化工設(shè)計(jì)中混合氣體環(huán)境爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分方法探討

王婉露

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 引言

化工生產(chǎn)中有各類危險(xiǎn)系數(shù)較高的生產(chǎn)裝置， 裝置所用物料一般都會(huì)存在火災(zāi)性、爆炸性的危險(xiǎn)因素。 在化工企業(yè)的設(shè)計(jì)中，合理繪制危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖，能夠有效減小危險(xiǎn)區(qū)域，為后期的設(shè)備選型等提供重要的依據(jù)。 隨著化工產(chǎn)品的不斷發(fā)展，易燃易爆的物質(zhì)越來越復(fù)雜，在實(shí)際設(shè)計(jì)中多為混合性的物質(zhì)。 在混合性物質(zhì)的影響下，危險(xiǎn)區(qū)域劃分的要求也越來越精細(xì)，以此保證生產(chǎn)裝置的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。

2 爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域的劃分

2.1 爆炸危險(xiǎn)的產(chǎn)生

爆炸危險(xiǎn)的產(chǎn)生應(yīng)同時(shí)具備以下兩個(gè)條件[2]：（1）存在易燃?xì)怏w或易燃液體的蒸氣或薄霧，且其濃度應(yīng)在爆炸極限內(nèi)；（2）存在能夠點(diǎn)燃爆炸性混合物的火花、電弧或高溫。

2.2 爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域的劃分

在一個(gè)工程項(xiàng)目中，大多數(shù)設(shè)備（如泵、管道、容器、貯罐等）的內(nèi)部基本都含有易燃易爆性的物料，這些物料均應(yīng)視為潛在的釋放源，如易燃性氣體或者液體的取樣點(diǎn)、閥門的泄漏點(diǎn)等。 在這些設(shè)備中也有部分設(shè)備內(nèi)含有的易燃易爆型物料但不會(huì)向周圍投放的，如焊接完全的管道等，則可視為非釋放源。

根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間，可以將爆炸性氣體環(huán)境分為以下4 類：（1）0 區(qū)：連續(xù)或者長期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；（2）1 區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；（3）2 區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)不太可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境， 或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境；（4）附加2 區(qū)：指的是釋放出大量的易燃物并且這些易燃物已經(jīng)逐步擴(kuò)散到周圍15 m 以外的環(huán)境，應(yīng)劃分出附加2 區(qū)。 還應(yīng)結(jié)合環(huán)境的通風(fēng)條件，當(dāng)環(huán)境的通風(fēng)條件良好時(shí)，可適當(dāng)降低爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的等級(jí)；若通風(fēng)條件不佳時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的等級(jí)。 在實(shí)際的生產(chǎn)中，大多數(shù)的情況屬于2 區(qū)，根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采取合理的措施減少1 區(qū)的出現(xiàn)。

3 釋放源的定義及劃分

根據(jù)GB 50058—2014 《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》，釋放源的定義為：可釋放出能形成爆炸性混合物的物質(zhì)所在的部位或地點(diǎn)。

釋放源應(yīng)按照可燃物質(zhì)的釋放頻繁程度和持續(xù)時(shí)間的長短進(jìn)行劃分，分為3 類：（1）連續(xù)釋放源：連續(xù)釋放或者預(yù)計(jì)長期釋放的釋放源。 如油、水分離器等直接與空間接觸的可燃液體表面等。 （2）一級(jí)釋放源：正常運(yùn)行時(shí)，預(yù)計(jì)可能周期性或偶爾釋放的釋放源。 例如，在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)釋放可燃易爆物質(zhì)的壓縮機(jī)等設(shè)備的密封處；正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)向周圍環(huán)境釋放可燃易爆物質(zhì)的取樣點(diǎn)等。 （3）二級(jí)釋放源：在正常運(yùn)行時(shí)，預(yù)計(jì)不可能釋放，當(dāng)出現(xiàn)釋放時(shí)，僅是偶爾和短期釋放的釋放源。 例如，正常運(yùn)行時(shí)，不能出現(xiàn)釋放可燃易爆物質(zhì)的壓縮機(jī)等設(shè)備的密封處，正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)釋放可燃易爆物質(zhì)的法蘭、管道接頭等。

4 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分

4.1 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分的原則

首先， 應(yīng)先根據(jù)下列的釋放源的不同等級(jí)來確定劃分區(qū)域：（1）存在連續(xù)釋放源的應(yīng)劃為0 區(qū)；（2）存在第一級(jí)釋放源的應(yīng)劃為1 區(qū)；（3）存在第二級(jí)釋放源的應(yīng)劃為2 區(qū)。

其次， 還應(yīng)確認(rèn)爆炸性物質(zhì)的爆炸上限極限值及爆炸下限極限值、引燃溫度、閃點(diǎn)、比重等物理特性[3]。 爆炸下限值是影響劃分等級(jí)的重要條件，在正常工況下，混合物的濃度有可能達(dá)到爆炸下限值時(shí)，應(yīng)劃分為1 區(qū)；特別的對(duì)于存在時(shí)間較長或者頻繁出現(xiàn)的，根據(jù)規(guī)范要求可劃為0 區(qū)；只有在不正常工況下偶爾有可能達(dá)到爆炸下限濃度的， 根據(jù)規(guī)范要求可劃為2 區(qū)。 除此之外，設(shè)備所處環(huán)境不同的通風(fēng)條件也對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的劃分有比較重要的影響。 在較好的通風(fēng)條件下，在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)可以讓可燃物質(zhì)的濃度在較短時(shí)間內(nèi)稀釋到其爆炸下限值的25%以下時(shí)，就可以定義為通風(fēng)良好的環(huán)境。

4.2 爆炸性氣體混合物的分級(jí)、分組

爆炸性氣體混合物，根據(jù)GB/T 3836.1—2021《爆炸性環(huán)境 第1 部分：設(shè)備 通用要求》，采用IEC 使用的按最大實(shí)驗(yàn)安全間隙（MESG）或最小點(diǎn)燃電流比（MICR）分級(jí)，具體詳見《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中的內(nèi)容。 從規(guī)范中可看出，從ⅡA 到ⅡC，隨著防爆電氣設(shè)備的最大試驗(yàn)安全間隙和最小點(diǎn)燃電流比的逐級(jí)減小，其防爆要求逐級(jí)提高。

Ⅱ類電氣設(shè)備的溫度組別、 最高表面溫度和氣體或蒸汽引燃溫度之間的關(guān)系，滿足GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定。 引燃溫度是指易燃性物質(zhì)的氣體或蒸汽與空氣形成的混合物的規(guī)定條件下被熱表面引燃的最低溫度。 從該規(guī)范中可看出，電氣設(shè)備的防爆要求是隨著引燃溫度的逐級(jí)降低而逐級(jí)提高的。

5 混合性氣體的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分實(shí)例分析

5.1 實(shí)例1

某項(xiàng)目中的變換裝置， 根據(jù)工藝專業(yè)提供的危險(xiǎn)區(qū)域劃分條件可知，在該裝置內(nèi)的可燃物質(zhì)是未變換氣，其中主要的可燃介質(zhì)為氫氣（ⅡCT1）、一氧化碳（ⅡAT1）、硫化氫（ⅡBT3）以及少量的氨氣。 根據(jù)規(guī)范要求以及一般劃分習(xí)慣，劃分結(jié)果如圖1 所示（圖中僅為部分裝置的危險(xiǎn)區(qū)域劃分）。

圖1 危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖（一）（單位：mm）

按照GB 50058—2014 《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》 計(jì)算混合氣體的相對(duì)密度。 將混合氣體看作是一個(gè)集合體，根據(jù)條件，可以算出該混合物相對(duì)于空氣的相對(duì)密度約為0.6，小于規(guī)范中給出的0.8，因此該混合氣體輕于空氣，據(jù)此做出來的危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖如圖2 所示（圖中僅為部分裝置的危險(xiǎn)區(qū)域劃分）。

圖2 危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖（二）（單位：mm）

對(duì)比以上兩種方案， 本文認(rèn)為第二種設(shè)計(jì)更符合規(guī)范的要求，混合氣體作為危險(xiǎn)物質(zhì)時(shí)，混合氣體應(yīng)視為一個(gè)整體。第一種方式是將混合氣體中所有成分單獨(dú)拿出來作為一個(gè)危險(xiǎn)物質(zhì)進(jìn)行分析，但在實(shí)際生產(chǎn)中一旦發(fā)生混合氣體泄漏，不可能是單獨(dú)的氣體分別往外泄漏。 對(duì)比圖1 和圖2 可以看出，圖1 中繪制的危險(xiǎn)區(qū)域大于圖2 中繪制的危險(xiǎn)區(qū)域， 對(duì)于放置在該裝置周圍的無釋放源的設(shè)備，原本選擇普通型即可，在第一種劃分方法中，這些設(shè)備被劃入危險(xiǎn)區(qū)域范圍，使普通型設(shè)備變成了防爆型設(shè)備，增加了成本，降低了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

5.2 實(shí)例2

某項(xiàng)目中的煤氣化裝置， 根據(jù)工藝專業(yè)提供的危險(xiǎn)區(qū)域劃分條件在該裝置內(nèi)的可燃物質(zhì)是粗煤氣， 其中包括一氧化碳（ⅡAT1）、氫氣（ⅡCT1）、二氧化碳、水蒸氣以及少量的硫化氫（ⅡBT3）和硫化碳。根據(jù)規(guī)范及一般劃分的習(xí)慣做出的圖如圖3 所示（圖中僅為部分裝置的危險(xiǎn)區(qū)域劃分）。

圖3 實(shí)例2 危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖（一）（單位：mm）

同樣， 若將混合氣體看作是一個(gè)集合體， 按照GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》可以算出該混合物相對(duì)于空氣的相對(duì)密度約為0.82， 在規(guī)范的修訂說明中說明對(duì)于相對(duì)密度在0.8～1.2 的氣體或者蒸汽，可以視為相對(duì)密度比空氣重的物質(zhì)， 據(jù)此制作的危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖如圖4所示（圖中僅為部分裝置的危險(xiǎn)區(qū)域劃分）。

圖4 實(shí)例2 危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖（二）（單位：mm）

對(duì)比圖3 與圖4 可以發(fā)現(xiàn)，圖4 中沒有4.5 m 范圍的防爆區(qū)域， 整個(gè)裝置的防爆區(qū)域只是一個(gè)15 m 范圍的防爆區(qū)域，相對(duì)于圖3，圖4 降低了設(shè)備的防爆等級(jí)。

通過以上兩個(gè)實(shí)例分析，當(dāng)易燃物質(zhì)是混合氣體時(shí)，應(yīng)將其視為一個(gè)整體， 通過危險(xiǎn)區(qū)域劃分條件中各種易燃物質(zhì)在整個(gè)混合物質(zhì)中所占的百分比計(jì)算出整個(gè)混合氣體相對(duì)于空氣的相對(duì)密度， 根據(jù)規(guī)范的要求來判斷其相對(duì)密度是否重于空氣，最終完成了危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖的繪制，這樣可以降低設(shè)備的防爆等級(jí)， 節(jié)約成本。 在工藝專業(yè)提出危險(xiǎn)區(qū)域劃分條件時(shí)，若有易燃物質(zhì)是混合氣體，應(yīng)盡量要求工藝專業(yè)標(biāo)明在混合氣體中各主要易燃物質(zhì)的摩爾百分比， 這樣才能計(jì)算出混合物質(zhì)相對(duì)于空氣的密度。 同時(shí)明確主要易燃物質(zhì)的爆炸極限，若一種易燃物質(zhì)在混合物中的百分比含量不高，遠(yuǎn)達(dá)不到該物質(zhì)的爆炸極限，則可以不作為危險(xiǎn)介質(zhì)。

6 結(jié)語

綜上所述，在劃分混合性氣體危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，需知道爆炸性氣體在整個(gè)混合性氣體中的摩爾百分比。 為了提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，可以根據(jù)混合性氣體相對(duì)空氣的密度劃分；若遇到部分混合性氣體無法給出主要易燃易爆物質(zhì)的摩爾百分比， 只能分析每個(gè)易燃物質(zhì)的防爆等級(jí)， 將每個(gè)易燃物質(zhì)單獨(dú)地看作是危險(xiǎn)物質(zhì)。 通過計(jì)算混合氣體的相對(duì)密度繪制出的危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖，相較于將每一種物質(zhì)均視為危險(xiǎn)介質(zhì)而言，可能會(huì)出現(xiàn)降低其防爆等級(jí)的情況，從后期的設(shè)備選型等方面來看，提高了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。