防爆設備的設計要點

(中海油天津化工研空設計院有限公司,天津 300131)

1 引言

隨著石油和化工行業的不斷發展，越來越多的防爆設備走入了我們的視野。防爆設備是應用在爆炸性環境場所中，即正常氣壓下，標準氧含量為21%，環境溫度在-20～+40℃范圍內，可燃性氣體、蒸氣、纖維、粉塵、飛絮等物質與空氣混合后，可以被點燃，且能保持燃燒自行擴散的環境。爆炸性環境的危險性在于環境本身比較容易被點燃，產生爆炸危險。顧名思義，防爆技術即是在設備本身做文章，以減弱或消除使用設備產生的點燃源為初衷，將點燃風險降到可以接受的程度，從而實現防爆的目的。

2 點燃源型式

目前，使用在爆炸性環境中的設備包括防爆電氣設備和防爆非電氣設備。不同設備的點燃源不盡相同，但點燃源的型式主要包括電氣放電、靜電放電、機械火花、高溫表面、輻射源等。防爆的概念涉及甚廣，使用在爆炸性環境內的設備，無論是單一的儀表元件、控制器、電機、工業車輛、空調、發電機組、無人機等電氣設備，還是防爆扳手、手動搬運車、防爆潛油泵等防爆非電氣設備，甚至是成百上千套上述總成的整體系統，都應進行防爆設計。下面將通過分析如何避免或消除點燃源的潛在危險，來介紹防爆設備的設計思路。

3 設計要點

3.1 限制電氣放電影響

在控制電路中，我們經常可以見到開關、斷路器、接觸器、繼電器等控制器件，這些器件本身都含有開關元件，開關在接通和斷開時會產生電弧和火花形式的電氣放電，這種放電通常具有很大的能量，激發和電離爆炸性環境內的介質分子，可迅速引起局部高溫，產生強烈的反應。此外，插座和插頭在帶電插拔的瞬間，會產生電弧放電；直流電機工作時，換向器和碳刷之間的摩擦可導致電氣放電火花；連接導線的絕緣等級不達標，引起短路或漏電也可導致電氣放電的發生。這些放電現象對于使用在石化行業危險環境的電氣設備而言，是非常危險的，也是無法避免和消除的。既然無法消除，我們可以想辦法降低其對外界環境的破壞。

針對這個問題，我們首先可考慮對此類器件或設備進行隔爆型式的保護，限制電氣放電后的影響。隔爆型保護，是設計一個具有一定強度的隔爆外殼，將這些火花元件、設備置于外殼內部。設備運行時，如果發生電氣放電，點燃外殼內部可燃性環境，形成一定的爆炸壓力。此時，這個隔爆外殼可足以承受內部壓力，不被損壞，也不會將內部火焰傳播至外殼外，造成更大的破壞。隔爆型保護是對火花元件、電機和其他電氣控制總成的最簡單、最直接、也最易實現的保護方式，但由于需要增加大于設備本身體積的外殼，所以隔爆型存在設備整體體積變大，占空間的弊端，以至于有些特定場合無法實現。

正壓型的保護型式，也可對火花類器件或設備進行保護，即將上述電氣設備置于正壓外殼內部，向外殼內通入非可燃保護氣，保持外殼內部氣體的壓力高于外部環境的壓力，且能阻止外部危險環境介質的進入。正壓型是一種相對較復雜的防爆技術，主旨思路是將正壓外殼內部保持為安全區域的狀態，所以外殼內可不受制約的安裝電氣設備，即便外殼內發生電氣放電，也不會引燃外殼內的保護氣。正壓型式除了要設計正壓外殼，主要的難點是保護氣源的控制，同時需要增加過壓和失壓的保護。正壓型對于氣路和氣壓的控制和電氣保護的設計與隔爆型外殼對于結構和強度上的設計要復雜的多。正壓型多適用于大型的電動機、電氣控制柜的防爆設計，通常體積較大。

以上為大功率火花元件設備采用的保護方式，當電氣設備為小功率設備或印制電路板，則可以采用其他幾種保護型式保護。本質安全型就是針對電路系統而言的，是利用限制電路能量的方式來實現保護功能的。即使電路發生短路、斷路、擊穿故障，引起放電都不會引燃爆炸性環境。本質安全型電氣設備包括本安設備和關聯設備，關聯設備是我們常見的齊納式或隔離式安全柵。基本安全設計措施包括：限制電路中的電壓和電流，限制電路中的電容和電感等儲能元件，關聯設備的本安端參數選擇與本安設備輸入端電氣參數應匹配，本安端與非本安端的絕緣耐壓也滿足標準的要求。

同樣的，部分小功率設備、電路板也可以選擇澆封型型式保護，用澆封復合物將電氣元器件澆封起來，澆封固化后，元器件的帶電部分，包括焊接點、芯片管腳等均被隔離在復合物的內部，無裸露帶電部件外露在外，起主要隔離保護作用的復合物應具有適當的機械強度、較好的耐熱性能和較好的絕緣特性。電氣元器件盡量選擇可靠元件，即額定運行時元器件的電氣參數不超過額定參數的2/3。安裝時元器件的機械間距也應滿足標準要求。澆封厚度根據設備外殼材質和厚度不同，可按照標準選擇，滿足最小厚度要求即可。澆封型設備還應保證在正常運行情況，可預見故障情況下，內部電氣元件的最高溫度不超過澆封復合物的連續運行溫度。為了保證復合物的可靠隔離作用，不因為設備故障過熱，失去保護功能，通常還須在電路中串接溫度保護元件和/或熔斷器，以實現超溫斷電保護。

個別的專用設備還可以設計成增安型、nA型，例如線圈繞組、接線盒、蓄電池，這些設備自身不包含開關、熔斷器等火花元件，同時滿足不同電位帶電導體的電氣間隙和爬電距離符合可靠距離，這樣可保證不會發生擊穿放電現象。增安型設備的保護外殼除了應有適當的機械性能，還應具備一定的防護性能，防止外部水氣及其他污染物進入，破壞內部元件的絕緣，導致危險發生。

此外，還有其他的防爆型式，防爆機理與上述的基本接近，這里不做贅述。

3.2 防止靜電放電

高阻絕緣體由于摩擦會產生靜電電荷，電荷累計起來，可以形成很高的靜電電壓，在一定條件下，就可以發生靜電放電。靜電放電能量的大小與靜電電荷總量、絕緣體的形狀和放電面積大小、靜電電壓等有關，且主要與絕緣材料上的靜電電壓有關。相對于電氣放電而言，靜電放電為無源式放電，放電能量較弱，但仍然可以點燃爆炸性環境。靜電放電可分為兩種情況：絕緣體上的靜電放電現象和被絕緣的導體上的靜電放電現象，前者絕緣體上所帶靜電電荷不能隨意移動，只有部分電荷可以釋放到地，也叫局部放電，只要絕緣體上有足夠的靜電電荷，同時具有很高的靜電電壓，即可構成放電條件；后者情況不同，接觸到接地導體時，被絕緣的導體上感應的靜電電荷即會全部釋放，較低靜電電壓，也可能釋放較多電荷，更容易滿足放電條件，因此后者的靜電放電更加危險。由靜電理論可知，降低靜電電荷積累的方法很多，比如增加空氣濕度，選擇電阻率較低的絕緣材料，工藝上控制，在絕緣材料上噴涂抗靜電漆等等，但是，最直接也是最有效的方法是選擇電阻率較低的絕緣材料，從而控制靜電放電的危險。

3.3 避免機械火花

機械火花，顧名思義，就是固體之間由于機械作用力產生的火花，二者劇烈接觸后，動能無法在瞬間得到釋放，能量守恒轉化為熱能，機械碰撞產生的溫度瞬間上升很高，個別顆粒高速分離出來，從而形成機械火花。機械火花的能量不容小覷，也足以點燃爆炸環境。機械火花點燃能力主要與下面幾個方面相關，一是碰撞體的材料成分和硬度，二是碰撞速度；三是碰撞接觸面的形狀和接觸面積；四是環境的溫度和濕度。由于機械火花點燃爆炸性環境的原因是非常復雜的，很難從理論上做具體的論述。通常，我們以往的經驗是在可能出現機械碰撞或摩擦的表面采用例如銅和不銹鋼等無火花材料，來防止機械火花。隔爆型電機的端蓋與軸之間就是采用銅套作為中間過渡件，避免轉軸與外殼碰撞形成火花。

3.4 避免高溫表面

高溫表面可以點燃爆炸性環境中的可燃介質，高溫表面也是點燃源其中的一種。爆炸性環境可燃介質的點燃溫度是應該避免的危險溫度，所以我們應該控制所有設備在正常運行或在可預見的故障狀態下，運行的溫度均不超過危險溫度，或者設置控制裝置保護，使設備在未達到危險溫度前，將設備斷電，阻止溫度進一步上升。這里的高溫表面，不限制高溫源的狀態，也就是既包括高溫固體表面，也包含高溫氣體。這里，我們可參考防爆內燃機排氣口的溫度限制來理解高溫表面的形態。

3.5 選擇符合條件輻射源

我們知道，輻射源的類型有很多，一些輻射源的輻射能量是具有一定的點燃能力的，比如具備一定條件的射頻源、激光輻射和超聲波輻射等。輻射源通常含有連續源和脈沖源兩種形式。第一，對于射頻在一定范圍的連續射頻源和脈沖時間超過熱起燃時間的脈沖輻射源，射頻功率應不超過爆炸性環境通用標準的相關要求，對于脈沖時間不超過熱起燃時間的脈沖輻射源，其射頻能量應結合相關要求，對其設限。其中，熱起燃時間，是指由火花沉積的能量積聚在其周圍的少量氣體中而沒有明顯的熱耗散的時間。第二，連續式激光源，與脈沖式激光源不同，前者由于加熱了受照射點部位產生高溫可引起點燃，帶來潛在危險。這里的高溫，既取決于激光的輻射功率，也不能忽視受照射點材料的熱傳導率和受照射點的面積，輻射功率越大，受照射點材料熱傳導率越小，面積越小，越容易產生高溫，所以連續式激光源應同時限制射頻功率和單位面積的射頻功率；脈沖式激光源則是由于輻射源可擊穿周圍環境而引起的點燃，較連續式激光源有較大的時間間隔，故應對單位面積的輻射能量加以限制即可。第三，當超聲波輻射源的頻率很高并發生振動時，可以使周圍環境中分子與之共振，提高振動速度，從而獲得很大的能量。對于連續源超聲波，波源輸出的頻率和單位面積功率不應超過標準規定，對于脈沖源超聲波，波源輸出的單位面積功率和單位面積能量同樣應限制在一定的范圍內。

4 綜述

以上內容不難看出，防爆設備種類繁多，五花八門，但是我們依然可以針對不同類型特征的設備進行一種或者多種方式的保護，隔爆型式的保護多偏重結構上的設計；本安型式的保護多針對電路能量的限制；增安型式的保護為無火花元件的選擇，配合良好的連接、絕緣處理和附加的防護措施；正壓型式為保護氣置換危險氣，內部壓力高于外部環境壓力，以及對于氣壓的控制；充砂型和澆封型均為填充隔離介質，使電氣部分與外界隔離，且同時保證電氣的可靠和穩定。不管是何種措施的處理，最終都是為了消除以及避免產生點燃源。