爆炸性環(huán)境用帶式輸送機非電氣點燃評定和防燃措施研究

奚麗峰,李朝東

(1.上海大學 機電工程與自動化學院, 上海 200444;2.中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030；3.上海煤科檢測技術有限公司， 上海 201401)

0 引言

我國在2010年以前對非電氣設備的防爆內容開展了研究，但沒有配套的國家標準體系。直到2010年11月10日，國家發(fā)布了GB 25286—2010爆炸性環(huán)境用非電氣設備系列標準，基本采用了EN 13463潛在爆炸性環(huán)境用非電氣設備系列標準內容，非電氣設備的防爆理念越來越被國內所接受和重視。隨著歐盟EN 80079—36和EN 80079—37替代其中部分標準，使得標準體系得到進一步完善和發(fā)展。帶式輸送機是典型的機電組合裝置，系統(tǒng)復雜，又被廣泛應用于煤礦、非煤礦山及地面化工廠等爆炸性場所。通過對帶式輸送機點燃危險評定要點分析，可作為其他非電氣設備的防爆參考，也可為設計、使用和檢驗人員提供預防和防護的借鑒。

1 非電氣設備點燃評定必要性

隨著世界經濟的高速發(fā)展，煤礦開采、化工廠、制藥廠、粉塵廠等具有爆炸危險的生產場所越來越多，相應使用的機械、電氣、非金屬材料等裝備越來越多，結構越來越復雜多樣，大型化、重型化機電設備也越來越多。由于這些環(huán)境大都存在易燃、易爆、有毒、有害等氣體或其他危險物質，一旦發(fā)生燃燒或爆炸，可能產生人員傷亡等的重大安全事故。為此，對這些高危場所使用的裝備有特殊的防爆設計和準入要求。

高危場所爆炸必須同時滿足3個條件:一是有一定濃度的爆炸性氣體或粉塵，如甲烷、乙烯、氫氣、鋁粉塵等；二是有一定濃度的助燃劑,如空氣、氧氣或輔助性氣體；三是有可能引起可燃物質燃燒的熱能源(即點燃源)，如機械摩擦火花、電弧、危險溫度、射頻等。從以上爆炸條件分析，前兩個條件由于自然環(huán)境、生產過程、生存等原因，往往較難控制或難以避免。而我們的防爆設備就要求在正常運行、任何故障狀態(tài)下所產生的點燃源能量不足以點燃爆炸性物質，從而避免爆炸事故的產生。如煤礦井下滿足瓦斯?jié)舛?%～16%、氧氣濃度12%～21%、點燃源(650～750) ℃ 三個條件時就會發(fā)生爆炸。非電氣設備特別是動態(tài)高速運動的設備的熱的表面、鋁熱反應、靜電放電、機械火花等均可能為潛在的點燃源。例如軸承缺油少油、裝配不當，保養(yǎng)維護不及時，超壽命使用、機械干涉等狀況下高速旋轉部件、摩擦式制動器過載長時制動，溫度很容易達到650 ℃以上，從而引起爆炸事故。本文依據非電氣設備的工作特性，在爆炸性工作環(huán)境下，分析非電氣設備可能的點燃源識別并采取相應的防燃措施，最終達到非電氣設備安全使用的目的。

高度重視防爆電氣設備在高危場所的應用，并實行了準入管理，如對防爆電氣設備進行技術審查、檢驗合格后發(fā)放防爆合格證、實施CCC強制性認證管理等，用于煤礦井下或其他礦山還須取得安全標志證書方可使用。但對于非電氣設備的防爆安全要求認識不足，重視不夠，尚無明確的準入要求。2014年8月2日，昆山中榮金屬制品有限公司發(fā)生特別重大鋁粉塵爆炸事故，造成75人死亡、185人受傷。事故原因是除塵器集塵桶內鋁粉受潮，發(fā)生氧化放熱反應，達到粉塵云的引燃溫度，引發(fā)除塵系統(tǒng)及車間的系列爆炸。鋁熱反應是非電氣設備防爆的一個典型點燃源，從該起重大事故中認識到企業(yè)和有關人員對非電氣設備防爆安全管理的意識薄弱。因此，對非電氣設備點燃源評定后采取必要的安全防護和保護措施，具有重要意義。

非電氣設備形式繁多，有屬于機電液集合模式、也有單一的純機械部件。它們具有共性特征：不包含電氣設備，有些依靠電力拖動帶動非電氣設備運動，有些動力來源于液壓傳動、氣動傳動等，如礦山采掘設備、刮板輸送機、帶式輸送機、空氣壓縮機、無動力牽引的車輛、泵和馬達等；在運行時伴有高速或低速運轉或移動，正?；蚬收蠣顟B(tài)下可能產生相互碰撞、摩擦等現(xiàn)象，在正?；蚍钦９ぷ鳡顟B(tài)下形成最高表面溫度、機械火花、熾熱液體或氣體、靜電放電等；此時，如果設備周圍存在爆炸濃度范圍內的爆炸性物質，空氣中氧氣濃度一般都能達到助燃劑要求，那么以上點燃源極易發(fā)生爆炸。

2 非電氣設備點燃評定的標準依據

歐洲對非電氣設備實行ATEX認證并對一些產品采用CE標志管理。目前國內檢驗機構(如國家安全生產上海礦用設備檢測檢驗中心)對非電氣設備進行技術審查、檢測驗證，依據標準符合要求，出具非電氣設備的防爆證書，如磁力偶合器、礦用柴油機尾氣凈化器隔爆裝置、氣動馬達、氣動攪拌器、氣動風機、加油機底槽等產品。GB 25286系列國家強制性標準的建立，使得我國與歐洲發(fā)達國家在非電氣設備的防爆要求趨于一致。非電氣設備相關標準的國內外使用情況及相應的采標程度如下。

GB 25286.1—2010《爆炸性環(huán)境用非電氣設備 第1部分：基本方法和要求》在EN 13463—1:2001《Non-electrical equipment for potentially explosive atmospheres - Part 1: Basic method and requirements》的基礎上修改了設備級別，更改了防爆標志，增加了國內取得防爆合格證的程序；后者又被EN ISO 80079—36:2016《Explosive atmospheres Part 36: Non-electrical equipment for explosive atmospheres--Basic method and requirements》所代替。

GB 25286.2—2010《爆炸性環(huán)境用非電氣設備 第2部分：限流外殼型“fr”》 在EN 13463—2:2004《Non-electrical equipment for explosive atmospheres-Part 2: Protection by flow restricting enclosure“fr”》的基礎上修改了設備級別，更改了防爆標志。

GB 25286.3—2010《爆炸性環(huán)境用非電氣設備 第3部分：隔爆外殼型“d”》在EN 13463—3:2005《Non-electrical equipment for use in potentially explosive atmospheres-Part 3: Protection by flameproof enclosure “d”》的基礎上修改了設備級別，更改了防爆標志。

GB 25286.5—2010《爆炸性環(huán)境用非電氣設備 第5部分：結構安全型“c”》在EN 13463—5:2003《Non-electrical equipment intended for use in potentially explosive atmospheres-Part 5: Protection by constructional safety“c”》的基礎上修改了設備級別，更改了防爆標志；GB 25286.6—2010《爆炸性環(huán)境用非電氣設備 第6部分：控制點燃源型“b”》在EN 13463—6:2003《Non-electrical equipment for use in potentially explosive atmospheres-Part 6: protection by control of ignition source“b”》的基礎上修改了設備級別，更改了防爆標志；GB 25286.8—2010《爆炸性環(huán)境用非電氣設備 第8部分：液浸型“k”》在EN 13463—8:2003《Non-electrical equipment for potentially explosive atmospheres-Part 8: Protection by liquid immersion“k”》的基礎上修改了設備級別，更改了防爆標志；EN 13463—5:2011、EN 13463—6:2005、EN 13463—8:2003又被EN ISO 80079—37:2016《Explosive atmospheres Part 37: Non-electrical equipment for explosive atmospheres--Non-electrical type of protection constructional safety“c”, control of ignition sources“b”, liquid immersion“k”》所替代。

3 帶式輸送機點燃評定重點

我國2019年煤礦產煤37.5億t。由于帶式輸送機具有連續(xù)運輸、運輸量大等特點，所以煤礦井下采出的煤基本上都通過帶式輸送機轉運，煤炭從采掘工作面經運輸大巷再到各場所煤倉，既有瓦斯空氣混合物,又有煤塵空氣混合物。雖然在正常工作情況下通過排風、降塵曬水等手段，可有效控制濃度在爆炸極限以下，但瓦斯礦井采掘過程中會動態(tài)涌出瓦斯、瓦斯突出礦井可能突然涌出大量的瓦斯、在通風不暢處瓦斯集聚或在落料點、轉載處及振動區(qū)段有煤塵揚起等原因，都可能達到爆炸性濃度，具備三個條件就造成爆炸事故。下面以煤礦用帶式輸送機產品為例，對其非電氣設備點燃源識別、控制點燃源、消除措施方面進行分析評定。

1) 機械熱表面。帶式輸送機中長期運轉的各處軸承、投入工作的制動器、張緊或卷帶裝置的液壓泵站、高速旋轉的托輥、緩沖托輥、減速器內部運動部件、輸送帶與固定部件之間、旋轉滾筒與停止運行的輸送帶打滑等都會由于摩擦或碰撞產生高溫熱表面，這些都是潛在點燃源。采取措施：對以上部件進行正常狀況和預期故障狀況下的試驗，比如長時運轉試驗直至熱平衡，確定設備的最高表面溫度是否在安全級別內。預期故障可采用超速試驗、超載試驗、延長制動時長等模擬工況，通過試驗得到熱表面溫度。當熱表面溫度超過最高溫度規(guī)定應控制使用，比如對減速器采取液浸型保護，在制動器處安裝連續(xù)溫度監(jiān)測傳感器及其他類型的保護裝置。也可以通過使用說明書規(guī)定維護檢查周期或更換周期條款。

2) 機械火花。旋轉滾筒與固定機架、煤塊或煤矸石碎塊進入運轉的減速器、聯(lián)軸器或偶合器與固定設備、托輥與支架、張緊行走機構與其他金屬部件等由于設備間的摩擦、撞擊或研磨產生機械火花，也有可能成為點燃源。采取措施：首先,在設計選型中避免使用含鋁、鎂、鈦、鋯元素的輕金屬材料。因為鋁與生銹的鐵在碰撞下能產生機械火花。設計和安裝時部件之間保證安全間隙，避免各運動部件的摩擦。其次，在一些部位采用自動噴水裝置，因為水能起到冷卻劑和火花猝熄劑的作用。也可采用防塵外殼防止運動部件與其他部位的碰撞等。

3) 靜電放電。運輸煤炭的橡膠輸送帶、滾筒橡膠包覆層、液壓膠管、非金屬托輥、聯(lián)軸器等非金屬部件及橡膠部件長時的運動摩擦和碰撞產生大量靜電電荷積聚，當產生放電現(xiàn)象時成為潛在點燃源。采取措施：可以通過選用抗靜電的材料進行避免，試驗手段驗證材料的抗靜電性能在正常使用時不超過安全值;或者減少相應的尺寸面積、改變形狀和布置形式，使得不產生危險的靜電;也可使用金屬接地回路確保電荷經導電通路減少積聚。

4) 煤塵自燃。鋁粉、鎂粉、煤塵等，在儲存中及與液體混合過程中產生放熱反應，運輸過程中揚起的過量粉塵堆積在設備熱表面，運行或停機后溫度達到燃點造成自燃。采取措施：可采用自動除塵設備進行消除或通過人工定期清除，確保不超過一定的厚度；也可控制化學反應的產生條件、隔絕形成封閉的空間，或采用獨立的通風系統(tǒng)等避免自燃發(fā)生。

4 點燃危險評定報告

在對煤礦使用的帶式輸送機經過點燃源分析、采取相應的防燃措施后，以某礦DTL80/40/2×40型帶式輸送機為現(xiàn)場實例進行評定，對其正常運行和預期故障的識別和判斷。綜合評定后形成報告，見表1。

表1 煤礦用帶式輸送機(Ⅰ類Mb級)點燃危險評定表

續(xù)表1

經評定得出下列結論：該帶式輸送機符合Ⅰ類Mb級設備的要求，可以用于煤礦井下和可能有煤礦瓦斯氣體和/或可燃性粉塵危險的地面裝置上，設備顯著位置可施加防爆標志ExⅠMb。

5 結論

隨著科學技術的進步，機電設備在爆炸性環(huán)境中的應用多而廣。對非電氣設備在不同爆炸性環(huán)境中的安全應用研究顯得越來越重要。依據標準，針對各種產品的種類、形式、結構和特點，對其運行和故障狀態(tài)下點燃危險源分析、評定，并提出相應科學有效的預防、消除、限制和隔離危險的方法和措施，從而避免非電氣設備在爆炸性危險環(huán)境中爆炸、燃燒等重大事故的發(fā)生，對安全生產具有重要作用。據了解，國際電工委員會防爆電氣安全認證組織正在研究將歐盟EN ISO—80079等非電氣標準轉化為國際標準，對非電氣設備在爆炸性環(huán)境的安全規(guī)范應用越來越重視。深入研究這些標準并推廣應用，對我國防爆電氣和非電氣設備出口到一帶一路沿線國家具有重要意義。