国内外粉尘爆炸特性参数测定标准对比研究与分析*

2023-12-16江湖一佳刘柏清丁建旭郑日有

工业安全与环保 2023年12期

江湖一佳刘柏清丁建旭郑日有

（1.广州特种机电设备检测研究院，广东广州 510180；2.国家防爆设备质量检验检测中心（广东），广东广州 510760）

0 引言

目前，国内外关于粉尘爆炸特性参数测定标准组成基本一致，主要包括粉尘爆炸性、粉尘最小点火能量、粉尘最低着火温度、粉尘云爆炸下限浓度、粉尘云最大爆炸压力和最大压力上升速率、粉尘爆炸最低氧含量等［1］。但是在测试方法上存在不同的差异。粉尘爆炸特性参数的测定是粉尘防爆标准的重要组成部分，它是后期粉尘防爆设计的基础，并对粉尘涉爆企业的安全生产和政府依法履行安全监管职责提供指导性建议［2］。而国内外对粉尘防爆对比分析研究集中在标准体系、防爆监管、事故统计和监管体系等方面［3-5］。因此，对国内外粉尘爆炸特性参数标准进行比较，有利于检测机构规范各自的检测能力，缩小国内实验室之间因标准理解程度差异造成的测试不准确性，避免粉尘涉爆企业对测试结果持怀疑态度，提高国内市场的竞争力。

1 国内外粉尘爆炸特性参数测定标准的现状

粉尘涉爆企业生产、加工出的粉尘并不是纯物质，其中混杂物质的比例直接影响粉尘的特性。根据各自生产工序的不同和原料物质配比的差异，特有的粉尘爆炸特性参数测定是对粉尘爆炸的危险性进行预先评价，以及后期采用何种爆炸防护措施的重要依据［6］。国外对粉尘爆炸特性参数测定标准制定机构有德国工程协会（VDI）、国际电工技术委员会（ISO/IEC）、美国试验与材料协会（ASTM）、美国防火协会（NFPA）和欧盟（EN）等。国内标准由全国市场监督管理总局组织，国家标准化委员管理会管理［7］。目前施行的粉尘爆炸特性参数测试标准通常为推荐性标准。粉尘爆炸特性参数标准体系如图1 所示。

图1 粉尘爆炸特性参数标准体系

2 各粉尘爆炸特性参数测定分析

2.1 粉尘云最小点火能量

粉尘云最小点火能量是指处于最容易着火浓度条件下，使粉尘云着火的点火源能量的最小值［1］。原理即通过压缩空气将粉尘样品扩散到哈特曼管内，调整粉尘浓度和粉尘喷撒参数（即着火延迟时间和喷尘压力），使其形成最易燃烧的粉尘云，测出使其持续燃烧的火花的最低能量。具体的测试标准方法见表1。

表1 粉尘云最小点火能量标准方法比较分析

检测机构测定粉尘云最小点火能量常用的标准有《粉尘云最小着火能量测定方法》（GB/T 16428—1996）、《空气中粉尘云的最小点火能的标准试验方法》（ASTM E2019—2003）（R2013）、《爆炸性气体环境》（ISO/IEC 80079—2011）、《爆炸性环境第12 部分：可燃性粉尘物质特性试验方法》（GB/T 3836.12—2019）等4 种。因GB/T 3836.12 等同于ISO/IEC 80079，论文中只针对后者分析。笔者分别从粒径、粉尘含水率、测试设备、判定依据等方面展开研究。

从粒径角度，标准规定当接收到的样品无法进行试验，或者不能代表工艺物质时，可对样品进行研磨、筛选、干燥等处理。ISO/IEC 80079 则选用粒径小于63m 的颗粒。 GB/T 16428 和ASTM E2019选用样品粒径小于75m 的颗粒。

从粉尘含水率角度，ISO/IEC 80079、GB/T 16428、ASTM E2019 未做特殊规定，但在测试报告中需注明粉尘初始含水率。

粉尘云最小点火能量的测定是在粉尘判定为可燃性后，涉粉企业对场所内静电接地等能量输出提供指导性建议进行的参数测试。而参数测试标准最大的不同在于测试步骤，国内关于粉尘云最小点火能量测定的标准有GB/T 16428 和GB/T 3836.12。GB/T 16428 虽有提及到粉尘浓度、着火延迟时间、喷尘压力三者的影响，但并未明确三者应怎样赋值。而GB/T 3836.12 喷尘压力固定选用0.7 MPa，粉尘浓度和着火延迟时间已明确改变的数值，如粉尘质量浓度可选用750、1 200、2 000 mg/L 等，着火延迟时间可选用60、120、180 ms 等。另外，粉尘云最小点火能量最终结果是界限范围，GB/T 16428 标准中E1（未出现点燃的最大能量值）和E2（出现点燃的最小能量值）是从20 次连续试验获得的。GB/T 3836.12 则是从10 次试验获取。国外标准有ISO/IEC 80079 和ASTM E2019，ASTM E2019 并未考虑到喷尘压力对最小点火能量影响。ASTM E2019 为快速找到出现点燃的最小能量值，则是以倍数≤3.3 降低，而ISO/IEC 80079 为减半降低。

就国内标准而言，GB/T 16428 于1996 制定，标准描述过于简单，并未对影响因素进行赋值，从而使检测机构测试时无法进行统一，造成数据结果具有差异。GB/T 3836.12 于2019年实施，弥补GB/T 16428 的不足，为每个影响因素提供大致的参考数值，便于实验室检测人员试验最初的开展。在对E1和E2进行确定时，GB/T 3836.12 亦进行了优化，由20 次试验改成10 次，不再是连续试验获得的结果，而是只要发生一次点燃即可。此次优化是因粉尘发生爆炸条件存在很多偶然性因素，更用于快速准确找到能量值。国外标准ASTM E2019 于2019年进行更新，标准描述的方法对测试人员专业素养要求较高，能量值的选取采用“逼近法”，需要大量的试验数据得到平滑的抛物曲线。此外，所有标准在选用最初的能量值点燃粉尘时，只描述选用一定引起点燃的能量值开始试验，而这个能量值的选用会直接反映到E1和E2这2 个界限的最终确定。这也是实验室之间进行比对时，首先需告知对方的关键参数。

2.2 粉尘层最低着火温度

粉尘层最低着火温度是指粉尘层受热时，使粉尘层的温度发生突变（点燃）时的最低加热温度（环境温度）［1］。粉尘层着火温度反映了粉尘在堆积状态时对点燃的敏感程度。基本原理是将规定厚度的粉尘层置于热表面上，给定某个温度，当粉尘层中的生热速率大于周围环境的热损失率时，粉尘层即会着火，测得其发生着火时热表面的最低温度。具体的测试标准方法见表2。

表2 粉尘层最低着火温度标准方法比较分析

在粒径方面，GB/T16430 标准要求粒径可为小于75m 和小于500m。ASTM E2021 要求粒径小于75m，而ISO/IEC80079 要求采用粒径小于63m 进行测试。

测试设备方面，常见的粉尘层最低着火温度测试仪主要组成部分为热表面，而GB/T 16430 和ISO/IEC 80079 热表面在无粉时最高温度达到400 ℃即可，ASTM E2021 为450 ℃。

判定依据方面，ASTM E2021 稍微存在差异，判断粉尘层发生着火由粉尘层温度高于热表面温度250 ℃变更为至少超过50 ℃，删除粉尘层温度达到450 ℃。

粉尘层最低着火温度参数的测定是为涉粉场所内控制设备表面温度提供参考意见。在测试步骤方面，GB/T 16430 和ISO/IEC 80079 建议每个温度下测试的时间大致为30 min，30 min 结束后温度没有进一步升高，则结束试验。而ASTM E2021 测试时间为2 h。另外，在最高未着火温度GB/T 16430 和ASTM E2021 要求做3 次试验进行验证，而ASTM E2021 为至少重复1 次即可。

就国内外标准比较而言，粉尘层最低着火温度的测定较一致，测试环节分别为热表面升温，制作粉尘层，观察记录试验现象。ASTM E2021 的优势在于可测试粉尘层着火温度400 ～450 ℃的粉尘。缺点在于因未着火的最高温度点需经过反复验证，不是一两次试验即能完成，1 次试验2 h，耗时较长。GB/T 16430 和ISO/IEC 80079 虽只适用于400 ℃以下的粉尘，但已能满足绝大部分工贸行业重点可燃性粉尘测试要求，测试时间30 min，并进行3 次验证，可完全排除粉尘层未着火的不确定因素。此外，对于尺寸较粗的粉尘，除了用其他方法进行预处理达到标准要求的粒径外，当为金属粉尘，实验室不具备处理的能力时，GB/T 16430 放宽要求。

2.3 粉尘云最低着火温度

粉尘云最低着火温度是指粉尘云受热时，使粉尘云的温度发生突变（点燃）时的最低加热温度（环境温度）［1］。空气中粉尘云的着火是由于能量的传递引起爆炸的初始阶段，一旦浓度在爆炸范围内的粉尘云被引燃，就会形成粉尘爆炸［8］。具体的测试标准见表3。

表3 粉尘云最低着火温度标准方法比较分析

从表3 可知，检测机构对粉尘云最低着火温度测定采用的标准有GB/T 16429、ISO/IEC 80079、ASTM E1491。

在粉尘含水量方面，ASTM E1491 要求水分含量小于10%，其他无叙述。

在测试设备方面，有G-G炉、BAM炉等，检测机构常用的设备为G-G 炉。

在判定依据方面，3 项标准都强调在炉内观察到火焰则视为点燃或着火。只有GB/T 16429 明确可见火星和火焰的区别。

在测试步骤方面，第一次测试GB/T 16429 选用加热炉温度500 ℃，粉尘质量0.1 g，空气压力10 kPa。而ISO/IEC 80079 在炉壁为500 ℃，粉尘质量0.3 g，空气压力30 kPa 条件下进行。ASTM E1491 则选用最佳粉尘爆炸浓度进行第一次试验，压力和加热炉温度设定到预定值。GB/T 16429 和ISO/IEC 80079中以50 ℃的步长升高温度，以25 ℃的步长降低温度。ASTM E1491 以50 ～100 ℃的步长升高温度测试，以25 ℃的步长降低温度以确定最低着火温度以及最高未着火温度。GB/T 16429 和ISO/IEC 80079在最高未着火温度上需要做10 次试验验证。ASTM E1491 则在最高未着火温度下至少验证5 次；为了保证试验的可验证性，最低着火温度下至少观察到3 次点燃。

国内现行标准GB/T 16429 于1996年制定，经试验表明，它的缺点在于初始空气压力为10 kPa，放置在储粉室的粉尘通过大气压的作用，从玻璃管，到U 型管，再到加热炉，因阻力作用，一定量的粉尘已黏附在管壁上。而实际达到加热炉参与反应的粉尘远低于实际称重的粉尘。若压力设置过低，还需计入一部分粉尘残留在储粉室的损失，造成粉尘云在相应温度下未出现着火的错误判断。ISO/IEC 80079在此基础上进行了修改，空气压力为30 kPa，可满足粉尘全部吹入加热炉中。此外，进行粉尘云最低着火温度的测定，重点在于找到最强烈点燃的条件，ASTM E 1491 提到最强烈点燃的条件中最佳粉尘爆炸浓度的确定，即为产生最大爆炸压力和爆炸指数对应的浓度。而缺点在于未说明喷粉压力的取值。

2.4 粉尘最大爆炸压力和最大压力上升速率

粉尘最大爆炸压力是指在规定容积和点火能量条件下，不同浓度粉尘云对应的爆炸压力峰值的最大值［1］。它是表明粉尘爆炸后所造成严重程度的重要参数，一般用于对爆炸防护设施的设计，如惰化、抑爆、隔爆等。具体的测试标准方法见表4。

表4 粉尘最大爆炸压力和最大压力上升速率标准方法比较分析

由上述可知，ASTME1226 和GB/T16426 在粒径方面小于75m。粉尘含水量方面，GB/T 16426 为＜10%，ASTM E1226 则为≤5%。EN 14034 在这两方面无特别要求。

测试设备方面，选用1 m3罐和20 L 球，目前国内实验室对Pmax的检测常用设备为20 L 球，1 m3罐多用于科学研究。

在判定依据方面，GB/T 16426 未给出规定，ASTM E1226 同粉尘爆炸性测试，引入PR进行判断。EN14034 中因1 m3罐的体积为20 L 球的50 倍，在与初始压力进行比较时会有所出入。

在测试步骤方面，EN14034 在2011年对Pmax和（dP/dt）max测定进行了补充，规定测试压力所选用初始浓度为250 g/m3，逐步增加浓度，浓度步长为250 g/m3，如果减小浓度按照50%浓度值的步长，直到在此系列中爆炸压力和上升速率的最大值被清楚测得。第一个测试系列结束后，对接近测得的最大值［Pmax，（dP/dt）max］的浓度范围再进行2 个系列测试，即：最佳浓度、次高浓度和次低浓度。若压力曲线图与第一列系列一致，最后取三者的平均值。不一致则需重复试验，直到找到相一致的曲线图。ASTM E1226在2019年对2 个参数测定进行了修改，粉尘初始浓度、粉尘浓度步长都与EN14034 相同，只是判定依据中新加了化学点火头对参数测定的影响。另外增加了1 m3罐与20 L 球比对时，20 L 球水循环装置和体积差异对2 个设备之间比对的数据换算。

目前粉尘最大爆炸压力和最大压力上升速率测定的唯一国内标准于1996年发布，此标准对测试过程中粉尘初始浓度、粉尘浓度步长、发生爆炸的判定依据均未给出相应的规定。只提及采用不同的粉尘浓度重复测试，找到曲线图，根据图求得Pmax和（d P/dt）max。这给检测机构之间比对留有太多不确定因素，参考价值不大。国外标准EN14034 和ASTM E1226 给出了完整的测试步骤和取值意见，避免因粉尘浓度取值不同，导致误差范围扩大。ASTM E1226优于EN14034 是对测试的粉尘粒径和水分含量进行限制，此时得到Pmax和（dP/dt）max数值可能会比实际工艺发生爆炸产生的压力大，因实际工艺中会混杂着粗粉尘，粉尘未经过烘干等处理。但上述参数的测定是后期选择何种级别防爆措施的重要因素，可直接有效减小甚至避免粉尘发生爆炸产生的严重后果，减小人员伤亡和财产损失。

2.5 粉尘云爆炸下限浓度

粉尘云爆炸下限浓度是粉尘云在给定能量的点火源作用下，刚好发生自动持续燃烧的最低浓度［1］。在实际工艺中，可以采用控制粉尘浓度在爆炸下限以下的方法防止爆炸发生［9］。具体的测试标准见表5。

表5 粉尘云爆炸下限浓度标准方法比较分析

由上述可知，ASTM E1515 和GB/T 16425 在粒径方面小于75m，粉尘含水量方面则为≤5%。EN 14034 无特别要求。测试设备同粉尘最大爆炸压力和最大压力上升速率。

判定依据方面，国内标准引入绝对压力的概念，而实验室设备测出来的数据大多数为相对压力。实际转化成相对压力的表述为≥0.05 MPa，与EN14034的判定一致。

在测试步骤方面，国标对于粉尘云爆炸下限浓度的测定在2018年进行修改。测试采用2 kJ 点火头，初次试验按10g/m3的整数倍确定粉尘浓度。粉尘浓度步长的改变以10g/m3的整数倍增加或减少。爆炸下限浓度需通过一定范围不同浓度的粉尘爆炸试验测定。而国外标准EN14034 的点火头引爆能量有差异，20L 球采用2kJ 点火头，1m3罐为10kJ。从500g/m3开始试验，减小质量浓度按照50%浓度值的步长，如在500 g/m3浓度下未爆，以质量浓度步长为250 g/m3增加。ASTM E1515 标准初始实验选用100 g/m3，若未发生爆炸以100 g/m3增加质量浓度。粉尘浓度的步长采用“内插法”，步长不能超过爆炸下限的25%。

关于粉尘云爆炸下限浓度的测定，国外标准与国内不同的是得出来为固定值，而不是一界限范围。GB/T 16425 于2018年更新，作为国内唯一测试爆炸下限的参考标准，已融合国外标准，取长补短，不仅对测试样品的粒径和含水量做了详细的介绍，且在测试步骤、判定依据方面也能结合国内设备，提出自己的见解。EN14034 则考虑到化学点火头的影响，针对不同的设备，点火头选用不同。缺点在于未描述所测试的粉尘类型。ASTM E1515 中步长的选择较复杂，需经过反复试验。