氣體與粉塵爆炸性環(huán)境中防爆儀表的設(shè)計與選型

彭琳

(中國五環(huán)工程有限公司 廣州分公司，廣東 廣州 510700)

目前，針對爆炸性氣體環(huán)境中的防爆技術(shù)分析與應(yīng)用比較多，而對于粉塵防爆技術(shù)的分析與應(yīng)用比較少，隨著近年來粉塵爆炸事故多發(fā)[1]，粉塵防爆也逐漸引起了社會的關(guān)注，政府也越來越重視，并陸續(xù)出臺了相關(guān)的法令與規(guī)程[2-3]。在化工、石化、精細(xì)化工行業(yè)中的某些生產(chǎn)工藝裝置中，除了爆炸性氣體外，還會同時出現(xiàn)粉塵爆炸的危險，如硅粉、金屬粉末(鋁、鎂、鎳等粉塵)等，在這些情況下氣體防爆與粉塵防爆需要同時考慮。

1 相關(guān)防爆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的歸納與解讀

1.1 危險區(qū)域的分區(qū)

對于爆炸性環(huán)境，根據(jù)爆炸性氣體或粉塵出現(xiàn)的頻率將危險區(qū)域劃分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)、20區(qū)、21區(qū)、22區(qū)[4]，各危險區(qū)域適用的設(shè)備保護(hù)級別(EPL)與可選擇的防爆型式見表1所列。

表1中，A表示測定粉塵進(jìn)入的方法，是根據(jù)GB/T 4208—2017《外殼防護(hù)等級(IP代碼)》中的IP代碼[6]；當(dāng)A型用于20區(qū)、21區(qū)或帶導(dǎo)電粉塵的22區(qū)時，采用防護(hù)等級應(yīng)為IP6X的塵密外殼；用于無導(dǎo)電粉塵的22區(qū)時，采用防護(hù)等級為IP5X的防塵外殼；A型需要表示出IP等級。B表示測定粉塵進(jìn)入的方法是根據(jù)熱循環(huán)試驗(yàn)；B型對儀表的結(jié)合面有附加要求，不需要表示出IP等級。

1.2 爆炸性氣體和粉塵的分級

對于危險區(qū)域內(nèi)的爆炸性氣體或粉塵，根據(jù)它們自身特性所劃分的分類標(biāo)志[7]見表2所列，其中，MESG表示最大試驗(yàn)安全間隙，MICR表示最小點(diǎn)燃電流比。

表1 危險區(qū)域內(nèi)適用的設(shè)備保護(hù)級別與防爆型式

表2 爆炸性氣體混合物的分級

1.3 溫度組別

在爆炸性環(huán)境中，溫度是能引燃危險介質(zhì)的重要因素，可分成氣體環(huán)境以及粉塵環(huán)境的溫度組別。

1)根據(jù)能引燃?xì)怏w、蒸氣的溫度劃分的溫度組別，見表3所列。

表3 氣體/蒸氣環(huán)境中溫度組別的劃分

2)爆炸性粉塵環(huán)境中的電氣設(shè)備溫度組別比較復(fù)雜，如果是粉塵云，設(shè)備的最高表面溫度不應(yīng)超過相關(guān)粉塵/空氣混合物的最低點(diǎn)燃溫度的67%；如果是粉塵層，取決于其厚度和采用的安全系數(shù)，最高允許表面溫度由相關(guān)粉塵層的最低點(diǎn)燃溫度減去安全裕度確定[8]。在爆炸性粉塵環(huán)境中的電氣設(shè)備需標(biāo)示出設(shè)備的最高表面溫度。

1.4 國家標(biāo)準(zhǔn)中防爆產(chǎn)品的標(biāo)志

國標(biāo)中防爆標(biāo)志包括：

1)符號Ex。是指防爆的特定標(biāo)識。

2)所使用的各種防爆型式符號。包括：隔爆外殼d，本安型ia，外殼保護(hù)型ta。

3)類別符號如下：

a)I類。易產(chǎn)生瓦斯的煤礦用電氣設(shè)備。

b)IIA，IIB或IIC類。除易產(chǎn)生瓦斯的煤礦外，其他爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備。

c)IIIA， IIIB或IIIC類。爆炸性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備。

4)對于II類設(shè)備，表示溫度組別的符合；對于III類設(shè)備，表示最高表面溫度( ℃)，前面加符號T，例如T90 ℃。

5)設(shè)備保護(hù)級別為“Ga”“Gb”或”Gc”；“Da”“Db”或“Dc”等。

6)防護(hù)等級(例如IP65)，一般在粉塵防爆的外殼保護(hù)型 A型時表示出來。

對于同時存在于氣體和粉塵爆炸性環(huán)境中的儀表，根據(jù)實(shí)際的防爆分區(qū)及危險物質(zhì)的組分，需同時列出氣體防爆標(biāo)志與粉塵防爆標(biāo)志。例如：某項(xiàng)目中采用的氣體本安儀表和粉塵外殼防護(hù)儀表的標(biāo)志為Ex ia IIC T4 Ga， Ex tD A20 IP66 T95 ℃ T500105 ℃；氣體本安和粉塵本安儀表的標(biāo)志為Ex ia IIC T4 Ga， Ex ia IIIC T135 ℃ Da。

此外，需注意的是GB3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分 設(shè)備 通用要求》[9]中關(guān)于粉塵防爆的標(biāo)志與GB 12476.1—2013《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備 第1部分 通用要求》[10]中的略有不同，但含義一致，可選用任一種表述方式。

2 氣體與粉塵爆炸性環(huán)境中儀表的防爆型式的選型

2.1 現(xiàn)場防爆儀表的選型

對于現(xiàn)場儀表，盡可能將多數(shù)儀表安裝在危險較低的場所或非危險場所，當(dāng)不可避免地需安裝在危險場所時，就要首先判斷儀表所在的危險區(qū)域、氣體或粉塵級別、溫度組別等，然后據(jù)此選擇相應(yīng)防爆型式的儀表。

關(guān)于現(xiàn)場儀表的防爆型式，通過查閱目前大量的國內(nèi)外主流變送器、閥門定位器等的選型手冊，大多數(shù)現(xiàn)場儀表同時擁有氣體本安型+粉塵外殼防護(hù)型、氣體本安+粉塵本安型、氣體隔爆型+粉塵外殼防護(hù)型等認(rèn)證證書(NEPSI認(rèn)證)；再選擇氣體防爆和粉塵防爆的電纜密封接頭、電纜、安全柵(按需)，可以滿足氣體和粉塵爆炸性環(huán)境中的儀表防爆要求。

如在某精細(xì)化工項(xiàng)目中，某品牌的變送器的防爆標(biāo)志為 Ex ia IIC T4/T5 Ga， Ex tD A20 IP66 T95 ℃ T500105 ℃，它可使用于1區(qū)和20區(qū)的危險環(huán)境中。該防爆級別的儀表基本上可以滿足目前絕大多數(shù)的爆炸性環(huán)境。

2.2 電纜密封接頭的選型

據(jù)IEC 60079-14：2013ExplosiveatmospheresPart14：Designselection,anderection[11]的規(guī)定，不同的防爆型式的電纜密封接頭(也稱為電纜引入裝置)對應(yīng)不同保護(hù)方式的現(xiàn)場儀表，見表4所列。

表4 與不同保護(hù)方式的現(xiàn)場儀表相對應(yīng)的電纜密封接頭

由表4可以看出，當(dāng)儀表需要粉塵防爆時，其電纜密封接頭只能選擇Ex t保護(hù)；對于同時處于粉塵和氣體爆炸性環(huán)境中的儀表，應(yīng)選擇同時具有Ex t和Ex d保護(hù)型式的電纜密封接頭(根據(jù)氣體環(huán)境下不同的防爆方式，Ex d也可以用Ex e或Ex n替換)。查閱市場上主流品牌電纜密封接頭的選型手冊，同時具有Ex t和Ex d的比較常見。例如防爆標(biāo)志為Ex db IIC Gb， Ex eb IIC Gb， Ex ta IIIC Da，防護(hù)等級為IP66，IP67， IP68等的電纜密封接頭；在氣體和粉塵爆炸性環(huán)境中，電纜密封接頭設(shè)計選型時應(yīng)注意Ex t和Ex d都不可被忽略。

此外，電纜密封接頭的防爆標(biāo)志通常不需要溫度組別，它默認(rèn)工作于-20～80 ℃的環(huán)境中。

2.3 電纜的選型

護(hù)套抗拉強(qiáng)度低的電纜，除非安裝在導(dǎo)管中，否則不能用于危險場所。危險場所固定布線的電纜與使用環(huán)境條件相適宜。常用的電纜為加熱塑護(hù)套、熱固護(hù)套或合成橡膠護(hù)套。電纜應(yīng)為圓形、致密，如果有擠壓層和填料，應(yīng)防潮；電纜的表面溫度應(yīng)不超過所在裝置的溫度組別。電纜用于本安回路時，本安電纜的選擇和敷設(shè)應(yīng)使本安性能不受外界電場或磁場的干擾[12]。

2.4 安全柵的選型

若現(xiàn)場儀表選用了氣體本安型，則需安全柵作為現(xiàn)場儀表的本安關(guān)聯(lián)設(shè)備，限制向危險區(qū)傳遞能量。安全柵也有氣體爆炸性環(huán)境和粉塵爆炸環(huán)境中的本安等級，無論是哪種環(huán)境，其本安電氣系統(tǒng)的構(gòu)成的基本原理和匹配原則都是一樣的。因此，粉塵環(huán)境本安電氣系統(tǒng)也可遵循GB 3836.18—2017《爆炸性環(huán)境第18部分 本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)》[13]進(jìn)行本安電氣評定[14]。

目前，大多數(shù)安全柵已經(jīng)取得了氣體和粉塵防爆標(biāo)志，例如：某品牌安全柵的氣體與粉塵防爆標(biāo)志為[Ex ia Ga] IIC， Ex iaD，同時也會標(biāo)出它的安全輸出參數(shù)，使用環(huán)境溫度、最高電壓、認(rèn)證參數(shù)等。在本安回路計算時需注意滿足這些參數(shù)。

3 結(jié)束語

在氣體與粉塵爆炸性環(huán)境中，儀表的防爆型式的正確選型直接關(guān)系到裝置和人員的安全。除文中所述外，儀表外殼材質(zhì)(與面積有關(guān))的選擇、防靜電、接地等因素也應(yīng)予以考慮。此外，人員資質(zhì)，管理措施也是保障項(xiàng)目安全運(yùn)行的重要因素。