深入理解防爆标准规范防爆产品结构设计

深入理解防爆标准规范防爆产品结构设计崔学莹（中煤科工集团常州自动化研究院，江苏常州213015）摘要：GB3836《爆炸性环境》分为若干部分，本文涉及第1部分和第2部分。现行有效的标准是2010-08-09发布，2011-08-01实施。为修改采用IEC600079-X：2007系列标准，在翻译上语句、条款基本忠于原文，修改部分为按我国煤矿等实际情况，添加了一些规定，使其更适合我国国情，也满足国际要求。本文通过标准的理解，阐述隔爆外壳的设计、制造和检验要求。关键词：隔爆外壳；防爆类型；隔爆参数；电缆引入装置；引入方式；电气间隙及爬电距离；观察窗；联锁装置；矩形隔爆外壳强度设计方法0引言防爆产品结构设计。用在爆炸性环境中的电气设备必须采用防爆型式，避免电气设备的电器火花引燃爆炸性混合气体，发生爆炸，产生安全事故。从防爆原理上讲，爆炸有三要素，满足爆炸浓度的可燃性混合物、助燃剂(氧化剂)、能量有效的点燃源。三者缺一不可，缺一就不能形成爆炸。因此，电气设备的防爆有多种型式。可避免形成爆炸性混合气体，也可以隔绝助燃剂，也可以是杜绝点燃源。大多数爆炸性环境存在是必然的，是不可避免的，像煤矿井下，就可能存在甲烷混合物气体，有的矿井甚至是高瓦斯矿井。防爆措施最有效的一种方法就是控制点燃源。从本质安全型电路上出发，就是控制火花能量，在本质安全型电路内部即使产生短路，也不能产生有效的点燃火花。从用隔爆型外壳保护的电气设备上讲，电气设备内部可产生爆炸，但爆炸被有效的隔离，传播出的火花不能产生有效的点燃，也就是不能点燃爆炸性气体环境。1防爆类型：由隔爆外壳“d”保护的设备(我们常用的类型，也就是我们通常所说的“隔爆型”)由增安型“e”保护的设备（煤矿上用，受限制）由本质安全型“i”保护的设备浇封型“m”派生类型隔爆兼本质安全型“d[i]”隔爆兼浇封型“d[m]”等等2引入方式:电气设备的引入方式分直接引入方式和间接引入方式。间接引入方式就是通过隔爆型接线盒，将电缆引入到设备内部。直接引入方式就是将电缆通过设备外壳直接引入到设备内部。2.1隔爆外壳的引入装置电缆引入装置有4种形式。2.1.1电缆引入装置电缆引入装置，无论是整体或分开，均应符合GB3836.1-2010附录A及GB3836.2-2010附录C的相关要求，并且在外壳上构成GB3836.2-2010第5章规定的接合面宽度和间隙。我们大多数采用的电缆引入装置是焊接到设备上的，与设备构成一个整体，通过设备进行认证。像压紧螺母式电缆引入装置及压盘式电缆引入装置。在国外，大多数电缆引入装置与电气设备分开的，通过平面或止口或螺纹隔爆面与设备连接。分别认证，选配使用。2.1.2导管密封装置导管密封装置，无论是整体或分开，均应GB3836.2-2010附录C.2.1.2和C.3.1.2的要求，用术语“导管密封装置”代替“电缆引入装置”，并且在外壳上构成GB3836.2-2010第5章规定的接合面宽度和间隙。导管密封装置大多用于工厂型防爆电气设备。2.1.3插头和插座和电缆连接器插头、插座的结构和安装应不改变其安装外壳的隔爆性能，即使在插头和插座两部分分开时。2.1.4绝缘套管绝缘套管，无论是整体或分开，均应符合本部分和附录C的相关规定，并且在外壳上构成第5章规定的接合面宽度和间隙。新标准将绝缘套管也作为电缆引入装置，大多数为设备之间连接。2.2直接引入方式的条件（GB3836.2-2010附录F.2）：电气设备符合下列两项条件时，允许采用直接引入方式：a)正常运行时不产生火花、电弧或危险温度；b)电气设备的额定功率不大于250W，且电流不大于5A。3隔爆外壳在煤矿井下大多动力设备都采用隔爆外壳的结构。通过隔爆接合面阻止爆炸产生的火焰向爆炸性环境传播。当几个隔爆外壳组装在一起时，GB3836.2-2010的要求分别适用于每个外壳，并且特别适用于把他们分开的隔板和穿过隔板的所有绝缘套管和操纵杆。如果一个外壳包括几个相互连通的空腔或内部零件的排列被分隔，则可能产生比正常压力更大的压力和压力上升速率。应通过结构设计尽可能预防这些现象。如果不可能避免这些现象，在外壳设计时应考虑承受更高的应力。如果使用铸铁，材料等级应不低于150级（ISO185）。隔爆外壳不应用锌或锌含量高于80%的锌合金制成。（注：锌和锌合金容易迅速降低品质（如抗拉强度性能），尤其是在温暖潮湿的空气中，他们也被认为最具活性。因此，规定上述限制。）3.1静压试验施加的相应压力应为：——参考压力的1.5倍，或——对于不进行例行过压试验的外壳，试验压力应是参考压力的4倍，或——对于小型设备不能测定参考压力时，则应采用下列相应压力进行静压试验。容积（cm3）类别压力（kPa）≤10I、IIA、IIB、IIC1000＞10I1000＞10IIA、IIB1500＞10IIC2000加压时间至少应为10s。这个10s是压力打到所需的压力时，检查完所有焊缝等再保持10s以上即可。对于隔爆外壳，一般生产厂无测压条件，无论是大的隔爆外壳，还是小的隔爆外壳，设计、制造、静压试验只能按1MPa压力要求。静压试验只进行一次。如果试验结果为：试验时，若外壳未发生影响防爆型式的永久性变形或损坏，并且没有通过外壳壁泄露，则认为过压（静压）试验合格。此外，在接合面任何部位的间隙都不应有永久性的增大。3.2动压试验和内部点燃的不传爆试验动压试验，隔爆外壳应能承受如果不能测定参考压力，则可在1.5倍大气压力下向外壳充以下表规定的爆炸性混合物进行试验。内部点燃的不传爆试验，略。4隔爆接合面：隔爆接合面形式有平面接合面、止口接合面、螺纹接合面等。接合面应进行防锈处理。接合面不允许涂漆或喷塑，证明涂敷材料和其涂敷工艺对接合面的隔爆性能不会产生不利影响时除外。防锈油脂可在装配前涂敷在接合面上。如果涂敷防锈油脂，应不老化变硬，不含汽化溶剂，并且不引起接合面锈蚀。应按照油脂制造商的说明书检查其适应性。接合面可被电镀，此时，金属镀层不应超过0.008mm。4.1非螺纹接合面4.1.1接合面宽度Ⅰ类外壳隔爆接合面的最小宽度、隔爆接合面之间的最大间隙参照GB3836.2-2010表1。相比GB3836.2-2000表1，隔爆接合面之间的最大间隙所对应的外壳容积有了细分；并增加了适用外壳容积小于2000cm3的电气设备隔爆外壳的隔爆接合面的最小宽度9.5mm要求。GB3836.2-2010表1（部分）接合面类型接合面最小宽度L/mm最大间隙iMAX/mmV≤100（cm3）100＜V≤500（cm3）500＜V≤2000（cm3）V≥2000（cm3）平面接合面圆筒形接合面或止口接合面60.30——————9.50.350.350.08——12.50.400.400.400.40250.500.500.500.504.1.2隔爆面表面粗糙度接合面表面平均粗糙度Ra不允许超过6.3μm。4.1.3隔爆面接合面之间的间隙除了快开门或盖的情况，平面接合面之间不应存在有意造成的间隙，倘若接合面之间有间隙，无论何处均不大于GB3836.2-2010表1所规定的相应最大值。对于Ⅰ类电气设备，应能直接或间接检查经常打开的门或盖的平面接合面间隙。4.1.4接合面上的孔和螺孔如果接合面被紧固螺栓孔或类似物的孔隔，隔爆面上的最小距离l应符合下列规定：当L＜12.5mm时，l≥6mm；当12.5mm≤L＜25mm时，l≥8mm；当L≥25mm时，l≥9mm。隔爆接合面上的孔示图4.2螺纹隔爆面螺纹接合面对于Ⅰ类、ⅡA和ⅡB外壳，螺纹接合面的最小啮合扣数为5扣，当容积大于100cm3时，最小啮合轴向长度为8mm；当容积不大于100cm3时，最小啮合轴向长度为5mm。Ⅰ类设备还应符合附录C中的补充规定GB3836.2-2010附录F.4要求，设备的螺纹隔爆面须有防止自行松脱的措施。4.3隔爆面或非隔爆面上的衬垫4.3.1GB3836.2-2010中5.4要求如果使用可压缩或弹性材料衬垫，例如，防止潮气或灰尘侵入，或防止液体泄漏，他应起辅助作用，不能将接合面隔断，在确定隔爆接合面宽度时不计入。衬垫的安装应：——保持平面接合面或止口接合面的平面部分的允许间隙和宽度；——在压缩前后保持圆筒形接合面或止口接合面的圆筒部分的最小接合面宽度。这些要求不适用于电缆引入装置或包含有金属或金属包覆的可压缩不燃性材料的密封衬垫的接合面。这样的密封衬垫有助于防爆，在此情况下，平面部分的每个面之间的间隙应在压缩后测量。在压缩前后应保持圆筒部分的最小宽度。4.4胶粘接合面构成隔爆外壳一部分的粘结接合面，只保证隔爆外壳的密封。其结构应使组件的机械强度不能仅依赖粘结材料的粘结性。粘结接合面的试验应符合GB3836.2-2010第15.1.3条规定的过压试验和施压时间要求，合格判据为GB3836.2-2010第15.1.1条。如果被粘合的接合面没有粘结剂就不满足第5章的要求，则胶粘后的接合面应承受GB3836.1-2010规定的耐热试验和耐寒试验。从容积V的隔爆外壳内部到外部通过胶粘接合面的最短通路：当V≤10cm3时，≥3mm；当10cm3≤V＜100cm3时，≥6mm；当V＞100cm3时，≥10mm。在没有粘结剂或粘结剂失效的情况下，结合隔爆接合面参数，得出以下结论：——粘结接合面宽度须符合隔爆接合面最小宽度，即≥12.5mm；可保证在这种情况下不失爆，不传爆。4.5操纵杆（轴）当操纵杆穿过隔爆外壳壁时，应符合下列要求。如果操纵杆的直径超过了GB3836.2-2010表1和表2中规定的最小接合面宽度，其接合面宽度应至少等于其直径，但不必超过25mm。如果在正常使用中直径间隙因磨损可能增大时，则应采取使其易恢复到原始状态的结构，例如使用可更换的套，或可通过使用符合第8章规定的轴承来避免使间隙因磨损而增大。5透明件（观察窗）对于除玻璃以外的透明件，应符合本部分GB3836.2-2010第19章的要求。（注：在安装任何材料的透明件时宜采取一些措施，避免在这些零部件中产生机械应力。）5.1材料透明件可采用玻璃或其他物理化学性能稳定，且能有效够承受设备额定条件下的最高温度的材料制成。并通过GB3836.1-2010表12规定的抗冲击试验。GB3836.1-2010表12Ⅰ类设备抗冲击试验机械危险程度质量1kg中午的下落高度h/m高低a）外壳和外壳外部能撞击到的部件（透明件除外）20.7b）保护网、保护罩、风扇罩、电缆引入装置20.7c）无保护的透明件0.70.4d）由网孔为625mm2～2500mm2保护网的透明件（试验室不带保护网）0.40.2网孔为625mm2～2500mm2透明件的保护网能降低冲击危险，但不能阻止冲击。5.2透明件的安装用来固定透明件的密封材料、胶粘材料或衬垫应满足“起隔爆作用的衬垫和胶粘接合面”条款的规定。透明件应按下述方法之一进行安装：a)透明件可以直接密封在外壳内，与外壳形成一个整体；b)透明件可以用或不用衬垫直接紧固在外壳内；c)透明件可以密封或胶粘在一个框架上，这个框架具有隔爆面，能与外壳上的隔爆面连接，框架紧固在外壳内，这样使观察窗可作为一个整体部分进行更换，而不需要在现场进行密封处理。应采用预防措施使安装的透明件不会产生不适当的内部机械应力。5.3透明件还须通过热剧变试验。6开启外壳门、盖的允许时间可被打开的外壳，其打开门、盖前的延长时间应比下列要求的时间更长：a)内装电容器，当充电电压为200V或以上时，放电至下列剩余能量所需时间：●I类或IIA类电气设备：0.2mJ；●IIB类设备：0.06mJ；●IIC类设备:0.02mJ，包括仅标志II类的电气设备；●III类设备:0.2mJ或者，如果充电电压低于200V，剩余能量为上述能量的2倍；或b)内装热元件的表面温度降至低于电气设备的温度组别温度所需的时间。应设下列之一的警告标志：●外壳开启延迟时间标志规定；警告：断电后，应放电Y分钟方可开盖(“Y”分钟为延迟所需时间。)●外壳开启标志规定。警告：有爆炸性气体时请勿打开7电气设备分类和温度组别7.1电气设备分类