本质安全型防爆技术

1第一章爆炸性气体环境的基本知识一引言随着石油、化工、煤矿等工业的发展，防止爆炸性事故的发生，越来越引起人们的重视，但是在生产过程中又难免会产生爆炸性物质的泄漏，形成爆炸性气体危险场所。据资料介绍，煤矿井下约有2/3场所，石油开采和精炼厂约有60%-80%场所为爆炸性危险场所，所以使用在这些场所的电气设备都必须采取防爆措施，才能避免成为危险点燃源。二爆炸的基本观念要了解爆炸就要熟悉燃烧现象。燃烧现象的出现同时具备以下三个条件：即要有可燃物质、助燃物质和点燃源，三者缺一不可。燃烧是一种化学反应。它是可燃物质在点燃源能量的作用下，在空气或氧气中，进行化学反应，引起温度的升高，释放出热辐射及光辐射的现象。如果燃烧速度急剧加快，温度猛烈上升，导致燃烧生成物和周围空气激烈膨胀，形成巨大的爆破力和冲击波并发出强光和声响，这就是爆炸。爆炸分凝聚相爆炸和分散相爆炸两类。凝聚相爆炸指炸药类的爆炸，分散相爆炸指爆炸性气体环境中形成的爆炸。三爆炸性气体（蒸气）混合物的几个主要参数1.闪点闪点是指在标准条件下，使液体变成蒸气的数量能够形成可燃性气体/空气混合物的最低液体温度。液体的闪点越低，引燃的危险程度越大。如环氧丙烷的闪点为-37.2℃，不仅在冬天户外场所蒸发蒸气，而且在常温时会快速蒸发蒸气。液体周围环境温度是影响液体蒸发的主要依据。我国规定了最高环境温度为45℃作为分界线，闪点高于45℃的称可燃性液体；闪点低于45℃的称易燃性液体。可燃性液体在常温储存没有爆炸危险性。但当可燃性液体呈雾状颗粒状态及操作温度高于液体闪点时同样有爆炸危险性。2.爆炸极限与范围爆炸极限是指可燃性气体（蒸气）与空气形成的混合物，能引起爆炸的最低浓度（爆炸下限）或最高浓度（爆炸上限），介与爆炸下限和上限中间的浓度范围称爆炸范围。爆炸范围越大，则形成爆炸性混合物的机会越多；爆炸下限越低，则形成爆炸的条件越易。3.相对密度密度是指单位体积的物质质量。相对密度是指可燃性气体（蒸气）与空气密度的比值（空气为1）。相对密度是研究爆炸性混合物扩散范围的重要依据。比空气轻的可燃性气体（蒸气）会扩散至周围空间的上部区域，比空气重的可燃性气体（蒸气）停留在周围的空间下部区域。四爆炸性气体（蒸气）混合物的分类、分组21.爆炸性气体（蒸气）混合物分类:中国:Ⅰ类（煤矿井下甲烷气）、Ⅱ类（工厂内的爆炸性气体混合物）、Ⅲ类(爆炸性粉尘和纤维)北美:ClassⅠ(爆炸性气体)；ClassⅡ(爆炸性粉尘)；ClassⅢ(纤维)为适合隔爆型及本质安全型电气设备设计选型要求又将气体分成ⅡA、ⅡB、ⅡC类三种。分类ⅡAⅡBⅡC最大试验安全间隙MESG（mm）MESG≥0.90.9＞MESG＞0.50.5≥MESG最小点燃电流比MICRMICR＞0.80.8≥MICR≥0.450.45＞MICR2.爆炸性气体（蒸气）混合物分级的比较爆炸性气体（蒸气）混合物分级我国和IEC一样，与北美不同，见下表：典型典型气体中国、IEC、欧洲标准北美标准(NEC)点燃特性甲烷ⅠGroupD难易丙烷ⅡA乙烯ⅡBGroupC氢气ⅡCGroupB乙炔GroupA3.爆炸性气体（蒸气）分组我国和IEC一样，北美与IEC基本相同，只是更细而已，对应关系见下表：中国、IEC欧洲标准北美标准(NEC)最高表面温度（℃）点燃特性T1T1450难易T2T2300T2A280T2B260T2C230T2D215T3T3200T3A180T3B165T3C160T4T4135T4A120T5T5100T6T68534.防爆标志举例ExdⅡBT4温度组别类别防爆型式（隔爆型）防爆总标志ExeⅡT3温度组别类别防爆型式（增安型）防爆总标志ExiaⅡAT6温度组别类别防爆型式（本安型）防爆总标志五爆炸性气体（蒸气）环境的划分1.爆炸性气体（蒸气）环境的分区世界各国对危险场所区域划分不同，但大致分为两大派系：我国和大多数欧洲国家采用国际电工委员会（IEC）的划分方法，而以美国和加拿大为主要代表的其他国家则采用北美划分方法。1）我国对爆炸性危险场所划分的依据：GB3836.14-2000《爆炸性气体环境用电气设备第14部分危险场所分类》GB50058-1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》根据爆炸性气体（蒸气）环境出现的频率和持续时间把危险场所分为以下区域。0区：爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。1区：在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所。2区：在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境，如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场所。另外，按英国专家R.H卡恩迪根据持续时间的概念论述：40区：每年至少出现1000h；1区：每年在10—1000h；2区：每年在10h以下。2）北美国家将爆炸性危险场所划分两个区域：(1)Division1(1区)：在正常工作条件下，可能存在爆炸性或可燃性混合物的场所（包括气体、粉尘和纤维场所）。(2)Division2(2区)：仅仅在故障条件下或其他异常情况下，偶尔地或短时间地存在爆炸性或可燃性混合物的场所（包括气体、粉尘和纤维场所）。从定义可以看出两个区域（Zone和Division）划分的方法存在很大的差异，它们之间的近似对应关系见下表：中国、IEC、欧洲标准北美标准危险程度0区(Zone0)Division1(1区)高低1区(Zone1)2区(Zone2)Division2(2区)2.释放源释放源是指可能把可燃气体、薄雾或液体释放到大气中以至形成爆炸性混合物的某个部位或某个点。每一台加工设备：如罐、泵、管道、容器等都应视作潜在的可燃性物质的释放源。如果这类设备不再盛装可燃性物质，很明显它的周围就不会形成爆炸区域。如果这类设备盛装可燃性物质，但不向大气层释放，同样是潜在的释放源，如果设备向大气中释放可燃物质，首先要确定大概的释放频率和持续时间，来确定释放源的级别。1）连续级释放源连续释放或预计长期释放的释放源。如：处理容器的内部，与大气相通的储罐，在储油（液）槽中油(液)上方的蒸气空间和低于水平面的空间等。2）第一级释放源正常运行时，预计可能周期性或偶尔释放的释放源。如：设备正常运行时，会释放易燃物质的泵、压缩机和阀门的密封件处；正常操作时会向大气释放物质的取样点3）第二级释放源在正常运行时，预计不可能释放，如果释放也仅是偶尔和短时释放的释放源。如：法兰、管接头、连接件；在正常运行时不可能出现释放的泵、压缩机和阀门的密封件处、安全阀、排气孔。4）多级释放源由上述两种或多种级别组成的释放源。按连续级或第一级释放源来划分。3.通风5由于风力、温度梯度或人工通风（如风扇或排气扇）作用可造成的空气流通和新鲜空气与原来空气置换。通风可以促进消散，加强通风效果，可以降低危险区域的等级和缩小危险区域的范围。通风有自然通风、一般机械通风、局部机械通风、无通风区分。自然通风和一般机械通风：连续级释放源可导致0区，第一级释放源可导致1区，第二级释放源可导致2区。设备工艺装置应尽量在露天、敞开式布局达到良好的通风效果；局部机械通风比上述通风更有效。无通风：连续级释放源、第一级释放源可导致0区，第二级释放源可导致1区。4.爆炸性气体（蒸气）环境的范围影响区域范围的因素有：可燃性气体释放量、释放速度、释放浓度、通风、障碍物、易燃液体的沸点、爆炸下限、闪点、相对密度、液体浓度等。一般应通过计算来确定。安装单位在工程施工中首先要研究防爆电气工程的危险环境区域划分图，以利防爆电气设备的正确安装。第二章防爆电气设备的基本原理爆炸性气体环境中安装的电气设备主要有隔爆型电气设备、增安型电气设备、本质安全型电气设备、正压型电气设备、浇封型电气设备、充油型电气设备、充沙型电气设备、“n”型电气设备等。现对几种主要的防爆电气设备进行介绍。一隔爆型电气设备隔爆型电气设备是指具有隔爆外壳的电气设备，防爆标志为“d”。其制造检验标准应符合GB3836.1-2000及GB3836.2-2000标准的要求。隔爆外壳是指能承受内部的爆炸压力，并能阻止爆炸火焰向周围环境传播的防爆外壳。电气设备外壳的内部由于呼吸作用会进入周围的爆炸性气体混合物，当设备产生电火花及危险高温时，将引燃壳内的爆炸性气体混合物，形成巨大的爆破力及冲击波。一方面隔爆外壳应能承受内部的爆炸压力而不破损；另一方面隔爆外壳的接合面应能阻止爆炸火焰向壳外传播点燃周围的爆炸性气体混合物。因此隔爆外壳应有耐爆性及隔爆性两种性能。1.隔爆外壳的耐爆性隔爆外壳中产生的爆炸压力受爆炸性气体混合物的浓度、外壳的容积及形状、点火源的位置、接合面间隙、爆炸性气体混合物的初始压力及温度等的影响。在低于最大爆压浓度时，爆炸压力与混合物的浓度成正比；当外壳的容积增大时，其热损失相对减小，爆炸压力相对增高；就外壳的形状而言，非球型容器比球型容器的爆炸压力要低；点火位置偏离中心，其爆炸压力会下降；接合面间隙增大，爆炸压力将下降；爆炸性气体混合物的初始压力及温度提高，爆炸压力将增大。隔爆型电气设备爆炸时其内部会产生0.5MPa-2.0MPa的爆压，将对壳壁产生冲击力。当外壳材质的强度不能满足要求时，造成破损，所以外壳的抗拉强度及壁厚应达到要求。6隔爆型电气设备的外壳材料均用金属材质制成。常用的有钢板、铸钢、铸铝合金、铸铁等材料。当采用铸铁时，其牌号应不低于HT250；当采用铸铝时，应用抗拉强度不低于120Mpa，含镁量不低于6%的铜铝合金。当外壳容积不大于0.01升时，可采用陶瓷材料制造；当外壳容积不大于2.0升时，可采用塑料材料制造，但塑料外壳的结构强度受成型工艺及易自然老化的影响，一般用于外壳容积小于0.1升的隔爆部件。隔爆外壳由于要承受爆压的冲击力，因此其壁厚值相对其它防爆型式的外壳要大。以铸铝壳体为例，容积不大于2.0升的外壳，壳壁厚度应在4.0-8.0mm之间，法兰厚度应在8.0-12.0mm之间；压铸铝外壳的壁厚由于致密度相对较高，其壁厚可设计得小一点。当容积大于4.0升时，须采用铸钢等黑色金属材料。隔爆型电气设备在结构设计时，要尽量避免压力重叠现象。压力重叠现象一般产生在包含两个或多个空腔以小孔形式连通的外壳内，当一个空腔引爆后，其火焰将向另一空腔传播，由于火焰的前沿面比气体传播速度要慢，另一空腔首先进行气体预压，再进行点燃爆炸，这样产生的爆压比前一个空腔高数倍，将造成壳体的严重损坏。事实上，在同一空腔中，当电气部件安装不合理时也会产生压力重叠现象。综上所述，外壳不宜制成以小孔连通的多空腔形式，壳内电器元件的安装也应避免将整腔分割成几个小空腔。另外，外壳三维尺寸之比不宜过大。否则壳内会产生压力重叠现象。2.隔爆外壳的隔爆性由于制造、安装、维护等原因，隔爆外壳不可能是天衣无缝的整体，而是由许多个零部件组成。零件间的连接缝隙会成为壳内的爆炸产物所通过的路径，引燃周围的爆炸性气体混合物。这些零部件的配合部分称隔爆接合面，其接合缝隙称隔爆接合面间隙。隔爆外壳的隔爆性是建立在隔爆接合面对内部的爆炸火焰有冷却作用为理论基础的。隔爆接合面的结构应能保证熄灭间隙中的火焰，损失至少20%的热量。为此隔爆接合面的宽度L、间隙（或直径差）i、法兰至壳体内缘的距离l应符合GB3836.2表1-表4的规定，对于ⅡC外壳的螺纹隔爆接合面应符合表5的规定。隔爆面的表面粗糙度Ra应不低于6.3微米，隔爆螺纹的精度应不低于6H/6g。为了防锈防腐，隔爆面的表面应涂204-1油脂。隔爆接合面的结构形式有平面式、止口式、螺纹式。操纵杆和轴的配合属于圆筒式结构，它们分别应用于壳体与壳盖的接合处；壳体与操纵杆的接合处；电机轴伸与端盖的接合处；电缆或导线的引入装置与壳体的接合处；仪表及显示器窗与壳体的接合处等。对维修中不经常打开的透明件衬垫应采用金属或金属包覆的可压缩不燃材料制成，其厚度不小于2.0mm。接合面的宽度：外壳容积小于100cm2时，不小于6.0mm；外壳容积大于100cm2时，不小于9.5mm。还有一种胶粘接合面结构。其胶粘材料应采用热稳定性能好的不燃材料。胶粘接合面的宽度：当外壳容积小于10cm2时，不小于3.0mm；当