石油化工裝置中隔爆型和增安型接線箱的選擇

閆博睿，賈瑋

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

在常見(jiàn)的化工裝置中，根據(jù)介質(zhì)的情況，大多數(shù)化工裝置都是位于爆炸危險(xiǎn)性區(qū)域內(nèi)，因此儀表及電氣設(shè)備應(yīng)根據(jù)氣體環(huán)境等級(jí)，采用本安或隔爆等不同的防爆措施。但有時(shí)由于概念混淆不清，易引起一些設(shè)備類型的高選，如通常會(huì)將本安信號(hào)接入增安型接線箱，隔爆信號(hào)接入隔爆型接線箱，而這種做法是否正確且為最優(yōu)設(shè)計(jì)選擇還需要深入探討，本文將從GB 3836—2010《爆炸性環(huán)境》入手，結(jié)合GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)增安型及隔爆型接線箱的選擇加以介紹和推薦。

1 爆炸危險(xiǎn)環(huán)境和爆炸性物質(zhì)的分類

首先，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的定義是爆炸性混合物出現(xiàn)的或預(yù)期出現(xiàn)的數(shù)量達(dá)到足以要求對(duì)電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取預(yù)防措施的區(qū)域。所謂爆炸性環(huán)境即在大氣條件下，氣體、蒸汽、粉塵、薄霧、纖維或飛絮的形式與空氣形成的混合物引燃后，能夠保持燃后自行傳播的環(huán)境。因此，爆炸性環(huán)境主要分為氣體環(huán)境和粉塵環(huán)境，本文將以爆炸性氣體環(huán)境為主要介紹對(duì)象。

1.1 氣體環(huán)境分區(qū)

爆炸性氣體環(huán)境即在大氣條件下，氣體或蒸汽可燃物質(zhì)的混合物被點(diǎn)燃后燃燒將傳至整個(gè)未燃燒混合物的環(huán)境，根據(jù)氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間，按下列規(guī)定可分為三個(gè)氣體環(huán)境分區(qū)：

1)0區(qū)。連續(xù)出現(xiàn)或長(zhǎng)期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境。

2)1區(qū)。在正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境。

3)2區(qū)。在正常運(yùn)行時(shí)不可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)存在。

1.2 爆炸性物質(zhì)的分類、分級(jí)和分組[1]

按照爆炸性物質(zhì)分為三類： Ⅰ類為煤礦瓦斯氣體;Ⅱ類為工廠中的爆炸性氣體、蒸汽;Ⅲ類為爆炸性粉塵及可燃纖維。

Ⅱ類爆炸性氣體混合物，按其最大試驗(yàn)安全間隙(MESG)或最小點(diǎn)燃電流比(MCIR)，分為A,B,C 3個(gè)級(jí)別；根據(jù)氣體對(duì)物體表面溫度的敏感性，將爆炸性氣體引燃溫度分為6個(gè)組別，分為T1～T6。點(diǎn)燃特性按爆炸性物質(zhì)Ⅰ類～Ⅲ類考慮，由難到易。

1.3 爆炸產(chǎn)生的基本原理

爆炸的產(chǎn)生必須存在三個(gè)條件即爆炸三角形原理，如圖1所示。首先，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)存在可燃性物質(zhì)，它是指物質(zhì)本身是可燃的，并且能夠產(chǎn)生可燃性的氣體、蒸汽或者在空中可懸浮的固體微小顆粒；其次是現(xiàn)場(chǎng)存在助燃物質(zhì)即氧氣或空氣；最后是現(xiàn)場(chǎng)存在引爆源，也就是存在足夠能量的火花或足夠高的物體表面溫度，一般點(diǎn)燃源的基本類型有熱源即明火、陽(yáng)光等，還有短路、靜電放電產(chǎn)生的電火花，以及摩擦錘擊產(chǎn)生的機(jī)械火花，都可成為點(diǎn)燃源[10]。

圖1 爆炸三角形示意

因此若想防止爆炸產(chǎn)生，即使消除上述條件中任意一個(gè)，就可達(dá)到防爆目的。一般情況下氧氣無(wú)處不在且難以控制，故控制可燃性氣體及點(diǎn)燃源便成為最常用的防爆原理，下文中將詳細(xì)闡述各種防爆型式。

2 防爆電氣設(shè)備的防爆型式

防爆電氣設(shè)備按其防爆原理不同，可分為不同的防爆型式，依照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)危險(xiǎn)場(chǎng)合適用的防爆方法如下文所述。

2.1 隔爆型“d”

具有隔爆外殼的電氣設(shè)備稱為隔爆型電氣設(shè)備，其隔爆外殼能承受內(nèi)部爆炸性氣體混合物的爆炸壓力，并阻止內(nèi)部的爆炸向外殼周圍爆炸性混合物的傳播，即會(huì)引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點(diǎn)燃[4]。

2.2 增安型“e”

增安型電氣設(shè)備是一種在正常條件下不會(huì)產(chǎn)生電弧、火花或可能點(diǎn)燃爆炸性混合物的高溫的設(shè)備結(jié)構(gòu)上，采取措施提高安全程度，以避免在正常和認(rèn)可的過(guò)載條件下出現(xiàn)這些現(xiàn)象的電氣設(shè)備，它是一種依靠高質(zhì)量的材料、設(shè)計(jì)和裝配來(lái)消除電火花或局部過(guò)熱的結(jié)構(gòu)技術(shù)[5]。

2.3 本質(zhì)安全型“i”

本質(zhì)安全型設(shè)備是指其內(nèi)部的所有電路都是本質(zhì)安全電路的電氣設(shè)備，在正常工作和規(guī)定的故障條件下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路，稱為本質(zhì)安全電路。本質(zhì)安全是基于限制電氣線路中儲(chǔ)能原理為基礎(chǔ)的防爆技術(shù)，按本質(zhì)安全電路使用場(chǎng)所和安全程度分為ia，ib和ic三個(gè)等級(jí)[3]。

2.4 正壓型“p”

具有正壓外殼的電氣設(shè)備稱為正壓型電氣設(shè)備，即該外殼能保持內(nèi)部氣體的壓力高于周圍爆炸性環(huán)境的壓力，且能阻止外部混合物的進(jìn)入[3]。

除以上介紹的防爆型式外，還有充砂型、油浸型、澆封型、無(wú)火花型等不同防爆原理下的防爆類型，由于在儀表選型中涉及不多，此處不再逐一介紹。

3 電氣設(shè)備的選型原則

通常，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的劃分范圍及等級(jí)的確定應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范，并應(yīng)根據(jù)爆炸性物質(zhì)的釋放量、釋放氣體的相對(duì)密度、爆炸下限等一系列影響因素，以確定爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。在危險(xiǎn)區(qū)域劃分后，其爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖便可作為在該裝置或范圍內(nèi)的電氣設(shè)備選型依據(jù)。在爆炸危險(xiǎn)范圍內(nèi)的，應(yīng)遵循規(guī)范安裝相應(yīng)的防爆電氣設(shè)備；爆炸危險(xiǎn)區(qū)域以外的地方，可以安裝非防爆的電氣設(shè)備。因此選擇的電氣設(shè)備必須與爆炸性混合物的組別、點(diǎn)燃溫度以及危險(xiǎn)區(qū)域級(jí)別相適應(yīng)，否則將不能保證其安全性。因此，可從以下幾個(gè)方面考慮防爆電氣的選型。

3.1 電氣設(shè)備保護(hù)級(jí)別

爆炸危險(xiǎn)環(huán)境可分為爆炸性氣體環(huán)境或爆炸性粉塵環(huán)境，不同的爆炸性物質(zhì)對(duì)電氣設(shè)備的防爆結(jié)構(gòu)要求不同。通常所涉及的防爆設(shè)備大多在爆炸性氣體環(huán)境中使用，因此在選型時(shí)應(yīng)先明確其使用環(huán)境。本文以下內(nèi)容僅討論爆炸性氣體環(huán)境中相關(guān)選型要求。

在第2章中詳細(xì)介紹了各種防爆型式，但并不是每種型式都能提供相同的防爆等級(jí)，因此引入設(shè)備保護(hù)級(jí)別(EPL)的概念，從而為防爆電氣設(shè)備的選型提供又一標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，即爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的可能性和頻次的多少，考慮設(shè)備要求的安全程度高低，從而避免點(diǎn)燃源可能形成的點(diǎn)燃危險(xiǎn)。爆炸性氣體環(huán)境下，設(shè)備保護(hù)級(jí)別分為Ga，Gb和Gc，其保護(hù)級(jí)別依次減弱。Ga級(jí)設(shè)備在正常運(yùn)行或罕見(jiàn)故障發(fā)生的時(shí)候，其不會(huì)成為點(diǎn)燃源；Gb級(jí)設(shè)備在正常運(yùn)行或預(yù)期故障發(fā)生的時(shí)候，不是點(diǎn)燃源；Gc級(jí)設(shè)備在正常運(yùn)行中不是點(diǎn)燃源，同時(shí)也可采取一些附加保護(hù)措施，使其在點(diǎn)燃源預(yù)期經(jīng)常出現(xiàn)的情況下不會(huì)形成有效點(diǎn)燃[6]。因此在確認(rèn)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域后，可根據(jù)相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定，選擇適用于該區(qū)域內(nèi)的相應(yīng)設(shè)備保護(hù)級(jí)別的電氣設(shè)備，爆炸性環(huán)境內(nèi)電氣設(shè)備保護(hù)級(jí)別與危險(xiǎn)區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]見(jiàn)表1所列。

表1 爆炸性環(huán)境內(nèi)電氣設(shè)備保護(hù)級(jí)別的選擇

電氣設(shè)備保護(hù)級(jí)別與電氣設(shè)備防爆型式的關(guān)系[7]見(jiàn)表2所列。

表2 電氣設(shè)備保護(hù)級(jí)別與電氣設(shè)備防爆型式的關(guān)系

根據(jù)表1和表2綜合考慮可知，針對(duì)不同的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域可選用相對(duì)應(yīng)的防爆型式的電氣設(shè)備，即0區(qū)可選用本安型；1區(qū)可選擇隔爆型、增安型等及適用于0區(qū)防爆形式的電氣設(shè)備；2區(qū)可用無(wú)火花型及適用于0區(qū)和1區(qū)防爆形式的電氣設(shè)備。

3.2 根據(jù)氣體或蒸汽的引燃溫度選擇

由于多種爆炸性氣體(蒸汽)的點(diǎn)燃溫度各自不同，控制點(diǎn)燃源的最高表面溫度也是重要的一種防爆手段。由前文可知，引燃溫度是易燃性物質(zhì)的氣體或蒸汽與空氣形成的混合物的規(guī)定條件下被熱表面點(diǎn)燃的最低溫度，所以防爆電氣設(shè)備的表面溫度最高不應(yīng)超過(guò)當(dāng)前環(huán)境下爆炸性氣體的引燃溫度，從組別T1到T6防爆等級(jí)要求依次提高，遵從以上要求并結(jié)合表1選型。氣體或蒸汽的引燃溫度與設(shè)備溫度組別之間關(guān)系[2]見(jiàn)表3所列。

表3 氣體或蒸汽的引燃溫度與設(shè)備溫度組別之間的關(guān)系

3.3 根據(jù)氣體或蒸汽的分級(jí)選擇

防爆設(shè)備選型的級(jí)別及組別不應(yīng)低于該爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)爆炸性物質(zhì)的級(jí)別及組別，并且當(dāng)該環(huán)境下存在兩種或以上可燃性物質(zhì)形成的爆炸性氣體混合物時(shí)，應(yīng)按照混合后的爆炸性氣體混合物的級(jí)別和組別，選擇相應(yīng)的防爆電氣設(shè)備，若混合爆炸性氣體級(jí)別等無(wú)據(jù)可查時(shí)，可按照較高級(jí)別和組別的氣體性質(zhì)，選擇相應(yīng)類別的防爆電氣。氣體和蒸汽與電氣設(shè)備類別的關(guān)系[2]應(yīng)符合規(guī)范中的要求，詳見(jiàn)表4所列。

表4 氣體、蒸汽或粉塵分級(jí)與電氣設(shè)備類別的關(guān)系

除以上提及的幾點(diǎn)重要選型原則外，還應(yīng)考慮周圍環(huán)境如防塵、防腐、溫度、濕度及大氣壓；設(shè)備選型是否符合經(jīng)濟(jì)性原則，即在同等級(jí)別及防護(hù)要求下，綜合考慮各個(gè)產(chǎn)品的價(jià)格、使用壽命、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等因素；設(shè)備選型是否便于維護(hù)，即在同等條件下，應(yīng)選結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量小的產(chǎn)品，選擇適用于當(dāng)下環(huán)境的設(shè)備且避免不必要的高選。

4 接線箱的選擇

4.1 接線箱介紹

接線箱主要作用是用于線路過(guò)渡連接的箱體，其內(nèi)部安裝有端子排、接地螺栓，箱體上配有進(jìn)線密封格蘭。除普通的接線箱外，還有帶軌道可安裝軌道式溫度變送器的接線箱。所有接線箱進(jìn)出線口的方向、數(shù)量、進(jìn)線口大小及內(nèi)部端子數(shù)量可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整變化。接線箱外殼材質(zhì)也有多種選擇，可根據(jù)實(shí)際的要求選擇不同材質(zhì)的接線箱。通常在化工裝置內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)儀表種類較多造成電纜過(guò)多，設(shè)置接線箱使其達(dá)到整齊統(tǒng)一，降低電纜費(fèi)用，且預(yù)留接線為后期增加儀表提供便利。一般工程設(shè)計(jì)中，對(duì)接線箱做出統(tǒng)一性的要求，如接線箱尺寸、本體材質(zhì)、進(jìn)出線口的數(shù)量及規(guī)格，以及要求每個(gè)接線箱配儀表位號(hào)的銘牌接地端子等。

4.2 不同類型接線箱的使用及選擇

接線箱的選擇也要根據(jù)其具體的環(huán)境要求，選擇相應(yīng)類型的接線箱。常用接線箱按其使用范圍不同常分為防水、防塵、防腐接線箱，即普通接線箱和防爆接線箱。防爆接線箱又根據(jù)其不同防爆型式分為很多種，但無(wú)論是防爆接線箱還是防水、防塵、防腐接線箱，它們的基本功能都是一樣的。

防爆接線箱是各種危險(xiǎn)區(qū)域所使用的特殊設(shè)備，通常采用鋁合金壓鑄或者是采用不銹鋼焊接而成，從而能夠起到防爆的接線箱。防爆接線箱的分類有隔爆型與增安型，無(wú)論哪一種防爆形式，所允許使用的最高防護(hù)級(jí)別，即能夠適應(yīng)的爆炸性氣體環(huán)境，都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的評(píng)定、認(rèn)證。根據(jù)環(huán)境的要求不同，可以選擇不同類型的接線箱。防爆型接線箱主要使用在爆炸性氣體環(huán)境區(qū)域，它能夠起到將防爆接線箱內(nèi)與外環(huán)境完全隔開(kāi)，而且箱體具備非常強(qiáng)的抗壓能力。防水、防塵、防腐接線箱一般采用的是防腐蝕性超強(qiáng)的材質(zhì)，如玻璃纖維不飽和聚酯樹(shù)脂，設(shè)計(jì)上采用的是密封防水、防塵技術(shù)。綜上所述可以得出： 防爆接線箱與防水、防塵、防腐接線箱的不同點(diǎn)主要在于使用的環(huán)境不一樣，其他功能大多是相同的。

在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，接線箱的防爆類型的選擇結(jié)合前文表2，表3可知，在1區(qū)環(huán)境下，隔爆型和增安型接線箱都可選用，下面將詳細(xì)講述兩種接線箱的差別及選用。

4.2.1隔爆型接線箱

隔爆型接線箱是通過(guò)ATEX或IECEX防爆認(rèn)證的防爆接線箱，防爆原理是通過(guò)箱體隔爆面阻止和隔斷內(nèi)部的爆炸向外部爆炸危險(xiǎn)環(huán)境傳播，即通過(guò)箱體有效地隔離和熄滅爆炸火花，并且將溫度降低至當(dāng)前環(huán)境下安全的溫度組別，因此該接線箱的隔爆接合面寬度、接合面間隙及表面的粗糙度均為隔爆的重要參數(shù)，外殼材質(zhì)多為鑄鋁合金。內(nèi)部接線端子采用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的Ⅰ、Ⅱ級(jí)絕緣材料，且接線端子間及端子與金屬箱體間的電氣間隙滿足規(guī)范要求，以確保該接線箱可用于1區(qū)及2區(qū)環(huán)境，電纜通過(guò)導(dǎo)線管或防爆格蘭接頭接到接線箱的內(nèi)部，對(duì)于不安裝電纜的接線口，可通過(guò)安裝有防爆認(rèn)證的堵頭來(lái)滿足安全等級(jí)需要。

4.2.2增安型接線箱

增安型接線箱也是防爆接線箱的一種形式，由2.2節(jié)所述可知，防爆原理是在正常運(yùn)行條件下不產(chǎn)生電弧、火花或者能點(diǎn)燃爆炸性混合物的設(shè)備結(jié)構(gòu)上，采取相應(yīng)措施提高其安全程度，防止以上情況產(chǎn)生的防爆接線箱。按照規(guī)范說(shuō)明其可用于1，2區(qū)，它的結(jié)構(gòu)不同于隔爆接線箱，其接線箱外殼不要求具有承受內(nèi)部爆炸的強(qiáng)度，但應(yīng)該滿足規(guī)定中要求的能承受一定程度的機(jī)械性沖擊破壞，外殼材質(zhì)通常為不銹鋼。接線箱內(nèi)接線端子為經(jīng)認(rèn)證的增安型端子排，以及電纜接口應(yīng)為增安型電纜格蘭。

對(duì)比兩種防爆類型的接線箱，其差異基本在于由防爆原理不同產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)差異，隔爆型接線箱對(duì)箱內(nèi)的端子排無(wú)認(rèn)證要求，只需滿足材料及間隙位置要求即可，但接線箱的進(jìn)線格蘭應(yīng)保證為隔爆型；增安型接線箱的端子排應(yīng)為認(rèn)證的增安型。

4.2.3接線箱選用

在化工裝置中，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分多為1區(qū)、2區(qū)，根據(jù)前文介紹的兩種隔爆類型的接線箱均可運(yùn)用于實(shí)際項(xiàng)目中，在非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域選擇防水、防塵、防腐的普通接線箱即可，那么隔爆類型的接線箱由于價(jià)格及體積結(jié)構(gòu)上的差異，如何在實(shí)際項(xiàng)目中合理選擇就成了一個(gè)問(wèn)題。并且對(duì)于剛接觸儀表行業(yè)的工程師來(lái)說(shuō)，若對(duì)此不深究的話，可能會(huì)單純的從名稱上認(rèn)為隔爆信號(hào)的電纜應(yīng)該接入隔爆型接線箱，而其余的本安信號(hào)及非隔爆信號(hào)電纜就應(yīng)接入增安型接線箱，這是正確但并不是絕對(duì)合理的選擇。從第3章介紹的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域電氣設(shè)備選型原則來(lái)看，接線箱類型的選擇只與其所在位置環(huán)境的危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)有關(guān)而與其究竟連接何種信號(hào)無(wú)關(guān)，因此在可用的危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)隔爆信號(hào)電纜接入增安型接線箱。另外，從前文提到的可維護(hù)性來(lái)看，隔爆型接線箱對(duì)隔爆面要求很高，同時(shí)，隔爆型接線箱體積及質(zhì)量也比增安型接線箱大很多，不便于安裝與搬運(yùn)。因此，在安裝及后期開(kāi)箱檢查等方面可操作性較增安型接線箱來(lái)說(shuō)更難一些；另外從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，隔爆接線箱的金屬材料需求量大，并且由于隔爆面要求高，則加工精確程度也遠(yuǎn)高于增安型接線箱，因此其價(jià)格也是增安型接線箱的幾倍。

在目前的化工裝置中大多項(xiàng)目都采用增安型接線箱，隔爆型接線箱相對(duì)使用較少。通常會(huì)在設(shè)計(jì)階段中，規(guī)定對(duì)于接線箱要求選型為增安型隔爆接線箱的，本安信號(hào)要求其對(duì)應(yīng)接入的接線箱內(nèi)端子為藍(lán)色，本安電纜顏色要求為藍(lán)色，對(duì)隔爆信號(hào)并無(wú)特殊要求，隔爆信號(hào)電纜顏色為黑色。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著化工裝置的日益增多，在筆者參與設(shè)計(jì)的常規(guī)項(xiàng)目中，若存在0區(qū)等特殊的危險(xiǎn)環(huán)境，可將接線箱放置在不同爆炸性氣體環(huán)境，使其處于低危險(xiǎn)區(qū)域，選擇相應(yīng)儀表；若無(wú)特殊要求，在化工裝置爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)選擇接線箱，首先在考慮安全可靠性的前提下，也應(yīng)適當(dāng)考慮其經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性、項(xiàng)目設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性及美觀性，選擇增安型接線箱，是合理且適當(dāng)?shù)摹?/p>