气体与粉尘爆炸性环境中防爆仪表的设计与选型

彭琳

(中国五环工程有限公司 广州分公司，广东 广州 510700)

目前，针对爆炸性气体环境中的防爆技术分析与应用比较多，而对于粉尘防爆技术的分析与应用比较少，随着近年来粉尘爆炸事故多发[1]，粉尘防爆也逐渐引起了社会的关注，政府也越来越重视，并陆续出台了相关的法令与规程[2-3]。在化工、石化、精细化工行业中的某些生产工艺装置中，除了爆炸性气体外，还会同时出现粉尘爆炸的危险，如硅粉、金属粉末(铝、镁、镍等粉尘)等，在这些情况下气体防爆与粉尘防爆需要同时考虑。

1 相关防爆标准规范的归纳与解读

1.1 危险区域的分区

对于爆炸性环境，根据爆炸性气体或粉尘出现的频率将危险区域划分为0区、1区、2区、20区、21区、22区[4]，各危险区域适用的设备保护级别(EPL)与可选择的防爆型式见表1所列。

表1中，A表示测定粉尘进入的方法，是根据GB/T 4208—2017《外壳防护等级(IP代码)》中的IP代码[6]；当A型用于20区、21区或带导电粉尘的22区时，采用防护等级应为IP6X的尘密外壳；用于无导电粉尘的22区时，采用防护等级为IP5X的防尘外壳；A型需要表示出IP等级。B表示测定粉尘进入的方法是根据热循环试验；B型对仪表的结合面有附加要求，不需要表示出IP等级。

1.2 爆炸性气体和粉尘的分级

对于危险区域内的爆炸性气体或粉尘，根据它们自身特性所划分的分类标志[7]见表2所列，其中，MESG表示最大试验安全间隙，MICR表示最小点燃电流比。

表1 危险区域内适用的设备保护级别与防爆型式

表2 爆炸性气体混合物的分级

1.3 温度组别

在爆炸性环境中，温度是能引燃危险介质的重要因素，可分成气体环境以及粉尘环境的温度组别。

1)根据能引燃气体、蒸气的温度划分的温度组别，见表3所列。

表3 气体/蒸气环境中温度组别的划分

2)爆炸性粉尘环境中的电气设备温度组别比较复杂，如果是粉尘云，设备的最高表面温度不应超过相关粉尘/空气混合物的最低点燃温度的67%；如果是粉尘层，取决于其厚度和采用的安全系数，最高允许表面温度由相关粉尘层的最低点燃温度减去安全裕度确定[8]。在爆炸性粉尘环境中的电气设备需标示出设备的最高表面温度。

1.4 国家标准中防爆产品的标志

国标中防爆标志包括：

1)符号Ex。是指防爆的特定标识。

2)所使用的各种防爆型式符号。包括：隔爆外壳d，本安型ia，外壳保护型ta。

3)类别符号如下：

a)I类。易产生瓦斯的煤矿用电气设备。

b)IIA，IIB或IIC类。除易产生瓦斯的煤矿外，其他爆炸性气体环境用电气设备。

c)IIIA， IIIB或IIIC类。爆炸性粉尘环境用电气设备。

4)对于II类设备，表示温度组别的符合；对于III类设备，表示最高表面温度( ℃)，前面加符号T，例如T90 ℃。

5)设备保护级别为“Ga”“Gb”或”Gc”；“Da”“Db”或“Dc”等。

6)防护等级(例如IP65)，一般在粉尘防爆的外壳保护型 A型时表示出来。

对于同时存在于气体和粉尘爆炸性环境中的仪表，根据实际的防爆分区及危险物质的组分，需同时列出气体防爆标志与粉尘防爆标志。例如：某项目中采用的气体本安仪表和粉尘外壳防护仪表的标志为Ex ia IIC T4 Ga， Ex tD A20 IP66 T95 ℃ T500105 ℃；气体本安和粉尘本安仪表的标志为Ex ia IIC T4 Ga， Ex ia IIIC T135 ℃ Da。

此外，需注意的是GB3836.1—2010《爆炸性环境 第1部分 设备 通用要求》[9]中关于粉尘防爆的标志与GB 12476.1—2013《可燃性粉尘环境用电气设备 第1部分 通用要求》[10]中的略有不同，但含义一致，可选用任一种表述方式。

2 气体与粉尘爆炸性环境中仪表的防爆型式的选型

2.1 现场防爆仪表的选型

对于现场仪表，尽可能将多数仪表安装在危险较低的场所或非危险场所，当不可避免地需安装在危险场所时，就要首先判断仪表所在的危险区域、气体或粉尘级别、温度组别等，然后据此选择相应防爆型式的仪表。

关于现场仪表的防爆型式，通过查阅目前大量的国内外主流变送器、阀门定位器等的选型手册，大多数现场仪表同时拥有气体本安型+粉尘外壳防护型、气体本安+粉尘本安型、气体隔爆型+粉尘外壳防护型等认证证书(NEPSI认证)；再选择气体防爆和粉尘防爆的电缆密封接头、电缆、安全栅(按需)，可以满足气体和粉尘爆炸性环境中的仪表防爆要求。

如在某精细化工项目中，某品牌的变送器的防爆标志为 Ex ia IIC T4/T5 Ga， Ex tD A20 IP66 T95 ℃ T500105 ℃，它可使用于1区和20区的危险环境中。该防爆级别的仪表基本上可以满足目前绝大多数的爆炸性环境。

2.2 电缆密封接头的选型

据IEC 60079-14：2013ExplosiveatmospheresPart14：Designselection,anderection[11]的规定，不同的防爆型式的电缆密封接头(也称为电缆引入装置)对应不同保护方式的现场仪表，见表4所列。

表4 与不同保护方式的现场仪表相对应的电缆密封接头

由表4可以看出，当仪表需要粉尘防爆时，其电缆密封接头只能选择Ex t保护；对于同时处于粉尘和气体爆炸性环境中的仪表，应选择同时具有Ex t和Ex d保护型式的电缆密封接头(根据气体环境下不同的防爆方式，Ex d也可以用Ex e或Ex n替换)。查阅市场上主流品牌电缆密封接头的选型手册，同时具有Ex t和Ex d的比较常见。例如防爆标志为Ex db IIC Gb， Ex eb IIC Gb， Ex ta IIIC Da，防护等级为IP66，IP67， IP68等的电缆密封接头；在气体和粉尘爆炸性环境中，电缆密封接头设计选型时应注意Ex t和Ex d都不可被忽略。

此外，电缆密封接头的防爆标志通常不需要温度组别，它默认工作于-20～80 ℃的环境中。

2.3 电缆的选型

护套抗拉强度低的电缆，除非安装在导管中，否则不能用于危险场所。危险场所固定布线的电缆与使用环境条件相适宜。常用的电缆为加热塑护套、热固护套或合成橡胶护套。电缆应为圆形、致密，如果有挤压层和填料，应防潮；电缆的表面温度应不超过所在装置的温度组别。电缆用于本安回路时，本安电缆的选择和敷设应使本安性能不受外界电场或磁场的干扰[12]。

2.4 安全栅的选型

若现场仪表选用了气体本安型，则需安全栅作为现场仪表的本安关联设备，限制向危险区传递能量。安全栅也有气体爆炸性环境和粉尘爆炸环境中的本安等级，无论是哪种环境，其本安电气系统的构成的基本原理和匹配原则都是一样的。因此，粉尘环境本安电气系统也可遵循GB 3836.18—2017《爆炸性环境第18部分 本质安全电气系统》[13]进行本安电气评定[14]。

目前，大多数安全栅已经取得了气体和粉尘防爆标志，例如：某品牌安全栅的气体与粉尘防爆标志为[Ex ia Ga] IIC， Ex iaD，同时也会标出它的安全输出参数，使用环境温度、最高电压、认证参数等。在本安回路计算时需注意满足这些参数。

3 结束语

在气体与粉尘爆炸性环境中，仪表的防爆型式的正确选型直接关系到装置和人员的安全。除文中所述外，仪表外壳材质(与面积有关)的选择、防静电、接地等因素也应予以考虑。此外，人员资质，管理措施也是保障项目安全运行的重要因素。