石油化工裝置中的儀表防爆

范詠峰，李玲

(1. 中科合成油工程有限公司，北京100028；2. 中國石化工程建設(shè)有限公司，北京100101)

爆炸形成的三個必要條件是： 爆炸物質(zhì)、助燃劑和點燃源，且三個條件必須同時存在。空氣與爆炸物質(zhì)的混合濃度在爆炸極限范圍以內(nèi)，并且以上三個條件同時存在，才可能產(chǎn)生爆炸。

儀表防爆基本原理即設(shè)法移除三個條件中的一個或多個條件，使出現(xiàn)火災(zāi)和爆炸的可能性盡可能的降低。防爆技術(shù)包括： 隔爆型“d”為抑制型，將爆炸范圍控制在外殼內(nèi)部；增安型“e”為預(yù)防免除型，對設(shè)備進行增加安全度的設(shè)計，避免采用通常情況下可能產(chǎn)生火花和熱表面的組件、接線和布線；本安型“i”為限能型，通過限制能量和溫度，從本質(zhì)上避免成為點燃源；正壓型“p”為分離型，排除爆炸物質(zhì)或混合物。

本文中的爆炸環(huán)境指的是爆炸性氣體環(huán)境，簡稱爆炸環(huán)境。

1 爆炸物質(zhì)點燃特性

儀表設(shè)備的電火花和熱表面是產(chǎn)生爆炸的主要點燃源，不同爆炸物質(zhì)的點燃特性不盡相同。為了使防爆技術(shù)更有針對性，有必要對危險區(qū)域分區(qū)，對爆炸物質(zhì)進行分級、分組。爆炸物質(zhì)的不同點燃特性舉例見表1所列。

表1 爆炸物質(zhì)點燃特性

2 區(qū)域劃分

爆炸環(huán)境的定義為空氣與可燃物形成混合物，在自然環(huán)境條件下，被點燃后能夠保持燃燒自行傳播的環(huán)境。危險場所的定義是爆炸物質(zhì)出現(xiàn)或預(yù)期可能出現(xiàn)的持續(xù)時間和數(shù)量達到需要對儀表設(shè)備采取防爆措施的區(qū)域。

根據(jù)爆炸混合物出現(xiàn)的頻率把爆炸環(huán)境分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。區(qū)域劃分和爆炸混合物出現(xiàn)頻率的關(guān)系見表2所列。

表2 區(qū)域劃分和爆炸混合物出現(xiàn)頻率的關(guān)系 h/a

3 分級和分組

3.1 分類

爆炸環(huán)境分為三類，見表3所列。

表3 爆炸環(huán)境的分類

3.2 分級

爆炸環(huán)境Ⅱ類分為三個級別： ⅡA，ⅡB，ⅡC。爆炸混合物按最大的試驗安全間隙(MESG)或/和最小的點燃電流比(MICR)分級見表4所列。

表4 爆炸混合物按MESG或/和MICR分級

表4中，MESG定義為在文獻[1]中規(guī)定的試驗條件下，空氣和各種濃度的可燃物混合，當內(nèi)部點燃時，能夠阻止內(nèi)部點燃產(chǎn)生的能量通過25 mm長的接合面，即無法點燃殼體外面的爆炸混合物，對應(yīng)的接合面最大的間隙；MIC定義為在符合IEC 60079-11規(guī)定的試驗裝置中，電感電路或電阻電路中引起爆炸試驗可燃混合物點燃對應(yīng)的最小電流；MICR定義為各種可燃物的最小的點燃電流與甲烷在實驗室測得最小的點燃電流值的比值。

根據(jù)ISO/IEC 80079-20-1： 2017，需要同時根據(jù)MESG和MICR進行分類的情況有： 當0.5

3.3 分組

爆炸混合物按照引燃溫度分組，見表5所列。

表5 引燃溫度的分組 ℃

4 保護級別

保護級別(EPL)定義為根據(jù)儀表成為引燃源的可能性和爆炸物質(zhì)所具有的不同特征而對儀表規(guī)定的保護級別。Ⅱ類儀表保護級別分為Ga，Gb和Gc三個級別。

Ga定義為儀表具有“很高”的保護級別，在正常以及出現(xiàn)預(yù)期范圍內(nèi)的故障或罕見的故障時不會成為點燃源；Gb定義為儀表具有“高”的保護級別，在正常以及預(yù)期范圍內(nèi)的故障條件下不能成為點燃源；Gc定義為儀表具有“一般”的保護級別，在正常狀態(tài)中不能成為點燃源。不同保護級別的相關(guān)描述見表6所列。

表6 不同保護級別的相關(guān)描述

5 儀表防爆設(shè)計

5.1 基本規(guī)定

儀表和相關(guān)的線路，特別是正常狀態(tài)下有可能能出現(xiàn)火花的儀表，優(yōu)先布置在爆炸危險場所以外。當確實需要布置在危險場所內(nèi)部時，應(yīng)布置在危險性相對較小的位置。

5.2 防爆儀表的選擇

5.2.1選擇儀表應(yīng)考慮的因素

儀表應(yīng)根據(jù)以下因素進行選擇： 危險區(qū)域的分區(qū)，可燃物質(zhì)的分類和分級，可燃物質(zhì)的溫度分組。儀表保護級別、類別/級別和組別應(yīng)與環(huán)境的分區(qū)、分級和分組相對應(yīng)一致。防爆儀表選型流程如圖1所示。

圖1 防爆儀表選型流程示意

5.2.2 危險區(qū)域劃分與儀表保護級別之間的對應(yīng)關(guān)系

危險區(qū)域劃分與儀表保護級別之間的對應(yīng)關(guān)系如下：

1)應(yīng)根據(jù)危險區(qū)域的分區(qū)選擇儀表保護級別，危險區(qū)域與適用的儀表保護級別見表7所列。

表7 危險區(qū)域與適用的儀表保護級別

2)常用儀表保護級別與儀表防爆型式選擇的關(guān)系應(yīng)符合表8所列。

5.2.3儀表設(shè)備的類別/級別和溫度組別

儀表設(shè)備的類別/級別和溫度組別不應(yīng)低于環(huán)境的類別/級別和溫度組別。

1)環(huán)境分級與儀表類別選型的關(guān)系應(yīng)符合表9所列。

2)Ⅱ類儀表設(shè)備的溫度組別、最高允許表面溫度和引燃溫度之間對應(yīng)關(guān)系應(yīng)符合表10所列。

表10 Ⅱ類儀表設(shè)備的各溫度組別的關(guān)系

6 常用儀表防爆型式介紹

防爆型式定義為用于防止點燃周圍爆炸性氣體或蒸氣環(huán)境而對儀表設(shè)備采取預(yù)防措施的型式。

6.1 隔爆型“d”

隔爆型“d”是儀表的一種防爆型式，外殼能夠抵抗通過接合面或間隙進入外殼內(nèi)部的爆炸物質(zhì)，在外殼內(nèi)部發(fā)生爆炸而不會損壞，并且不能點燃外殼外部的爆炸環(huán)境。

采用該防爆型式的儀表外殼必須具有可以抵抗內(nèi)部爆炸的強度，并且外殼接合面必須有足夠的嚙合長度和足夠小的接合面間隙，保證內(nèi)部爆炸時，爆炸的能量不會穿透接合面而導致外部爆炸環(huán)境爆炸，屬于間隙防爆，通過間隙、嚙合長度來達到熄火/降溫效果。外殼的各接合面，如儀表外殼螺紋的精度和圈數(shù)，用于零點/量程調(diào)整的螺釘和表殼之間，變送器檢測部件和轉(zhuǎn)換部件的接合間隙，包括電纜引入裝置接合間隙等，都必須滿足接合面的要求。外殼應(yīng)滿足GB 3836系列標準的要求，并且應(yīng)該與實際使用的現(xiàn)場環(huán)境相適應(yīng)。

該防爆型式廣泛應(yīng)用于自動化儀表，通常用于功耗相對較大的儀表或者采用外供電的儀表。外殼禁止帶電開蓋。

6.2 增安型“e”

增安型“e”是儀表設(shè)備的一種防爆型式，通過采取一些必要的措施，提高防護程度，避免或減少正常狀態(tài)或規(guī)定的狀態(tài)下產(chǎn)生危險的電弧、火花和溫度的可能性。

采用該防爆型式的儀表外殼不必具有可以承受內(nèi)部爆炸的強度，但需要能耐受規(guī)定的機械沖擊力。外殼防護等級需要滿足文獻[3]中4.9節(jié)的相關(guān)要求，通常要求至少達到IP54防護等級。

主要措施包括： 可靠的連接、接線的防松、爬電距離和電氣間隙的控制、絕緣、溫度保護、外殼的防護等。

儀表通常配置有調(diào)整零點/滿刻度的選擇開關(guān)或者電位器，通常被認為在正常情況下可能產(chǎn)生電火花，因此儀表設(shè)計中不應(yīng)選用增安型。該防爆型式典型應(yīng)用有接線盒等。

6.3 本安型“i”

本安型“i”是儀表設(shè)備的一種防爆型式，它是利用限能關(guān)聯(lián)設(shè)備或本身具有的特性，將儀表設(shè)備和連接導線可能產(chǎn)生電火花或熱表面的能量限制在不足以點燃爆炸環(huán)境的水平。

該防爆型式是一種以抑制儀表能量為防爆手段的“本安”技術(shù)，通過合理的選擇本安參數(shù)，限制電火花的能量，保證在正常和規(guī)定的故障狀態(tài)下不能產(chǎn)生能夠點燃爆炸環(huán)境的熱表面和電火花。

采用該防爆型式的儀表設(shè)備的外殼是必需的，外殼防護等級應(yīng)根據(jù)使用場所的環(huán)境條件確定，詳見文獻[4]中6.1節(jié)的要求。

該防爆型式是一種低功率的設(shè)計技術(shù)，允許帶電開蓋維護，廣泛應(yīng)用于自動化儀表中，典型應(yīng)用有本安變送器等。

6.4 正壓型“p”

正壓型“p”是維持外殼內(nèi)的氣體壓力高于外部環(huán)境的大氣壓力，阻止外部可燃物進入外殼內(nèi)的一種防爆型式。該防爆型式分為三種型式，分別是： px，py和pz。

1)px型。將外殼內(nèi)儀表的保護級別由Gb級別降低到非危險的保護型式。

2)py型。將外殼內(nèi)儀表的保護級別由Gb級別降低到Gc級別的保護型式。

3)pz型。將外殼內(nèi)儀表的保護級別由Gc級別降到非危險的保護型式。

該防爆型式通過置換外殼內(nèi)的可燃物，達到規(guī)定的區(qū)域要求，通過保持規(guī)定的正壓，使周圍可燃物不能進入外殼內(nèi)。外殼應(yīng)符合文獻[5]中表2規(guī)定的防護等級要求。典型應(yīng)用如正壓小屋等。

7 補充說明

防爆儀表除了需要滿足本文提及的要求外，還應(yīng)滿足相關(guān)法律法規(guī)和標準及項目統(tǒng)一規(guī)定的要求，比如外殼防護等級還應(yīng)滿足項目執(zhí)行標準的要求，如果執(zhí)行文獻[6]，則應(yīng)滿足其中的4.10節(jié)的要求： 安裝于現(xiàn)場的電子式儀表的防護等級不低于文獻[7]中規(guī)定的IP65。

8 結(jié)束語

爆炸環(huán)境具有危險性和復(fù)雜性的特性，為了保障人身和財產(chǎn)的安全以及正常的生產(chǎn)運行，應(yīng)將爆炸環(huán)境進行分區(qū)、分級、分組，并據(jù)此選擇合適的防爆儀表。爆炸環(huán)境的分區(qū)表征了出現(xiàn)爆炸性氣體危險環(huán)境的頻率，儀表保護級別的選擇應(yīng)符合爆炸環(huán)境的分區(qū)。

爆炸環(huán)境根據(jù)爆炸物質(zhì)進行分類，石油化工行業(yè)爆炸環(huán)境通常是Ⅱ類。不同類別的防爆儀表設(shè)備具有不同的特點，設(shè)計、試驗和檢驗等方面有不同的特點和要求，爆炸環(huán)境的分類使儀表防爆設(shè)計和選型更有針對性。儀表防爆設(shè)計和選型應(yīng)符合爆炸環(huán)境的分級和分組，滿足防爆參數(shù)要求，確保防爆型式的可靠性和有效性。