氣體與粉塵爆炸性環境中防爆儀表的設計與選型

彭琳

(中國五環工程有限公司 廣州分公司，廣東 廣州 510700)

目前，針對爆炸性氣體環境中的防爆技術分析與應用比較多，而對于粉塵防爆技術的分析與應用比較少，隨著近年來粉塵爆炸事故多發[1]，粉塵防爆也逐漸引起了社會的關注，政府也越來越重視，并陸續出臺了相關的法令與規程[2-3]。在化工、石化、精細化工行業中的某些生產工藝裝置中，除了爆炸性氣體外，還會同時出現粉塵爆炸的危險，如硅粉、金屬粉末(鋁、鎂、鎳等粉塵)等，在這些情況下氣體防爆與粉塵防爆需要同時考慮。

1 相關防爆標準規范的歸納與解讀

1.1 危險區域的分區

對于爆炸性環境，根據爆炸性氣體或粉塵出現的頻率將危險區域劃分為0區、1區、2區、20區、21區、22區[4]，各危險區域適用的設備保護級別(EPL)與可選擇的防爆型式見表1所列。

表1中，A表示測定粉塵進入的方法，是根據GB/T 4208—2017《外殼防護等級(IP代碼)》中的IP代碼[6]；當A型用于20區、21區或帶導電粉塵的22區時，采用防護等級應為IP6X的塵密外殼；用于無導電粉塵的22區時，采用防護等級為IP5X的防塵外殼；A型需要表示出IP等級。B表示測定粉塵進入的方法是根據熱循環試驗；B型對儀表的結合面有附加要求，不需要表示出IP等級。

1.2 爆炸性氣體和粉塵的分級

對于危險區域內的爆炸性氣體或粉塵，根據它們自身特性所劃分的分類標志[7]見表2所列，其中，MESG表示最大試驗安全間隙，MICR表示最小點燃電流比。

表1 危險區域內適用的設備保護級別與防爆型式

表2 爆炸性氣體混合物的分級

1.3 溫度組別

在爆炸性環境中，溫度是能引燃危險介質的重要因素，可分成氣體環境以及粉塵環境的溫度組別。

1)根據能引燃氣體、蒸氣的溫度劃分的溫度組別，見表3所列。

表3 氣體/蒸氣環境中溫度組別的劃分

2)爆炸性粉塵環境中的電氣設備溫度組別比較復雜，如果是粉塵云，設備的最高表面溫度不應超過相關粉塵/空氣混合物的最低點燃溫度的67%；如果是粉塵層，取決于其厚度和采用的安全系數，最高允許表面溫度由相關粉塵層的最低點燃溫度減去安全裕度確定[8]。在爆炸性粉塵環境中的電氣設備需標示出設備的最高表面溫度。

1.4 國家標準中防爆產品的標志

國標中防爆標志包括：

1)符號Ex。是指防爆的特定標識。

2)所使用的各種防爆型式符號。包括：隔爆外殼d，本安型ia，外殼保護型ta。

3)類別符號如下：

a)I類。易產生瓦斯的煤礦用電氣設備。

b)IIA，IIB或IIC類。除易產生瓦斯的煤礦外，其他爆炸性氣體環境用電氣設備。

c)IIIA， IIIB或IIIC類。爆炸性粉塵環境用電氣設備。

4)對于II類設備，表示溫度組別的符合；對于III類設備，表示最高表面溫度( ℃)，前面加符號T，例如T90 ℃。

5)設備保護級別為“Ga”“Gb”或”Gc”；“Da”“Db”或“Dc”等。

6)防護等級(例如IP65)，一般在粉塵防爆的外殼保護型 A型時表示出來。

對于同時存在于氣體和粉塵爆炸性環境中的儀表，根據實際的防爆分區及危險物質的組分，需同時列出氣體防爆標志與粉塵防爆標志。例如：某項目中采用的氣體本安儀表和粉塵外殼防護儀表的標志為Ex ia IIC T4 Ga， Ex tD A20 IP66 T95 ℃ T500105 ℃；氣體本安和粉塵本安儀表的標志為Ex ia IIC T4 Ga， Ex ia IIIC T135 ℃ Da。

此外，需注意的是GB3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分 設備 通用要求》[9]中關于粉塵防爆的標志與GB 12476.1—2013《可燃性粉塵環境用電氣設備 第1部分 通用要求》[10]中的略有不同，但含義一致，可選用任一種表述方式。

2 氣體與粉塵爆炸性環境中儀表的防爆型式的選型

2.1 現場防爆儀表的選型

對于現場儀表，盡可能將多數儀表安裝在危險較低的場所或非危險場所，當不可避免地需安裝在危險場所時，就要首先判斷儀表所在的危險區域、氣體或粉塵級別、溫度組別等，然后據此選擇相應防爆型式的儀表。

關于現場儀表的防爆型式，通過查閱目前大量的國內外主流變送器、閥門定位器等的選型手冊，大多數現場儀表同時擁有氣體本安型+粉塵外殼防護型、氣體本安+粉塵本安型、氣體隔爆型+粉塵外殼防護型等認證證書(NEPSI認證)；再選擇氣體防爆和粉塵防爆的電纜密封接頭、電纜、安全柵(按需)，可以滿足氣體和粉塵爆炸性環境中的儀表防爆要求。

如在某精細化工項目中，某品牌的變送器的防爆標志為 Ex ia IIC T4/T5 Ga， Ex tD A20 IP66 T95 ℃ T500105 ℃，它可使用于1區和20區的危險環境中。該防爆級別的儀表基本上可以滿足目前絕大多數的爆炸性環境。

2.2 電纜密封接頭的選型

據IEC 60079-14：2013ExplosiveatmospheresPart14：Designselection,anderection[11]的規定，不同的防爆型式的電纜密封接頭(也稱為電纜引入裝置)對應不同保護方式的現場儀表，見表4所列。

表4 與不同保護方式的現場儀表相對應的電纜密封接頭

由表4可以看出，當儀表需要粉塵防爆時，其電纜密封接頭只能選擇Ex t保護；對于同時處于粉塵和氣體爆炸性環境中的儀表，應選擇同時具有Ex t和Ex d保護型式的電纜密封接頭(根據氣體環境下不同的防爆方式，Ex d也可以用Ex e或Ex n替換)。查閱市場上主流品牌電纜密封接頭的選型手冊，同時具有Ex t和Ex d的比較常見。例如防爆標志為Ex db IIC Gb， Ex eb IIC Gb， Ex ta IIIC Da，防護等級為IP66，IP67， IP68等的電纜密封接頭；在氣體和粉塵爆炸性環境中，電纜密封接頭設計選型時應注意Ex t和Ex d都不可被忽略。

此外，電纜密封接頭的防爆標志通常不需要溫度組別，它默認工作于-20～80 ℃的環境中。

2.3 電纜的選型

護套抗拉強度低的電纜，除非安裝在導管中，否則不能用于危險場所。危險場所固定布線的電纜與使用環境條件相適宜。常用的電纜為加熱塑護套、熱固護套或合成橡膠護套。電纜應為圓形、致密，如果有擠壓層和填料，應防潮；電纜的表面溫度應不超過所在裝置的溫度組別。電纜用于本安回路時，本安電纜的選擇和敷設應使本安性能不受外界電場或磁場的干擾[12]。

2.4 安全柵的選型

若現場儀表選用了氣體本安型，則需安全柵作為現場儀表的本安關聯設備，限制向危險區傳遞能量。安全柵也有氣體爆炸性環境和粉塵爆炸環境中的本安等級，無論是哪種環境，其本安電氣系統的構成的基本原理和匹配原則都是一樣的。因此，粉塵環境本安電氣系統也可遵循GB 3836.18—2017《爆炸性環境第18部分 本質安全電氣系統》[13]進行本安電氣評定[14]。

目前，大多數安全柵已經取得了氣體和粉塵防爆標志，例如：某品牌安全柵的氣體與粉塵防爆標志為[Ex ia Ga] IIC， Ex iaD，同時也會標出它的安全輸出參數，使用環境溫度、最高電壓、認證參數等。在本安回路計算時需注意滿足這些參數。

3 結束語

在氣體與粉塵爆炸性環境中，儀表的防爆型式的正確選型直接關系到裝置和人員的安全。除文中所述外，儀表外殼材質(與面積有關)的選擇、防靜電、接地等因素也應予以考慮。此外，人員資質，管理措施也是保障項目安全運行的重要因素。