爆炸防護(hù)裝置性能檢測(cè)技術(shù)研究*

陳鈺方，王繼業(yè) ，丁建旭，王 彥，楊 娟

（1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣州 510180；2.國家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（廣東），廣州 510180）

0 引言

粉體在醫(yī)藥、建材、航天等國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值，但是多達(dá)70%以上的粉體屬于可燃爆粉塵[1]。粉塵爆炸事故逐漸成為危害人類生產(chǎn)生活的常見事故形態(tài)，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和嚴(yán)重的人員傷亡[2]。2014年，位于江蘇省昆山市昆山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的昆山中榮金屬制品有限公司拋光二車間發(fā)生特別重大的鋁粉塵爆炸事故，共有97人死亡、163人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失3.51億元[3]。

現(xiàn)有粉塵爆炸防護(hù)技術(shù)主要包括爆炸泄壓系統(tǒng)、爆炸隔離系統(tǒng)和抑爆系統(tǒng)[4]。隔爆閥是一種有效的爆炸隔離減災(zāi)裝置，不僅能夠通過閥瓣關(guān)閉來切斷爆炸波傳播，而且能夠通過閥瓣的關(guān)閉隔絕火焰的傳播，從根源上控制了爆炸的發(fā)展，進(jìn)而避免壓力波沿管道傳播至其所保護(hù)的圍包體如除塵器等的破壞。將已燃粉塵和未燃粉塵隔絕開，防止二次爆炸或者系統(tǒng)爆炸等次生災(zāi)害的發(fā)生[5]。

雖然隔爆閥的運(yùn)用場(chǎng)景看起來比較有限——只用在管道的爆炸防護(hù)，但在涉粉行業(yè)中，粉塵的輸送大多都是通過管道進(jìn)行[6]，因此隔爆閥在爆炸防護(hù)產(chǎn)品中占據(jù)重要地位。隔爆閥可以分為兩類，一是主動(dòng)隔爆閥，即需設(shè)置檢測(cè)、控制和指示設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)所需功能；二是被動(dòng)隔爆閥，即通過自己的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可實(shí)現(xiàn)所需功能[7]。由于主動(dòng)隔爆閥自帶檢測(cè)系統(tǒng)，安裝成本較高，現(xiàn)在國內(nèi)市場(chǎng)上還是以被動(dòng)隔爆閥為主，但是被動(dòng)隔爆閥目前仍存在一定的技術(shù)缺陷。由于當(dāng)前生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的隔爆閥缺乏規(guī)范，加上檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于被動(dòng)隔爆閥的爆炸防護(hù)性能檢測(cè)的方法描述不太明晰，導(dǎo)致市場(chǎng)上現(xiàn)有的部分被動(dòng)隔爆閥存在抗沖擊強(qiáng)度較弱、孔隙尺寸加工精度較低等缺陷，導(dǎo)致其不能夠有效阻止爆炸火焰在管道中傳播，從而引起二次爆炸，給大量人員和設(shè)備造成更為嚴(yán)重的損傷和破壞。綜上所述，本文研究被動(dòng)隔爆閥爆炸防護(hù)性能檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于企業(yè)的安全生產(chǎn)有重要意義，為相關(guān)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)的國家標(biāo)準(zhǔn)提供有益參考。

1 測(cè)試模塊

根據(jù)EN 16447:2014的要求[8]，被動(dòng)隔爆閥的測(cè)試主要包括3個(gè)部分：耐爆炸性測(cè)試、火焰?zhèn)鞑y(cè)試和功能性測(cè)試。耐爆炸性測(cè)試主要是產(chǎn)生一個(gè)爆炸壓力來檢測(cè)裝置是否滿足所需的耐爆性，測(cè)試方法主要將隔爆閥連接在1 m3罐出口處，爆炸壓力可根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)類型（St1、St2、St3 型）對(duì)應(yīng)粉塵的濃度進(jìn)行調(diào)整，但是測(cè)試壓力至少要高于設(shè)計(jì)壓力10%或100%的測(cè)試平均值；火焰?zhèn)鞑y(cè)試主要是測(cè)試隔爆閥是否具有隔絕火焰能力的一個(gè)測(cè)試，進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試時(shí)需要將隔爆閥安裝在長(zhǎng)管道法蘭之間的標(biāo)準(zhǔn)位置處，管道長(zhǎng)度應(yīng)大于1 m且不小于20倍內(nèi)徑；被動(dòng)隔爆閥功能測(cè)試的主要目的是評(píng)估裝置的功能及最小/最大安裝距離，通過改變反應(yīng)釜內(nèi)最大爆炸壓力等關(guān)鍵影響參數(shù)來確定隔爆閥能否滿足功能性及要求。

2 測(cè)試系統(tǒng)及方法

隔爆閥的爆炸防護(hù)性能檢測(cè)中主要包括3 個(gè)部分：爆炸觸發(fā)及傳播裝置、爆炸保護(hù)裝置、控制系統(tǒng)。其中，爆炸觸發(fā)及傳播裝置如圖1所示，包括了1 m3罐、測(cè)試所需的管道若干。1 m3罐中兩個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的粉塵分散裝置被進(jìn)氣電磁閥控制定量氣源負(fù)載可燃粉塵進(jìn)入1 m3反應(yīng)釜，反應(yīng)釜內(nèi)使用化學(xué)點(diǎn)火頭作為點(diǎn)火源來觸發(fā)爆炸，點(diǎn)火源設(shè)置在反應(yīng)釜中心位置，也可根據(jù)測(cè)試需求在反應(yīng)釜上的多個(gè)備用法蘭調(diào)整位置點(diǎn)火；測(cè)試管道的長(zhǎng)度和內(nèi)徑是根據(jù)測(cè)試需求進(jìn)行調(diào)整，使用轉(zhuǎn)接閥連接，每根管道長(zhǎng)度1 m，通過法蘭連接，出口處管道壁面上均有開孔便于傳感器的布置。在被動(dòng)式隔爆閥的測(cè)試中，爆炸保護(hù)裝置除了被測(cè)的隔爆閥本身，還包括了反應(yīng)釜上的爆炸泄壓口，防止反應(yīng)釜內(nèi)瞬時(shí)的超壓對(duì)檢測(cè)裝置造成破壞，重錘式隔爆閥需要根據(jù)測(cè)試的需求調(diào)整重錘的重量?？刂葡到y(tǒng)可以分為兩部分，一是控制整個(gè)爆炸性環(huán)境的形成，包括了控制開關(guān)反應(yīng)釜自動(dòng)門、反應(yīng)釜排氣、反應(yīng)釜測(cè)壓、抽真空、儲(chǔ)罐進(jìn)氣、點(diǎn)火延時(shí)、點(diǎn)火等過程的控制；二是對(duì)檢測(cè)裝置的控制，包括了傳感器（溫度、壓力、火焰?zhèn)鞲衅鳎┑拈_關(guān)及數(shù)據(jù)輸出以及輸出高速攝像機(jī)開始記錄信息的信號(hào)。控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有一個(gè)交換機(jī)，控制核心PLC、人機(jī)界面和數(shù)據(jù)采集卡均采用靜態(tài)IP地址（爆炸觸發(fā)控制界面如圖2所示），這樣方便了遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)連接，使整個(gè)測(cè)試過程更加安全可靠。

圖1 爆炸觸發(fā)及傳播裝置

圖2 爆炸觸發(fā)控制界面

對(duì)于耐爆炸性測(cè)試，需要檢測(cè)的參數(shù)是產(chǎn)生爆炸性環(huán)境的1 m3罐內(nèi)壓力以及即將到達(dá)隔爆閥的壓力是否滿足隔爆閥的測(cè)試需求，因此主要使用的檢測(cè)裝置是壓力傳感器，使用前要對(duì)壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。試驗(yàn)時(shí)，隔爆閥的閥門應(yīng)處于完全打開的狀態(tài)，保證試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的爆炸壓力不低于試驗(yàn)閥門的耐爆性。試驗(yàn)結(jié)束后，通過觀察閥門在其承受的爆炸壓力下是否發(fā)生變形且成功阻止爆炸傳播，若閥門發(fā)生了永久變形，其功能未失效且沒有加劇對(duì)周圍環(huán)境危險(xiǎn)影響的情況下，所測(cè)隔爆閥是允許的。

火焰?zhèn)鞑y(cè)試首先需要確認(rèn)火焰是否能夠經(jīng)過隔爆閥傳播，可以通過兩個(gè)方法確認(rèn)，其一是在1 m3罐的擴(kuò)展法蘭接口處搭建好滿足測(cè)試需求的管道，不連接隔爆閥的情況下創(chuàng)造爆炸性環(huán)境，觀察管道口是否出現(xiàn)火焰，若出現(xiàn)火焰，則說明所選擇的測(cè)試工況（粉塵濃度、噴粉壓力、點(diǎn)火延遲等）符合檢驗(yàn)的要求，可以進(jìn)行下一步阻火試驗(yàn)的測(cè)試，這種方法只需要壓力傳感器證明壓力波等于或略大于裝置的設(shè)計(jì)值；第二種方法可以在管道與隔爆閥的連接上游處布置火焰?zhèn)鞲衅骱蛪毫鞲衅?，若火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏焦艿乐谢鸹ǖ男盘?hào)并且壓力傳感器傳出的壓力信號(hào)與預(yù)期接近，此時(shí)可以觀察隔爆閥的下游處是否有火焰或火星傳出，之后進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)證明檢測(cè)產(chǎn)品的阻火性能合格。第二種方法較第一種方法更為方便快捷，但選擇第二種檢測(cè)方法對(duì)于檢測(cè)者個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)要求更高，如果火焰?zhèn)鞲衅髟谒x工況未檢測(cè)到火焰的信號(hào)，仍需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，較多次數(shù)的測(cè)試可能會(huì)對(duì)隔爆閥內(nèi)部造成破壞，影響測(cè)試準(zhǔn)確性。由于EN 16447:2014中對(duì)于觀測(cè)火焰的方法未作較多要求[9]，僅需要兩臺(tái)不同視角的攝像機(jī)即可，但根據(jù)多次的測(cè)試結(jié)果表明，普通的攝像機(jī)很難捕獲隔爆閥下游產(chǎn)生的火星以及較小火花，阻隔火焰的功能對(duì)于隔爆閥不可或缺，若由于設(shè)備原因或觀測(cè)失誤出現(xiàn)漏查，則有可能對(duì)檢測(cè)結(jié)果的正確性產(chǎn)生影響，因此推薦使用擁有較高幀率的超高速攝像機(jī)進(jìn)行圖像采樣，這樣遠(yuǎn)程操作既能保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，又能對(duì)人員和設(shè)備起到一定的保護(hù)作用。

功能性測(cè)試的目的是評(píng)估根據(jù)隔爆閥制造商規(guī)定的預(yù)期用途作為防護(hù)系統(tǒng)功效，實(shí)驗(yàn)裝置包括試驗(yàn)容器和反應(yīng)其用途的一段管道（直通管道長(zhǎng)度至少是直徑的5倍），檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合了耐爆炸性測(cè)試和火焰?zhèn)鞑y(cè)試，通過在隔爆閥上游布置火焰?zhèn)鞲衅鱽頇z測(cè)反應(yīng)釜中粉塵爆炸產(chǎn)生的火焰是否傳播到隔爆閥處，布置壓力傳感器來檢測(cè)爆炸產(chǎn)生的壓力波傳播至隔爆閥時(shí)的壓力。在功能性檢測(cè)中模擬的環(huán)境更側(cè)重于工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)際情況，因此控制的爆炸壓力應(yīng)該是反應(yīng)釜（尺寸應(yīng)與隔爆閥預(yù)期保護(hù)的容器接近）中產(chǎn)生的最大壓力上升速率和最大受控爆炸壓力，此時(shí)還需要在反應(yīng)釜壁面上布置壓力傳感器來獲取反應(yīng)釜中的壓力參數(shù)。這里說明一下，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)被動(dòng)隔爆閥的功能性測(cè)試中關(guān)于火焰?zhèn)鞑サ臏y(cè)試并未強(qiáng)制要求使用攝像機(jī)，也可以在隔爆閥下游連接一段布置了壓力傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯墓艿?，但部分檢測(cè)中從隔爆閥溢出的火星很小，火焰?zhèn)鞲衅鳠o法捕獲到微弱的信號(hào)，因此在條件允許的情況下還是使用超高速攝像機(jī)觀察更為穩(wěn)妥。

3 測(cè)試結(jié)果

本節(jié)通過一個(gè)爆炸性測(cè)試和火焰?zhèn)鞑y(cè)試的案例對(duì)被動(dòng)隔爆閥的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行論證說明。檢測(cè)產(chǎn)品為廣東某防護(hù)用品公司針對(duì)St2粉塵生產(chǎn)的被動(dòng)隔爆閥。本測(cè)試中采用常規(guī)的玉米淀粉，耐爆炸性測(cè)試結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯竭_(dá)隔爆閥處最大壓力為0.265 MPa，爆炸指數(shù)為24.6 MPa·m/s，符合St2粉塵爆炸指數(shù)的取值范圍。當(dāng)爆炸發(fā)生后，隔爆閥閥瓣由開啟到關(guān)閉，實(shí)驗(yàn)后檢查發(fā)現(xiàn)閥瓣未發(fā)生明顯變形，且未對(duì)周圍環(huán)境造成破壞。

圖4 所示為火焰?zhèn)鞑y(cè)試過程中超高速攝像機(jī)拍到的火焰?zhèn)鞑ミ^程，采用的粉塵濃度與耐爆炸性測(cè)試中的粉塵濃度相同。為了能更直觀地證明火焰?zhèn)鞑ブ粮舯y處，此次檢測(cè)采用第一種方法?？梢钥闯?，5 m 長(zhǎng)的管道下游是可以觀察到劇烈燃燒的火焰，其傳播距離管道出口5 m 左右。當(dāng)在管道一側(cè)連接隔爆閥后進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，從圖中可以看出，隔爆閥雖然完成了由開啟至關(guān)閉的動(dòng)作，但是整個(gè)過程中依然有部分火焰從閥瓣的間隙中逃逸，這種情況在實(shí)際應(yīng)用中管道內(nèi)布滿了粉塵的情況下是十分危險(xiǎn)的，溢出的火焰會(huì)成為另一側(cè)管道的點(diǎn)燃源，使爆炸朝更危險(xiǎn)的態(tài)勢(shì)發(fā)展。因此在火焰?zhèn)鞑サ臋z測(cè)中，關(guān)于隔爆閥能不能實(shí)現(xiàn)阻火的功能一定要認(rèn)真測(cè)試并確認(rèn)。

圖3 耐爆炸性測(cè)試壓力上升曲線

圖4 火焰?zhèn)鞑y(cè)試

4 結(jié)束語

隔爆閥爆炸防護(hù)性能的檢測(cè)是工業(yè)粉塵防爆工作中的重要一環(huán)，應(yīng)用合格的隔爆閥極大降低了爆炸發(fā)生后危害的進(jìn)一步擴(kuò)大，減少了人員傷亡和企業(yè)財(cái)產(chǎn)損失。本文通過對(duì)被動(dòng)隔爆閥爆炸防護(hù)性能的爆炸性測(cè)試、火焰?zhèn)鞑y(cè)試以及功能性測(cè)試的檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，結(jié)合自身的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)中要求不明晰的地方和檢測(cè)細(xì)節(jié)提出了改進(jìn)方法。特別是關(guān)于隔爆閥阻火性能的測(cè)試，如果對(duì)隔爆閥溢出的火星或火花沒有重視，會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。因此采用安全可靠的測(cè)試方法就可以為隔爆閥及爆炸防護(hù)產(chǎn)品把好質(zhì)量關(guān)，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。