防爆基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)流程

(佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯 154005)

0 引言

縱觀我國防爆電氣的發(fā)展歷史，大致分為三個(gè)階段[1]：(1)1950年至1960年，這十年是我國防爆行業(yè)的發(fā)展初期，屬于摸著石頭過河的階段，防爆產(chǎn)品主要以煤礦用隔爆型產(chǎn)品為主，單一而笨重；(2)60年代初期至70年代末期，這段時(shí)間防爆行業(yè)已從最原始的模仿邁入到自行開發(fā)制造的階段，產(chǎn)品形式也從單一的隔爆型延伸到本質(zhì)安全型和增安型電氣設(shè)備；(3)進(jìn)入80年代后，防爆產(chǎn)品制造行業(yè)已經(jīng)頗具規(guī)模。這個(gè)階段，國家出臺(tái)了防爆電氣設(shè)備制造和檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，并建立了多個(gè)國家授權(quán)的防爆電氣產(chǎn)品檢測中心。這標(biāo)志著我國的防爆電氣產(chǎn)品需要經(jīng)過防爆認(rèn)證的模式悄然啟動(dòng)，為防爆電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造和檢驗(yàn)提供標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

在防爆產(chǎn)品的市場領(lǐng)域中，我們主要集中在電氣設(shè)備，而對(duì)非電氣設(shè)備的研究是乏善可陳的，無標(biāo)準(zhǔn)，無相應(yīng)產(chǎn)品。在歐洲[2]，由歐洲技術(shù)委員會(huì)CEN/TC305起草的“BSEN13463-1: 2001潛在爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備—第1部分：基本方法和要求”2001年就已發(fā)布，直到2011年，我國才在EN13463系列標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容基礎(chǔ)上進(jìn)行修改制定了GB 25286系列標(biāo)準(zhǔn)，非電氣設(shè)備防爆理念才進(jìn)入大家的視線中。

一紙證書，一次認(rèn)證，IECEx體系的目的，也是防爆認(rèn)證的必然趨勢。為與國際接軌，我們需要不斷完善檢驗(yàn)設(shè)備和手段、人員素質(zhì)等。要認(rèn)清非電氣設(shè)備防爆認(rèn)證已是未來標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的一個(gè)趨勢，更多的人接受并認(rèn)可它。

1 防爆基礎(chǔ)理論

防爆基礎(chǔ)理論有它特有的專屬名詞，如：防爆合格證，設(shè)備保護(hù)級(jí)別，爆炸性環(huán)境，正常運(yùn)行，故障，有效點(diǎn)燃源等。產(chǎn)品會(huì)應(yīng)用到危險(xiǎn)爆炸性環(huán)境中，因此一些產(chǎn)品會(huì)被要求作為防爆型產(chǎn)品。先了解為什么會(huì)產(chǎn)生爆炸，是什么引起的爆炸，才能采取相應(yīng)措施在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段加以阻止，避免事故的發(fā)生。具有潛在爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境要發(fā)生爆炸必須具備的三個(gè)條件[3]：爆炸性物質(zhì)(可燃性氣體、粉塵、纖維)、點(diǎn)燃源(電火花、熱表面、靜電等)和助燃劑(空氣)。我們常說的爆炸三要素之間的關(guān)聯(lián)如圖1所示。

圖1 爆炸三要素

當(dāng)上述三個(gè)條件同時(shí)存在，且爆炸性物質(zhì)與空氣混合濃度達(dá)到爆炸極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生爆炸。我們應(yīng)避免這三個(gè)要素同時(shí)存在，防止爆炸產(chǎn)生。但是，爆炸性物質(zhì)與空氣不是人為可控制的，因此，需要從第三個(gè)條件點(diǎn)燃源入手，來抑制爆炸產(chǎn)生。

電氣設(shè)備的防爆型式主要有[4]：隔爆型“d”、增安型“e”、本質(zhì)安全型“i”、正壓型“P”、油浸型“o”、充砂型“q”、無火花型“n”、繞封型“m”，這些應(yīng)用于爆炸性氣體環(huán)境中，而可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備有自己的防爆型式，用外殼和限制表面溫度保護(hù)的電氣設(shè)備“DIP”、本質(zhì)安全型“iD”、繞封型“mD”和正壓型"pD”。無論應(yīng)用于哪種環(huán)境中，這些防爆型電氣設(shè)備都廣受好評(píng)。

上述是防爆電氣設(shè)備，而防爆的非電氣設(shè)備可謂少之又少，我們國家的非電氣設(shè)備防爆起步相對(duì)較晚，直至2011年才參照歐洲EN13463系列標(biāo)準(zhǔn)頒布實(shí)施了 GB 25286系列非電氣設(shè)備防爆標(biāo)準(zhǔn)，它填補(bǔ)了之前對(duì)于非電氣設(shè)備防爆領(lǐng)域的空白。其防爆形式有[5]：限流外殼型“fr”、隔爆外殼型“d”、結(jié)構(gòu)安全型“C”、控制點(diǎn)燃源型“b”和液浸型“k”。 爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備的防爆技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵在于分析評(píng)價(jià)，是一個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)燃源的評(píng)估過程，GB 25286.1標(biāo)準(zhǔn)正是提供了點(diǎn)燃危險(xiǎn)的評(píng)定方法，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)、試驗(yàn)和標(biāo)志的基本方法和要求[6]。

作為三要素之一的爆炸性物質(zhì)可分為三類：I類(礦井甲烷)、II類(爆炸性氣體混合物)和Ⅲ類(可燃性粉塵和纖維)。而其中的II類爆炸性氣體混合物根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)又可按其最大試驗(yàn)安全間隙(MESG)和最小點(diǎn)燃電流比(MICR)進(jìn)一步分為A、B、C三個(gè)等級(jí)，它們的點(diǎn)燃特性從難到易。各個(gè)國家不同標(biāo)準(zhǔn)的氣體分級(jí)體系[6]對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 不同氣體分級(jí)體系對(duì)比

設(shè)備的溫度組別，它與爆炸性物質(zhì)的引燃溫度有關(guān)。每一種爆炸性物質(zhì)都有一個(gè)引燃溫度，在此溫度下即便沒有任何外界點(diǎn)燃源，爆炸性物質(zhì)也將發(fā)生點(diǎn)燃，即熱點(diǎn)燃。在防爆標(biāo)準(zhǔn)中(中國、IEC和歐洲標(biāo)準(zhǔn))，將這個(gè)溫度分為T1～T6六檔，稱之為溫度組別，其對(duì)應(yīng)的就是我們通常所說的設(shè)備的最高表面溫度。不同的溫度組別對(duì)應(yīng)的設(shè)備最高表面溫度見表2所示。

表2 設(shè)備溫度組別

由表1、表2可知，溫度組別越高，最高表面溫度越低，越不易點(diǎn)燃爆炸性物質(zhì)。

2 非電氣設(shè)備防爆技術(shù)

我們國家的非電氣設(shè)備防爆標(biāo)準(zhǔn)GB 25286系列是在2010年發(fā)布，到2011年正式實(shí)施的，綜合考慮了中國現(xiàn)行的電氣設(shè)備防爆標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.1—通用要求，做了一些技術(shù)內(nèi)容上的修改。原因是我們的GB 3836.1是2010版本，等同有效于IEC 60079—0:2007[7]，為了將非電氣設(shè)備與電氣設(shè)備防爆通用要求GB 3836.1—2010中關(guān)于設(shè)備保護(hù)級(jí)別的表述趨于一致，GB 25286系列標(biāo)準(zhǔn)將EN13463系列標(biāo)準(zhǔn)中定義的Ml、M2級(jí)設(shè)備修改為Ma、Mb級(jí)設(shè)備，將1G、2G、3G級(jí)設(shè)備修改為Ga、Gb、Gc級(jí)設(shè)備，將ID、2D、3D級(jí)設(shè)備修改為Da、Db、Dc級(jí)設(shè)備，同時(shí)，對(duì)防爆標(biāo)志的表述做了相應(yīng)的改變，增加了爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備取得防爆合格證的檢驗(yàn)程序，刪除了與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容無關(guān)的資料性附錄。GB 25286系列標(biāo)準(zhǔn)與EN 13463系列標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3所示。

表3 GB 25286與EN13463的對(duì)應(yīng)關(guān)系

需要補(bǔ)充說明的是，EN13463—1的最新版本為2009版，其中增加了一種新的非電氣設(shè)備的保護(hù)類型—正壓外殼型“P”。

潛在爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備的等級(jí)分類與電氣設(shè)備相同，同樣分為I類，設(shè)備保護(hù)等級(jí)可分為Ma、Mb； II類(IIA、IIB、IIC)，設(shè)備保護(hù)等級(jí)可分為Ga、Gb、Gc；Ⅲ類(ⅢA、ⅢB、ⅢC)，設(shè)備保護(hù)等級(jí)可分為Da、Db、Dc。溫度組別定義與爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備相同，分為T1～T6六檔，具體的溫度參數(shù)也是一樣的。

電氣設(shè)備和非電氣設(shè)備最大的區(qū)別在于電氣設(shè)備的危險(xiǎn)點(diǎn)燃源主要是電氣火花/電弧、熱表面等(由電氣引起的)，而非電氣設(shè)備的主要危險(xiǎn)點(diǎn)燃源為機(jī)械火花、機(jī)械高溫、靜電放電等，因此在針對(duì)這些特定的危險(xiǎn)點(diǎn)燃源釆取相應(yīng)防爆保護(hù)措施的原理上主要可以通過消除、限制和隔離等幾種方法實(shí)現(xiàn)[8]。

消除點(diǎn)燃源是設(shè)備自身不會(huì)產(chǎn)生足以點(diǎn)燃周圍爆炸性物質(zhì)的火花和高溫。抑制點(diǎn)燃源是采取一些保護(hù)措施，使得設(shè)備產(chǎn)生的危險(xiǎn)點(diǎn)燃源無效，在其發(fā)生前將其消滅。隔離點(diǎn)燃源是讓危險(xiǎn)點(diǎn)燃源與爆炸物隔離，使其無法產(chǎn)生點(diǎn)燃危險(xiǎn)。

3 防爆設(shè)計(jì)流程

防爆電氣設(shè)備與非電氣設(shè)備在原理與類型上基本是相通的。不過，在設(shè)計(jì)其防爆性能上需要電氣防爆與非電氣防爆兩者都給予考慮。通過比較，非電氣部分的難點(diǎn)在于它同時(shí)也是一個(gè)點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定的過程，不同設(shè)備的結(jié)構(gòu)也錯(cuò)綜復(fù)雜，因此需要對(duì)設(shè)備在正常運(yùn)行、可預(yù)料故障和罕見型故障的情況下可能評(píng)存在的所有點(diǎn)燃源都進(jìn)行評(píng)估分析[9]。防爆設(shè)計(jì)可以通過圖2所示。

圖2 防爆設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)語

本文除了介紹防爆基礎(chǔ)知識(shí)外，主要是研究分析GB 25286系列非電氣設(shè)備防爆標(biāo)準(zhǔn)中的幾種防爆保護(hù)型式，通過對(duì)比，提出了危險(xiǎn)點(diǎn)燃源的評(píng)定方法以及設(shè)備要實(shí)現(xiàn)防爆的設(shè)計(jì)過程。為我國今后向國際接軌奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，起到了一定的借鑒作用。

[1] 徐建平.“防爆安全技術(shù)”講座[J].自動(dòng)化儀表，2008,29(3): 66-70.

[2] 徐建平.我國發(fā)布的主要防爆標(biāo)準(zhǔn)[J].電世界，2013,1:10-11.

[3] 邢立兵，劉彥杰，薛丁法.論爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備的防爆[J].電氣開關(guān)，2012(2):105-108.

[4] 柯研，王新華，蔣漳河.防爆特種設(shè)備防爆性能檢驗(yàn)[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2013,39(5):92-93.

[5] Adam S. Markowski. exLOPA for explosion risks assessment. Journal of HazardousMaterials. 2007, 142(3): 669-676.

[6] BSI EN 13463-1:2009 Non-electrical Equipment for Use in Potentially ExplosiveAtmosopheres-Part 1: Baisc Method and Requirements [S].

[7] 錢松. GB 25286爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備系列標(biāo)準(zhǔn)探討[J]. 電氣防爆，2012,4:39-40.

[8] [德]邁克爾.貝爾.防爆非電氣設(shè)備的點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定方法[J].電氣防爆，2007,4: 22-27.

[9] A.D. Micheals. Materials Analysis and Failure Analysis. Encyclopedia of Forensic-Sciences. 2013: 483-493.