粉塵爆炸隔離技術的應用與設備試驗

文/鐘圣俊

多起典型的粉塵爆炸事故皆是因為工藝系統中沒有采取爆炸隔離技術所致。本文約請東北大學工業爆炸及防護研究所副教授鐘圣俊簡要介紹粉塵爆炸隔離裝置的類別及其應用與實驗。

爆炸隔離是一種減小爆炸損失的方法，通過設置阻斷裝置，防止爆炸火焰和/或壓力波通過，進而限制爆炸的范圍。爆炸隔離措施可防止爆炸在管道相連的設備之間和/或設備與作業區域之間傳播。

絕大部分的災難性爆炸事故是爆炸在工藝系統中傳播并發生二次爆炸導致的，如以下3起事故，就是因為沒有采取爆炸隔離措施導致損失擴大的：2014年8月2日，江蘇省蘇州市昆山中榮金屬制品有限公司鋁粉塵爆炸；2015年1月31日，內蒙古根河市金河人造板廠木材粉塵爆炸；2003年10月29日，美國印第安納州海因斯·萊姆茨國際公司鋁粉塵爆炸。

在這些事故中，爆炸首先在位于室外的除塵器中發生，沿進風管道傳播到了車間，并在車間發生了二次爆炸。

避免類似事故的發生，爆炸隔離技術將發揮十分重要的安全控制作用。

隔離技術的應用

首先，介紹爆炸隔離技術的應用條件。如果風險評估表明存在不可接受的爆炸傳播風險，則應依據相關的標準，在工藝設備之間和（或）工藝設備與作業區域之間的通道，設置爆炸隔離裝置，以防止爆炸在相連設備間傳播，或防止爆炸通過管道系統從設備傳至工作區域。

能夠傳播爆炸的通道包括但不限于管道、斗式提升機、刮板機、封閉式皮帶機、螺旋輸送機等機械輸送設備。這些設備通常需要采取爆炸隔離措施，典型的采取爆炸隔離措施的部位包括：除塵系統的進風管道、粉碎機的出料口與斗式提升機的出料溜管。

評估工藝設備之間的管道是否需要采取爆炸隔離措施應考慮以下因素：工藝設備預期的最大受控爆炸壓力、管道直徑與長度、作業區域可能被揚起的粉塵數量。

爆炸隔離裝置的分類

爆炸隔離裝置分為主動式和被動式兩種類型。主動式隔爆裝置通過監測爆炸壓力或火焰等爆炸信號，并啟動主動動作的阻隔裝置實現爆炸隔離；被動式隔爆裝置不監測壓力或火焰信號，通過阻隔裝置自身的機械特性實現爆炸隔離。

主動式隔離裝置需要通過檢測與控制系統來實現隔爆功能。檢測系統通常為光學傳感器或壓力傳感器。典型的主動式隔離裝置包括：化學隔爆裝置（見圖1）、快速動作插板閥或蝶閥閥、主動式浮球閥、夾管閥。

圖1 化學隔爆裝置

被動式隔離系統不需要檢測與控制系統即可實現隔爆功能。典型的被動式隔離裝置包括：隔爆翻板閥、 被動式浮球閥、旋轉隔爆閥、爆炸換向器。

隔爆翻板閥一般安裝在除塵系統進風管道上。在除塵系統正常運行時，翻板處于開啟狀態；當除塵器發生爆炸時，翻板在爆炸壓力的作用下關閉（見圖2）。

圖2 隔爆翻板閥

旋轉隔爆閥與普通的旋轉下料閥（關風器）類似。通過對葉輪與閥座之間的間隙長度、間隙寬度和葉輪強度的設計而實現爆炸隔離（見圖3）。

圖3 旋轉隔爆閥

爆炸隔離技術與設備的相關標準

與爆炸隔離技術與設備相關的標準，主要為美國和歐盟標準。如下：

NFPA 69：

2014 Standard on Explosion Prevention Systems 爆炸防護系統（NFPA，美國防火協會標準 英文名稱： National Fire Protection Association），NFPA 69規定了對各種爆炸防護系統的要求，其中包括對隔爆系統的要求；

NFPA 654：

2017 Standard for the Prevention of Fire and Dust Explosions from the Manufacturing， Processing，and Handling of Combustible Particulate Solids 可燃固體顆粒生產、加工與處理防火防爆標準，NFPA 654規定了可燃粉塵工藝設備的要求，給出了爆炸隔離的應用條件；

EN 15089 ：

2009 Explosion isolation systems 爆炸隔離系統（EN，歐盟標準的縮寫），EN 15089是關于爆炸隔離系統的通用標準；

EN 16447 ：

2014 Explosion isolation flap valves 隔爆翻板閥，EN 16447規定了一種特殊的隔爆設備（隔爆翻板閥）的技術要求；

EN 16020 ：

2011 Explosion diverters 爆炸換向器，EN16020所規范的爆炸換向器，不是嚴格意義上的隔爆設備，但是爆炸換向器對防止射流點火有重要的作用。

圖4 1m3臥式爆炸試驗設備

爆炸隔離設備的檢測

為保障產品質量和用戶的權益，同時對企業和市場進行規范，爆炸隔離設備須經有能力的檢測機構檢測合格后方可生產和使用。如東北大學工業爆炸及防護研究所具備這樣的檢測能力。圖4為1m3臥式爆炸試驗設備的照片。

對于指定爆炸等級St的粉塵，隔爆翻板閥測試主要包括：

耐爆炸試驗：測試隔爆閥在設計的抗壓強度下的耐爆炸性能；

阻火試驗：確認隔爆翻板閥能夠阻止爆炸火焰經過隔爆翻板閥傳播；

性能試驗：測定隔爆閥的最小安裝距離和最大安裝距離。

表1 典型的隔爆翻板閥性能參數舉例

典型的性能參數舉例如表1。

試驗裝置示意圖如圖5所示。

隔爆翻板閥測試結果樣例

測試說明：

粉塵濃度：100 g/m3；

測試容器保護方式：爆炸泄壓；

安裝距離：3 m；

翻板初始狀態：完全開啟且未鎖緊；泄爆壓力pred：0.0260 Mpa；

隔爆翻板閥承受壓力：0.0462 Mpa；

阻火性能：未發現火星或火焰，翻板自動關閉且鎖緊；

圖6 壓力-時間曲線

圖7 隔爆翻板閥測試（錄像截屏）

圖8 測試不合格的隔爆閥（閥瓣被爆炸壓力打穿）

機械完整性：未發現永久性形變或破裂，機械完整性良好。

測試曲線及照片分別如圖6和圖7所示。

通過上述實驗得出如下結論：隔爆裝置對防止爆炸在管道中傳播，降低爆炸事故后果有重要的作用，隔爆裝置應進行試驗（見圖8）。如果不對隔爆裝置進行試驗，將無法保證隔爆裝置達到預期的性能。