油氣回收系統(tǒng)防爆通風(fēng)機(jī)的點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)估*

李 娜

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

在各種油氣回收處理方法中，正確地收集并輸送油氣是裝置順利運(yùn)行的根本保障。作為采集油氣的源頭，抽氣設(shè)備是否能夠安全運(yùn)轉(zhuǎn)直接影響了整個(gè)油氣回收系統(tǒng)的安全可靠程度。工作原理簡(jiǎn)單的單級(jí)離心式通風(fēng)機(jī)是油氣回收裝置中普遍的通用抽氣設(shè)備，內(nèi)部輸送的介質(zhì)是油氣與空氣的混合物，混合氣在爆炸極限范圍以內(nèi)，因此風(fēng)機(jī)內(nèi)部長(zhǎng)期處于易燃易爆的氣體環(huán)境。如果該類通風(fēng)機(jī)內(nèi)部爆炸，釋放出的能量通過(guò)管道向外部傳播，一方面會(huì)導(dǎo)致后端油氣回收裝置起火爆炸，另一方面會(huì)造成罐頂油氣連通的管道發(fā)生回火，招致更大的危險(xiǎn)。盡管國(guó)家對(duì)服務(wù)于此類爆炸場(chǎng)所的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備有嚴(yán)格規(guī)定，國(guó)內(nèi)在整體防爆風(fēng)機(jī)研發(fā)方面仍處于起步階段。要保證設(shè)備在正常運(yùn)行和故障情況下均具備防火防爆特性，就應(yīng)該確保風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中不存在潛在點(diǎn)燃源，例如機(jī)械火花、零部件摩擦或撞擊、高溫?zé)岜砻嬉约办o電、電氣火花等。因此，研發(fā)整體防爆風(fēng)機(jī)能夠保障裝置及人身安全，對(duì)提升石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)VOCs治理油氣連通整體防爆安全有重大意義。

1 國(guó)內(nèi)外防爆風(fēng)機(jī)現(xiàn)狀

作為石油、化工、煤炭等工業(yè)的重要配套設(shè)備，通風(fēng)機(jī)被廣泛地使用于涉及爆炸性氣氛的危險(xiǎn)場(chǎng)所，GB 3836-2010和GB 25286-2010系列標(biāo)準(zhǔn)，分別規(guī)定了潛在爆炸性環(huán)境用電氣和非電氣設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和標(biāo)志標(biāo)識(shí)的基本方法和要求[1，2]，國(guó)內(nèi)針對(duì)防爆通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、制造、安裝安全和驗(yàn)收已有相應(yīng)的規(guī)范GB 26410-2011[3]，但本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)并不包含任何針對(duì)不同危險(xiǎn)區(qū)域防爆安全的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和技術(shù)條款。雖然風(fēng)機(jī)制造廠家目前已經(jīng)考慮到諸如靜電、機(jī)械摩擦、碰撞火花、熱表面等常見(jiàn)的潛在點(diǎn)燃源，也采取了相應(yīng)的防護(hù)措施，如對(duì)動(dòng)部件添加無(wú)火花防護(hù)罩、對(duì)軸承采用密封、冷卻防止干摩擦或高溫表面等，但這些都是基于機(jī)械常識(shí)或使用周期的考慮而對(duì)設(shè)備加以安全防護(hù)的保護(hù)方法，并沒(méi)有從防爆安全本質(zhì)的角度，依據(jù)GB 25286-2010系列標(biāo)準(zhǔn)去全面梳理通風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行以及故障運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的點(diǎn)燃源。

國(guó)內(nèi)取得防爆通風(fēng)機(jī)認(rèn)證資格的風(fēng)機(jī)制造商也大多是參照爆炸性環(huán)境下電氣防爆系列標(biāo)準(zhǔn)GB 3836-2010制定的，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)通風(fēng)機(jī)防爆認(rèn)證局限在電動(dòng)機(jī)防爆，對(duì)非電氣類部分的防爆根本沒(méi)有涉及。事實(shí)上，防爆風(fēng)機(jī)作為機(jī)電一體化的動(dòng)設(shè)備，既有電氣部分產(chǎn)生的點(diǎn)燃源，又有非電氣部分產(chǎn)生的點(diǎn)燃源，比如相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件之間發(fā)生動(dòng)或靜摩擦、相互碰撞產(chǎn)生炙熱顆粒導(dǎo)致機(jī)械火花或高溫表面等現(xiàn)象，因此防爆風(fēng)機(jī)的非電氣部分也必須進(jìn)行點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)估，以具備安全可靠的防爆性能。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)自從2007年推出了防爆通風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)不斷地更新與修訂，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)為BS EN 14986-2017[4]，該標(biāo)準(zhǔn)從非電氣、電氣兩方面對(duì)整體防爆通風(fēng)機(jī)的適用范圍、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、防爆分級(jí)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、試驗(yàn)方法等做出了詳細(xì)的規(guī)定。

2 潛在爆炸環(huán)境區(qū)域分類

爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域主要以爆炸物質(zhì)在這一危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間來(lái)劃分[5]。除煤礦外，我國(guó)的防爆危險(xiǎn)區(qū)域分成爆炸性氣體區(qū)域和可燃性粉塵區(qū)域，參見(jiàn)表1。

進(jìn)行爆炸環(huán)境分類時(shí)，風(fēng)機(jī)的內(nèi)部和外部可能有不同的分級(jí)。油氣回收裝置中，防爆通風(fēng)機(jī)內(nèi)部輸送的介質(zhì)是油氣與空氣的混合物，混合爆炸性氣體在爆炸極限范圍以內(nèi)，并且連續(xù)長(zhǎng)期出現(xiàn)，因此風(fēng)機(jī)內(nèi)部可以劃分為0區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所。如果通風(fēng)機(jī)的出口和進(jìn)口處的軸密封和柔性連接處不能保證絕對(duì)氣密，會(huì)有少量油氣擴(kuò)散到外部環(huán)境，空曠的外部環(huán)境和良好的通風(fēng)條件使得爆炸性混合氣體得到一定的稀釋，將其濃度降低至爆炸極限范圍的下限以外，此類場(chǎng)景則可以將通風(fēng)機(jī)外部歸類為1區(qū)。如果制造商能夠保證通風(fēng)機(jī)外殼和軸封的密閉性，實(shí)現(xiàn)百分之百零泄漏，那么防爆通風(fēng)機(jī)外部將不可能出現(xiàn)或者只有在故障時(shí)短暫出現(xiàn)爆炸性氣體，外部可以劃分為2區(qū)場(chǎng)所。

表1 危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)劃分

3 點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)估

非電氣防爆安全與電氣類防爆的最大區(qū)別在于，標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有完整的技術(shù)要求一覽表，而是要求對(duì)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)和零部件開(kāi)展點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定[6]。在GB 25285.1-2010[7]中列出的非電氣設(shè)備點(diǎn)燃源種類分別有：熱表面、火焰和熱氣體(熱顆粒)、機(jī)械產(chǎn)生的火花、電氣設(shè)備、雜散電流、靜電、雷電、104～3×1012Hz射頻電磁波、3×1011～3×1015Hz電磁波、電離輻射、超聲波、絕熱壓縮和沖擊波以及放熱反應(yīng)[8-11]。由此可見(jiàn)，引起非電氣類設(shè)備點(diǎn)燃的原因包羅范圍廣泛，必須根據(jù)待認(rèn)證設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征和工作特性去分析這些點(diǎn)燃危險(xiǎn)出現(xiàn)的可能性[12]。

離心通風(fēng)機(jī)的工作原理簡(jiǎn)單。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，輪中葉片之間的氣體獲得離心力也跟著旋轉(zhuǎn)，并在離心力的作用下甩出這些氣體，通過(guò)排氣口排出，同時(shí)在葉輪中間形成了一定的負(fù)壓，由于入口呈負(fù)壓，外界氣體在大氣壓的作用下立即補(bǔ)入，從而在葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)下不斷排出和補(bǔ)入氣體，達(dá)到連續(xù)通風(fēng)的目的[13]。通風(fēng)機(jī)作為機(jī)電一體的動(dòng)設(shè)備，在結(jié)構(gòu)上主要分為動(dòng)力、傳動(dòng)、工作及防護(hù)系統(tǒng)四大部分，防爆通風(fēng)機(jī)與常規(guī)通風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)和功能上一致，機(jī)械部分主要包括聯(lián)軸器、軸承、外殼、葉輪、集流器、傳動(dòng)軸、防護(hù)罩、密封等部件。這些部件可能在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中產(chǎn)生潛在點(diǎn)燃源，應(yīng)該從防爆安全本質(zhì)分別依據(jù)點(diǎn)燃源種類開(kāi)展分析，并提出相應(yīng)的防爆設(shè)計(jì)方案，達(dá)到降低點(diǎn)燃爆炸風(fēng)險(xiǎn)的需要。

3.1 機(jī)械火花

機(jī)械部件在正常運(yùn)轉(zhuǎn)或故障工況下，由于金屬部件間或同其他硬質(zhì)材料間相互摩擦、碰撞或在高應(yīng)力下突然破壞均有可能產(chǎn)生機(jī)械火花[14]。最容易產(chǎn)生機(jī)械火花的部位是動(dòng)靜部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置，比如風(fēng)機(jī)的外殼與葉輪間隙空間不足，運(yùn)行時(shí)相互摩擦形成機(jī)械火花。高速轉(zhuǎn)動(dòng)、溫度、震動(dòng)等都會(huì)造成間隙發(fā)生變化。預(yù)防機(jī)械撞擊摩擦的措施主要應(yīng)考慮設(shè)備的材質(zhì)，在易產(chǎn)生危險(xiǎn)點(diǎn)燃源的部位應(yīng)采用碰撞無(wú)火花的特殊材料組，通過(guò)控制鋁、鈦、鎂和鋯的總含量來(lái)合理選材[15]。在歐洲標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了防點(diǎn)燃風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)制造時(shí)，適用于不同氣體爆炸組別的部分材料組，配對(duì)材料組均可用于旋轉(zhuǎn)部件，以使其機(jī)械應(yīng)力性能符合風(fēng)機(jī)的防爆設(shè)計(jì)和壽命要求。防爆通風(fēng)機(jī)具備的潛在危險(xiǎn)源和預(yù)防措施見(jiàn)表2。

表2 防爆通風(fēng)機(jī)主要機(jī)械火花點(diǎn)燃源危險(xiǎn)辨識(shí)

3.2 高溫?zé)岜砻?/h3>

機(jī)械部件之間的摩擦熱量如果長(zhǎng)時(shí)間積聚，處理不好會(huì)產(chǎn)生高溫，形成高溫?zé)岜砻?，從而成為爆炸環(huán)境的潛在點(diǎn)燃源[14]。為了防止高溫?zé)岜砻孓D(zhuǎn)變?yōu)橛行c(diǎn)燃源，主要采取的措施是在設(shè)備中加入傳感器，探測(cè)即將發(fā)生的危險(xiǎn)條件，在潛在危險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行c(diǎn)燃源之前，條件惡化的早期階段就啟動(dòng)控制措施。此類控制裝置既可以在設(shè)備正常運(yùn)行過(guò)程中連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以只用來(lái)監(jiān)測(cè)異常工況中臨近危險(xiǎn)的過(guò)高溫度[17]。由高溫?zé)岜砻嬉鸬奈ｋU(xiǎn)源和預(yù)防措施見(jiàn)表3。

表3 防爆通風(fēng)機(jī)主要熱表面點(diǎn)燃源危險(xiǎn)辨識(shí)

3.3 靜電

當(dāng)設(shè)備上有非金屬部件或者輸送不導(dǎo)電物料時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別注意電荷積蓄產(chǎn)生靜電放電。因此，設(shè)備上有非金屬部件時(shí)，應(yīng)合理選材并對(duì)非金屬材料進(jìn)行抗靜電處理，防止電荷積聚[8]。此外，導(dǎo)體尖端的電荷特別密集，尖端附近的電場(chǎng)特別強(qiáng)，易發(fā)生尖端放電，葉輪要具備平滑的表面。表4列出了關(guān)于可能產(chǎn)生的靜電危險(xiǎn)分析及預(yù)防措施。

表4 防爆通風(fēng)機(jī)主要靜電放電點(diǎn)燃源危險(xiǎn)辨識(shí)

4 油氣回收防爆通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)要求

應(yīng)用于罐頂油氣連通有機(jī)氣體回收裝置的風(fēng)機(jī)從0區(qū)直接提取爆炸性混合氣，屬于永久性或長(zhǎng)期存在爆炸環(huán)境，即使在設(shè)備很少發(fā)生故障的情況下，也必須設(shè)定防止點(diǎn)火源的最高安全要求。材料方面，如果內(nèi)部爆炸，暴露于熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的部件必須由不含輕金屬或金屬合金的金屬材料制成。結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)在罕見(jiàn)故障下仍具備更高的保護(hù)水平，除了以上提到的潛在點(diǎn)燃源和預(yù)防措施外，還必須滿足表5中的以下要求。

表5 防爆通風(fēng)機(jī)其他類點(diǎn)燃源危險(xiǎn)辨識(shí)

圖1 油氣回收防爆風(fēng)機(jī)爆炸測(cè)試平臺(tái)

由于導(dǎo)致管道上負(fù)載增加的條件非常依賴于通風(fēng)機(jī)的幾何形狀和操作條件，無(wú)法系統(tǒng)性地評(píng)估阻火器的熄滅火焰安全性，因此只能結(jié)合特定的通風(fēng)機(jī)來(lái)開(kāi)展0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)的測(cè)試認(rèn)證，圖1顯示了0區(qū)防爆風(fēng)機(jī)爆炸測(cè)試的試驗(yàn)裝置示例。每一次爆炸測(cè)試都應(yīng)在待測(cè)風(fēng)機(jī)吸入口和出氣口點(diǎn)燃混合氣，任何入口或出口部分都不允許出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?，從而證明該設(shè)備符合危險(xiǎn)0區(qū)防爆標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

防爆通風(fēng)機(jī)除了具備一般通風(fēng)機(jī)所必需的安全性能以外，還必須具有防爆特性。通風(fēng)機(jī)機(jī)械部件的防爆特性與電氣部件同等重要，因此，應(yīng)按照GB 25286.1-2010[19]的相關(guān)要求，系統(tǒng)地開(kāi)展了關(guān)于設(shè)備整體防爆性能的梳理，通過(guò)點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)與評(píng)估，采取相對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施和管理方法，最大限度地降低防爆通風(fēng)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，還提出了應(yīng)用于油氣回收裝置的0區(qū)防爆通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)和測(cè)試方法保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，在國(guó)家環(huán)保要求日益嚴(yán)格的背景下，確保用于潛在爆炸環(huán)境下的風(fēng)機(jī)設(shè)備安全防爆對(duì)設(shè)備及其人身安全有重大意義，此類防爆通風(fēng)機(jī)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。