从标准谈非电气设备防爆设计

李冠峰，李云翔，秦爱中

（中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州 450015）

0 引言

爆炸是极为迅速的物理或化学能量释放过程，意外爆炸通常会导致灾难性破坏。爆炸的产生离不开爆炸性物质和点燃源，根据爆炸性物质出现的频繁程度和持续时间，爆炸性环境可分为：1）0区：连续出现或长期出现爆炸性物质的环境；2）1区：装备正常运行时可能出现爆炸性物质的环境；3）2区：装备正常运行时不可能出现，或即使出现也仅是短时存在爆炸性物质的环境。在爆炸性环境中，如何实现设备防爆就显得尤为重要。

1 设备防爆标准

当前，适用于我国爆炸性环境设备防爆的标准体系主要有GB 3836、GB 25285和GB 25286，且均为强制性标准。《中华人民共和国标准化法》规定“强制性标准，必须执行”，“生产、销售、进口不符合强制性标准的产品的，由法律、行政法规规定的行政主管部门依法处理”。因此，上述防爆标准具有法律属性。

1.1 GB 3836

GB 3836规定了爆炸性环境用电气设备和防爆元件的结构、试验和标志要求。该系列标准包含设备通用要求、隔爆外壳“d”、增安型“e”、本质安全型“i”、正压外壳型“p”、油浸型“o”、充砂型“q”、“n”型、浇封型“m”、最大试验安全间隙测定方法、气体或蒸汽混合物按照其最大试验安全间隙和最小点燃电流的分级、爆炸性气体环境用电器设备的检修、危险场所分类、危险场所电气安装、电气装置的检查与维护、正压房间或建筑物的结构和使用、本质安全系统、现场总线本质安全概念和现场保护级别为Ga级的设备等防爆标准[1]。

1.2 GB 25285

GB 25285标准包含两部分，《基本原则和方法》规定了对可能导致爆炸的危险情况识别和评定方法，以及与安全要求相适应的设计和结构措施，适用于爆炸性环境的设备、防护系统和元件；《矿山爆炸预防和防护的基本原则和方法》适用于在矿山井下部分和存在瓦斯、可燃性粉尘危险地面装置部分的I类设备、防护系统和元件[2]。

1.3 GB 25286

GB 25286规定了用于气体、蒸气、薄雾与空气，以及粉尘与空气形成的潜在爆炸性环境中非电气设备设计、结构和试验的方法和要求。《基本方法和要求》着重提出了爆炸性环境用非电气设备类别与保护级别、点燃危险评定、设备温度、非金属部件、透明件等要求，以及型式检查与试验等。该标准体系还包含限流外壳型“fr”、隔爆外壳型“d”、固有安全型“g”、结构安全型“c”、控制点燃源型“b”、正压型“p”和液浸型“k”等防爆标准[3]。

目前，电气设备防爆标准已广为大家熟知，得到了比较好的贯彻与执行。非电气设备防爆标准发布较晚，还处于宣贯实施过程中。

2 非电气设备点燃源

在爆炸性环境中，大量使用的非电气设备在正常运行或故障状态下，同样可能产生机械火花、热表面、静电、自燃等潜在点燃源，也同样可能引起意外爆炸性事故。

2.1 机械火花

机械火花是固体材料之间因撞击或摩擦飞溅出的细小炽热颗粒。依据能量守恒定律，机械构件发生高速摩擦或撞击后，势必有一部分机械能转化为热能，热量若集中于炽热颗粒并扩散至爆炸性环境中，就存在引燃爆炸性环境的可能[4]。如1980年4月，某潮包药工房因铝板冲击产生机械火花、点燃爆炸性环境，致使6人不幸死亡[5]。

非电气设备中，广泛使用的滚轮与导轨、钢丝绳与卷筒、链轮与链条、风扇与护罩、制动器、限位器等在正常工作或故障状态下，均存在因摩擦或撞击产生机械火花的可能。

在爆炸性环境中，预防或控制机械火花的关键是避免或限制机械摩擦或撞击的产生，主要措施包括：限制速度、保持润滑、限定材质、控制间隙、油浸保护、外壳保护等。

2.2 热表面

热表面是设备因摩擦、碰撞运动或物理化学反应等发热的部件表面。过热的设备表面同样可引燃爆炸性环境，如：2007年3月，英国“不懈”号核潜艇因空气净化装置产生高温而引起爆炸，导致2人死亡，1人重伤；“瑞那德尔帕西菲哥”号轮船曲轴箱因局部高温引起爆炸，造成28人死亡。

非电气设备常见热表面通常来自离合器、制动器、轴承座、压缩机管道等。防爆标准将设备热表面分为T6至T1六个温度组别，对应的设备最高表面温度分别为85℃、100℃、135℃、200℃、300℃、450℃，在爆炸性环境中，设备最高表面温度必须控制在爆炸性物质点燃温度之下，尤其要注意避免因润滑不当导致运动副干摩擦、轴承抱轴等产生过热表面。

另外，内燃机排出的高温气体或火焰、化工反应产生的高温流体，也可能成为非电气设备有效点燃源。

2.3 静电

工程塑料、橡胶等非金属材料在机电设备中的应用日益广泛，干燥环境中，它们重复接触和摩擦容易产生并积聚静电荷，如风扇塑料扇叶、传动用皮带等。与常规电能量相比，静电能量比较小，但因静电放电是在微秒甚至纳秒范围内完成，其产生的瞬态大电流及热效应同样存在点燃爆炸性环境的可能。控制静电放电的主要技术途径为有效接地、环境增湿、添加抗静电剂、使用防静电器具等。

2.4 自燃

自燃是指可燃物质在没有外来火源作用下，因受热或自身发热并蓄热所产生的自然燃烧现象。通常条件下，一般可燃性物质在空气中都会产生氧化反应，如果温度升高、散热过慢，氧化过程就会加快，进而可能使温度达到爆炸性环境引燃点。有效通风、适度降温是控制自燃的有效措施。

3 非电气设备防爆设计

非电气设备防爆设计的关键是全面分析和控制潜在点燃源及其传播途径，可基于：1）不形成点燃源；2）不形成有效点燃源；3）点燃源不接触爆炸性环境；4）承受爆炸并阻止传播等四个层次开展非电气设备防爆设计。

3.1 采用限流外壳

在可能偶然、短时间存在爆炸性物质的环境中，对于可能产生点燃源且尺寸较小、结构比较紧凑的非电气设备可采用限流外壳进行防爆。

该方法是借助限流外壳来减小爆炸性环境进入外壳内部的可能性，使外壳内部的浓度低于爆炸下限，适用于Gc、Dc级设备。其原理是用外壳将非电气设备进行有效密封，但不必达到气密，外壳外部环境在极少情况下成为爆炸性环境并且存在时间很短，允许壳内外气体置换，但呼吸效应不会造成爆炸性物质显著进入壳内，通过隔绝外壳内部空气和爆炸性环境物质交换达到防爆目的。

3.2 采用隔爆外壳

对于连续产生点燃源且尺寸较小、结构比较紧凑的非电气设备可采用隔爆外壳进行防爆，隔爆外壳防护水平较高，适用于I类Mb级、II类Ga、Gb级和III类Da、Db级设备。

该方法是借助隔爆外壳来承受壳体内部非电气设备引燃的爆炸，隔爆外壳既能承受内部爆炸产生的压力，也要能够阻止内部爆炸传播到外壳之外的爆炸性环境。其原理是气体或蒸气可通过外壳接合面或法兰进入壳体内部，如果外壳内的爆炸性环境被非电气设备点燃，外壳既不会有明显变形，火焰也不会通过接合面或法兰传播到外部爆炸性环境。

该原理在防爆电气设备中已广泛采用，如隔爆电动机和隔爆电气箱柜等，该方法要求隔爆外壳必须坚固，并且要控制接合面/法兰尺寸，使最大允许安全间隙与可能出现的危险物质相适应。

3.3 实现结构安全

该方法是采用非电气设备结构性措施进行保护，通过设计、材料选择、润滑和密封以及型式试验等控制非电气设备出现点燃源的可能，适用于I类Mb级、II类Ga、Gb级和III类Da、Db级设备。其原理是选择正常工作条件下不含点燃源的设备类型，将机械故障可能造成引燃温度或引燃火花的危险降低到非常低的水平。如：针对轴承可能因烧熔、抱轴等产生点燃源的可能，在结构设计和轴承选型时统筹考虑轴承的工作速度、承受负载、工作寿命、尺寸配合、空间定位、热膨胀、化学兼容、可靠润滑等因素，并结合日常维护或通过配置传感器，有效防止轴承可能因过热而成为点燃源。

3.4 控制点燃源

该方法是在非电气设备内部配置必要传感器，探测可能产生的点燃源或危险条件，在潜在点燃源转变为有限点燃源之前启动控制措施。该方法作为主动防护，使用范围广，配置灵活，但点燃源控制系统较为复杂，必须保证其高可靠性，适用于I类Mb级、II类Ga、Gb、Gc级和III类Da、Db、Dc级设备。

点燃源控制系统一般选择非电气设备某一物理参数作为被控参数，通过传感器测量，当其超过设定阈值时，即采取预定控制措施。如：常见化工设备配置温度、流量和液位检测/控制装置等。

3.5 固有安全和正压

非电气设备固有安全防爆原理同电气设备本质安全防爆，是将非电气设备可能产生的点燃源或能量控制在不点燃爆炸性环境的水平。非电气设备正压防爆原理同电气设备正压防爆，通过非电气设备配置内部保护气体压力高于外部爆炸性环境的外壳，进而隔离潜在点燃源与爆炸性环境。

3.6 液浸或覆盖

该方法使潜在点燃源完全或部分浸没在保护液体中，或者用保护液体将点燃源活动表面连续覆盖，使液体上方或设备外壳外部的爆炸性环境不会点燃，使潜在点燃源变成无效。保护液可以是设备工艺液体本身，如：充油齿轮箱、浸油盘式制动器，既可以起到冷却效果，又可以防止机械火花产生，从而避免引燃保护液外部的爆炸性环境。

4 小结

爆炸性环境需配置防爆设备。针对电气类设备，因GB 3836于上世纪八十年代已颁布，多年来，国内比较好地贯彻落实了电气设备防爆设计、检验与维护。针对非电气设备，其机械火花、高温等点燃源也可引起爆炸性环境意外爆炸，随着GB 25286等标准的新近颁布，采用控制点燃源、实现结构安全、采用限流外壳或隔爆外壳、固有安全和正压、液浸或覆盖等技术途径，也可实现非电气设备防爆设计与认证。随着设备防爆标准的发展与完善，势必将全面提升我国的设备防爆技术水平。

[1]GB 3836-2010.爆炸性环境[S].北京:中国标准出版社,2011.

[2]GB 25285-2010.爆炸性环境:爆炸预防和防护[S].北京:中国标准出版社,2011.

[3]GB 25286-2010.爆炸性环境用非电气设备[S].北京:中国标准出版社,2011.

[4]杨洪顺, 曾昭慧译.电气火花和摩擦火花的防爆性[M].北京:煤炭工业出版社,1990.

[5]王东生等.火炸药及其制品燃烧爆炸事故调查与防范[M].北京:国防工业出版社,2013.