李銀河,楊德雙,辛磊夫

(上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試所有限公司，上海 200233)

0 引言

在工業(yè)過程中，可燃性氣體得到了非常廣泛的應(yīng)用，但與此同時(shí)也帶來(lái)了一系列安全問題。一定濃度的可燃性氣體和空氣組成的混合氣體在遇到高溫、明火或靜電時(shí)都可能會(huì)發(fā)生爆炸。爆炸是工業(yè)生產(chǎn)常見的危險(xiǎn)、有害因素。預(yù)防爆炸性事故的發(fā)生是工業(yè)生產(chǎn)過程永恒的主題[1]。為了確保在可能存在的爆炸性環(huán)境中進(jìn)行正常的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，保證石油、化工、煤炭等產(chǎn)業(yè)部門生產(chǎn)裝備的防爆安全,人們通過不斷經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，研究出了可以應(yīng)用在不同爆炸性環(huán)境中的防爆設(shè)備。隔爆型電氣設(shè)備便是其中之一。

隔爆型電氣設(shè)備的外殼能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙進(jìn)入外殼內(nèi)部的爆炸性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞，并且不會(huì)引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性氣體環(huán)境的點(diǎn)燃[2]。作為一種常見的防爆型式，隔爆外殼具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、應(yīng)用廣泛、 易于維護(hù)等特點(diǎn)。在一些大中型隔爆設(shè)備中，可能擁有多個(gè)不同功能的腔室。這些腔室之間有的互相聯(lián)通，有的通過絕緣套管等結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。即使在一個(gè)隔爆腔體內(nèi)，因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)中線路板或其他內(nèi)部元件的設(shè)計(jì)，在一些情況下會(huì)形成一些小的空腔之間互相聯(lián)通的現(xiàn)象。比如電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等產(chǎn)品。在隔爆型設(shè)備的設(shè)計(jì)上，這種現(xiàn)象是非常常見的。

1 最大爆炸壓力的計(jì)算

當(dāng)可燃性氣體在體積固定的剛性隔爆外殼內(nèi)部與點(diǎn)燃源相遇時(shí)，在助燃性物質(zhì)的作用下會(huì)發(fā)生激烈的燃燒化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生定容爆炸。爆炸過程釋放的能量被氣體吸收，使溫度和壓力升高。氣體燃燒過程中，火焰受到約束，或者由于擾動(dòng)而使火焰在預(yù)混氣體中逐漸加速，則會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，形成壓力波?；鹧嬉詠喴羲賯鞑?，壓力波則以當(dāng)?shù)匾羲賯鞑?，行進(jìn)在火焰陣面之前。以亞音速傳播的火焰陣面前方有前驅(qū)沖擊波擾動(dòng)，即火焰在已被擾動(dòng)過的介質(zhì)中傳播。爆燃過程的復(fù)雜性就在于爆燃過程是不穩(wěn)定的燃燒波傳播過程。在某些特定條件下，壓力波會(huì)加速而演變?yōu)楸Z波。由于爆燃過程火焰以亞音速傳播，所以外界環(huán)境對(duì)爆燃過程有較大的影響。如果爆燃過程受到強(qiáng)烈干擾，火焰逐漸加速并趕上前驅(qū)沖擊波，即火焰陣面與壓力波陣面重合，形成爆轟波，爆轟壓力在1.5 MPa量級(jí)[3]。當(dāng)隔爆外殼內(nèi)包含很多互相聯(lián)通的腔室時(shí)，火焰受到隔爆外殼約束，從而在預(yù)混氣體中逐漸加速甚至產(chǎn)生爆轟現(xiàn)象。爆轟現(xiàn)象的發(fā)生伴隨著高溫及高壓，爆炸壓力快速上升，瞬間對(duì)隔爆外殼產(chǎn)生巨大的壓力。當(dāng)爆炸壓力上升速率最大時(shí)，可燃?xì)怏w完全反應(yīng)，爆炸產(chǎn)生的破壞力最大[4]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.2-2010中的描述，隔爆外殼內(nèi)爆炸過程及所產(chǎn)生的影響應(yīng)不能使隔爆外殼的防爆性能失效。這就對(duì)隔爆外殼的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于爆炸壓力的數(shù)學(xué)模型計(jì)算已經(jīng)進(jìn)行了充分的研究和論證。本次試驗(yàn)采用氫氣與空氣進(jìn)行混合，構(gòu)成爆炸性氣體環(huán)境。由于不同濃度的氫氣爆炸壓力有所不同，在本次試驗(yàn)中采用的氫氣與空氣的體積比為(31±1)%，在該濃度下的氫氣爆炸壓力可達(dá)到最大。理想狀態(tài)下，假設(shè)空氣成分按體積分?jǐn)?shù)計(jì)算為：氮?dú)?N2)約占79%，氧氣(O2)約占21%，且氫氣與氧氣完全反應(yīng)。氫氣在空氣中燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

2H2+O2+3.76N2→2H2O(g)+3.76N2

(1)

如果忽略燃燒過程中在隔爆外殼上的熱交換，那么氫氣在隔爆外殼內(nèi)的燃燒過程可以近似認(rèn)為是定容絕熱燃燒的過程。定容、絕熱情況下，可燃?xì)怏w最大爆炸壓力Pm與初始?jí)毫0的關(guān)系為:

(2)

式中：nf為反應(yīng)終態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度；tf為反應(yīng)終態(tài)物質(zhì)的溫度；n0為反應(yīng)初態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度；t0為反應(yīng)初態(tài)物質(zhì)的熱力學(xué)溫度[5]。

根據(jù)式(1)的化學(xué)反應(yīng)，將相應(yīng)的物質(zhì)的量濃度及溫度數(shù)值代入式(2)，即可得到氫氣在定容絕熱情況下的理論爆炸最大壓力。在相關(guān)資料中，氫氣的絕熱理論火焰溫度在2 480 K[6]左右，但氫氣在定容絕熱情況下理論火焰溫度可以達(dá)到3 024.512 K[7]。按照大氣環(huán)境下正常溫度298 K和正常大氣壓0.101 MPa進(jìn)行計(jì)算，Pm的計(jì)算公式如下：

由于燃燒過程中必然存在熱損耗和能量耗散，以上計(jì)算數(shù)值僅為理論參考的最大爆炸壓力。

2 試驗(yàn)裝置及方案

在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，氫氣的燃燒爆炸過程受到多種不同因素的共同影響。因此，試驗(yàn)室條件對(duì)于隔爆外殼內(nèi)壓力重疊現(xiàn)象的研究是十分關(guān)鍵的。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由水平圓柱形隔爆外殼、中心位置帶有圓孔的孔板、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和測(cè)壓系統(tǒng)五部分組成。

圓柱形隔爆外殼由長(zhǎng)度為250 mm和500 mm的兩節(jié)不銹鋼桶狀腔體和孔板組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 圓柱形隔爆外殼結(jié)構(gòu)圖

圖1中，連接部為法蘭結(jié)構(gòu)配合，并采用密封圈進(jìn)行密封?？装逋鈴脚c筒體直徑一致，圓孔內(nèi)徑為16 mm，腔室A與腔室B通過孔板組成同一隔爆外殼內(nèi)的兩個(gè)互相聯(lián)通的腔室。外殼左右兩端分別設(shè)置進(jìn)氣口、點(diǎn)火源與壓力傳感器。進(jìn)氣口與配氣系統(tǒng)連接，完成可燃?xì)獬淙爰包c(diǎn)燃爆炸后廢氣排出。兩端壓力傳感器分別檢測(cè)兩端壓力值，并與測(cè)壓系統(tǒng)連接，測(cè)壓系統(tǒng)記錄產(chǎn)生壓力及相應(yīng)壓力曲線。點(diǎn)火源與點(diǎn)火系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)爆炸性氣體的點(diǎn)燃功能。

隔爆外殼內(nèi)的爆炸試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)流程圖

本次試驗(yàn)采用兩種形式的樣品，分別為不加孔板的隔爆外殼1和加入孔板的隔爆外殼2(以下簡(jiǎn)稱外殼1和外殼2)。外殼1與外殼2的不同之處僅為是否安裝孔板。外殼1為一個(gè)完整貫通的腔體，兩段殼體中間無(wú)任何阻礙。增加孔板的外殼2為兩個(gè)腔體，中間通過孔板的孔進(jìn)行聯(lián)通，通過加入孔板模擬隔爆產(chǎn)品設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的獨(dú)立空腔結(jié)構(gòu)。由于外殼2中的孔板結(jié)構(gòu)，腔室A中的氣體將產(chǎn)生壓力重疊現(xiàn)象。

點(diǎn)火狀態(tài)下，腔體內(nèi)可燃?xì)饣旌蠚鈮毫εc外界大氣壓保持一致，同時(shí)保證樣品密封性完好，不存在漏氣泄壓現(xiàn)象。

3 結(jié)果分析

帶有孔板的隔爆外殼2爆炸壓力曲線如圖3所示。

通過圖3可以清晰地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氣被點(diǎn)燃時(shí)，伴隨著一系列的燃燒化學(xué)反應(yīng)，腔室B內(nèi)的壓力和溫度不斷升高。壓力波及火焰陣面逐漸從腔室B的點(diǎn)火端傳播到孔板的位置，進(jìn)而通過孔板中的孔傳播到另一個(gè)腔室。由小孔傳導(dǎo)的火焰將腔室A內(nèi)部的氫氣點(diǎn)燃，在腔室A內(nèi)部形成壓力疊加現(xiàn)象。受試樣品側(cè)面2放置的壓力傳感器S2記錄到的最大爆炸壓力可達(dá)到0.65 MPa，側(cè)面1放置的壓力傳感器S1記錄到的最大爆炸壓力可達(dá)到1.55 MPa，腔室A內(nèi)的壓力上升速率極高，可達(dá)到10.8 Pa/ns。

圖3 帶有孔板的隔爆外殼2爆炸壓力曲線

無(wú)孔板的隔爆外殼1爆炸壓力曲線如圖4所示。

圖4 無(wú)孔板的隔爆外殼1爆炸壓力曲線

當(dāng)去除隔板時(shí)，腔室A、B合并為一個(gè)腔室。通過圖4中隔爆外殼1的爆炸壓力曲線可以發(fā)現(xiàn)，沒有類似孔板結(jié)構(gòu)時(shí)，爆炸壓力最大值遠(yuǎn)不及產(chǎn)生壓力疊加現(xiàn)象的最大壓力值高。側(cè)面1放置的壓力傳感器S1記錄的壓力上升速率也僅為9.93×10-2Pa/ns，對(duì)隔爆外殼的破壞程度也遠(yuǎn)不及產(chǎn)生壓力疊加現(xiàn)象的情況。

根據(jù)式(4)，可得到實(shí)際壁厚t。其計(jì)算式為[8]：

(3)

式中：p為設(shè)計(jì)壓力,MPa;D為外殼內(nèi)徑,mm；[σ]為材料的許用應(yīng)力;Φ為焊縫系數(shù)或許用應(yīng)力折減系數(shù)；C為壁厚附加量,mm，主要包括鋼板負(fù)公差、外殼加工過程中的工藝減薄量和使用過程中腐蝕等造成的腐蝕裕量。

由式(3)可知，在其他條件未變化的情況下，壓力p越高，對(duì)材料的壁厚t要求也就越高。在指定材質(zhì)、焊縫工藝、許用應(yīng)力和外殼內(nèi)徑等其他參數(shù)均相同的情況下，分別代入外殼1及外殼2兩種情況測(cè)得的兩組最大爆炸壓力。通過計(jì)算可以得出，在存在壓力疊加情況下，產(chǎn)品外殼厚度應(yīng)該為正常(不存在壓力疊加現(xiàn)象)厚度的2.14倍(典型值)。由此可見，在產(chǎn)生壓力重疊的情況下，必然對(duì)隔爆外殼提出了更高的要求。

4 結(jié)論

本文采用氫氣與空氣的體積比為(31±1)%的混合氣，對(duì)壓力疊加現(xiàn)象進(jìn)行了驗(yàn)證。常溫常壓下，同一隔爆外殼內(nèi)壓力疊加現(xiàn)象所產(chǎn)生的爆炸壓力可以高達(dá)1.55 MPa，且爆炸壓力上升速率快，造成的破壞力較大。當(dāng)隔爆外殼內(nèi)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)若干個(gè)互相聯(lián)通的空腔，且這些腔體通過小孔或窄小通路連接時(shí)，則可能會(huì)產(chǎn)生壓力疊加現(xiàn)象。

由此可見，在隔爆型電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在結(jié)構(gòu)上避免小孔或窄小通路造成兩腔聯(lián)通，盡量避免因?yàn)閴毫ΟB加使得隔爆產(chǎn)品防爆性能失效。若設(shè)計(jì)的隔爆外殼內(nèi)包含構(gòu)成壓力疊加現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)通過增加腔體壁厚、增設(shè)加強(qiáng)筋等方式，對(duì)可能產(chǎn)生壓力疊加的腔體進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，避免外殼防爆性能失效造成工業(yè)生產(chǎn)事故發(fā)生。對(duì)于大型電氣設(shè)備的排線設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量采用絕緣套管等結(jié)構(gòu)的接線裝置，從而避免形成一個(gè)個(gè)聯(lián)通空腔而造成壓力疊加現(xiàn)象。