應急管理部天津消防研究所 任常興｜文、圖

2013年“11·22”山東青島黃島輸油管道爆炸事故共造成62人死亡，136人受傷，直接經(jīng)濟損失7.5億元。2015年“8·12”天津港大爆炸事故導致160多人遇難，直接經(jīng)濟損失達700億，這些事故直接暴露出專業(yè)危險化學品應急救援隊伍和裝備不足，無法滿足處置種類眾多、危險特性各異等危險化學品事故的需要。消防一線救援人員對現(xiàn)場未知的多組分易燃易爆混合氣體環(huán)境偵檢和爆炸性判定尤為重要，目前多以濃度檢測方式與爆炸極限范圍比對進行判定，缺少現(xiàn)場快速爆炸性傾向評定裝置。易燃易爆危險品事故現(xiàn)場未知混合氣體爆炸性判定，對于現(xiàn)場警戒區(qū)、疏散區(qū)劃分，應急救援處置等具有重要的現(xiàn)實意義，能夠預防重特大火災爆炸事故的發(fā)生，減少人員傷亡。

表1 實驗室爆炸極限測試裝置

混合氣體爆炸性實驗室判定

混合氣體爆炸性與其爆炸極限（LEL，UEL）、極限氧濃度（LOC）以及最小點燃能量等有關。目前，國內外關于可燃混合氣體爆炸性判定的實驗裝置分為管式和20 dm3球式或1 m3罐式，通常以混合氣體中可燃氣體濃度“最小—最大”準則來定義其爆炸極限，爆炸上限（UEL）設定為混合氣體發(fā)生爆炸的最高可燃濃度和不發(fā)生爆炸的最低可燃氣體濃度的平均值，爆炸下限（LEL）設定為混合氣體發(fā)生爆炸的最低可燃氣體濃度和不發(fā)生爆炸的可燃氣體最高濃度的平均值。關于實驗室爆炸極限測定標準包括GB/T 12474—2008《空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法》、EN 1839《氣體和蒸氣爆炸極限測定》（EN 1839 Determination of explosion limits of gases and vapours）、ASTM E681—2009《化學品（蒸氣和氣體）可燃濃度極限標準測定方法》（ASTM E681—2009 Standard Test Method for Concentration Limits of Flammability of Chemicals(Vapors and Gases)、DIN51649《氣體或氣體空氣混合氣爆炸極限測定》（DIN51649 Determination of explosion limits of gases and gas/air mixtures）等。關于混合氣體極限氧濃度的測定實質是確定不同氧濃度下的混合氣體爆炸極限，測試裝置與爆炸極限的測定裝置相同，相關標準包括EN 14756《氣體和蒸氣極限氧濃度測定》（EN 14756 Determination of the limiting oxygen concentration(LOC) for gases and vapours）和ASTM E2079《氣體和蒸氣極限氧濃度標準測定方法》（ASTM E2079 Standard Test Method for Limiting Oxygen (Oxidant)Concentration for Gases and Vapors）等。

其中GB/T 12474—2008《空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法》對于爆炸現(xiàn)象的判定包括3點：一是火焰非常迅速的傳播至管頂；二是火焰以一定的速度緩慢傳播；三是在放電電極周圍出現(xiàn)火焰，然后熄滅，這表明爆炸極限在此濃度附近。在這種情況下，至少重復該試驗5次，有一次出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ァW盟標準EN 14756和EN 1839等以火焰?zhèn)鞑ゲ坏陀?00 mm，或間斷火焰暈達到管頂部，或不低于240 mm判定為發(fā)生爆炸現(xiàn)象；EN 14756、ASTM E2079等以初始爆炸壓力分別提升5%、7%即可判定為爆炸現(xiàn)象已發(fā)生。綜上所述，目前，爆炸極限測定裝置均為實驗室內標準實驗設備，不具備現(xiàn)場快速爆炸性分析判定；且可燃氣體爆炸性的判定方式均為目測直接觀察，不具備爆炸壓力和火焰的多種定量判定。

此外，可燃混合氣體爆炸極限的測定與實驗裝置和測試條件有關，如測定容器形狀和容積、點火方式及能量、初始溫度、初始壓力和相對濕度等。對于一些難燃物質，如制冷劑 HFC-152a、NH3、HFO-1234yf和HFC-32等， 其爆炸極限的變化規(guī)律不同于一般碳氫化合物。例如，二氟甲烷（HFC-32）高壓條件下可能發(fā)生分解反應，爆炸上限呈劇烈上升趨勢；制冷劑R-410A常溫常壓下不燃，50%濕度以上出現(xiàn)可燃特性。這些在可燃混合氣體爆炸性判定時應引起足夠重視，結合環(huán)境條件和測試方式綜合評測其爆炸性。

混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置設計

對于氣體爆炸性環(huán)境或場所，尤其是未知多組分混合氣體爆炸性環(huán)境，實驗室的測定無法真實反映現(xiàn)場混合氣體的爆炸性，通常以濃度探測與實驗室測定爆炸極限來比對確定。而對于現(xiàn)場爆炸性環(huán)境的確定比較復雜，需要考慮是否存在可燃氣體，且可燃氣體的擴散程度如何，是否處于爆炸性氣體濃度范圍等，同時要考慮各自類型的點火源引燃方式和能量范圍等。對于現(xiàn)場爆炸性環(huán)境混合氣體的爆炸性測定，需要考慮現(xiàn)場取樣、防爆要求、點火引燃概率和便攜操作等。

現(xiàn)場自動采樣

測試裝置現(xiàn)場采樣可用軟管和防爆采樣泵，采樣軟管通常符合爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)氣體爆炸性距離不低于15 m的要求。防爆采樣泵，主要是避免引入電氣火花，流量通常不低于5 L/min，且與爆炸性測試容器的容積相匹配，滿足1 min之內置換不少于3次的要求。

爆炸測試腔體

爆炸腔體要考慮耐壓要求，通常不低于2 MPa，且爆炸腔體的進出口采用阻火和隔爆設計，安裝阻火網(wǎng)和隔斷閥。對于爆炸腔體，采用氣體置換方式，用測定樣氣多次置換，進而確保測試腔體內氣體與待測樣氣組分一致。

點火方式

考慮爆炸現(xiàn)場不同的點火源形式，以電火花、靜電為主，能量范圍從毫焦耳到上千焦耳，可采用超高溫點火方式。該點火形式要求供電電壓不低于5 V，點火瞬間溫度高達1 000℃以上，持續(xù)時間2 s之內，可表征實際爆炸性氣體環(huán)境大部分點火源類型及能量引燃范圍。

爆炸現(xiàn)象判定

改變傳統(tǒng)目測觀察方式，采用高速壓力測定和高速溫度測定雙重探測。對于混合氣體爆炸性壓力測定，通常以點火時刻壓力增量來判定，參考歐盟和美國材料協(xié)會(ASTM)的相關測試標準，建議以點火時刻壓力提升7%～10%為判定準則。對于混合氣體爆炸過程溫度測定，要求溫度檢測速度不高于300 um，以獲取爆炸瞬間的溫度變化，通常以點火時刻起爆炸過程溫度提升量判定，結合不同類型可燃氣體以30℃～100℃判定。爆炸過程壓力和溫度的判定準則是“或”的邏輯關系，滿足任何一個條件即認為爆炸現(xiàn)象發(fā)生。

裝置便攜，測試快捷

測試裝置整體封裝在便攜箱體內，通常不大于10 kg。裝置的測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用自動化處理模塊，自動采樣、測試和判定，直接給出爆炸性判定結果和爆炸過程的溫度、壓力隨時間變化曲線，直觀明顯。

混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置送第三方進行隔爆性能檢測，采用Ⅱ類試驗用氣，丙烷、乙烯和氫氣進行測定，試驗用測定氣體體積比濃度分別為（4.6±0.3）%、（8.0±0.5）% 和（31.0±1.0）%。測試過程中，混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置在典型爆炸性氣體環(huán)境內持續(xù)工作不低于30 min，未引燃爆炸性氣體環(huán)境，裝置本身隔爆性能符合要求。

混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置

混合氣體爆炸性風險現(xiàn)場測定與評估

混合氣體爆炸性現(xiàn)場測定裝置主要適用于易燃易爆危險品事故搶險救援現(xiàn)場、石油化工場所、施工作業(yè)區(qū)等未知多組分混合氣體環(huán)境，可用于混合氣爆炸傾向的現(xiàn)場快速測定與評估，對于現(xiàn)場警戒區(qū)、疏散區(qū)劃分以及應急救援處置決策等具有重要的現(xiàn)實意義，有助于預防爆炸及火災等重大事故的發(fā)生。對于易燃易爆場所未知可燃混合氣爆炸傾向的判定提供定量判定指標，有效解決了實驗室測定與現(xiàn)場條件、測定樣品的差異性，提高了現(xiàn)場偵檢和爆炸性環(huán)境區(qū)域劃分的科學性，為采取進一步處置措施提供科學依據(jù)，提高應急救援人員現(xiàn)場處置的能力，具有重要的社會效益和經(jīng)濟價值。

混合氣體爆炸性的現(xiàn)場測定

對于爆炸性環(huán)境，現(xiàn)場混合氣體的種類、濃度可能是實時變化的，與空間位置有關。裝置的一次采樣測定，只能反映采樣位置該時刻的氣體爆炸性特征，為此必須多次測定來綜合判定。通常建議1 m2之內測樣點至少1個，且間斷測定。同時，建議與濃度探測裝置配合使用，相互驗證，提高對爆炸性環(huán)境可燃混合氣體爆炸性判定的準確性。

爆炸性氣體環(huán)境風險評估判定

對于混合氣體爆炸性風險評估，除可燃混合氣體本身的燃爆特性外，還應考慮混合氣體的擴散狀態(tài)，現(xiàn)場點火源的形式及能量范圍等。爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的可能性與可燃混合氣體的燃爆特性和擴散程度有關，尤其是判定是否處于爆炸濃度范圍之內。爆炸性氣體環(huán)境后果的量主要與爆炸可能產(chǎn)生的效應有關，如火焰、熱輻射、壓力波、飛出的碎片，以及有危險的物質釋放等。爆炸性環(huán)境常見的點火源包括：明火；切割和焊接；熱表面；熱輻射；雷電；吸煙；自燃；摩擦熱或火花；靜電；電火花；雜散電流；烤箱、火爐火加熱設備；煙火材料。通常這些點火源具有一定的溫度、規(guī)模和形狀以及足夠的持續(xù)時間，可以有效引燃泄漏的可燃氣體混合物。

混合氣體爆炸性風險評估數(shù)據(jù)庫

對于現(xiàn)場測定評估混合氣體爆炸性，需要點火源、可燃混合氣體等相關數(shù)據(jù)庫支持。對于現(xiàn)場混合氣體，需要針對不同類型屬性的可燃氣體進行測定，建立相關的爆炸性測定數(shù)據(jù)庫，如可燃油類蒸氣、醇類蒸氣、碳氫類可燃氣體或碳氟烴類氣體等。采用混合氣體爆炸性現(xiàn)場測定裝置進行測定，根據(jù)爆炸壓力和溫度的變化趨勢和特征，判定混合氣體濃度是否位于爆炸濃度范圍的下限附近、上限附近還是當量濃度附近，以便進一步采取稀釋、惰化等控制措施。同時，識別爆炸性環(huán)境常見的點火源形式，分析點火源的觸發(fā)條件與時頻特性、能量范圍、溫度和輻射熱等，以實驗測定和引燃數(shù)據(jù)概率分析，構建典型點火源對可燃混合氣體的引燃概率數(shù)據(jù)庫，為現(xiàn)場環(huán)境的爆炸性風險評估奠定基礎。