功率；脈沖式激光源則是由于輻射源可擊穿周圍環(huán)境而引起的點(diǎn)燃，較連續(xù)式激光源有較大的時(shí)間間隔，故應(yīng)對單位面積的輻射能量加以限制即可。第三，當(dāng)超聲波輻射源的頻率很高并發(fā)生振動(dòng)時(shí)，可以使周圍環(huán)境中分子與之共振，提高振動(dòng)速度，從而獲得很大的能量。對于連續(xù)源超聲波，波源輸出的頻率和單位面積功率不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于脈沖源超聲波，波源輸出的單位面積功率和單位面積能量同樣應(yīng)限制在一定的范圍內(nèi)。

4 綜述

以上內(nèi)容不難看出，防爆設(shè)備種類繁多，五花八門，但是我們依然可以針對不同類型特征的設(shè)備進(jìn)行一種或者多種方式的保護(hù)，隔爆型式的保護(hù)多偏重結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)；本安型式的保護(hù)多針對電路能量的限制；增安型式的保護(hù)為無火花元件的選擇，配合良好的連接、絕緣處理和附加的防護(hù)措施；正壓型式為保護(hù)氣置換危險(xiǎn)氣，內(nèi)部壓力高于外部環(huán)境壓力，以及對于氣壓的控制；充砂型和澆封型均為填充隔離介質(zhì)，使電氣部分與外界隔離，且同時(shí)保證電氣的可靠和穩(wěn)定。不管是何種措施的處理，最終都是為了消除以及避免產(chǎn)生點(diǎn)燃源。