姚勇濤

艾默生過程控制有限公司 上海 201206

伴隨著生產(chǎn)領(lǐng)域自動化、智能化程度的不斷提高，越來越多的電子、智能設(shè)備被應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場。當(dāng)這些設(shè)備出現(xiàn)在各種惡劣環(huán)境下，甚至是在有危險爆炸性物質(zhì)的現(xiàn)場時，如何對相關(guān)設(shè)備提供必要的保護以及如何防爆就成了必須面對的問題。本文從防爆的相關(guān)知識入手，介紹一種可以運用于現(xiàn)場2區(qū)爆炸危險環(huán)境的帶微正壓的增安柜，并對其相對于其它現(xiàn)場常用的防爆方式進行比較。

1 防爆相關(guān)概述[1][2]

本文所述的產(chǎn)品和問題涉及的防爆為電氣防爆類防爆，根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》GB50058和《爆炸性環(huán)境》GB3836中的規(guī)定對相關(guān)術(shù)語和分類定義如下：

(1)爆炸性環(huán)境：在大氣條件下，氣體、蒸汽、粉塵、薄霧、纖維或飛絮的形式與空氣形成的混合物引燃后，能夠保持燃燒自行傳播的環(huán)境。(GB50058)

(2)爆炸危險區(qū)域：爆炸性混合物出現(xiàn)的或預(yù)期可能出現(xiàn)的數(shù)量達到足以要求對電器設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取措施的區(qū)域。(GB50058)

(3)爆炸性物質(zhì)分類：(GB 3836.1)

I類(Group I)-礦井甲烷

II類(Group II)-爆炸性氣體混合物(含蒸氣、薄霧)

III類(Group III)-爆炸性粉塵和纖維

(4)爆炸性氣體混合物分級(GB 3836.12)，見表1。

表1 爆炸性氣體混合物分級

(5)爆炸性氣體引燃溫度分組(GB 3836.1)，見表2。

表2 爆炸性氣體引燃溫度分組

(6)爆炸性粉塵的分級(GB 3836.1)，見表3。

表3 爆炸性粉塵的分級

(7)爆炸性氣體危險區(qū)域的劃分(GB50058)

爆炸性氣體危險場所可劃分為3個區(qū)域，即0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。它們對應(yīng)的定義如下：

0區(qū)：在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續(xù)地或長時期存在的場所(1000h/y以上)；

1區(qū)：在正常情況下，爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場所(10～1000h/y)；

2區(qū)：在正常情況下，爆炸性氣體混合物不可能出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也只是短時間存在的場所(10h/y以下)；

安全場所：小于1h/y。

(8)主要電氣防爆型式及符號(GB 3836.1)

隔爆型-Ex d

本安型-Ex ia, ib, ic

增安型-Ex e

正壓型-Ex px, py, pz

油浸型-Ex o

充砂型-Ex q

n型-Ex nA, nC, nR

澆封型-Ex ma, mb, mc

外殼保護型-tD-ta, tb, tc

本質(zhì)安全型-iD(iaD，ibD)

澆封保護型-mD(maD，mbD)

正壓保護型-pD

特殊保護型-s

其它(如礦用帽燈、伴熱電纜)

2 增安接線箱的優(yōu)點以及遇到的問題

2.1 使用情況介紹

在國內(nèi)現(xiàn)行的防爆型式中，增安接線箱是解決2區(qū)接線最經(jīng)濟且最簡易的方式，被大量用于石油化工等行業(yè)內(nèi)存在爆炸危險性氣體/粉塵2區(qū)的接線。本文介紹的某化工園區(qū)中各個生產(chǎn)裝置區(qū)的2區(qū)也同樣將大量的增安防爆箱用于電纜的連接。

2.2 使用中的問題

該化工園區(qū)在大量使用了增安接線箱后的一次大修開箱維護過程中發(fā)現(xiàn)，大量現(xiàn)場接線箱存在內(nèi)部積水、安裝設(shè)備內(nèi)部發(fā)霉、腐蝕的現(xiàn)象，已經(jīng)無法達到最初設(shè)計的防爆安全要求。相關(guān)現(xiàn)場照片見圖1～圖3。

圖1 接線箱頂部滴水

圖2 接線箱底部積水

圖3 柜內(nèi)設(shè)備發(fā)霉、腐蝕

2.3 原因分析

根據(jù)防爆要求增安柜柜體至少需要達到IP54的防護等級，并能夠通過高低溫的老化測試，因此增安柜都有很好的密封性。實際使用中，為了避免由于氣溫變化造成機柜內(nèi)外出現(xiàn)較大的壓力差，通常會在機柜上安裝呼吸閥。由于呼吸閥的存在，在氣溫由高變低時，機柜外面的空氣會通過呼吸閥進入機柜內(nèi)。另外，如果機柜所在環(huán)境很潮濕，或者空氣中存在某些氣態(tài)的化學(xué)物質(zhì)，濕空氣或混合氣也會通過呼吸閥進入機柜，并在機柜內(nèi)通過冷凝作用重新液化，造成機柜內(nèi)出現(xiàn)積水、發(fā)霉、腐蝕現(xiàn)象。

3 解決方案

3.1 方案及設(shè)想

根據(jù)增安柜進水成因，要解決這個問題就要避免在使用過程中機柜外的空氣進入機柜內(nèi)。對于只安裝少量端子的小增安柜，采用的方法是去掉呼吸閥，因為機柜較小，溫度變化引起的壓力也比較小，不會對機柜產(chǎn)生損壞。但是這個方法不能用于大尺寸的增安柜，因為當(dāng)機柜尺寸變大后，同樣的溫度變化產(chǎn)生的壓力就會大大增加，輕者導(dǎo)致機柜無法打開，重者將導(dǎo)致機柜凹陷或者鼓起，破環(huán)機柜的防爆性能。

在尋找大型增安柜進水問題解決方案的過程中，最后采用了正壓柜來解決現(xiàn)場機柜的防爆問題。通過將少量的儀表空氣(化工園區(qū)現(xiàn)場儀表空氣露點<-30℃)送入機柜使機柜內(nèi)的壓力比機柜外的壓力稍微大一點點，并通過呼吸閥不斷往外排氣的方式保持機柜內(nèi)干燥。

3.2 遇到的問題

根據(jù)上述大型增安柜的解決方案，在機柜供應(yīng)商的配合下對機柜做了新的設(shè)計，并同供應(yīng)商一起提交NESPI(國家級儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗站)審核，在審核過程中NESPI提出了進氣位置存在如下問題:

(1)如何保證所進的氣體在設(shè)備故障和出現(xiàn)意外停機的時候不會造成設(shè)備進水？

(2)作為一個認證的機柜，要求符合IP54和設(shè)備的高低溫老化要求?，F(xiàn)在有個進氣的開孔無法做測試。

(3)設(shè)備界面在哪里，如果管道算設(shè)備的一部分,必須一起做測試;如果管道不算設(shè)備的一部分,如何保證管道損壞后設(shè)備不會進水？

3.3 NEPSI提出的問題解決方案

針對NEPSI提出的問題，剛開始的解決方案都是從如何保證設(shè)備可靠性，在設(shè)備和管道出現(xiàn)問題的時候報警提示的角度出發(fā)的，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些解決方案不但成本很高，而且基本無法實現(xiàn)，特別是那些很細的分支管道出現(xiàn)問題時，幾乎很難立刻被發(fā)現(xiàn)。結(jié)果在很長一段時間內(nèi)都無法找到一個好的解決方案，后來在一次和客戶的交流中，客戶介紹了小型增安柜去掉了呼吸閥后的使用情況，再次確認了造成機柜問題的原因是呼吸閥。而之前使用的呼吸閥IP等級是IP65，大大高于機柜的IP等級要求。由此想到是否可以仿效呼吸閥通過致密過濾網(wǎng)實現(xiàn)防水、防塵、通氣的原理，在機柜進氣口上加一個元件，達到空氣可以進入機柜且繼續(xù)保證對水和塵的IP54防護等級。

3.4 元件的設(shè)計

有了上述思路以后，便找供應(yīng)商一起做相關(guān)設(shè)計和測試。最初的測試材料是呼吸閥中使用的一種類似沙粒壓制的過濾材料，但是在設(shè)計安裝外殼的時候發(fā)現(xiàn)，該材料很容易破碎，不易安裝，不適合作為管道上的過濾材料。而后經(jīng)多方尋找，找到了一種致密的多層不銹鋼過濾網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一個可以安裝在機柜上的元件，既能作為一個進氣口，又能在沒有管道連接的情況下達到增安柜防護要求。

3.5 元件測試過程中遇到的問題及解決方案

在上述元件設(shè)計完成后，聯(lián)系供應(yīng)商做了幾個樣品安裝在機柜上進行測試，結(jié)果由于剛開始設(shè)計時過濾材料過度追求高IP等級，導(dǎo)致透氣性很差，需要很高的壓力才能勉強使儀表空氣進入機柜，不符合現(xiàn)場的使用條件。于是再次聯(lián)系過濾材料的供應(yīng)商拿到了多種孔徑的過濾材料來進行測試，在IP等級和通氣壓力上做了平衡，使得整體IP等級維持在原來的IP65。且在現(xiàn)場儀表空氣的最小壓力條件下，機柜也能實現(xiàn)進氣。此外，為了保證機柜進氣壓力的穩(wěn)定，還在前面安裝了一個過濾減壓閥和一個可調(diào)節(jié)流量的流量計。

3.6 新的問題及解決方案。

在完成了上述測試并將方案提交NEPSI審核后，NESPI再次提出新的問題，即如何確保在前面過濾減壓閥失效造成壓力突增的情況下，機柜不會損壞而造成機柜防爆能力失效。

上述問題的解決方案很簡單，只要像正壓柜一樣加一個泄壓閥就可以了。難點在于該機柜內(nèi)的壓力很小，市面上一般的泄壓閥都無法達到所需要的精度，且作為機柜的一部分，泄壓閥也需要和機柜一起去做IP等級和高低溫老化測試。為此不得不和供應(yīng)商一起對現(xiàn)有的泄壓閥做改進，重新制作符合要求的泄壓閥。

在機柜安裝了改進的泄壓閥后,機柜的整體設(shè)計方案得到了NEPSI的認可，而后制作了樣柜送去測試并成功通過了測試，拿到了NEPSI頒發(fā)的防爆證書。

4 整體小結(jié)及機柜介紹

4.1 機柜及說明

完成認證的機柜示意圖見圖4。

圖4 完成認證的機柜示意圖

其中機柜、進氣口阻火器、呼吸閥和泄壓閥作為整體機柜的一部分做了增安柜的相關(guān)測試。過濾減壓閥和帶調(diào)節(jié)閥的流量計本身不需要做相關(guān)測試，但是在認證過程中對過濾減壓閥的出口壓力、流量計的流量有相關(guān)的使用要求。泄壓閥作為最后的安全措施，在過濾減壓閥流量計失效的情況下起到最后的安全保障作用。

4.2 和其他類型的防爆機柜相比較的優(yōu)勢

4.2.1 與正壓柜相比

雖然帶上了微正壓的增安柜和正壓柜一樣需要儀表空氣，但是由于對儀表空氣的要求不同依然存在如下優(yōu)勢：

(1)不依賴于儀表空氣。相比較于正壓柜在儀表空氣出現(xiàn)問題時必須自動斷電(0區(qū)和1區(qū))或者報警要求盡快恢復(fù)儀表空氣的供應(yīng)(2區(qū))，該增安柜可以在失去儀表空氣供應(yīng)的情況下長時間繼續(xù)工作。

(2)經(jīng)濟性。整套微正壓系統(tǒng)成本大概只有現(xiàn)在市面上最便宜的正壓系統(tǒng)的1/3。

4.2.2 與隔爆柜相比

和隔爆柜相比較，該機柜有如下優(yōu)勢：

(1)可以制作大體積機柜。由于隔爆柜需要足夠的強度來限制內(nèi)部爆炸能量的外泄，因此受限于現(xiàn)有的材料技術(shù)，隔爆柜的體積都比較小，特別是IIC的隔爆柜，普遍很小，內(nèi)部元器件的數(shù)量和體積受到很大限制。

(2)輕便。為了保證輕度，同樣大小的隔爆柜重量是增安柜的好幾倍，安裝和開箱都比較困難。

4.3 和其他類型的防爆機柜相比較的劣勢

(1)使用區(qū)域限制：相較于正壓柜和隔爆柜可以使用在0區(qū)和1區(qū)，增安柜只能使用在2區(qū)。

(2)內(nèi)部安裝元器件限制：相較于正壓柜和隔爆柜對內(nèi)部元器件沒有特殊的限制條件，增安柜內(nèi)部只能安裝有2區(qū)認證或者通過了相關(guān)單位審核測試的元器件。元器件選擇面比較窄。

(3)設(shè)計認證復(fù)雜：相比較正壓柜和隔爆柜在安裝了相關(guān)元件后的成品認證，增安柜需要考慮的情況比較多，涉及面比較廣，認證相對比較困難。

由于上面這些原因，增安柜通常都用于在2區(qū)能大量使用并批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品上。

5 后續(xù)問題及改進

從2019年底開始，以某化工園區(qū)乙烯項目為主的化工項目開始大量使用這種帶了微正壓的增安柜。在這一年多時間的使用過程中發(fā)現(xiàn)，這種大型的增安柜在作為現(xiàn)場智能設(shè)備安裝載體時存在夏天機柜內(nèi)溫度偏高的問題，特別是當(dāng)機柜受到太陽直射的時候。針對該問題，除了為機柜增加遮陽棚以外，正在開發(fā)帶渦旋冷卻器的增安柜。由于現(xiàn)有的渦旋冷卻器不符合增安柜的使用要求，所以需要對機柜和冷卻器做改進。

6 結(jié)語

綜上所述，本文通過增安柜在某化工園2區(qū)現(xiàn)場使用中遇到機柜進水導(dǎo)致防爆失效的實例，根據(jù)增安的實現(xiàn)條件，提出了微正壓的解決方案，并最終證明帶微正壓增壓柜在2區(qū)使用具有較大優(yōu)越性。