混合气体爆炸性风险现场测评

应急管理部天津消防研究所 任常兴｜文、图

2013年“11·22”山东青岛黄岛输油管道爆炸事故共造成62人死亡，136人受伤，直接经济损失7.5亿元。2015年“8·12”天津港大爆炸事故导致160多人遇难，直接经济损失达700亿，这些事故直接暴露出专业危险化学品应急救援队伍和装备不足，无法满足处置种类众多、危险特性各异等危险化学品事故的需要。消防一线救援人员对现场未知的多组分易燃易爆混合气体环境侦检和爆炸性判定尤为重要，目前多以浓度检测方式与爆炸极限范围比对进行判定，缺少现场快速爆炸性倾向评定装置。易燃易爆危险品事故现场未知混合气体爆炸性判定，对于现场警戒区、疏散区划分，应急救援处置等具有重要的现实意义，能够预防重特大火灾爆炸事故的发生，减少人员伤亡。

表1 实验室爆炸极限测试装置

混合气体爆炸性实验室判定

混合气体爆炸性与其爆炸极限（LEL，UEL）、极限氧浓度（LOC）以及最小点燃能量等有关。目前，国内外关于可燃混合气体爆炸性判定的实验装置分为管式和20 dm3球式或1 m3罐式，通常以混合气体中可燃气体浓度“最小—最大”准则来定义其爆炸极限，爆炸上限（UEL）设定为混合气体发生爆炸的最高可燃浓度和不发生爆炸的最低可燃气体浓度的平均值，爆炸下限（LEL）设定为混合气体发生爆炸的最低可燃气体浓度和不发生爆炸的可燃气体最高浓度的平均值。关于实验室爆炸极限测定标准包括GB/T 12474—2008《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》、EN 1839《气体和蒸气爆炸极限测定》（EN 1839 Determination of explosion limits of gases and vapours）、ASTM E681—2009《化学品（蒸气和气体）可燃浓度极限标准测定方法》（ASTM E681—2009 Standard Test Method for Concentration Limits of Flammability of Chemicals(Vapors and Gases)、DIN51649《气体或气体空气混合气爆炸极限测定》（DIN51649 Determination of explosion limits of gases and gas/air mixtures）等。关于混合气体极限氧浓度的测定实质是确定不同氧浓度下的混合气体爆炸极限，测试装置与爆炸极限的测定装置相同，相关标准包括EN 14756《气体和蒸气极限氧浓度测定》（EN 14756 Determination of the limiting oxygen concentration(LOC) for gases and vapours）和ASTM E2079《气体和蒸气极限氧浓度标准测定方法》（ASTM E2079 Standard Test Method for Limiting Oxygen (Oxidant)Concentration for Gases and Vapors）等。

其中GB/T 12474—2008《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》对于爆炸现象的判定包括3点：一是火焰非常迅速的传播至管顶；二是火焰以一定的速度缓慢传播；三是在放电电极周围出现火焰，然后熄灭，这表明爆炸极限在此浓度附近。在这种情况下，至少重复该试验5次，有一次出现火焰传播。欧盟标准EN 14756和EN 1839等以火焰传播不低于100 mm，或间断火焰晕达到管顶部，或不低于240 mm判定为发生爆炸现象；EN 14756、ASTM E2079等以初始爆炸压力分别提升5%、7%即可判定为爆炸现象已发生。综上所述，目前，爆炸极限测定装置均为实验室内标准实验设备，不具备现场快速爆炸性分析判定；且可燃气体爆炸性的判定方式均为目测直接观察，不具备爆炸压力和火焰的多种定量判定。

此外，可燃混合气体爆炸极限的测定与实验装置和测试条件有关，如测定容器形状和容积、点火方式及能量、初始温度、初始压力和相对湿度等。对于一些难燃物质，如制冷剂 HFC-152a、NH3、HFO-1234yf和HFC-32等， 其爆炸极限的变化规律不同于一般碳氢化合物。例如，二氟甲烷（HFC-32）高压条件下可能发生分解反应，爆炸上限呈剧烈上升趋势；制冷剂R-410A常温常压下不燃，50%湿度以上出现可燃特性。这些在可燃混合气体爆炸性判定时应引起足够重视，结合环境条件和测试方式综合评测其爆炸性。

混合气体爆炸性现场测试装置设计

对于气体爆炸性环境或场所，尤其是未知多组分混合气体爆炸性环境，实验室的测定无法真实反映现场混合气体的爆炸性，通常以浓度探测与实验室测定爆炸极限来比对确定。而对于现场爆炸性环境的确定比较复杂，需要考虑是否存在可燃气体，且可燃气体的扩散程度如何，是否处于爆炸性气体浓度范围等，同时要考虑各自类型的点火源引燃方式和能量范围等。对于现场爆炸性环境混合气体的爆炸性测定，需要考虑现场取样、防爆要求、点火引燃概率和便携操作等。

现场自动采样

测试装置现场采样可用软管和防爆采样泵，采样软管通常符合爆炸性气体环境1区气体爆炸性距离不低于15 m的要求。防爆采样泵，主要是避免引入电气火花，流量通常不低于5 L/min，且与爆炸性测试容器的容积相匹配，满足1 min之内置换不少于3次的要求。

爆炸测试腔体

爆炸腔体要考虑耐压要求，通常不低于2 MPa，且爆炸腔体的进出口采用阻火和隔爆设计，安装阻火网和隔断阀。对于爆炸腔体，采用气体置换方式，用测定样气多次置换，进而确保测试腔体内气体与待测样气组分一致。

点火方式

考虑爆炸现场不同的点火源形式，以电火花、静电为主，能量范围从毫焦耳到上千焦耳，可采用超高温点火方式。该点火形式要求供电电压不低于5 V，点火瞬间温度高达1 000℃以上，持续时间2 s之内，可表征实际爆炸性气体环境大部分点火源类型及能量引燃范围。

爆炸现象判定

改变传统目测观察方式，采用高速压力测定和高速温度测定双重探测。对于混合气体爆炸性压力测定，通常以点火时刻压力增量来判定，参考欧盟和美国材料协会(ASTM)的相关测试标准，建议以点火时刻压力提升7%～10%为判定准则。对于混合气体爆炸过程温度测定，要求温度检测速度不高于300 um，以获取爆炸瞬间的温度变化，通常以点火时刻起爆炸过程温度提升量判定，结合不同类型可燃气体以30℃～100℃判定。爆炸过程压力和温度的判定准则是“或”的逻辑关系，满足任何一个条件即认为爆炸现象发生。

装置便携，测试快捷

测试装置整体封装在便携箱体内，通常不大于10 kg。装置的测试系统和数据处理系统采用自动化处理模块，自动采样、测试和判定，直接给出爆炸性判定结果和爆炸过程的温度、压力随时间变化曲线，直观明显。

混合气体爆炸性现场测试装置送第三方进行隔爆性能检测，采用Ⅱ类试验用气，丙烷、乙烯和氢气进行测定，试验用测定气体体积比浓度分别为（4.6±0.3）%、（8.0±0.5）% 和（31.0±1.0）%。测试过程中，混合气体爆炸性现场测试装置在典型爆炸性气体环境内持续工作不低于30 min，未引燃爆炸性气体环境，装置本身隔爆性能符合要求。

混合气体爆炸性现场测试装置

混合气体爆炸性风险现场测定与评估

混合气体爆炸性现场测定装置主要适用于易燃易爆危险品事故抢险救援现场、石油化工场所、施工作业区等未知多组分混合气体环境，可用于混合气爆炸倾向的现场快速测定与评估，对于现场警戒区、疏散区划分以及应急救援处置决策等具有重要的现实意义，有助于预防爆炸及火灾等重大事故的发生。对于易燃易爆场所未知可燃混合气爆炸倾向的判定提供定量判定指标，有效解决了实验室测定与现场条件、测定样品的差异性，提高了现场侦检和爆炸性环境区域划分的科学性，为采取进一步处置措施提供科学依据，提高应急救援人员现场处置的能力，具有重要的社会效益和经济价值。

混合气体爆炸性的现场测定

对于爆炸性环境，现场混合气体的种类、浓度可能是实时变化的，与空间位置有关。装置的一次采样测定，只能反映采样位置该时刻的气体爆炸性特征，为此必须多次测定来综合判定。通常建议1 m2之内测样点至少1个，且间断测定。同时，建议与浓度探测装置配合使用，相互验证，提高对爆炸性环境可燃混合气体爆炸性判定的准确性。

爆炸性气体环境风险评估判定

对于混合气体爆炸性风险评估，除可燃混合气体本身的燃爆特性外，还应考虑混合气体的扩散状态，现场点火源的形式及能量范围等。爆炸性环境出现的可能性与可燃混合气体的燃爆特性和扩散程度有关，尤其是判定是否处于爆炸浓度范围之内。爆炸性气体环境后果的量主要与爆炸可能产生的效应有关，如火焰、热辐射、压力波、飞出的碎片，以及有危险的物质释放等。爆炸性环境常见的点火源包括：明火；切割和焊接；热表面；热辐射；雷电；吸烟；自燃；摩擦热或火花；静电；电火花；杂散电流；烤箱、火炉火加热设备；烟火材料。通常这些点火源具有一定的温度、规模和形状以及足够的持续时间，可以有效引燃泄漏的可燃气体混合物。

混合气体爆炸性风险评估数据库

对于现场测定评估混合气体爆炸性，需要点火源、可燃混合气体等相关数据库支持。对于现场混合气体，需要针对不同类型属性的可燃气体进行测定，建立相关的爆炸性测定数据库，如可燃油类蒸气、醇类蒸气、碳氢类可燃气体或碳氟烃类气体等。采用混合气体爆炸性现场测定装置进行测定，根据爆炸压力和温度的变化趋势和特征，判定混合气体浓度是否位于爆炸浓度范围的下限附近、上限附近还是当量浓度附近，以便进一步采取稀释、惰化等控制措施。同时，识别爆炸性环境常见的点火源形式，分析点火源的触发条件与时频特性、能量范围、温度和辐射热等，以实验测定和引燃数据概率分析，构建典型点火源对可燃混合气体的引燃概率数据库，为现场环境的爆炸性风险评估奠定基础。