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防爆技術基礎

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防爆技術基礎

文章administrator » 2009年 6月 15日, 18:18

第一章 防爆技術基礎
爆炸的概念
爆炸是物質從一種狀態,經過物理或化學變化,突然變成另一種狀態,並放出巨大的能量。急劇速度釋放的能量,將使周圍的物體遭受到猛烈的衝擊和破壞。
爆炸必須具備的三個條件:
1 )爆炸性物質:能與氧氣(空氣)反應的物質,包括氣體、液體和固體。(氣體:氫氣,乙炔,甲烷等;液體:酒精,汽油;固體:粉塵,纖維粉塵等。)2 )氧氣:空氣。3 )點燃源:包括明火、電氣火花、機械火花、靜電火花、高溫、化學反應、光能等。
為什麼要防爆
易爆物質 : 很多生產場所都會產生某些可燃性物質。煤礦井下約有三分之二的場所有存在爆炸性物質;化學工業中,約有 80% 以上的生產車間區域存在爆炸性物質。氧氣 : 空氣中的氧氣是無處不在的。點燃源 : 在生產過程中大量使用電氣儀表,各種磨擦的電火花 , 機械磨損火花、靜電火花、高溫等不可避免,尤其當儀表、電氣發生故障時。
客觀上很多工業現場滿足爆炸條件。當爆炸性物質與氧氣的混合濃度處於爆炸極限範圍內時,若存在爆炸源,將會發生爆炸。因此采取防爆就顯得很必要了。
儀表防爆的原理
危險場所危險性劃分:
爆炸性物質 區域定義 中國標準 北美標準
氣體(CLASS Ⅰ) 在正常情況下 , 爆炸性氣體混合物連續或長時間存在的場所 0 區 Div.1
在正常情況下爆炸性氣體混合物有可能出現的場所 1 區
在正常情況下爆炸性氣體混合物不可能出現 , 僅僅在不正常情況下 , 偶爾或短時間出現的場所 2 區 Div.2
粉塵或纖維(CLASS Ⅱ/Ⅲ) 在正常情況下 , 爆炸性粉塵或可燃纖維與空氣的混合物可能連續 , 短時間頻繁地出現或長時間存在的場所 10 區 Div.1
在正常情況下 , 爆炸性粉塵或可燃纖維與空氣的混合物不能出現 , 僅僅在不正常情況下 , 偶爾或短時間出現的場所 11 區 Div.2
防爆方法對危險場所的適用性:
序號 防爆型式 代號 國家標準 防爆措施 適用區域
1 隔爆型 d GB3836.2 隔離存在的點火源 Zone1,Zone2
2 增安型 e GB3836.3 設法防止產生點火源 Zone1,Zone2
3 本安型 ia GB3836.4 限製點火源的能量 Zone0-2
本安型 ib GB3836.4 限製點火源的能量 Zone1,Zone2
4 正壓型 p GB3836.5 危險物質與點火源隔開 Zone1,Zone2
5 充油型 o GB3836.6 危險物質與點火源隔開 Zone1,Zone2
6 充砂型 q GB3836.7 危險物質與點火源隔開 Zone1,Zone2
7 無火花型 n GB3836.8 設法防止產生點火源 Zone2
8 澆封型 m GB3836.9 設法防止產生點火源 Zone1,Zone2
9 氣密型 h GB3836.10 設法防止產生點火源 Zone1,Zone2

石油、化工、煤炭和國防等許多工業部門,在生産、加工、運輸和貯存的各個過程中,經常可能洩露或溢散出各種各樣的易燃易爆氣體、液體和各種粉塵及纖維。這類物質與空氣混合後,可能成爲具有爆炸危險的混合物,當混合物的濃度達到爆炸濃度範圍時,一旦出現火源即會引起爆炸和發生火災等嚴重事故。因此在這類危險環境中使用的電氣設備都必須時經過專業機構認證的具有防爆性能的産品。
1.1 危險場所的劃分
根據國際電工委員會(IEC)制定的關於危險環境的劃分中明確規定,在大氣條件下,粉塵或纖維狀的可燃物質與空氣形成混合物在點燃後燃燒傳至未全部未燃混合物的環境爲爆炸性粉塵環境,稱爲I類環境;在大氣條件下,氣體、蒸氣或薄霧狀的可燃物質與空氣形成混合物在點燃後燃燒傳至全部未燃混合物的環境爲爆炸性氣體環境,稱爲II類環境。
危險場所是指危險環境出現或預期可能出現的數量達到足以要求對電氣設備的結構、安裝和使用採用專門措施的區域,根據爆炸性環境出現的頻率和持續時間把危險場所劃分爲不同的區域。
1.1.1 爆炸性粉塵環境危險區域的劃分
根據可燃性粉塵/空氣混合物出現的頻率和持續時間及粉塵層的厚度進行分類,可分爲20區、21區和22區。
20區:zone 20,在正常運行過程中可燃性粉塵連續出現或經常出現,其數量足以形成可燃性粉塵與空氣混合物和/或可能形成無法控制和極厚的粉塵層的場所及容器內部。
21區:zone 21,在正常運行過程中,可能出現粉塵數量足以形成可燃性粉塵與空氣混合物但未劃入20區的場所。該區域包括與充入排放粉塵點直接相鄰的場所、出現粉塵層和正常操作情況下可能産生可燃濃度的可燃性粉塵與空氣混合物的場所。
22區:zone 22,在異常條件下,可燃性粉塵雲偶爾出現並且只是短時間存在、或可燃性粉塵偶爾堆積或可能存在粉塵層並且産生可燃性粉塵空氣混合物的場所。如果不能保證排除可燃性粉塵堆積或粉塵層時,則應劃分未21區。
1.1.2 爆炸性氣體環境的危險區域劃分
根據可燃性氣體出現的頻率和持續時間將危險場所劃分爲0區、1區和2區。
0區:zone 0,爆炸性氣體環境連續出現或長時間存在的場所,危險環境存在的時間大於1000小時/年。
1區:zone 1,在正常運行時,可能出現爆炸性氣體環境的場所,危險環境存在的時間在10~1000小時/年之間。
2區:zone 2,在正常運行時,不可能出現爆炸性氣體環境,如果出現也時偶爾發生並且僅是短時間存在的場所,危險環境存在的時間少於10小時/年。
在此,“正常運行”是指正常的開車、運轉、停車,易燃物質産品的裝卸、密閉容器蓋的開閉,安全閥、排放閥以及所有工廠設備都在其設計參數範圍內工作的狀態。
1.2 氣體組別與溫度組別
對於II類爆炸性氣體環境來說,按照爆炸性氣體混合物最大試驗安全間隙或最小點燃電流比,將爆炸性氣體分爲A、B、C三個組別。氣體分組和點燃溫度在一定環境溫度和壓力下與可燃性氣體和空氣的混合濃度有關。
溫度組別是在爆炸性環境中使用的電氣設備按其最高表面溫度來劃分的,最高表面溫度時電氣設備在規定範圍內的最不利運行條件下工作時,可能引起週圍爆炸性環境點燃的電氣設備任何不見或電氣設備的任何表面所達到的最高溫度。爆炸性氣體環境的溫度組別分爲T1至T6 六組,在假定基礎環境溫度爲40℃時,各組別的溫度爲 T1—450℃、T2—300℃、T3—200℃、T4—135℃、T5—100℃、T6—85℃。下面就是一些典型的爆炸性氣體對應的氣體組別和溫度組別。

爆炸性危險氣體分類
根據可能引爆的最小火花能量,我國和歐洲及世界上大部分國家和地區將爆炸性氣體分為四個危險等級 , 如下表 :
工況類別 氣體分類 代表性氣體 最小引爆火花能量
礦井下 Ⅰ 甲烷 0.280mJ
礦井外的工廠 ⅡA 丙烷 0.180mJ
ⅡB 乙烯 0.060mJ
ⅡC 氫氣 0.019mJ
美國和加拿大首先將散布在空氣中的爆炸性物體分成三個 CLASS( 類別 ):CLASS Ⅰ氣體和蒸氣 ; CLASS Ⅱ 塵埃 ; CLASS Ⅲ纖維 . 然後再將氣體和塵埃分成 Group( 組 ) :
組名 代表性氣體或塵埃
A 乙炔
B 氫氣
C 乙烯
D 丙烷
E 金屬塵埃
F 煤炭塵埃
G 穀物塵埃
氣體溫度組別劃分:
溫度組別 安全的物體表麵溫度 常見爆炸性氣體
T1 ≤ 450℃ 氫氣、丙烯腈等 46 種
T2 ≤ 300℃ 乙炔、乙烯等 47 種
T3 ≤ 200℃ 汽油、丁烯醛等 36 種
T4 ≤ 135℃ 乙醛、四氟乙烯等 6 種
T5 ≤ 100℃ 二硫化碳
T6 ≤ 85℃ 硝酸乙酯和亞硝酸乙酯
儀表的防爆標誌
Ex(ia)ⅡC T6 的含義 :
標誌內容 符號 含義
防爆聲明 Ex 符合某種防爆標準,如我國的國家標準
防爆方式 ia 采用 ia 級本質安全防爆方法,可安裝在 0 區
氣體類別 ⅡC 被允許涉及ⅡC 類爆炸性氣體
溫度組別 T6 儀表表麵溫度不超過 85℃
Ex(ia)ⅡC 的含義
標誌內容 符號 含義
防爆聲明 Ex 符合歐洲防爆標準
防爆方式 ia 采用 ia 級本質安全防爆方法,可安裝在 0 區
氣體類別 ⅡC 被允許涉及ⅡC 類爆炸性氣體
: 注 : 該標誌中無溫度組別項 , 說明該儀表不與爆炸性氣體直接接觸 .
防爆術語:
有關防爆術語及標準
安全柵安全參數定義:
• 安全柵最高允許電壓: Um
保證安全柵本安端的本安性能,允許非本安端可能輸入的最高電壓
• 安全柵最高開路電壓: Uoc
在最高允許電壓範圍內本安端開路時電壓最大值
• 安全柵最大短路電流: Isc
在最高允許電壓範圍內本安端短路時的電流最大值
• 安全柵允許分布電容: Ca
保證本質安全性能情況下本安端最大允許外接電容
• 安全柵允許分布電感: La
保證本質安全性能情況下本安端最大允許外接電感
防爆標誌格式說明:
將工廠或礦區的爆炸危險介質,按其引燃能量,最小點燃溫度以及現場爆炸性危險氣體存在的時間周期進行科學分類分級,以確定現場防爆設備的防爆標誌和防爆形式。
防爆標誌格式:
Ex (ia) ⅡC T4
防爆標記防爆等級氣體組別溫度組別
防爆等級說明:
ia 等級: 在正常工作、一個故障和二個故障時均不能點燃爆炸性氣體混合物的電氣設備。
正常工作時,安全係數為 2.0 ;
一個故障時,安全係數為 1.5 ;
二個故障時,安全係數為 1.0 。
注:有火花的觸點須加隔爆外殼、氣密外殼或加倍提高安全係數。
ib 等級 :
在正常工作和一個故障時不能點燃爆炸性氣體混合物的電氣設備。
正常工作時,安全係數為 2.0 ; 一個故障時,安全係數為 1.5 。
正常工作時,有火花的觸點須加隔爆外殼或氣密外殼保護,並且有故障自顯示的措施,一個故障 時安全係數為 1.0 。

對於電壓不超過1.2V、電流不超過0.1A,且能量不超過20微焦或功率不超過25mw的電氣設備,在經過防爆檢驗部門認可後,可直接使用於工廠爆炸性氣體環境中和煤礦井下。
1.3 爆炸防護的基本原理
現代用於工業生産的可燃物種類繁多,數量龐大,而且生産過程情況複雜,因此需要根據不同的條件採取各種相應的防護措施。從爆炸破壞力的形成來看,爆炸一般需要具備5個條件:
⑴提供能量的可燃性物質(釋放源);
⑵輔助燃燒的助燃劑(氧化劑);
⑶可燃物質與助燃劑的均勻混合;
⑷混合物放在相對封閉的空間(包圍體);
⑸有足夠能量的點火源。
上述條件中的點火源、可燃物質和助燃劑是燃燒爆炸的三要素,防爆技術就是根據這些爆炸條件,採取相應的技術措施和管理措施,達到預防事故的目的。
1.3.1 可燃物濃度的抑制
爆炸強度與爆炸性混合物的濃度有密切關係,爆炸強度隨濃度變化的關係近似於正辦週期的正弦曲線,濃度國低或過高都不能發生爆炸,這兩個點稱爲爆炸下限濃度和爆炸上限濃度。在爆炸下限濃度以下,由於可燃性物質的發熱量已經低到不能維持火焰在混合物中傳播所需要的最低溫度,因而該混合物不能被點燃;若濃度逐漸增加而超過爆炸上限濃度時,雖然可燃物質增加,但助燃的氧氣濃度低於化學當量值,不能滿足混合物完全燃燒的需要,也不會發生爆炸。
因此可以通過可燃物濃度的控制來預防爆炸事故的發生,或者把爆炸事故可能造成的破壞力降到最小限度。
1.3.2 氧濃度的控制
在爆炸氣氛中加入惰化介質時,一方面可以使爆炸氣氛中氧組分被稀釋,減少了可燃物質分子和氧分子作用的機會,也使可燃物組分同氧分子隔離,在牠們之間形成以層不燃燒的屏障;當活化分子碰撞惰化介質粒子時會使活化分子失去活化能而不能反應。另一方面,若燃燒反應已經發生,産生的遊離基將與惰化介質粒子發生作用,使其失去活性,導致燃燒連鎖反映中斷;同時,惰化介質還將大量吸收燃燒反應放出的熱量,使熱量不能聚積,燃燒反應不蔓延到其牠可燃組分分子上去,對燃燒反映起到抑制作用。
因此,在可燃物/空氣爆炸氣氛中加入惰化介質,可燃物組分爆炸範圍縮小,當惰化介質增加到足夠濃度時,可以使其爆炸上限和下限重合,再增加惰化介質濃度,此時可燃空氣混合物將不再發生燃燒。
1.3.3 點火源的控制
溫度對化學反映速度的影響特別顯著,對一般反應來說,若初始濃度相等,溫度每阩高10℃反應速度大約加快2至4倍。因此,溫度(也就是通常所指的點火源)使加快反應速度,引起爆炸事故的最初因素,控制點火源使防止爆炸事故的重要措施之一。
1.3.4 減弱爆炸壓力和沖擊波
爆炸現象的重要特徵之一就是爆炸物質爆炸時,産生的高溫高壓氣體産物以極高的速度膨脹,使包圍體內壓力驟增,進而使包圍體炸裂,形成沖擊波,造成破壞力。爲了防止或減弱因炸而使包圍體內壓力的驟增,應盡可能地不使包圍體相對封閉。
1.4 防爆電氣設備的類型
1.4.1 隔爆型結構
電火花及電弧可以引燃爆炸性混合物。由德國建立起來的間隙隔爆結構,是防止電弧等引燃週圍爆炸性混合物較可靠的方法。隔爆型結構的電氣設備再爆炸危險區域應用極爲廣泛,牠不僅能防止爆炸火燃的傳出,而且殼體又可承受一定的過壓。牠具有一個足夠牢固的外殼,能經受內部爆炸氣體混合物産生最大爆炸壓力的1.5倍並不得小於3.5×105 Pa的沖擊,確保不變形或損壞,不産生永久變形,並具有一定結構間隙以使噴射出來的燃燒生成物通過一定的法蘭長度冷卻到低於外部爆炸性混合物的自燃溫度。結構間隙可以是平面結合面或圓筒結合面組成,還可以是曲路、螺紋或屏障式等結構組成。除此之外。如微孔、網罩、疊片、充砂等結構也屬於這種原理的防爆形式。用於煤礦井下的隔爆型電氣設備更要堅固。
用於I類採掘工作面的設備,外殼須採用鋼闆或鑄鋼制成;I類非採掘工作面的設備,其外殼可用牌號不低於HT25-47灰鑄鐵制成;I類攜帶式設備和II類設備,外殼可用抗拉強度不低於117.6N/mm2(12kg /mm2)、含鎂量不大於0.5%(重量比)的輕合金制成。
1.4.2 增安型結構
增安型機構在防爆電氣設備上使用得也很廣泛,如電動機、變壓器、燈具和帶有電感線圈的電氣設備等。牠是在設備上採用以係列的安全措施,如使用高質量的絕緣材料、降低溫阩、增大電氣間隙、提高導線連接質量等,使其在最大限度內不致産生電火花、電弧或危險溫度,或者採用有效的保護元件使其産生的火花、電弧或溫度不能引燃爆炸性混合物,以達到防爆的目的。
還有一種與增安型防爆措施類似稱爲無火花型,牠是一種再正常運行時不産生火花和危險高溫,也不能産生引爆故障的電氣設備。與增安型相比,只是沒有規定再增加一些附加措施來提高設備的安全可靠性。因此,無火花型的安全性比增安型要低,只能用於2區危險環境。
1.4.3 正壓型結構
這種結構的電氣設備的防爆原理是:保證內部保護氣體的壓力高於週圍以免爆炸性混合物進入外殼,或足量的保護氣體通過外殼使內部爆炸性混合物的濃度降至爆炸下限以下。
在一般情況下,電氣設備內部不得有影響安全的通風死角。在正常運行時,出風口的風壓或充氣氣壓不得低於一定的數值,否則將立刻發出報警或切斷電源。設備內部的火花、電弧不允許從任何間隙初或出風口吹出來。
正壓型結構在使用上與爆炸物質的級別無關,多用於內部元件易損壞的設備或大型電氣設備上,或以自燃點爲T4、T5爲對象的很難制成其牠防爆結構形式的電氣設備上。
1.4.4 充砂型結構
充砂型結構是在外殼內充填砂粒或其牠規定特性的粉末材料,使之在規定的使用條件下,殼內産生的電弧或高溫均不能點燃週圍爆炸性氣體環境的結構。
當採用的介質使顆粒狀的固體(一般是石英砂)作爲隔離介質時,稱爲充砂型電氣設備;而採用的介質時固化物填料(一般位環氧樹脂),把引燃源澆封在填料裏面,而於外面爆炸性混合物隔離時,也稱爲澆封型電氣設備。
1.4.5 本質安全型結構
本質安全型結構僅適用於弱電流回路,如測試儀表、控制裝置等小型電氣設備上。無論是正常情況下,還是非正常情況下産生的電火花或危險溫度,都不會使爆炸物質引爆,因此使安全性較高的防爆結構,其中電路或設備上的所有元件表面溫度必須小於規定,以防止熱效應引起的點燃。
本質安全型防爆結構的電氣回路必須於其牠電路相隔離,以防混線電磁或靜電感應,特別使結構外部的配線,要採取週密的措施,才能確保電氣設備和配線的防爆性能。
1.4.6 防爆充油型結構
防爆充油型結構在使用上與傳爆等級無關,適合於小型操作開關上。充入的油液應具有較高的化學穩定性,爲了觀察油位的高度,設備應裝有油位指示器或油位信號裝置。
油浸型防爆結構的開關、控制器等設備,由於油的劣化或洩漏等原因,設備損壞很難維修,需要特別註意。另外,由於傾斜或油面搖動而使防爆性能受到損害時,設備不能再繼續使用。
1.4.7 爆炸性粉塵環境的防爆結構
粉塵防爆電氣設備是採用限制外殼最高表面溫度和採用“塵密”或“防塵”外殼來限制粉塵進入,以防止可燃性粉塵點燃。該類設備將帶電部件安裝在有一定防護能力的外殼中,從而限制了粉塵進入,使引燃源與粉塵隔離來防止爆炸的産生。按設備採用外殼防塵結構的差別將設備分爲A型設備或B型設備。 按設備外殼的防塵等級的高低將設備分爲20、21和22級,分別適用於20、21或22區粉塵危險場所。

1.5 爆炸性氣體環境中電氣設備的防爆類型的選擇
對於不同區域的爆炸型氣體環境(II類環境),需要根據實際需要選擇不同結構的防爆類型。

種類區分如下:

耐壓防爆 Ex d CNS3376-1

安全增防爆 Ex e CNS3376-7

本質安全防爆 Ex i CNS3376-11

內壓防爆 Ex p CNS3376-2

模注耐壓防爆 Ex m CNS3376-18

充填防爆 Ex q CNS3376-5

油入防爆 Ex o CNS3376-6

無電氣火花防爆 Ex n CNS3376-15

1.6 防爆設備的標誌
1.6.1 爆炸性氣體環境防爆設備標誌
II類防爆設備的標誌按照防爆公用標誌、設備防爆型式、設備環境組別、氣體組別和溫度組別的順序依次標記。
防爆公用標誌——國際電工委員會(IEC)標誌“Ex”;
歐洲電工委員會(CENELEC)標誌“EEx”
防爆型式標誌:隔爆型——“d”;
增安型——“e”;
正壓型——“p”;
充砂型——“q”;
本質安全型——“i”,還細化爲“ia”和“ib”級;
充油型——“o”;
無火花型——“n”;
澆封型——“m”;
特殊型——“s”
設備環境組別標誌——I類、II類
氣體組別標誌——A、B、C
溫度組別標誌——T1至T6
如Ex d II C T6,表示隔爆型防爆設備,可應用於爆炸性氣體環境,C氣體組,溫度組別T6。
1.6.2 爆炸性粉塵環境防爆設備標誌
I類防爆設備的標誌按照防粉塵點燃公用標誌、設備類型、設備等級、溫度組別的順序依次標記。
防粉塵點燃公用標誌——“DIP”
設備類型——“A”、“B”
設備等級——“20”、“21”、“22”
溫度組別標誌——T11至T13
如DIP A 21 T13,表示可用於21區A型設備,溫度組別T13。
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註冊時間: 2008年 6月 3日, 16:37

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