李冠峰，李云翔，秦愛中

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南鄭州 450015）

0 引言

爆炸是極為迅速的物理或化學能量釋放過程，意外爆炸通常會導致災難性破壞。爆炸的產生離不開爆炸性物質和點燃源，根據爆炸性物質出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間，爆炸性環(huán)境可分為：1）0區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性物質的環(huán)境；2）1區(qū)：裝備正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性物質的環(huán)境；3）2區(qū)：裝備正常運行時不可能出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也僅是短時存在爆炸性物質的環(huán)境。在爆炸性環(huán)境中，如何實現(xiàn)設備防爆就顯得尤為重要。

1 設備防爆標準

當前，適用于我國爆炸性環(huán)境設備防爆的標準體系主要有GB 3836、GB 25285和GB 25286，且均為強制性標準?！吨腥A人民共和國標準化法》規(guī)定“強制性標準，必須執(zhí)行”，“生產、銷售、進口不符合強制性標準的產品的，由法律、行政法規(guī)規(guī)定的行政主管部門依法處理”。因此，上述防爆標準具有法律屬性。

1.1 GB 3836

GB 3836規(guī)定了爆炸性環(huán)境用電氣設備和防爆元件的結構、試驗和標志要求。該系列標準包含設備通用要求、隔爆外殼“d”、增安型“e”、本質安全型“i”、正壓外殼型“p”、油浸型“o”、充砂型“q”、“n”型、澆封型“m”、最大試驗安全間隙測定方法、氣體或蒸汽混合物按照其最大試驗安全間隙和最小點燃電流的分級、爆炸性氣體環(huán)境用電器設備的檢修、危險場所分類、危險場所電氣安裝、電氣裝置的檢查與維護、正壓房間或建筑物的結構和使用、本質安全系統(tǒng)、現(xiàn)場總線本質安全概念和現(xiàn)場保護級別為Ga級的設備等防爆標準[1]。

1.2 GB 25285

GB 25285標準包含兩部分，《基本原則和方法》規(guī)定了對可能導致爆炸的危險情況識別和評定方法，以及與安全要求相適應的設計和結構措施，適用于爆炸性環(huán)境的設備、防護系統(tǒng)和元件；《礦山爆炸預防和防護的基本原則和方法》適用于在礦山井下部分和存在瓦斯、可燃性粉塵危險地面裝置部分的I類設備、防護系統(tǒng)和元件[2]。

1.3 GB 25286

GB 25286規(guī)定了用于氣體、蒸氣、薄霧與空氣，以及粉塵與空氣形成的潛在爆炸性環(huán)境中非電氣設備設計、結構和試驗的方法和要求?！痘痉椒ê鸵蟆分靥岢隽吮ㄐ原h(huán)境用非電氣設備類別與保護級別、點燃危險評定、設備溫度、非金屬部件、透明件等要求，以及型式檢查與試驗等。該標準體系還包含限流外殼型“fr”、隔爆外殼型“d”、固有安全型“g”、結構安全型“c”、控制點燃源型“b”、正壓型“p”和液浸型“k”等防爆標準[3]。

目前，電氣設備防爆標準已廣為大家熟知，得到了比較好的貫徹與執(zhí)行。非電氣設備防爆標準發(fā)布較晚，還處于宣貫實施過程中。

2 非電氣設備點燃源

在爆炸性環(huán)境中，大量使用的非電氣設備在正常運行或故障狀態(tài)下，同樣可能產生機械火花、熱表面、靜電、自燃等潛在點燃源，也同樣可能引起意外爆炸性事故。

2.1 機械火花

機械火花是固體材料之間因撞擊或摩擦飛濺出的細小熾熱顆粒。依據能量守恒定律，機械構件發(fā)生高速摩擦或撞擊后，勢必有一部分機械能轉化為熱能，熱量若集中于熾熱顆粒并擴散至爆炸性環(huán)境中，就存在引燃爆炸性環(huán)境的可能[4]。如1980年4月，某潮包藥工房因鋁板沖擊產生機械火花、點燃爆炸性環(huán)境，致使6人不幸死亡[5]。

非電氣設備中，廣泛使用的滾輪與導軌、鋼絲繩與卷筒、鏈輪與鏈條、風扇與護罩、制動器、限位器等在正常工作或故障狀態(tài)下，均存在因摩擦或撞擊產生機械火花的可能。

在爆炸性環(huán)境中，預防或控制機械火花的關鍵是避免或限制機械摩擦或撞擊的產生，主要措施包括：限制速度、保持潤滑、限定材質、控制間隙、油浸保護、外殼保護等。

2.2 熱表面

熱表面是設備因摩擦、碰撞運動或物理化學反應等發(fā)熱的部件表面。過熱的設備表面同樣可引燃爆炸性環(huán)境，如：2007年3月，英國“不懈”號核潛艇因空氣凈化裝置產生高溫而引起爆炸，導致2人死亡，1人重傷；“瑞那德爾帕西菲哥”號輪船曲軸箱因局部高溫引起爆炸，造成28人死亡。

非電氣設備常見熱表面通常來自離合器、制動器、軸承座、壓縮機管道等。防爆標準將設備熱表面分為T6至T1六個溫度組別，對應的設備最高表面溫度分別為85℃、100℃、135℃、200℃、300℃、450℃，在爆炸性環(huán)境中，設備最高表面溫度必須控制在爆炸性物質點燃溫度之下，尤其要注意避免因潤滑不當導致運動副干摩擦、軸承抱軸等產生過熱表面。

另外，內燃機排出的高溫氣體或火焰、化工反應產生的高溫流體，也可能成為非電氣設備有效點燃源。

2.3 靜電

工程塑料、橡膠等非金屬材料在機電設備中的應用日益廣泛，干燥環(huán)境中，它們重復接觸和摩擦容易產生并積聚靜電荷，如風扇塑料扇葉、傳動用皮帶等。與常規(guī)電能量相比，靜電能量比較小，但因靜電放電是在微秒甚至納秒范圍內完成，其產生的瞬態(tài)大電流及熱效應同樣存在點燃爆炸性環(huán)境的可能?？刂旗o電放電的主要技術途徑為有效接地、環(huán)境增濕、添加抗靜電劑、使用防靜電器具等。

2.4 自燃

自燃是指可燃物質在沒有外來火源作用下，因受熱或自身發(fā)熱并蓄熱所產生的自然燃燒現(xiàn)象。通常條件下，一般可燃性物質在空氣中都會產生氧化反應，如果溫度升高、散熱過慢，氧化過程就會加快，進而可能使溫度達到爆炸性環(huán)境引燃點。有效通風、適度降溫是控制自燃的有效措施。

3 非電氣設備防爆設計

非電氣設備防爆設計的關鍵是全面分析和控制潛在點燃源及其傳播途徑，可基于：1）不形成點燃源；2）不形成有效點燃源；3）點燃源不接觸爆炸性環(huán)境；4）承受爆炸并阻止傳播等四個層次開展非電氣設備防爆設計。

3.1 采用限流外殼

在可能偶然、短時間存在爆炸性物質的環(huán)境中，對于可能產生點燃源且尺寸較小、結構比較緊湊的非電氣設備可采用限流外殼進行防爆。

該方法是借助限流外殼來減小爆炸性環(huán)境進入外殼內部的可能性，使外殼內部的濃度低于爆炸下限，適用于Gc、Dc級設備。其原理是用外殼將非電氣設備進行有效密封，但不必達到氣密，外殼外部環(huán)境在極少情況下成為爆炸性環(huán)境并且存在時間很短，允許殼內外氣體置換，但呼吸效應不會造成爆炸性物質顯著進入殼內，通過隔絕外殼內部空氣和爆炸性環(huán)境物質交換達到防爆目的。

3.2 采用隔爆外殼

對于連續(xù)產生點燃源且尺寸較小、結構比較緊湊的非電氣設備可采用隔爆外殼進行防爆，隔爆外殼防護水平較高，適用于I類Mb級、II類Ga、Gb級和III類Da、Db級設備。

該方法是借助隔爆外殼來承受殼體內部非電氣設備引燃的爆炸，隔爆外殼既能承受內部爆炸產生的壓力，也要能夠阻止內部爆炸傳播到外殼之外的爆炸性環(huán)境。其原理是氣體或蒸氣可通過外殼接合面或法蘭進入殼體內部，如果外殼內的爆炸性環(huán)境被非電氣設備點燃，外殼既不會有明顯變形，火焰也不會通過接合面或法蘭傳播到外部爆炸性環(huán)境。

該原理在防爆電氣設備中已廣泛采用，如隔爆電動機和隔爆電氣箱柜等，該方法要求隔爆外殼必須堅固，并且要控制接合面/法蘭尺寸，使最大允許安全間隙與可能出現(xiàn)的危險物質相適應。

3.3 實現(xiàn)結構安全

該方法是采用非電氣設備結構性措施進行保護，通過設計、材料選擇、潤滑和密封以及型式試驗等控制非電氣設備出現(xiàn)點燃源的可能，適用于I類Mb級、II類Ga、Gb級和III類Da、Db級設備。其原理是選擇正常工作條件下不含點燃源的設備類型，將機械故障可能造成引燃溫度或引燃火花的危險降低到非常低的水平。如：針對軸承可能因燒熔、抱軸等產生點燃源的可能，在結構設計和軸承選型時統(tǒng)籌考慮軸承的工作速度、承受負載、工作壽命、尺寸配合、空間定位、熱膨脹、化學兼容、可靠潤滑等因素，并結合日常維護或通過配置傳感器，有效防止軸承可能因過熱而成為點燃源。

3.4 控制點燃源

該方法是在非電氣設備內部配置必要傳感器，探測可能產生的點燃源或危險條件，在潛在點燃源轉變?yōu)橛邢撄c燃源之前啟動控制措施。該方法作為主動防護，使用范圍廣，配置靈活，但點燃源控制系統(tǒng)較為復雜，必須保證其高可靠性，適用于I類Mb級、II類Ga、Gb、Gc級和III類Da、Db、Dc級設備。

點燃源控制系統(tǒng)一般選擇非電氣設備某一物理參數作為被控參數，通過傳感器測量，當其超過設定閾值時，即采取預定控制措施。如：常見化工設備配置溫度、流量和液位檢測/控制裝置等。

3.5 固有安全和正壓

非電氣設備固有安全防爆原理同電氣設備本質安全防爆，是將非電氣設備可能產生的點燃源或能量控制在不點燃爆炸性環(huán)境的水平。非電氣設備正壓防爆原理同電氣設備正壓防爆，通過非電氣設備配置內部保護氣體壓力高于外部爆炸性環(huán)境的外殼，進而隔離潛在點燃源與爆炸性環(huán)境。

3.6 液浸或覆蓋

該方法使?jié)撛邳c燃源完全或部分浸沒在保護液體中，或者用保護液體將點燃源活動表面連續(xù)覆蓋，使液體上方或設備外殼外部的爆炸性環(huán)境不會點燃，使?jié)撛邳c燃源變成無效。保護液可以是設備工藝液體本身，如：充油齒輪箱、浸油盤式制動器，既可以起到冷卻效果，又可以防止機械火花產生，從而避免引燃保護液外部的爆炸性環(huán)境。

4 小結

爆炸性環(huán)境需配置防爆設備。針對電氣類設備，因GB 3836于上世紀八十年代已頒布，多年來，國內比較好地貫徹落實了電氣設備防爆設計、檢驗與維護。針對非電氣設備，其機械火花、高溫等點燃源也可引起爆炸性環(huán)境意外爆炸，隨著GB 25286等標準的新近頒布，采用控制點燃源、實現(xiàn)結構安全、采用限流外殼或隔爆外殼、固有安全和正壓、液浸或覆蓋等技術途徑，也可實現(xiàn)非電氣設備防爆設計與認證。隨著設備防爆標準的發(fā)展與完善，勢必將全面提升我國的設備防爆技術水平。

[1]GB 3836-2010.爆炸性環(huán)境[S].北京:中國標準出版社,2011.

[2]GB 25285-2010.爆炸性環(huán)境:爆炸預防和防護[S].北京:中國標準出版社,2011.

[3]GB 25286-2010.爆炸性環(huán)境用非電氣設備[S].北京:中國標準出版社,2011.

[4]楊洪順, 曾昭慧譯.電氣火花和摩擦火花的防爆性[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1990.

[5]王東生等.火炸藥及其制品燃燒爆炸事故調查與防范[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013.