石油化工仪表系统防爆典型案例探讨

李桢

(中国石油化工股份有限公司 茂名分公司,广东 茂名 525000)

防爆是石油化工行业易燃易爆场所的仪表系统必不可少的功能,通过控制易爆气体、爆炸范围、引爆源等降低爆炸的危险性、抑制爆炸事故的发生。依据GB/T 3836系列规范规定,石油化工仪表系统防爆结构型式主要包括: 隔爆型(d)、增安型(e)、本质安全型(i)、正压外壳型(p)。隔爆型使仪表设备的外壳能够承受壳内爆炸性混合物爆炸而不损坏,且不会引起壳外爆炸性气体环境的点燃;增安型仪表设备通过采取附加措施防止温度过高和产生电弧和火花;本质安全型仪表设备将设备内部和暴露于爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平;正压外壳型仪表设备保持外壳内部保护气体的压力高于外部的压力。GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》、 GB 50257—2014《电气装置安装工程爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范》《中华人民共和国爆炸危险场所电气安全规程(试行)》、GB 3836.14—2014《爆炸性环境 第14部分: 场所分类 爆炸性气体环境》、GB 3836.15—2017《爆炸性环境 第15部分: 电气装置的设计、选型和安装等防爆设备安全使用相关的技术标准和规范》是防爆仪表设备安全使用的规则,但在实际应用中,由于对标准、规范的理解不透彻或未严格落实标准、规范的要求,出现不正确的选型设计、不恰当的安装方式和不到位的维护都会影响防爆仪表的安全使用。本文分析了某大型炼化企业仪表系统应用中防爆的典型案例,给出了建议的解决措施。

1 常用仪表防爆型式简介

1.1 隔爆型“d”

隔爆型“d”的外壳防爆机理是基于“间隙防爆”原理,隔爆外壳必须满足两个条件: 外壳具有足够强度,能承受内部的爆炸压力而不损坏;外壳接合面具有足够小的间隙和足够长的啮合长度,内部的爆炸产物不会窜出外壳并点燃周围环境中的爆炸性混合物。如紧固件的拧入深度、仪表外壳螺纹的精度和圈数、电缆引入装置接合间隙等都必须满足GB 3836系列规范的要求,并且应与实际使用的现场环境相适应。

安装在爆炸性环境的隔爆仪表,不允许带电开盖检查,如确实需要,必须按用火制度执行。该防爆型式通常用于功耗相对较大的仪表或者采用“三线制”“四线制”的仪表。

1.2 增安型“e”

增安型“e”的仪表外壳不必具有可以承受内部爆炸的强度,但需要能耐受规定的机械冲击力。提高外壳的防护等级,以防止水、外物、灰尘进入电气设备内部,对位于易燃易爆场所的仪表设备,外壳防护等级至少应达到IP66。设备内部和外部的电路和导线要连接可靠,防止接触不良产生危险的火花或高温。

主要措施包括: 电气连接件的可靠连接、接线的防松、爬电距离和电气间隙的控制、绝缘、温度保护、外壳的防护等。该防爆型式典型应用有接线盒、接线箱等。

1.3 本质安全型“i”

本质安全型“i”利用限能关联设备或本身具有的特性,将仪表设备和连接导线可能产生电火花或热表面的能量限制在不足以点燃爆炸环境的水平。

安全栅是本质安全防爆仪表系统中最常用的限能关联设备,它连接在本质安全电路与非本质安全电路之间,其作用是限制电流和电压,不使危险能量窜入到本质安全电路中,以确保本质安全电路的安全性能。

该防爆型式是一种低功率的设计技术,允许带电开盖维护,广泛应用于自动化仪表中,典型应用有本质安全型变送器、阀门定位器等。

1.4 正压外壳型“p”

正压外壳型“p”结构通过将保护性气体送入或封在外壳内部,使外壳内的压力高于外壳外部的压力,从而在通电状态下,可防止周围的爆炸性气体进入外壳内部;存在可燃性气体或蒸气的释放源时,可在外壳内,稀释可燃性气体或蒸气。

依据GB/T 3836.5—2021《爆炸性环境 第5部分: 由正压外壳“p”保护的设备》规定,正压外壳保护的设备分为pxb,pyb,pzc三种保护等级。pxb型是将正压外壳内的危险分类从1区降至非危险的保护型式;pyb型是将正压外壳内的危险分类从1区降至2区的保护型式(国内使用较少);pzc型是将正压外壳内的危险分类从2区降至非危险的保护型式。

pxb,pyb型外壳内的正压必须为50 Pa以上,pzc型外壳内的正压必须为25 Pa以上。典型应用如正压分析小屋、正压控制柜等。

2 防爆仪表典型案例

2.1 设备保护等级、级别与环境不匹配

某煤制氢车间制氢装置气化分析小屋内有一防爆控制箱,防爆标志为Ex d IIB T6,该分析小屋中可能会有氢气(H2)存在。d IIB隔爆结构代表性气体是乙烯(C2H4),依据GB 3836.11—2017《爆炸性环境 第11部分: 由隔爆外壳“d”保护的设备 最大试验安全间隙测定方法》规定,C2H4的最大试验安全间隙为0.65 mm,H2的最大试验安全间隙为0.28 mm。显然,d IIB隔爆结构无法满足H2的防爆要求。建议的解决措施: 依据GB 50058—2014规定,采取满足有氢存在场所防爆要求的隔爆结构d IIC,或采用同时满足IIB级可燃性气体和H2隔爆要求的隔爆结构“d IIB+H2”。

某2号催化裂化装置一分析小屋中防爆正压柜的防爆标志为EX e m b pz IIC T3 Gc。依据GB 50058—2014规定,具有爆炸性环境内设备保护级别(EPL)Gc的仪表设备只能用于危险区域2区,而依据SH/T 3174—2013《石油化工在线分析仪系统设计规范》规定,样品含可燃气体时,分析小屋内的分析仪和电气设备应按1区爆炸危险场所设计。因此,该防爆正压柜不适合在该分析小屋中使用。建议的解决措施: 采用EPL为Gb的防爆正压柜。

2.2 电缆引入装置使用不正确

在仪表安装过程中,铠装电缆引入隔爆仪表时,存在电缆和防爆密封接头尺寸不匹配的情况。电缆钢铠无法顺利进入密封接头,施工人员剥去钢铠后,将电缆压入密封接头。依据GB/T 3836.15—2017规定,每个布线的电缆终端均应通过电缆引入装置将电缆的铠装连接在等电位系统上,避免铠装与等电位系统间可能存在的电位差产生电火花。因此,上述做法不能满足防爆的要求。建议的解决措施: 铠装电缆应采用匹配的铠装型电缆引入装置,铠装应在引入装置中套进铠装环,使铠装的顶端固定在铠装锥体顶部。

在仪表安装过程中,电缆引入防爆接线箱时,存在将2根电缆穿入同一个防爆密封接头的情况,依据GB 50257—2014规定,电缆引入装置内的弹性密封圈的1个孔应密封1根电缆,以避免密封圈处于不完全密封状态。建议的解决措施: 电缆应与电缆引入装置匹配,1个防爆电缆密封接头只穿入1根电缆。

2.3 电涌防护器选用不正确

该2号催化裂化装置SIS的仪表回路设计为本质安全回路,其回路连接如图1所示。选用德国Pepperl+Fuchs公司生产的K-LB-1.30G型电涌防护器对采用隔离式安全栅形成的本质安全回路进行电涌保护,K-LB-1.30G型电涌防护器的击穿电压(线对地)是90 V。依据GB 50058—2014规定,本质安全回路线对地的绝缘强度应大于500 V。因此,该隔离式安全栅形成的回路达不到本质安全的要求。建议的解决措施: 本质安全回路中使用电涌防护器应选择击穿电压(线对地)≥500 V的型号,可选用K-LB-1.30型号(击穿电压是500 V)。

图1 SIS仪表回路连接示意

2.4 保护气体供给达不到规定要求

某2号苯乙烯装置分析小屋采用新风系统实现正压通风保护,作为保护气体的新风入口面对生产装置,距离不到10 m,新风入口未设置可燃、有毒气体检测装置。依据SH/T 3174—2013规定,当分析小屋设置新风系统时,若引风口处在危险区引风,风机入口处应设置可燃或有毒气体检测报警器。建议的解决措施: 将引风口延伸到安全区引风,或在引风口设置可燃、有毒气体检测报警器。

3 结束语

仪表系统防爆应从选型设计、安装、使用、维护等生命周期各个环节按照防爆技术、使用标准形成日常管理的机制。选型设计时,应考虑设备保护等级、设备的保护级别与爆炸性环境相匹配以及防爆系统中相关设备的选用对防爆性能造成的影响;安装时,应依据厂家产品使用说明书、防爆有关规范、标准要求严格把好施工质量关;使用、维护时,应考虑危险场所中的仪表设备可能会受到使用环境的不利影响,必须考虑一些主要因素,如腐蚀、环境温度、水汽的进入、机械和化学作用等。如果受到振动,应特别注意螺栓和电缆引入装置的紧固性;应注意保证在危险场所中接地和等电位连接处于良好状态。

此外,只有提高技术人员仪表系统防爆的意识及管理水平,实现防爆安全管理科学化、规范化、标准化,才能保障防爆仪表设备的安全运行。