爆炸試驗(yàn)槽系統(tǒng)的防火防爆安全設(shè)計(jì)

殷 杰

（上海上發(fā)院發(fā)電成套設(shè)備工程有限公司，上海 200240）

1 引言

爆炸試驗(yàn)槽系統(tǒng)主要用于對(duì)?；瘓鏊褂玫母舯头辣姎猱a(chǎn)品進(jìn)行最為重要的爆炸試驗(yàn)，主要由試驗(yàn)槽本體、供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分組成。其主要工作原理是：在試驗(yàn)槽本體內(nèi)放入試驗(yàn)樣品，在樣品中充入規(guī)定的試驗(yàn)氣體（甲烷、氫氣）并點(diǎn)燃，測量其爆炸壓力并保證試驗(yàn)樣品內(nèi)部發(fā)生的爆炸不擴(kuò)散到試驗(yàn)槽本體外。其在防火防爆設(shè)計(jì)和運(yùn)行中涉及到多項(xiàng)安全風(fēng)險(xiǎn)，文中針對(duì)爆炸試驗(yàn)槽系統(tǒng)的防火防爆設(shè)計(jì)及安全管理方面的問題進(jìn)行介紹和分析。

圖1 防爆試驗(yàn)槽系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2 防爆試驗(yàn)槽系統(tǒng)主要構(gòu)件

2 安全方案綜述

廠房總體布局應(yīng)滿足GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等相關(guān)要求；試驗(yàn)槽本體強(qiáng)度應(yīng)滿足爆炸試驗(yàn)的要求；電氣控制系統(tǒng)應(yīng)滿足GB 50257-2014《電氣裝置安裝工程爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電氣裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》等相關(guān)要求；防爆試驗(yàn)槽系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)應(yīng)滿足安全管理的要求。

現(xiàn)有單層丁類綜合試驗(yàn)廠房建筑面積為1200m2，嚴(yán)格控制爆炸試驗(yàn)槽系統(tǒng)占地面積不大于該廠房防火分區(qū)建筑面積的5%，以便不提高現(xiàn)有廠房的危險(xiǎn)類別。

3 試驗(yàn)槽本體

3.1 試驗(yàn)槽承壓能力設(shè)計(jì)

考慮到受力性能，將試驗(yàn)槽本體采用臥式圓筒形結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)槽本體的承壓能力取決于可燃性氣體混合物爆炸時(shí)產(chǎn)生的最大爆炸壓力，理論上爆炸壓力可以通過以下熱力學(xué)能公式計(jì)算。

表1 幾種可燃性氣體混合物的最大爆炸壓力及最大壓力體積分?jǐn)?shù)

爆炸壓力也可以通過試驗(yàn)直接測定，幾種常見可燃性氣體混合物的最大爆炸壓力參考值及最大壓力體積分?jǐn)?shù)見表1。為了保證試驗(yàn)安全和設(shè)備的長期使用，試驗(yàn)槽承壓能力取安全系數(shù)為4[3]，因此試驗(yàn)槽本體按4 MPa承壓能力設(shè)計(jì)，屬于固定式中壓力容器。

通過比較螺栓緊固結(jié)構(gòu)和快開結(jié)構(gòu)兩種罐蓋可以發(fā)現(xiàn)：螺栓緊固型罐蓋開關(guān)速度慢，螺紋磨損銹蝕情況等難以度量，存在安全隱患，因此選用槽體與帶齒罐蓋通過帶齒卡箍連接的快開結(jié)構(gòu)。罐蓋和槽體扣合后，旋轉(zhuǎn)卡箍對(duì)準(zhǔn)相互的齒，同時(shí)壓緊橡膠密封圈。卡箍的旋轉(zhuǎn)采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)。

3.2 強(qiáng)度校核

需要對(duì)試驗(yàn)槽本體進(jìn)行強(qiáng)度校核。橫向中卡箍和罐蓋的齒部分最為薄弱，因此卡箍和罐蓋的設(shè)計(jì)應(yīng)以罐蓋齒的剪切強(qiáng)度為準(zhǔn)[4]?？v向不考慮罐蓋作用力。強(qiáng)度校核如表2所示。

表2 強(qiáng)度校核

3.3 附件設(shè)計(jì)

為了減輕壓力重疊對(duì)設(shè)備的影響，延長試驗(yàn)槽使用壽命，在槽體頂部設(shè)置一套爆破片安全裝置，采用設(shè)計(jì)爆破壓力為2MPa的平板形爆破片，當(dāng)試驗(yàn)槽內(nèi)發(fā)生傳爆時(shí)破裂泄壓，起到保護(hù)試驗(yàn)槽本體的作用。爆破片的選擇與安裝參照GB 567.2-2012《爆破片安全裝置 第2部分：應(yīng)用、選擇與安裝》等相關(guān)要求。

4 供氣系統(tǒng)

4.1 氣瓶間防火防爆設(shè)計(jì)

供氣系統(tǒng)需要放置甲烷1集裝格（16瓶），氫氣1集裝格（16瓶），如果按照物質(zhì)分類則建筑防火等級(jí)應(yīng)為甲類。由于氣瓶直接連接到供氣管路使用（非儲(chǔ)存），因此不作為單獨(dú)的甲類倉庫設(shè)計(jì)。將氣瓶間沿廠房外墻狹長布置，可以增加側(cè)墻的泄爆面積，增大泄爆面積，基于以上經(jīng)驗(yàn)，在廠房外東北角北側(cè)設(shè)置長、寬、高分別為5m、3m、2m的臨時(shí)板房作為氣瓶間(經(jīng)核算長徑比小于3，符合要求)，采用耐火等級(jí)不小于4.00h的防火墻與廠房主體隔離。氣瓶間的屋頂和西、北、東四個(gè)面設(shè)置為泄爆面，其中屋頂材料的單位面積重量小于60kg/m2。氣瓶間北側(cè)墻面設(shè)置甲級(jí)防火卷簾，供人員和氣瓶進(jìn)出。

氣瓶間的泄爆面積S=5×3+5×2+3×2+3×2=37m2

最小泄壓面積[5]A=10CV2/3=10×0.25×302/3=10×0.25×9.66=24.15m2

注：V為廠房的容積，C為泄壓比（此處取0.25）。

氣瓶間的泄爆面積S＞最小泄壓面積A，因此滿足要求。

氣瓶間內(nèi)東西兩側(cè)各設(shè)置1臺(tái)防爆通風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量400m3/h，使得氣瓶間內(nèi)的換氣次數(shù)大于12次/h。

供氣系統(tǒng)的氣瓶間內(nèi)在正常運(yùn)行時(shí)不經(jīng)?；蚨唐诖嬖诒ㄐ曰旌蠚怏w，因此設(shè)計(jì)為氣體防爆2區(qū)，氣瓶間內(nèi)的電氣設(shè)備如防爆照明燈、開關(guān)、接線盒、可燃?xì)怏w探測器、聲光報(bào)警器均選用ⅡCT1級(jí)以上的電氣防爆設(shè)備（氫氣ⅡCT1，甲烷ⅡAT1），設(shè)備安裝應(yīng)符合GB 50257-2014等相關(guān)要求。其中可燃?xì)怏w探測器設(shè)置在氣瓶間中部和頂部易形成和積聚爆炸性氣體混合物的位置，并設(shè)置當(dāng)氣體濃度接近爆炸下限值的20%時(shí)，能自動(dòng)報(bào)警并啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)，當(dāng)氣體濃度接近爆炸下限值的50%時(shí)，應(yīng)能可靠的發(fā)出信號(hào)或切斷電源[6]。

氣瓶間門口設(shè)置靜電釋放裝置，張貼安全警示標(biāo)識(shí)，懸掛其化學(xué)品安全技術(shù)說明書（MSDS）。在氣瓶間和試驗(yàn)槽廠房內(nèi)均設(shè)置可燃?xì)怏w探測器和火災(zāi)警報(bào)器，火災(zāi)警報(bào)器聲壓級(jí)不應(yīng)小于60dB[7]，考慮到空壓機(jī)等其他噪聲的影響，選用響度不低于90dB的火災(zāi)聲光報(bào)警器。

氣瓶間內(nèi)的氣體集裝格應(yīng)與防靜電接地裝置可靠連接，并定期檢測接地電阻，每年至少檢測一次。不得將氣瓶內(nèi)的氣體用盡，瓶內(nèi)至少保留0.05MPa的壓力，以防空氣進(jìn)入氣瓶[8]，氣瓶間內(nèi)配置2具M(jìn)F/ABC4滅火器，不得用水滅火。

4.2 空壓機(jī)房

試驗(yàn)槽系統(tǒng)所需的空氣由1臺(tái)自帶儲(chǔ)氣罐的空壓機(jī)提供，選用工作噪音小于75dB的產(chǎn)品，無需人員職守因此不考慮人員噪聲防護(hù)。在廠房內(nèi)設(shè)空壓機(jī)房放置該空壓機(jī)，內(nèi)墻面采用吸聲材料裝修，配置2具M(jìn)F/ABC4滅火器。

4.3 三元配氣系統(tǒng)及管路

三元配氣系統(tǒng)是將可燃性氣體與空氣按照預(yù)定濃度進(jìn)行混合的裝置?？扇夹詺怏w由氣瓶間內(nèi)的集裝格提供，空氣由空壓機(jī)及配套管路提供，通過專用管路引入三元配氣體系統(tǒng)，管路采用25mm無縫鋼管（非壓力管道）。氣瓶端安裝減壓閥、止回閥，管道首、末端均安裝截止閥，配氣系統(tǒng)中電磁閥等電氣設(shè)備使用ⅡCT1級(jí)以上電氣防爆設(shè)備。

5 控制系統(tǒng)

5.1 控制臺(tái)

控制臺(tái)主要包括1臺(tái)win7操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)和三元配氣系統(tǒng)顯示儀表，采用專線連接（不連接外部開放網(wǎng)絡(luò)），嚴(yán)格控制網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)槽控制系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)安裝的組態(tài)軟件（西門子wincc）和可編程邏輯控制器（PLC）聯(lián)合控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。計(jì)算機(jī)自動(dòng)保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成試驗(yàn)記錄，在方便試驗(yàn)人員的同時(shí)避免人為參與影響試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 PLC控制框圖

圖4 系統(tǒng)組態(tài)界面圖

5.2 現(xiàn)場控制元件

現(xiàn)場控制元件包括電接點(diǎn)壓力表、電磁閥、流量計(jì)、急停開關(guān)、點(diǎn)火裝置等組成。為了保證安全，試驗(yàn)槽體周圍的現(xiàn)場控制電氣儀表設(shè)備全部采用防爆型，防爆等級(jí)不低于ⅡCT1。試驗(yàn)槽體內(nèi)的點(diǎn)火裝置采用高能量火花塞點(diǎn)火，保證一次點(diǎn)火成功。

6 日常安全管理

爆炸試驗(yàn)槽系統(tǒng)的安全運(yùn)行離不開日常的安全管理。首先，要落實(shí)操作人員的安全生產(chǎn)責(zé)任制，明確管理人員、操作人員、維修保養(yǎng)人員的職責(zé)，做好設(shè)備使用記錄，定期檢修保養(yǎng)等工作；其次，要進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)和職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別，建立臺(tái)賬，在氣瓶間內(nèi)張貼相應(yīng)的安全標(biāo)志標(biāo)識(shí)，配備急救物品，在明顯區(qū)域設(shè)置疏散圖、消防安全疏散標(biāo)志[9]；再次，要編寫設(shè)備操作規(guī)程和試驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書，并在現(xiàn)場張貼，對(duì)操作人員進(jìn)行教育培訓(xùn)，經(jīng)操作考試合格后方可上崗操作；最后，要加強(qiáng)外來人員安全管理和監(jiān)控，要做應(yīng)急預(yù)案并定期演練，避免發(fā)生意外?？傊?，時(shí)刻保持安全文化、安全法制、安全科技、安全責(zé)任、安全投入這五個(gè)要素不放松，就可以保證正常的生產(chǎn)安全[10]。

7 結(jié)語

通過以上防火防爆設(shè)計(jì)，該爆炸試驗(yàn)槽系統(tǒng)的各項(xiàng)安全性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)需求和建筑防火、防爆等國家生產(chǎn)安全相關(guān)要求，為類似的特種設(shè)備和系統(tǒng)的建筑防火、防爆、安全管理等方面提供參考。