張錦輝，陳志明

(1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510180；2.國家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(廣東)，廣東 廣州 510760；3.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

隔爆型防爆設(shè)備目前廣泛的應(yīng)用于含有各種爆炸性氣體的危險環(huán)境中，是一種專門的防爆電氣設(shè)備[1]。隔爆型設(shè)備在實際應(yīng)用中內(nèi)部裝設(shè)有可能產(chǎn)生電火花和熾熱表面的電氣部件，憑借其堅固的防護(hù)外殼和合理的泄壓結(jié)構(gòu)，即使爆炸性的氣體混合物被內(nèi)部電氣部件引燃，火焰也無法穿透外殼，從而保證周圍環(huán)境的安全。現(xiàn)階段隔爆產(chǎn)品外殼的強(qiáng)度設(shè)計可以采用有限元分析等方法進(jìn)行仿真計算[2]，但對其內(nèi)部爆炸壓力的大小仍需要實測驗證。文獻(xiàn)[3]設(shè)計出一套多功能球型爆炸壓力測試系統(tǒng)，可以針對粉塵、氣體、液體蒸氣與空氣的混合物進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[4]對比分析了3種實驗裝置，即5 L圓形爆炸試驗裝置、管式極限試驗裝置、20 L球形爆炸試驗裝置，研究試驗裝置對爆炸極限的影響；文獻(xiàn)[5]提出了優(yōu)化測試結(jié)果的試驗方法，采用隔熱措施與隔振安裝結(jié)構(gòu)，降低熱、振動對測試信號的影響，對本文針對一種典型隔爆產(chǎn)品內(nèi)部爆炸壓力進(jìn)行測試提供了實踐指導(dǎo)。

現(xiàn)階段爆炸研究，無論是采用計算機(jī)進(jìn)行仿真模擬，還是實驗室優(yōu)化測試裝置和方法，均未對現(xiàn)場實際安裝的終端產(chǎn)品展開針對性的研究。本文選取了一種現(xiàn)場廣泛使用的圓管狀隔爆產(chǎn)品，通過改變初始溫度，氣體類型和樣品結(jié)構(gòu)等測試條件，利用示波器記錄其內(nèi)部爆炸壓力變化的全過程，對比分析樣品的爆炸壓力變化規(guī)律，為產(chǎn)品設(shè)計和工程實踐提供指導(dǎo)建議。

1 實驗裝置

實驗在自主研發(fā)的1 m3隔爆試驗罐中展開。實驗裝置主要包括氣體采樣分析系統(tǒng)、爆炸防護(hù)殼體、壓力探測系統(tǒng)、電火花點火裝置、配氣系統(tǒng)和穩(wěn)壓電源，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集，過程的智能控制和結(jié)果的可視化顯示。壓力傳感器的靈敏度為2.628 mV/kPa，測量范圍 0～2.0 MPa，壓力傳感器布置于頂面和底面的圓心處。裝置采用電火花點火，點火能量約為50 J，采用分壓配氣法，示波器采樣率250 MS/s。根據(jù)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)[6]和國家標(biāo)準(zhǔn)[7]的測試步驟，在常溫和低溫2種測試環(huán)境下，分別選取2種典型的可燃性氣體，即乙烯和氫氣，通過產(chǎn)品的組合變化形成2種隔爆腔體結(jié)構(gòu)，從而探索這些變量對圓管狀隔爆產(chǎn)品爆炸壓力的影響。參考文獻(xiàn)[8-10]分別從現(xiàn)場爆炸試驗的測試裝置，氧氣濃度和混合氣體的均勻性等角度開展研究。本文針對典型的樣品開展實驗研究。測試樣品選用2段外形尺寸分別為長250和500 mm，內(nèi)徑為φ161.5 mm的圓管狀隔爆產(chǎn)品，材質(zhì)為F304 L不銹鋼。樣品測試示意圖見圖1，測試流程如圖2所示。

圖1 圓管狀隔爆產(chǎn)品測試示意Fig.1 Schematic diagram for testing of cylindrical flameproof products

圖2 測試流程Fig.2 Testing flow chart

2 初始溫度對爆炸壓力的影響

文獻(xiàn)[11-13]對甲烷氣體爆炸壓力和溫度的關(guān)系展開研究，但是在型式試驗中考核隔爆產(chǎn)品性能的代表性氣體為乙烯。因此，試驗采用標(biāo)準(zhǔn)[6-7]推薦的(8±0.5)%濃度的乙烯空氣混合物，分別測試(20±1)℃和(-40±1)℃的初始環(huán)境溫度下，圓管狀隔爆產(chǎn)品頂面和底面爆炸壓力的大小。每種溫度下均開展5次測試并記錄比對。

混合氣體的初始壓力采用以下公式進(jìn)行計算：

p=100[293/(Ta+273)]

(1)

式中：p表示氣體壓強(qiáng)，kPa ；Ta表示環(huán)境溫度，℃。對于-40℃初始環(huán)境溫度下爆炸壓力的測試，可以利用此公式在提高試驗混合物壓力的條件下，在一般環(huán)境溫度下進(jìn)行測定，頂面爆炸壓力試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 乙烯不同溫度下頂面爆炸壓力對比Fig.3 Comparison of explosion pressure of ethylene at top surface under different temperatures

選取-40℃條件下乙烯氣體的爆炸壓力變化曲線展示如圖4所示，其中白色曲線side 1表示頂面壓力的變化，灰色曲線side 2表示底面壓力的變化。

圖4 乙烯爆炸壓力波形Fig.4 Waveform of explosion pressure of ethylene

經(jīng)比對，-40℃環(huán)境下爆炸壓力比20℃條件下爆炸壓力更大。樣品底面最大爆炸壓力由233 K時的0.824 MPa下降到293 K時的0.660 MPa。樣品頂面最大爆炸壓力由233 K時的0.755 MPa下降到293 K時的0.598 MPa。2處最大爆炸壓力分別下降了19.9%和26.3%。這是因為根據(jù)克拉伯龍方程式：

pV=nRT

(2)

式中：p表示氣體壓強(qiáng)，Pa ；V表示氣體體積，m3；n表示氣體物質(zhì)的量，mol；T表示絕對溫度，K；R表示氣體常數(shù)，約為8.314 J/(mol·K)。

在其他條件不變的情況下，初始溫度的升高減少了單位體積內(nèi)乙烯-空氣混合物物質(zhì)的量，從而減少了氣體燃燒爆炸放出的能量，最大爆炸壓力因此減小。從另一方面解釋，-40℃條件下，氣體的壓力更大，氣體分子之間的間距減小，氧化還原反應(yīng)的活性增加，更容易發(fā)生燃燒爆炸。

3 氣體類別對爆炸壓力的影響

文獻(xiàn)[14-15]對氫氣的爆炸特性展開了研究，氫氣作為標(biāo)準(zhǔn)[6-7]中危險等級最高的氣體之一，尤為值得關(guān)注。試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，在初始環(huán)境溫度(20±1)℃的條件下，分別對(8±0.5)%濃度的乙烯空氣混合物和(31±1)%濃度的氫氣空氣混合物開展爆炸測試。為避免試驗的偶然性偏差，采取5次爆炸測試的平均值作為評價指標(biāo)進(jìn)行對比。2種氣體在樣品頂面產(chǎn)生的爆炸壓力變化如圖5所示。在相同的初始條件下，(8±0.5)%濃度的乙烯空氣混合物和(31±1)%濃度的氫氣空氣混合物爆炸壓力平均值分別為0.623 MPa和0.610 MPa，兩者大致相等。

圖5 乙烯和氫氣爆炸壓力對比Fig.5 Comparisons of explosion pressure between ethylene and hydrogen

查閱資料[1]整理可得到乙烯和氫氣的爆炸特性如表1所示。經(jīng)分析比較可知，氫氣的爆炸極限非常寬，更容易被電火花引燃，因此國際和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]將其列為ⅡC類可燃性氣體。而乙烯作為ⅡB類可燃性氣體，更容易被熾熱高溫點燃，從氣體分級角度上看，危險性要低于氫氣。但是通過對比(8±0.5)%濃度的乙烯空氣混合物和(31±1)%濃度的氫氣空氣混合物的爆炸壓力測試數(shù)據(jù)可知，乙烯雖然氣體濃度低，但是得益于更大的相對分子質(zhì)量，其爆炸將產(chǎn)生水和二氧化碳，爆炸壓力會比氧化還原反應(yīng)后只生成水的氫氣更大。

表1 乙烯和氫氣的爆炸特性Table 1 Explosion characteristics of ethylene and hydrogen

4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)對爆炸壓力的影響

文獻(xiàn)[16-17]針對燈具和電機(jī)展開了爆炸壓力重疊的實驗研究。隔爆產(chǎn)品在使用過程中，因內(nèi)部安裝的電氣部件布置的需求，往往會改變腔體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。利用兩段圓筒狀隔爆殼體的組合連接，可以研究隔爆產(chǎn)品腔體結(jié)構(gòu)對爆炸壓力的影響，試驗所用樣品示意圖如圖6所示。

圖6 圓管狀隔爆產(chǎn)品組合測試示意Fig.6 Schematic diagram for testing of combined cylindrical flameproof products

2段外形尺寸分別為長250 mm和長500 mm，內(nèi)徑為φ161.5 mm的圓管狀隔爆殼體通過一塊中間帶有直徑為15 mm圓孔的φ220 mm，寬6mm的鋁制隔板連接。點火源位于底面，采用乙烯和氫氣兩種氣體，測試頂面和底面的爆炸壓力。測試結(jié)果如圖7，圖8所示，p1的壓力達(dá)到p2壓力的2～3倍，樣品內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的壓力重疊現(xiàn)象。

圖7 乙烯壓力重疊測試結(jié)果Fig.7 Testing results of pressure overlap of ethylene

圖9 氫氣爆炸壓力重疊波形Fig.9 Waveform of explosion pressure overlap of hydrogen

用示波器記錄氫氣在組合結(jié)構(gòu)中的爆炸壓力變化的波形如圖9所示，其中灰色曲線p1代表頂面壓力的變化，白色曲線p2代表底面壓力的變化。示波器清晰的記錄了樣品內(nèi)部氣體爆炸所產(chǎn)生的壓力重疊現(xiàn)象。通過點燃長度為500 mm段隔爆外殼內(nèi)部的可燃性氣體，其內(nèi)部率先開始發(fā)生燃燒爆炸反應(yīng)，p2探測到壓力升高。隨后，250 mm段隔爆外殼內(nèi)部的爆炸性氣體被引燃，由于受到預(yù)壓的影響，其爆炸壓力顯著升高，頂面p1的壓力尖峰數(shù)值達(dá)到底面p2的2倍以上。

測試結(jié)果表明隔爆結(jié)構(gòu)的變化會明顯改變爆炸壓力的大小，相連通的腔體引發(fā)的壓力升高可能會突破隔爆外殼的強(qiáng)度極限，從而引發(fā)事故。因此，在設(shè)計和安裝使用隔爆產(chǎn)品的過程中，應(yīng)提高安全意識，科學(xué)合理的布置腔體結(jié)構(gòu)，避免產(chǎn)生壓力重疊的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1)環(huán)境溫度越高，單位體積內(nèi)可燃?xì)怏w物質(zhì)的量減少，氣體分子之間的間距增大，燃燒爆炸反應(yīng)產(chǎn)生的能量減少，爆炸壓力更小。

2)氫氣的爆炸范圍寬，更易引燃，但是與乙烯相比，由于相對分子質(zhì)量更小，若要產(chǎn)生相同的爆炸壓力，氫氣的氣體濃度要求更高。

3)產(chǎn)品相互連通的腔體會導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)生燃燒爆炸時，產(chǎn)生爆炸壓力相互重疊的現(xiàn)象。過高的壓力會超出隔爆產(chǎn)品外殼的強(qiáng)度極限。因此，設(shè)計人員應(yīng)優(yōu)化隔爆產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，運行維護(hù)和檢修人員應(yīng)注意現(xiàn)場設(shè)備的規(guī)范使用。