鉛酸電池置于防爆箱內(nèi)的探究與分析

宋金山

（北京坤飛裝備科技有限公司， 北京 100073）

0 引言

為滿足助推運(yùn)載器發(fā)射支持系統(tǒng)總裝廠房對某型地面裝備的需求， 研制了一款將鉛酸電池置于隔爆型防爆箱內(nèi)的地面裝備。 以研制的該款防爆設(shè)備為研究對象，對鉛酸電池充電過程中電解液中水電解產(chǎn)生氫氣（H2），以及含氫量累積至爆炸體積濃度（4%～75%）時(shí)，遇到電火花導(dǎo)致爆炸的現(xiàn)象進(jìn)行探究與分析[1]，并確定了隔爆型防爆箱的一種改進(jìn)措施。

1 機(jī)理分析

1.1 設(shè)備電池選型

鉛酸電池由正負(fù)極板、隔板、殼體、安全閥、電解液槽和接線樁頭等組成， 其中電解液槽相當(dāng)于單個(gè)電池的電解液容器；極板是蓄電池工作的核心部件，通過極板與電解液的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行充放電；電解液是稀硫酸溶液，用水加濃硫酸配制而成[2]。

鉛酸電池充電到末期， 兩極轉(zhuǎn)化為有效物質(zhì)后再繼續(xù)充電，就會產(chǎn)生大量的氫、氧氣體。 當(dāng)這種混合氣體濃度在空氣中占4%時(shí)，遇到明火就會發(fā)生爆炸。 因此在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境中使用時(shí)，必須將蓄電池進(jìn)行防爆處理，使其能夠應(yīng)用在符合爆炸危險(xiǎn)場所要求的且具有相應(yīng)防爆型式的電氣設(shè)備系統(tǒng)中。 基于鉛酸蓄電池析氫的特性：鉛酸蓄電池不能安裝使用在隔爆型式的防爆電氣設(shè)備中。因?yàn)殂U酸蓄電池若安裝在隔爆殼內(nèi)， 由于在電池組充電達(dá)到60%～100%時(shí)，會產(chǎn)生氫氣和氧氣并會隨之釋放，這些氣體會從蓄電池釋放至隔爆殼內(nèi)， 使得隔爆殼內(nèi)部形成易燃易爆氣體并有可能導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)境成為爆炸性氣體0 區(qū)區(qū)域[3]。根據(jù)設(shè)備需求和主要技術(shù)指標(biāo)，出于設(shè)備研制的試驗(yàn)探究目的，確定設(shè)備采用48V 免維護(hù)鉛酸電池組，由8 塊6V230Ah 免維護(hù)鉛酸電池構(gòu)成。

1.2 產(chǎn)生氫氣原理分析

鉛酸電池工作原理： 工作時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)可以理解為氧化還原反應(yīng)，經(jīng)過電解液的參與，極板上的活性物質(zhì)分別被氧化還原，釋放出電能；充電時(shí)活性物質(zhì)又恢復(fù)到原來的狀態(tài)，完成電能的儲存。

（1）放電時(shí)：

負(fù)極反應(yīng)：Pb-2e-+SO42-=PbSO4

正極反應(yīng)：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O

（2）充電時(shí)：

負(fù)極反應(yīng)：PbSO4+2e-=Pb+SO42-

正極反應(yīng)：PbSO4+2H2O=PbO2+2e-+4H++SO42-

鉛酸電池充電達(dá)到60%～100%時(shí)， 充電電流部分被用來分解電解液中的水，此時(shí)電池正極產(chǎn)生氧氣（O2），負(fù)極產(chǎn)生氫氣（H2），氣體會從鉛酸電池中溢出，擴(kuò)散到周圍空間中。

充電達(dá)60%～100%時(shí)：

H2O=H++OH-

負(fù)極反應(yīng)：4H++4e-=2H2↑

正極反應(yīng)：4OH--4e-=2H2O+O2↑

1.3 氫氣爆炸定量分析

氫氣體積濃度達(dá)到爆炸條件需不小于爆炸體積濃度下限（4%），且不大于爆炸體積濃度上限（75%）。經(jīng)查容量為100Ah 的蓄電池， 在單個(gè)充電周期內(nèi)損失約4mL 水，并生成約5L 的氫氣[4]。 已知設(shè)備48V 電池組容量為230Ah，防爆箱內(nèi)設(shè)計(jì)空間容積為257.4L， 其一個(gè)充電周期內(nèi)所產(chǎn)生的氫氣，按照線性比例理論計(jì)算為：

得：充電一次產(chǎn)生氫氣體積濃度在爆炸體積濃度4%～75%范圍內(nèi)，但未能引發(fā)爆炸。 氫氣爆炸的發(fā)生還需同時(shí)滿足在氫氣體積范圍內(nèi)有電火花產(chǎn)生或其它可導(dǎo)致爆炸的因素發(fā)生。

繼續(xù)對設(shè)備鉛酸電池進(jìn)行正常充放電， 在完成第5次正常充電后，正常啟動(dòng)設(shè)備，啟動(dòng)設(shè)備瞬間防爆箱內(nèi)發(fā)出異常巨響。 經(jīng)分析初步認(rèn)定為電池電解液中水電解產(chǎn)生易燃易爆氣體（H2），由于電池處于完全密閉的防爆箱內(nèi)，所產(chǎn)生氣體無法及時(shí)排出，當(dāng)防爆箱內(nèi)空氣中的含氫量累積至爆炸體積濃度時(shí)（4%～75%），遇到電火花發(fā)生爆炸導(dǎo)致爆鳴現(xiàn)象發(fā)出異常巨響。 以電池防爆箱處產(chǎn)生爆鳴現(xiàn)象為頂事件的故障樹見圖1 所示。以電池防爆箱處產(chǎn)生爆鳴現(xiàn)象為頂事件的故障樹分析，導(dǎo)致的原因可能有以下幾點(diǎn)，分別進(jìn)行分析排查：

圖1 故障樹Fig.1 Fault Tree

1.3.1 X1 事件：電池爆炸

X11 事件：隔板質(zhì)量不好或缺損，使極板活性物質(zhì)穿過，致使正、負(fù)極板虛接觸或直接接觸，從而形成爆炸；X11 事件排查：經(jīng)檢查電池沒有發(fā)生故障且均檢測合格，因此， X11 事件可以排除。

X12 事件：排氣孔堵塞，致使蓄電池先爆裂，爆裂引起蓄電池震動(dòng)，極柱接線不牢出現(xiàn)火花，從而形成爆炸；X12 事件排查：經(jīng)檢查電池沒有發(fā)生故障且均檢測合格，因此， X12 事件可以排除。

X13 事件：電池外部電路短路造成蓄電池過度放電，從而形成爆炸；X13 事件排查：經(jīng)檢查電池沒有發(fā)生故障且均檢測合格，因此， X13 事件可以排除。

X14 事件：電池安裝未固定牢固可靠，受到劇烈震動(dòng)或外部非正常撞擊， 導(dǎo)致內(nèi)部短路， 從而形成爆炸；X14事件排查： 經(jīng)檢查電池沒有發(fā)生故障且均檢測合格，因此， X14 事件可以排除。

1.3.2 X2 事件：易燃易爆氣體爆炸

（1） X21 事件：易燃易爆氣體H2 爆炸。

X211 事件：充電器不符合設(shè)計(jì)要求，充滿電未進(jìn)行斷電，導(dǎo)致過充使電解液中水被電解產(chǎn)生H2，遇火花導(dǎo)致爆炸；X211 事件排查：經(jīng)檢查充電器符合設(shè)計(jì)要求，具有充滿斷電功能，因此， X211 事件可以排除。

X212 事件：充電時(shí)間過長，導(dǎo)致過充使電解液中水被電解產(chǎn)生H2，遇火花導(dǎo)致爆炸；X212 事件排查：經(jīng)核查現(xiàn)場充電時(shí)長大于12h，但充電器具有充滿斷電功能，因此， X212 事件可以排除。

X213 事件：正常充電，充電末期，電解液中水被電解產(chǎn)生H2，遇火花導(dǎo)致爆炸；X213 事件排查：經(jīng)核查電池在充電末期階段，充電達(dá)到60%-100%時(shí)，會產(chǎn)生易燃易爆氣體H2，在80%時(shí)產(chǎn)生氫氣量最大，因此， X213 事件無法排除。

X214 事件：電池質(zhì)量問題，充放電過程產(chǎn)生H2，遇火花導(dǎo)致爆炸；X214 事件排查： 經(jīng)檢查電池沒有發(fā)生故障且均檢測合格，因此， X214 事件可以排除。

（2）X22 事件：其它易燃易爆氣體爆炸：防爆箱內(nèi)零部件產(chǎn)生除H2 外的其它易燃易爆氣體，遇火花導(dǎo)致爆炸。

X22 事件排查： 經(jīng)檢查防爆箱內(nèi)零部件無法產(chǎn)生其它易燃易爆氣體，因此， X22 事件可以排除。

綜上：認(rèn)定故障原因?yàn)閄213 事件（正常充電，充電末期，電解液中水被電解產(chǎn)生H2，遇電火花導(dǎo)致爆炸）。 假設(shè)防爆箱完全密閉無氣體溢出， 則正常充電5 次產(chǎn)生氫氣體積濃度為：

得： 充電產(chǎn)生氫氣體積濃度在爆炸體積濃度4%～75%范圍內(nèi)，同時(shí)有電火花產(chǎn)生引起氫氣爆炸。

1.4 防爆箱強(qiáng)度分析

防爆箱內(nèi)發(fā)出異常巨響， 經(jīng)查設(shè)備以及防爆箱未發(fā)生明顯外觀損傷， 防爆箱設(shè)計(jì)等級為Ex d IIB T4 Gb，對防爆箱強(qiáng)度進(jìn)行分析并以相對薄弱的箱門處進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。 經(jīng)查當(dāng)氫氣在空氣中的濃度分別為爆炸上限和爆炸下限時(shí)，其爆炸反應(yīng)產(chǎn)生的壓力分別為3.46atm 和1.71atm[5]，則防爆箱內(nèi)氫氣爆炸對單箱門產(chǎn)生的向外推力F 為：

F1=3.46atm×1.0332kg/cm2×110cm×100cm×0.5×9.8N/kg=192685.6N

F2=1.71atm×1.0332kg/cm2×110cm×100cm×0.5×9.8N/kg=95229.01N

即：F2=95229.01N

而防爆箱安裝螺栓為8.8 級M8 內(nèi)六角圓柱頭螺栓，其最小拉力載荷為29200N[6]，單箱門安裝螺栓數(shù)量為30根，則單防爆箱箱門安裝螺栓最小總拉力℉為：

℉=30×29200N=876000N

得：F

防爆箱箱門材質(zhì)為Q235 厚度14mm， 抗拉強(qiáng)度：σ1=375N/mm2， 剪切強(qiáng)度：τ=300N/mm2， 安裝孔直徑為φ1=10mm，安裝螺栓圓柱頭直徑φ2=12mm。

得：F

1.5 結(jié)論

鉛酸電池充電會產(chǎn)生氫氣， 置于隔爆型防爆箱內(nèi)使用達(dá)爆炸濃度時(shí)，遇電火花會產(chǎn)生爆炸。鉛酸電池如需要安裝使用在隔爆型式的防爆電氣設(shè)備中， 必須對防爆箱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 結(jié)束語

防爆箱設(shè)置通風(fēng)孔、排風(fēng)扇、手動(dòng)開蓋裝置及氫氣濃度檢測報(bào)警裝置，同時(shí)電池應(yīng)與電控系統(tǒng)隔離安裝，杜絕易燃易爆氣體與電火花的接觸。 其中所設(shè)計(jì)通風(fēng)孔采取螺紋形式，并在內(nèi)部對應(yīng)位置安裝排風(fēng)扇，充電時(shí)擰開螺紋蓋，同時(shí)打開排風(fēng)扇開關(guān)，形成空氣流進(jìn)行通風(fēng)排氣，保證易燃易爆氣體氫氣及時(shí)排出； 充電結(jié)束后擰好螺紋蓋，并關(guān)閉排風(fēng)扇開關(guān)，以確保防爆箱防爆等級仍滿足設(shè)計(jì)要求。