基于樣品工作狀態(tài)的爆炸性大氣試驗方法研究

楊欣磊，王忠,2，張玄

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基于樣品工作狀態(tài)的爆炸性大氣試驗方法研究

楊欣磊1，王忠1,2，張玄1

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術重點實驗室，廣州 510610）

目的驗證并改進在爆炸性大氣環(huán)境工作狀態(tài)下的樣品防爆能力。方法通過對一種特種環(huán)境試驗“爆炸性大氣試驗”的應用背景介紹，劃分與歸納處于工作狀態(tài)中的受試樣品在該試驗過程中的工作特征，以GJB 150.13A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第13部分：爆炸性大氣》規(guī)定的程序I“在爆炸性大氣中工作”作為試驗標準，對其試驗程序進行研究說明。結果通過實際案例對爆炸性大氣試驗過程進行了描述。結論爆炸性大氣試驗屬于較少見的特種試驗，缺乏普遍性試驗程序，通過對該試驗方法的研究可對我國環(huán)境工程領域特種試驗實施方法提供理論依據(jù)和技術支撐。

爆炸性大氣試驗；工作狀態(tài)；GJB 150.13A

近年來我國新研制和投入使用的武器裝備及航空艦船型號設備中，許多處于工作狀態(tài)的系統(tǒng)產(chǎn)品都曾遭受到爆炸性大氣的危害。如導彈裝備在實際發(fā)射時內(nèi)部火控系統(tǒng)由于引燃爆炸性氣體而受到損壞，海上油田船舶的輸送油管路在工作時由于易燃易爆氣體爆炸而發(fā)生結構損傷，航空產(chǎn)品的燃油裝置由于液壓傳感器產(chǎn)生電火花引燃爆炸性氣體導致系統(tǒng)功能性能喪失等危險事故，都屬于產(chǎn)品設計階段對防爆能力考慮不足導致的惡劣影響，對產(chǎn)品的使用可靠性和人員安全產(chǎn)生危害[1—2]。爆炸性大氣試驗開始更加受到研制方和使用方的重視，國家軍用民用產(chǎn)品標準及適航標準都將其作為一項裝備定型前必須考核的能力項目進行分析評價[3—6]。

由于受到瞬間工作電流通斷作用或者長時間處于高溫環(huán)境工作或貯存狀態(tài)，在綜合環(huán)境應力（溫度、振動、電應力）的相關作用下極易產(chǎn)生電火花。大多數(shù)此類產(chǎn)品，如航空發(fā)動機、燃油液壓閥、溫度傳感器等核心產(chǎn)品，伴隨著燃油或冷卻液的作用，使用環(huán)境中會出現(xiàn)易燃氣體、液體、蒸汽等易燃危險物質，在電火花作用下會發(fā)生爆炸對產(chǎn)品造成不可逆轉的損壞，嚴重影響使用安全。正在部署執(zhí)行工作任務的裝備產(chǎn)品在經(jīng)受爆炸性大氣環(huán)境時容易發(fā)生內(nèi)部或外部的爆炸，對任務的順利完成和使用人員的安全都造成了極大威脅和傷害。因此，需要通過環(huán)境試驗方法來確定產(chǎn)品在混合著易燃物質的爆炸性大氣下正常工作而不發(fā)生爆炸的能力，由此從設計和驗證角度上對產(chǎn)品的防爆能力進行改進與提高[7]。進行試驗的設備為ETC-1000型爆炸試驗箱。

1 受試樣品適用范圍及工作特征

可能經(jīng)受爆炸性大氣環(huán)境條件下且處于工作狀態(tài)的受試樣品，具有機械結構精密、電路排布復雜、控制方法多樣等技術特點[8]。具體可按照其工作特征分為以下三類。

1.1 通電工作的受試樣品

通電工作是爆炸性大氣受試樣品中最常見的工作方式，因為產(chǎn)品內(nèi)部線路在設計過程中通常只考慮到熱設計或者冗余設計以保證產(chǎn)品正常工作的可靠性水平，而很可能會忽視帶電器件的觸點或開關接頭在通斷電過程中產(chǎn)生的瞬間電火花引起的爆炸隱患。為了模擬受試樣品工作情況，一般在試驗過程中都需要樣品按實際工作電壓、電流保持通電工作狀態(tài)。按照GJB 150.13A的規(guī)定，一般試驗方要與承制方約定試驗過程中的通斷電次數(shù)，并間斷性的對產(chǎn)品的電路進行通斷操作。該類比較常見的產(chǎn)品有電磁閥、電壓傳感器、電源系統(tǒng)等[9]。

1.2 通液工作的受試樣品

由于燃油、飛機清潔劑、冷卻液、潤滑劑等溶液的蒸發(fā)氣體容易在高溫下生成爆炸混合氣體，因此在通液條件下工作的受試樣品也具有進行防爆性能測試的必要性，其引發(fā)爆炸的隱患甚至比電火花引爆的模式更加具有風險和危害性。在此類受試樣品進行爆炸性大氣試驗時，需要在試驗前做好對樣品連接通液管路的準備，試驗中要保持對樣品進行液體輸送和排出。由于試驗箱在試驗過程中一直處于密封狀態(tài)，因此需要在試驗箱的連接孔處做好特定的連接工裝，連接原理與低氣壓試驗類似，但密封的程度需要更嚴格。該類比較常見的產(chǎn)品有燃油換熱器、集水器、液壓傳感器等[10]。

1.3 通氣體工作的受試樣品

部分受試樣品在工作狀態(tài)下需要對其供給氧氣，屬于活潑氣體的氧氣在濃度達到一定含量后，在高溫和電應力的綜合作用下同樣具有引發(fā)爆炸的隱患。此類受試樣品在試驗前也需要準備特定供氧設備如氧氣瓶、輸氧器等，同時為了密封效果也需要在試驗箱連接孔處安裝特定工裝。需要注意的是，試驗中為了保持試驗箱中模擬試驗高度的壓力值，因此通進箱內(nèi)的氣體必須直接進入處于工作狀態(tài)的受試樣品內(nèi)部，再由管路導出箱外，而不是直接輸入箱內(nèi)。該類比較常見的產(chǎn)品有氧氣開關、充氧接頭、氧源轉換器等[11]。

除了以上三種主要類型的適用于進行爆炸性大氣試驗的受試樣品工作狀態(tài)之外，還有將上述工作方式綜合的工作狀態(tài)，比如有的液壓傳感器在通液同時也要對其進行通斷電操作，有的充氧接頭在持續(xù)通入氧氣的同時也要接入直流電源。綜合工作狀態(tài)的受試樣品由于在爆炸性大氣中工作時產(chǎn)生爆炸危害的可能性更高，因此對于其防爆設計和改進的要求也更加嚴格。

2 試驗條件分析

由于文中重點研究受試樣品在爆炸性大氣中工作的試驗條件與方法，因此需要根據(jù)GJB 150.13A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第13部分：爆炸性大氣》中的來確定試驗條件，并且以其中的程序I“在爆炸性大氣中工作”來確定試驗程序[12—14]。針對不同類型的受試樣品，試驗條件會有區(qū)別，但基本要包含以下三類參數(shù)。

1）試驗溫度。在試驗開始前要求加熱燃料和空氣混合氣體，溫度取值采用受試樣品在實際工作中可能經(jīng)受的最高環(huán)境溫度，并在此溫度達到穩(wěn)定的水平上完成所有試驗。對于空氣強制制冷的試件，采用裝備在無風冷情況下，能正常操作和工作的最高溫度作為試驗溫度。

2）試驗模擬高度。該試驗實際上是通過調節(jié)試驗箱內(nèi)氣壓的高低來模擬受試樣品工作狀態(tài)下處于不同海拔高度的防爆能力，對于航空產(chǎn)品來說加入高度（氣壓）的環(huán)境應力才能更加真實地模擬其實際工作狀態(tài)。GJB 150.13A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第13部分：爆炸性大氣》要求至少使用兩種模擬高度來完成試驗：第一是受試樣品實際工作中預期經(jīng)受的最高使用高度，但不得超過12 200 m（約18.7 kPa，超過此高度后爆炸幾乎不會發(fā)生）；第二是代表地面正常海拔高度的78~107 kPa之間的壓力點。

3）試驗燃料體積及質量濃度。爆炸性大氣試驗通常采用正己烷作為燃料進行試驗，正己烷在可燃性大氣中的引燃特性相當于敏感于辛烷值為100/130的航空燃油、寬餾分噴氣燃料和高閃點噴氣燃料，具有易揮發(fā)、擴散快、閃點低的特點，是目前檢驗工作狀態(tài)下的受試樣品是否引起爆炸的最佳試劑[15]。

使用比例適當?shù)恼和榕c空氣混合可以制成爆炸性大氣試驗氣體，該試驗氣體的特點是只需要一個極小的能量就能點燃，等同于工作狀態(tài)中受試樣品可能產(chǎn)生的電火花引爆效果。按照GJB 150.13A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第13部分：爆炸性大氣》的規(guī)定要求，每一試驗高度下液態(tài)正己烷用量通過式（1）進行計算：

(1)

其中正己烷的質量濃度依據(jù)標準規(guī)定近似符合以下與燃料溫度有關的線性經(jīng)驗函數(shù)：

(2)

由上述公式可得到不同溫度和不同模擬高度條件下試驗所需正己烷的體積值，選取典型的溫度與高度值，歸納到表1。

表1 溫度、氣壓條件下正己烷含量對應值

除此之外，試驗箱內(nèi)濕度對可燃氣體也有影響，但基本可以不作考慮。因此，只要確定了基于受試樣品工作特點的以上三個試驗參數(shù)，則基本確定了爆炸性大氣試驗的開展。

3 試驗方法程序設計

3.1 試驗前

對于非工作的受試樣品，直接將被試品放入試驗箱并密封即可開始試驗。對于工作狀態(tài)的受試樣品，試驗前必須根據(jù)其工作特征來采取不同的樣品安裝放置方法，使之能通過連接工裝在外部操作對受試樣品工作狀態(tài)進行控制。

對于通電工作的受試樣品，按照其工作時的額定電壓準備好相應電源設備和導線，通過試驗箱接線柱對樣品進行內(nèi)部到外部的連接。對于通液或通氣工作的受試樣品，通過連接工裝和通液管路來滿足樣品通液、通氣條件，并保證經(jīng)過受試樣品的液體、氣體能順利排出試驗箱外形成閉環(huán)導通模式。

3.2 試驗中

按照GJB 150.13A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第13部分：爆炸性大氣》程序I規(guī)定的試驗程序，大體可以將基于工作狀態(tài)受試樣品的爆炸性大氣試驗分為如圖1所示的程序步驟。

圖1 試驗中程序步驟

1）升溫。將試驗箱溫度升至受試樣品實際工作狀態(tài)下所經(jīng)歷的最高溫度并達到穩(wěn)定。

2）通入燃料。將試驗箱內(nèi)氣壓降低，模擬比試驗高度12 200 m高2 000 m的高度，并在達到此模擬高度后開始使高度下降，以便對箱內(nèi)通入根據(jù)式（1）確定體積的正己烷溶劑。完全通入后等待3 min，使正己烷溶劑充分氣化并與箱內(nèi)高溫空氣混合，形成合適的爆炸性混合氣體。

3）第一個模擬試驗高度降低過程。在比試驗高度高1 000 m的高度點采集試驗箱內(nèi)爆炸性氣體并點燃，如不能點燃，則重新進行所有試驗程序。調整試驗箱內(nèi)氣壓，使模擬試驗高度以不大于100 m/min的速率下降。此時使受試樣品處于工作狀態(tài)，按照其工作狀態(tài)種類區(qū)別進行通斷電/通液/通氣操作，該階段可對受試樣品進行功能性能的檢測。在低于試驗高度1 000 m的高度點停止降低試驗箱內(nèi)高度，并使受試樣品恢復到非工作狀態(tài)。在該點再次采集箱內(nèi)氣體并嘗試點燃，通過前后對照的方法，以驗證該試驗高度下降過程中箱內(nèi)爆炸性氣體的有效性。若不能點燃，則重新進行所有試驗程序。

4）第二個模擬試驗高度降低過程。該過程的模擬試驗高度為海拔地面高度，與前一模擬試驗高度下降過程的試驗方法程序完全相同。從1 000 m的高度點開始降低模擬高度，直至海拔地面高度。由此類推可得出試驗中試驗高度點與各個操作點之間的關系（見表2）。

表2 試驗中各高度點對應操作內(nèi)容

3.3 試驗后

確保受試樣品恢復到非工作狀態(tài)，根據(jù)樣品通電/通液/通氣的工作特征，將外部控制樣品的設備（如電源、通液車管路、通氣瓶管路）關閉，將試驗箱溫度氣壓恢復至常溫常壓，打開試驗箱。當內(nèi)部爆炸性混合氣體全部散盡后，觀察受試樣品外觀形態(tài)是否受到損傷，并拆除試驗箱內(nèi)箱外的連接工裝，將受試樣品移出箱外。最后對受試樣品的功能性能進行檢測，并做好相關試驗記錄。

3.4 合格判據(jù)

根據(jù)GJB 150.13A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第13部分：爆炸性大氣》的規(guī)定可知，該試驗的合格判據(jù)是處于工作狀態(tài)的受試樣品在所有試驗過程中在試驗箱內(nèi)不會將高溫的爆炸性氣體引爆，模擬試驗高度的降低同樣不會使受試樣品在工作狀態(tài)下點燃爆炸性氣體。

4 工程實例

選取工作狀態(tài)為通氣體受試樣品的爆炸性大氣試驗實施過程作為工程實例進行試驗方法設計與程序說明。

某飛機裝備公司生產(chǎn)的某型氧氣減壓器按照GJB 150.13A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第13部分：爆炸性大氣》程序I為標準進行爆炸大氣試驗。受試樣品氧氣減壓器最高工作溫度要求為70 ℃，在試驗過程中保持通入氧氣循環(huán)的工作狀態(tài)，試驗要求在全部試驗過程中氧氣減壓器不能將試驗箱內(nèi)爆炸性氣體引燃發(fā)生爆炸。

首先按照標準規(guī)定計算試驗所用正己烷試劑體積。該次試驗的試驗高度是12 200 m和地面高度，對應氣壓為18.73 kPa和101.3 kPa，燃料溫度為70 ℃，試驗箱凈容積為953.78 L。

因此根據(jù)式（2）計算正己烷的質量濃度：

由此可根據(jù)式（1）或表1數(shù)據(jù)，得出12 200 m試驗高度下正己烷試劑體積：

同理可求出地面試驗高度所用的正己烷試劑體積為197.14 mL。

按照計算結果配置好正己烷試劑后，接著進行受試樣品的安裝與氧氣通路的連接，連接時注意試驗箱的密封程度。

按照試驗方法程序的步驟，對照表2中的操作點依次進行試驗。在14 200 m高度通入正己烷試劑，第一次試驗高度從13 200 m下降至11 200 m，第二次試驗高度從1 000 m下降至0 m。在兩次模擬試驗高度的下降過程中確保受試樣品處于工作狀態(tài)。高度下降過程的前后均用采樣方法對制備的爆炸性氣體進行有效性驗證。

試驗過程中處于工作狀態(tài)的氧氣減壓器未引爆試驗箱內(nèi)氣體，因此表明該產(chǎn)品在爆炸性大氣中工作而不使易燃氣體發(fā)生爆炸的能力達到GJB 150.13A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第13部分：爆炸性大氣》規(guī)定的合格要求。具體試驗記錄見表3。

表3 試驗記錄

5 結語

部分航空、機電產(chǎn)品處于易燃氣體的工作環(huán)境，在工作狀態(tài)下能保持正常功能性能且不引起爆炸的能力是爆炸性大氣試驗考核的主要目的?，F(xiàn)階段我國實施爆炸性大氣試驗的能力還比較有限，文中通過對不同種類的工作狀態(tài)受試樣品進行分類分析，并以GJB 150.13A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第13部分：爆炸性大氣》為標準對試驗方法程序進行了設計和解讀說明，結合具體工作狀態(tài)受試樣品的工程試驗實例，對我國環(huán)境工程領域特種試驗實施過程提供理論上的可行性和技術上的可實現(xiàn)性。

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Test Method of Explosive Atmosphere Based on Samples′Operating State

YANG Xin-lei1, WANG Zhong1,2, ZHANG Xuan1

(1.The Fifth Electronic Research Institute of MIIT, Guangzhou 510610, China; 2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology, Guangzhou, 510610, China)

Objective To certify and improve the anti-explosive ability of operative state products in explosive atmosphere condition. Methods Operation characteristics of testing samples in test procedure were classified and summarized based on introducing the application background of “explosive atmosphere test” which is a particular kind of environmental tests. The test program of corresponding test samples was illustrated according to national military standard Laboratory environmental test methods for military material—Part 13 (GJB 150.13A): Explosive atmosphere test: Program I. Results The process of atmosphere test was described with actual application. Conclusion Explosive atmosphere test is a rare special test. It is in shortage of universal test procedures. It provides theory evidence and technical support in our environmental special test, which aims to solutions of lack of typical test program.

explosive atmosphere test; operating state; GJB 150.13A

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.003

TJ07

A

1672-9242(2017)08-0015-05

2017-04-05；

2017-04-14

楊欣磊（1990—），男，湖南長沙人，碩士，工程師，主要從事軍民品裝備環(huán)境與可靠性試驗技術及研究工作。