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現(xiàn)場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，目前多以濃度檢測方式與爆炸極限范圍比對進(jìn)行判定，缺少現(xiàn)場快速爆炸性傾向評定裝置。易燃易爆危險(xiǎn)品事故現(xiàn)場未知混合氣體爆炸性判定，對于現(xiàn)場警戒區(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)室爆炸極限測定標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 12474—2008《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法》、EN 1839《氣體和蒸氣爆炸極限測定》（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定實(shí)質(zhì)是確定不同氧濃度下的混合氣體爆炸極限，測試裝置與爆炸極限的測定裝置相同，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爆炸極限測定方法》對于爆炸現(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定與實(shí)驗(yàn)裝置和測試條件有關(guān)，如測定容器形狀和容積、點(diǎn)火方式及能量、初始溫度、初始壓力和相對濕度等。對于一些難燃物質(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?。例如，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；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)境條件和測試方式綜合評測其爆炸性。

混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置設(shè)計(jì)

對于氣體爆炸性環(huán)境或場所，尤其是未知多組分混合氣體爆炸性環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室的測定無法真實(shí)反映現(xiàn)場混合氣體的爆炸性，通常以濃度探測與實(shí)驗(yàn)室測定爆炸極限來比對確定。而對于現(xiàn)場爆炸性環(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。對于現(xiàn)場爆炸性環(huán)境混合氣體的爆炸性測定，需要考慮現(xiàn)場取樣、防爆要求、點(diǎn)火引燃概率和便攜操作等。

現(xiàn)場自動(dòng)采樣

測試裝置現(xiàn)場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。對于爆炸腔體，采用氣體置換方式，用測定樣氣多次置換，進(jìn)而確保測試腔體內(nèi)氣體與待測樣氣組分一致。

點(diǎn)火方式

考慮爆炸現(xiàn)場不同的點(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)目測觀察方式，采用高速壓力測定和高速溫度測定雙重探測。對于混合氣體爆炸性壓力測定，通常以點(diǎn)火時(shí)刻壓力增量來判定，參考?xì)W盟和美國材料協(xié)會(huì)(ASTM)的相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，建議以點(diǎn)火時(shí)刻壓力提升7%～10%為判定準(zhǔn)則。對于混合氣體爆炸過程溫度測定，要求溫度檢測速度不高于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，測試快捷

測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、測試和判定，直接給出爆炸性判定結(jié)果和爆炸過程的溫度、壓力隨時(shí)間變化曲線，直觀明顯。

混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置送第三方進(jìn)行隔爆性能檢測，采用Ⅱ類試驗(yàn)用氣，丙烷、乙烯和氫氣進(jìn)行測定，試驗(yàn)用測定氣體體積比濃度分別為（4.6±0.3）%、（8.0±0.5）% 和（31.0±1.0）%。測試過程中，混合氣體爆炸性現(xiàn)場測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)場測試裝置

混合氣體爆炸性風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)場測定與評估

混合氣體爆炸性現(xiàn)場測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、石油化工場所、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)場快速測定與評估，對于現(xiàn)場警戒區(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。對于易燃易爆場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)室測定與現(xiàn)場條件、測定樣品的差異性，提高了現(xiàn)場偵檢和爆炸性環(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)場測定

對于爆炸性環(huán)境，現(xiàn)場混合氣體的種類、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，為此必須多次測定來綜合判定。通常建議1 m2之內(nèi)測樣點(diǎn)至少1個(gè)，且間斷測定。同時(shí)，建議與濃度探測裝置配合使用，相互驗(yàn)證，提高對爆炸性環(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)評估判定

對于混合氣體爆炸性風(fēng)險(xiǎn)評估，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)評估數(shù)據(jù)庫

對于現(xiàn)場測定評估混合氣體爆炸性，需要點(diǎn)火源、可燃混合氣體等相關(guān)數(shù)據(jù)庫支持。對于現(xiàn)場混合氣體，需要針對不同類型屬性的可燃?xì)怏w進(jìn)行測定，建立相關(guān)的爆炸性測定數(shù)據(jù)庫，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)場測定裝置進(jìn)行測定，根據(jù)爆炸壓力和溫度的變化趨勢和特征，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)測定和引燃數(shù)據(jù)概率分析，構(gòu)建典型點(diǎn)火源對可燃混合氣體的引燃概率數(shù)據(jù)庫，為現(xiàn)場環(huán)境的爆炸性風(fēng)險(xiǎn)評估奠定基礎(chǔ)。