混合氣體爆炸性風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)評(píng)

應(yīng)急管理部天津消防研究所 任常興｜文、圖

2013年“11·22”山東青島黃島輸油管道爆炸事故共造成62人死亡，136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元。2015年“8·12”天津港大爆炸事故導(dǎo)致160多人遇難，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)700億，這些事故直接暴露出專業(yè)危險(xiǎn)化學(xué)品應(yīng)急救援隊(duì)伍和裝備不足，無(wú)法滿足處置種類眾多、危險(xiǎn)特性各異等危險(xiǎn)化學(xué)品事故的需要。消防一線救援人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)未知的多組分易燃易爆混合氣體環(huán)境偵檢和爆炸性判定尤為重要，目前多以濃度檢測(cè)方式與爆炸極限范圍比對(duì)進(jìn)行判定，缺少現(xiàn)場(chǎng)快速爆炸性傾向評(píng)定裝置。易燃易爆危險(xiǎn)品事故現(xiàn)場(chǎng)未知混合氣體爆炸性判定，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)警戒區(qū)、疏散區(qū)劃分，應(yīng)急救援處置等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠預(yù)防重特大火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生，減少人員傷亡。

表1 實(shí)驗(yàn)室爆炸極限測(cè)試裝置

混合氣體爆炸性實(shí)驗(yàn)室判定

混合氣體爆炸性與其爆炸極限（LEL，UEL）、極限氧濃度（LOC）以及最小點(diǎn)燃能量等有關(guān)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于可燃混合氣體爆炸性判定的實(shí)驗(yàn)裝置分為管式和20 dm3球式或1 m3罐式，通常以混合氣體中可燃?xì)怏w濃度“最小—最大”準(zhǔn)則來(lái)定義其爆炸極限，爆炸上限（UEL）設(shè)定為混合氣體發(fā)生爆炸的最高可燃濃度和不發(fā)生爆炸的最低可燃?xì)怏w濃度的平均值，爆炸下限（LEL）設(shè)定為混合氣體發(fā)生爆炸的最低可燃?xì)怏w濃度和不發(fā)生爆炸的可燃?xì)怏w最高濃度的平均值。關(guān)于實(shí)驗(yàn)室爆炸極限測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 12474—2008《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)定方法》、EN 1839《氣體和蒸氣爆炸極限測(cè)定》（EN 1839 Determination of explosion limits of gases and vapours）、ASTM E681—2009《化學(xué)品（蒸氣和氣體）可燃濃度極限標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法》（ASTM E681—2009 Standard Test Method for Concentration Limits of Flammability of Chemicals(Vapors and Gases)、DIN51649《氣體或氣體空氣混合氣爆炸極限測(cè)定》（DIN51649 Determination of explosion limits of gases and gas/air mixtures）等。關(guān)于混合氣體極限氧濃度的測(cè)定實(shí)質(zhì)是確定不同氧濃度下的混合氣體爆炸極限，測(cè)試裝置與爆炸極限的測(cè)定裝置相同，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括EN 14756《氣體和蒸氣極限氧濃度測(cè)定》（EN 14756 Determination of the limiting oxygen concentration(LOC) for gases and vapours）和ASTM E2079《氣體和蒸氣極限氧濃度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法》（ASTM E2079 Standard Test Method for Limiting Oxygen (Oxidant)Concentration for Gases and Vapors）等。

其中GB/T 12474—2008《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)定方法》對(duì)于爆炸現(xiàn)象的判定包括3點(diǎn)：一是火焰非常迅速的傳播至管頂；二是火焰以一定的速度緩慢傳播；三是在放電電極周圍出現(xiàn)火焰，然后熄滅，這表明爆炸極限在此濃度附近。在這種情況下，至少重復(fù)該試驗(yàn)5次，有一次出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?。歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 14756和EN 1839等以火焰?zhèn)鞑ゲ坏陀?00 mm，或間斷火焰暈達(dá)到管頂部，或不低于240 mm判定為發(fā)生爆炸現(xiàn)象；EN 14756、ASTM E2079等以初始爆炸壓力分別提升5%、7%即可判定為爆炸現(xiàn)象已發(fā)生。綜上所述，目前，爆炸極限測(cè)定裝置均為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不具備現(xiàn)場(chǎng)快速爆炸性分析判定；且可燃?xì)怏w爆炸性的判定方式均為目測(cè)直接觀察，不具備爆炸壓力和火焰的多種定量判定。

此外，可燃混合氣體爆炸極限的測(cè)定與實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試條件有關(guān)，如測(cè)定容器形狀和容積、點(diǎn)火方式及能量、初始溫度、初始?jí)毫拖鄬?duì)濕度等。對(duì)于一些難燃物質(zhì)，如制冷劑 HFC-152a、NH3、HFO-1234yf和HFC-32等， 其爆炸極限的變化規(guī)律不同于一般碳?xì)浠衔铩＠?，二氟甲烷（HFC-32）高壓條件下可能發(fā)生分解反應(yīng)，爆炸上限呈劇烈上升趨勢(shì)；制冷劑R-410A常溫常壓下不燃，50%濕度以上出現(xiàn)可燃特性。這些在可燃混合氣體爆炸性判定時(shí)應(yīng)引起足夠重視，結(jié)合環(huán)境條件和測(cè)試方式綜合評(píng)測(cè)其爆炸性。

混合氣體爆炸性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

對(duì)于氣體爆炸性環(huán)境或場(chǎng)所，尤其是未知多組分混合氣體爆炸性環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定無(wú)法真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)混合氣體的爆炸性，通常以濃度探測(cè)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定爆炸極限來(lái)比對(duì)確定。而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)爆炸性環(huán)境的確定比較復(fù)雜，需要考慮是否存在可燃?xì)怏w，且可燃?xì)怏w的擴(kuò)散程度如何，是否處于爆炸性氣體濃度范圍等，同時(shí)要考慮各自類型的點(diǎn)火源引燃方式和能量范圍等。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)爆炸性環(huán)境混合氣體的爆炸性測(cè)定，需要考慮現(xiàn)場(chǎng)取樣、防爆要求、點(diǎn)火引燃概率和便攜操作等。

現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)采樣

測(cè)試裝置現(xiàn)場(chǎng)采樣可用軟管和防爆采樣泵，采樣軟管通常符合爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)氣體爆炸性距離不低于15 m的要求。防爆采樣泵，主要是避免引入電氣火花，流量通常不低于5 L/min，且與爆炸性測(cè)試容器的容積相匹配，滿足1 min之內(nèi)置換不少于3次的要求。

爆炸測(cè)試腔體

爆炸腔體要考慮耐壓要求，通常不低于2 MPa，且爆炸腔體的進(jìn)出口采用阻火和隔爆設(shè)計(jì)，安裝阻火網(wǎng)和隔斷閥。對(duì)于爆炸腔體，采用氣體置換方式，用測(cè)定樣氣多次置換，進(jìn)而確保測(cè)試腔體內(nèi)氣體與待測(cè)樣氣組分一致。

點(diǎn)火方式

考慮爆炸現(xiàn)場(chǎng)不同的點(diǎn)火源形式，以電火花、靜電為主，能量范圍從毫焦耳到上千焦耳，可采用超高溫點(diǎn)火方式。該點(diǎn)火形式要求供電電壓不低于5 V，點(diǎn)火瞬間溫度高達(dá)1 000℃以上，持續(xù)時(shí)間2 s之內(nèi)，可表征實(shí)際爆炸性氣體環(huán)境大部分點(diǎn)火源類型及能量引燃范圍。

爆炸現(xiàn)象判定

改變傳統(tǒng)目測(cè)觀察方式，采用高速壓力測(cè)定和高速溫度測(cè)定雙重探測(cè)。對(duì)于混合氣體爆炸性壓力測(cè)定，通常以點(diǎn)火時(shí)刻壓力增量來(lái)判定，參考?xì)W盟和美國(guó)材料協(xié)會(huì)(ASTM)的相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，建議以點(diǎn)火時(shí)刻壓力提升7%～10%為判定準(zhǔn)則。對(duì)于混合氣體爆炸過(guò)程溫度測(cè)定，要求溫度檢測(cè)速度不高于300 um，以獲取爆炸瞬間的溫度變化，通常以點(diǎn)火時(shí)刻起爆炸過(guò)程溫度提升量判定，結(jié)合不同類型可燃?xì)怏w以30℃～100℃判定。爆炸過(guò)程壓力和溫度的判定準(zhǔn)則是“或”的邏輯關(guān)系，滿足任何一個(gè)條件即認(rèn)為爆炸現(xiàn)象發(fā)生。

裝置便攜，測(cè)試快捷

測(cè)試裝置整體封裝在便攜箱體內(nèi)，通常不大于10 kg。裝置的測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用自動(dòng)化處理模塊，自動(dòng)采樣、測(cè)試和判定，直接給出爆炸性判定結(jié)果和爆炸過(guò)程的溫度、壓力隨時(shí)間變化曲線，直觀明顯。

混合氣體爆炸性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置送第三方進(jìn)行隔爆性能檢測(cè)，采用Ⅱ類試驗(yàn)用氣，丙烷、乙烯和氫氣進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)用測(cè)定氣體體積比濃度分別為（4.6±0.3）%、（8.0±0.5）% 和（31.0±1.0）%。測(cè)試過(guò)程中，混合氣體爆炸性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置在典型爆炸性氣體環(huán)境內(nèi)持續(xù)工作不低于30 min，未引燃爆炸性氣體環(huán)境，裝置本身隔爆性能符合要求。

混合氣體爆炸性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置

混合氣體爆炸性風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定與評(píng)估

混合氣體爆炸性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定裝置主要適用于易燃易爆危險(xiǎn)品事故搶險(xiǎn)救援現(xiàn)場(chǎng)、石油化工場(chǎng)所、施工作業(yè)區(qū)等未知多組分混合氣體環(huán)境，可用于混合氣爆炸傾向的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定與評(píng)估，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)警戒區(qū)、疏散區(qū)劃分以及應(yīng)急救援處置決策等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，有助于預(yù)防爆炸及火災(zāi)等重大事故的發(fā)生。對(duì)于易燃易爆場(chǎng)所未知可燃混合氣爆炸傾向的判定提供定量判定指標(biāo)，有效解決了實(shí)驗(yàn)室測(cè)定與現(xiàn)場(chǎng)條件、測(cè)定樣品的差異性，提高了現(xiàn)場(chǎng)偵檢和爆炸性環(huán)境區(qū)域劃分的科學(xué)性，為采取進(jìn)一步處置措施提供科學(xué)依據(jù)，提高應(yīng)急救援人員現(xiàn)場(chǎng)處置的能力，具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

混合氣體爆炸性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

對(duì)于爆炸性環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)混合氣體的種類、濃度可能是實(shí)時(shí)變化的，與空間位置有關(guān)。裝置的一次采樣測(cè)定，只能反映采樣位置該時(shí)刻的氣體爆炸性特征，為此必須多次測(cè)定來(lái)綜合判定。通常建議1 m2之內(nèi)測(cè)樣點(diǎn)至少1個(gè)，且間斷測(cè)定。同時(shí)，建議與濃度探測(cè)裝置配合使用，相互驗(yàn)證，提高對(duì)爆炸性環(huán)境可燃混合氣體爆炸性判定的準(zhǔn)確性。

爆炸性氣體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估判定

對(duì)于混合氣體爆炸性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，除可燃混合氣體本身的燃爆特性外，還應(yīng)考慮混合氣體的擴(kuò)散狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)火源的形式及能量范圍等。爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的可能性與可燃混合氣體的燃爆特性和擴(kuò)散程度有關(guān)，尤其是判定是否處于爆炸濃度范圍之內(nèi)。爆炸性氣體環(huán)境后果的量主要與爆炸可能產(chǎn)生的效應(yīng)有關(guān)，如火焰、熱輻射、壓力波、飛出的碎片，以及有危險(xiǎn)的物質(zhì)釋放等。爆炸性環(huán)境常見(jiàn)的點(diǎn)火源包括：明火；切割和焊接；熱表面；熱輻射；雷電；吸煙；自燃；摩擦熱或火花；靜電；電火花；雜散電流；烤箱、火爐火加熱設(shè)備；煙火材料。通常這些點(diǎn)火源具有一定的溫度、規(guī)模和形狀以及足夠的持續(xù)時(shí)間，可以有效引燃泄漏的可燃?xì)怏w混合物。

混合氣體爆炸性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定評(píng)估混合氣體爆炸性，需要點(diǎn)火源、可燃混合氣體等相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)支持。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)混合氣體，需要針對(duì)不同類型屬性的可燃?xì)怏w進(jìn)行測(cè)定，建立相關(guān)的爆炸性測(cè)定數(shù)據(jù)庫(kù)，如可燃油類蒸氣、醇類蒸氣、碳?xì)漕惪扇細(xì)怏w或碳氟烴類氣體等。采用混合氣體爆炸性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定裝置進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)爆炸壓力和溫度的變化趨勢(shì)和特征，判定混合氣體濃度是否位于爆炸濃度范圍的下限附近、上限附近還是當(dāng)量濃度附近，以便進(jìn)一步采取稀釋、惰化等控制措施。同時(shí)，識(shí)別爆炸性環(huán)境常見(jiàn)的點(diǎn)火源形式，分析點(diǎn)火源的觸發(fā)條件與時(shí)頻特性、能量范圍、溫度和輻射熱等，以實(shí)驗(yàn)測(cè)定和引燃數(shù)據(jù)概率分析，構(gòu)建典型點(diǎn)火源對(duì)可燃混合氣體的引燃概率數(shù)據(jù)庫(kù)，為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的爆炸性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。