楊 帆工程師 馬秋菊講師

(1.上海飛機(jī)制造有限公司，上海201324；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Composite)由于具有穩(wěn)定性高、密度低等優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于航天、航空、能源、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。在其實(shí)際生產(chǎn)和加工過(guò)程中均有粉塵產(chǎn)生，碳纖維復(fù)合材料粉塵由于比表面積顯著增加，其火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性也顯著增大，給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)一定的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于碳纖維復(fù)合材料粉塵的研究大多集中在工業(yè)衛(wèi)生及職業(yè)病防護(hù)方面[1-3]，對(duì)其爆炸特性鮮有研究。隨著人們對(duì)粉塵爆炸危害的認(rèn)識(shí)不斷加深，對(duì)粉塵爆炸特性參數(shù)的研究一直是近年來(lái)科研工作者的研究熱點(diǎn)。潘峰等[4-5]以小麥、淀粉和玉米淀粉為試驗(yàn)材料，研究了兩種粉塵的爆炸極限、最小點(diǎn)火能、最大爆炸壓力和最大爆炸指數(shù)。巢曼[6]等利用20L爆炸球測(cè)試裝置、哈特曼管裝置對(duì)三環(huán)唑粉塵的爆炸特性進(jìn)行了研究。曹衛(wèi)國(guó)[7]等研究了煤粉在密閉空間中爆炸壓力等特性參數(shù)的影響因素。

粉塵爆炸的猛烈程度一般用最大爆炸壓力、最大壓力上升速率及爆炸指數(shù)來(lái)衡量。這些參數(shù)值越大，說(shuō)明粉塵的爆炸越猛烈、爆炸破壞力越大。粉塵爆炸的難易程度通常以爆炸下限等參數(shù)來(lái)衡量，數(shù)值越小，說(shuō)明粉塵爆炸越容易發(fā)生。掌握這些參數(shù)對(duì)于保障工業(yè)生產(chǎn)安全具有重要的意義。實(shí)驗(yàn)室通常采用20L球形爆炸測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試。

本文的研究對(duì)象是一種在民用飛機(jī)上廣泛應(yīng)用的樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料粉塵，按照相應(yīng)的國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其爆炸壓力、壓力上升速率、爆炸指數(shù)和爆炸下限等爆炸特性參數(shù)進(jìn)行初步測(cè)試，并對(duì)其產(chǎn)塵環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，以期對(duì)碳纖維復(fù)合材料粉塵爆炸預(yù)防、防護(hù)隔離以及危險(xiǎn)性分級(jí)起到指導(dǎo)作用。

1 試樣和測(cè)試方法

1.1 生產(chǎn)車(chē)間粉塵采集

此次測(cè)試樣品為某飛機(jī)制造企業(yè)的碳纖維預(yù)浸料，通過(guò)打磨設(shè)備產(chǎn)生的粉塵，經(jīng)橫行通風(fēng)濾筒式集塵器收集形成。實(shí)驗(yàn)前將樣品粉塵置于28℃環(huán)境中干燥72h。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

20L球形爆炸測(cè)試裝置主要用于測(cè)試粉塵云的最大爆炸壓力、最大壓力上升速率等參數(shù)，用于評(píng)估粉塵云的爆炸危險(xiǎn)性。主要由球形爆炸罐本體、控制系統(tǒng)、揚(yáng)塵系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、預(yù)抽真空系統(tǒng)以及測(cè)試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1。20L球形爆炸裝置的點(diǎn)火能量為10kJ。

容器內(nèi)的壓力變化過(guò)程經(jīng)壓力傳感器和變送器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并保存在計(jì)算機(jī)中。通過(guò)對(duì)壓力—時(shí)間曲線(xiàn)的分析可以得到不同質(zhì)量濃度下粉塵的爆炸下限、爆炸壓力和爆炸指數(shù)。

圖1 20L球形爆炸測(cè)試裝置系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of 20L sphere explosion test system

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 最大爆炸壓力、最大壓力上升速率和爆炸指數(shù)測(cè)試

根據(jù)《粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測(cè)定方法》(GB/T 16426-1996)[8]，20L球形爆儲(chǔ)粉罐內(nèi)粉塵在2.0MPa揚(yáng)塵壓力的壓縮空氣的推動(dòng)下，噴入預(yù)先抽至真空度為0.04MPa(表壓-0.06MPa)的爆炸罐內(nèi)，均勻地分散形成粉塵云，延遲60 ms點(diǎn)火引爆。通過(guò)分析爆炸產(chǎn)生的壓力—時(shí)間曲線(xiàn)得到爆炸壓力Pm和壓力上升速率(dp/dt)m。在測(cè)試的濃度范圍內(nèi)的最大值即為最大爆炸壓力Pmax和最大壓力上升速(dp/dt)max。

根據(jù)Km=(dp/dt)m·V1/3 [8]計(jì)算出爆炸指數(shù)，并依據(jù)粉塵爆炸危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)。

1.3.2 爆炸下限

爆炸下限濃度Cmin是粉塵在給定能量點(diǎn)火源作用下，剛好發(fā)生自動(dòng)持續(xù)燃燒的最低濃度。試驗(yàn)采用《粉塵云爆炸下限濃度測(cè)定方法》(GB/T 16425-2018)[9]，以10g/m3的整數(shù)倍確定粉塵濃度。如測(cè)得的爆炸峰值壓力等于或大于0.15MPa的絕對(duì)壓力，則以10g/m3的極差減小粉塵濃度繼續(xù)試驗(yàn)，直至連續(xù)3次同樣試驗(yàn)所測(cè)得峰值壓力均小于0.15MPa的絕對(duì)壓力。如測(cè)得的爆炸峰值壓力小于0.15MPa的絕對(duì)壓力，則以10g/m3的整數(shù)倍增加粉塵濃度繼續(xù)試驗(yàn)，直至試驗(yàn)所測(cè)得峰值壓力大于或等于0.15MPa的絕對(duì)壓力。將連續(xù)3次同樣試驗(yàn)所測(cè)得峰值壓力均小于0.15MPa的絕對(duì)壓力的最高濃度定為C1，連續(xù)3次同樣試驗(yàn)所測(cè)得峰值壓力大于0.15MPa的絕對(duì)壓力的最低濃度定為C2，所測(cè)得粉塵試樣爆炸下限濃度Cmin則介于C1和C2之間[9]，即C1

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 爆炸下限濃度

依據(jù)本文1.3.2的測(cè)試方法，測(cè)得某生產(chǎn)條件下的碳纖維復(fù)合材料粉塵的爆炸下限濃度為40～50g/m3，判斷屬于可燃性粉塵。

2.2 最大爆炸壓力和最大壓力上升速率

采用10kJ點(diǎn)火能量，以40g/m3作為粉塵測(cè)試初始濃度值，逐步改變粉塵濃度，得到不同濃度下粉塵的爆炸壓力曲線(xiàn)，如圖2。為盡可能全面反映粉塵的爆炸表現(xiàn)，在測(cè)試濃度中，選擇了從測(cè)試初始濃度值40g/m3到1000g/m3的10個(gè)濃度值。而在正常生產(chǎn)情況下，除在集塵罩內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)大濃度粉塵狀況。從圖2可知，在不同濃度下，粉塵的爆炸壓力先上升后下降。這在濃度為250g/m3、500g/m3、750g/m3時(shí)尤為明顯，爆炸壓力先急速上升，后迅速下降。

圖3給出了不同濃度下，粉塵的最大壓力和最大壓力上升速率結(jié)果曲線(xiàn)。在測(cè)試范圍內(nèi)，粉塵的最大壓力隨濃度的增大先上升后下降，在500g/m3達(dá)到最大值0.48MPa。而最大壓力上升速率隨濃度的增大而持續(xù)變大。在測(cè)試的最大濃度1000g/m3時(shí)(1000g/m3濃度在實(shí)際打磨環(huán)境很難達(dá)到)，最大壓力上升速率的最大值為17.62MPa/s。這與某些其他粉塵的測(cè)試結(jié)果[5,10-11]很不一樣。這一“反?！笨赡芘c該新型復(fù)合材料的特殊結(jié)構(gòu)及性質(zhì)有關(guān)。

圖2 不同濃度下，粉塵的爆炸壓力曲線(xiàn)Fig.2 Graph of explosion pressure of the dust with different concentrations

圖3 粉塵最大爆炸壓力和最大壓力上升速率隨粉塵濃度變化的趨勢(shì)Fig. 3 The trend of maximum explosion pressure and the rise rate with dust concentration change

2.3 爆炸指數(shù)

在給定的測(cè)試濃度范圍內(nèi)(40～1000g/m3)，爆炸指數(shù)也隨濃度單調(diào)增大，見(jiàn)表1。在測(cè)試的最大濃度1000g/m3時(shí)，爆炸指數(shù)最大值為4.78MPa·m/s。根據(jù)ISO6184[12]粉塵爆炸烈度等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2，判斷該粉塵的爆炸烈度為St1級(jí)。

在《工貿(mào)行業(yè)重點(diǎn)可燃性粉塵目錄》(2015版)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“目錄”)中列出了爆炸危險(xiǎn)級(jí)別較大的45種工貿(mào)行業(yè)常見(jiàn)粉塵爆炸特性參數(shù)。對(duì)于研究新材料爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，最直接的方法就是與已知常見(jiàn)的粉塵爆炸特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比和分析。

《目錄》中涉及到的爆炸下限最大的粉塵為鋅粉(400g/m3)，最小為萘粉(15g/m3)，與碳纖維復(fù)合材料粉塵爆炸下限(50g/m3)接近的有鋁粉(60g/m3)、玉米淀粉(60g/m3)等；最大爆炸壓力最大的是鋁粉(1.24MPa)，最小的是煙葉粉塵(0.48MPa)，與碳纖維復(fù)合材料粉塵最大爆炸壓力相同；在《目錄》種，爆炸指數(shù)最大的是鋁粉(62MPa·m/s)，最小的是煙葉粉塵(1.2MPa·m/s)，碳纖維復(fù)合材料粉塵爆炸指數(shù)在測(cè)試濃度范圍內(nèi)(40～1000g/m3)為4.78MPa·m/s介于大米粉(5.7MPa·m/s)和小麥粉(4.2MPa·m/s)之間，低于《目錄》中80%常見(jiàn)粉塵的爆炸指數(shù)。

由此可見(jiàn)，碳纖維復(fù)合材料粉塵的最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)均屬于較低的水平，爆炸敏感性低。但在實(shí)際生產(chǎn)中，如不加以控制，仍然會(huì)因?yàn)榉e聚達(dá)到爆炸濃度下限，從而引發(fā)爆炸。因此，需要通過(guò)相應(yīng)的防護(hù)性措施對(duì)粉塵作業(yè)環(huán)境進(jìn)行約束。

表1 不同濃度粉塵爆炸測(cè)試結(jié)果Tab.1 Explosion test data of the dust with different concentrations

表2 粉塵爆炸烈度等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(ISO6184)Tab.2 Classification standard of dust explosion intensity (ISO6184)

3 產(chǎn)塵車(chē)間點(diǎn)火源風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

粉塵爆炸參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的影響因素很多[7，11]。本文得出的爆炸特性參數(shù)只能表示在當(dāng)前實(shí)際工況下產(chǎn)生的特定粒徑范圍的粉塵，在某一特定測(cè)試條件下的數(shù)值。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，粉塵發(fā)生爆炸，除了與粉塵本身爆炸特性有關(guān)，還與爆炸環(huán)境密切相關(guān)。其中，點(diǎn)火源就是引發(fā)爆炸的關(guān)鍵因素。本文對(duì)產(chǎn)塵車(chē)間爆炸環(huán)境點(diǎn)火源進(jìn)行識(shí)別并采取防范措施，使系統(tǒng)的殘余風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍內(nèi)。

3.1 實(shí)際產(chǎn)塵環(huán)境

本文以某飛機(jī)制造企業(yè)碳纖維復(fù)合材料打磨車(chē)間為例，對(duì)潛在點(diǎn)火源進(jìn)行識(shí)別。產(chǎn)塵工藝為打磨，產(chǎn)塵崗位均設(shè)置了干式除塵系統(tǒng)。采用兩種獨(dú)立的干式除塵系統(tǒng)，橫行通風(fēng)濾筒式集塵器和室外脈沖袋式除塵器，主要涉及的設(shè)備包括：納米阻燃濾筒、鋁合金葉輪風(fēng)機(jī)、隔膜閥、電磁閥組、防爆電機(jī)等。

3.2 潛在點(diǎn)火源辨識(shí)

在對(duì)實(shí)際產(chǎn)塵環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)中，主要對(duì)實(shí)際工藝、裝置中可能出現(xiàn)的潛在點(diǎn)火源進(jìn)行辨識(shí)。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的點(diǎn)火源主要有[13]：熱表面；火焰和高溫氣體；機(jī)械火花；沖擊波、氣流和自發(fā)引燃；均衡補(bǔ)償電流及陰極防腐保護(hù)；靜電；閃電；104～3×1012Hz的電磁波；電離輻射；超聲波；絕熱壓縮。另外，在考慮潛在點(diǎn)火源時(shí)，不光要考慮設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，同時(shí)需要關(guān)注可能發(fā)生的故障和誤操作。在本例中，針對(duì)涉及的產(chǎn)塵裝置和除塵設(shè)備，只考慮熱表面、機(jī)械火花、靜電。

(1)熱表面是指表面溫度超過(guò)了設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度，往往是由于運(yùn)動(dòng)部件的故障引起。本例中，可能引發(fā)熱表面的有鋁合金葉輪風(fēng)機(jī)及電機(jī)、打磨設(shè)備電機(jī)、除塵器進(jìn)風(fēng)口等。

(2)機(jī)械火花可能產(chǎn)生于運(yùn)動(dòng)的或帶有運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)備。本例中，可能引發(fā)機(jī)械火花的部位有異常狀態(tài)下風(fēng)機(jī)及葉片連接處等。

(3)靜電需要考慮不同的放電模式對(duì)粉塵的影響。一般來(lái)說(shuō)靜電產(chǎn)生于物體摩擦、接觸、剝開(kāi)等機(jī)械作業(yè)面。本例中，可能產(chǎn)生靜電的有人體、管道或?yàn)V袋中的粉塵、除塵器與進(jìn)出風(fēng)管及卸灰裝置的連接處、鋁制風(fēng)管等。

3.3 防爆措施

根據(jù)3.1和3.2節(jié)討論結(jié)果，對(duì)實(shí)際工況下的防爆措施[14-15]進(jìn)行分析。在粉塵爆炸指數(shù)不高的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮預(yù)防性管理措施，并同時(shí)采取防護(hù)性措施，把爆炸后果限制在可接受的范圍。在本例中可采取的措施有：

(1)建立粉塵防爆相關(guān)安全管理制度和崗位安全操作規(guī)程，明確防范粉塵爆炸的安全作業(yè)和應(yīng)急處置措施。

(2)制定場(chǎng)所清掃制度，明確清掃方式、清掃范圍和清掃周期，防止積塵。

(3)明確設(shè)備檢查與維修重點(diǎn)，并定期組織開(kāi)展檢查。

(4)不采用產(chǎn)生火花的生產(chǎn)工藝；作業(yè)區(qū)域避免或嚴(yán)格控制明火；機(jī)動(dòng)車(chē)輛進(jìn)入作業(yè)區(qū)域要加裝防火罩。

(5)除塵器箱體采用鋼制金屬材質(zhì)，并采取防銹措施。

(6)除塵器與進(jìn)出風(fēng)管及卸灰裝置的連接采用法蘭連接并采用導(dǎo)電跨接，或法蘭上設(shè)置4個(gè)以上螺栓。

(7)除塵器濾袋采用阻燃及防靜電材料制成，同時(shí)保證與濾袋相連接的金屬材質(zhì)構(gòu)件(如濾袋框架、花板、短管等)同樣采取防靜電措施。

(8)工位吸塵罩采用鋼制金屬材料。

4 結(jié)論

(1)采用20L球形粉塵爆炸測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)得某碳纖維復(fù)合材料粉塵爆炸濃度下限為50 g/m3。最大爆炸壓力存在最大值0.48MPa，對(duì)應(yīng)的最佳敏感濃度為500g/m3。但在40～1000 g/m3濃度測(cè)試范圍內(nèi)，粉塵的最大壓力上升速率和爆炸指數(shù)均隨濃度的增加而變大。

(2)與《工貿(mào)行業(yè)重點(diǎn)可燃性粉塵目錄》(2015版)涉及的45種粉塵相比，該碳纖維復(fù)合材料粉塵最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)均不大，爆炸烈度等級(jí)為st1級(jí)，即輕微爆炸性。即便如此，也有必要對(duì)產(chǎn)塵操作、除塵系統(tǒng)等采取相應(yīng)的措施，以防止粉塵大量聚集引發(fā)爆炸。

(3)通過(guò)對(duì)產(chǎn)塵車(chē)間環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，得出實(shí)際工況下可采取的防爆措施，對(duì)新型碳纖維復(fù)合材料粉塵的工業(yè)防護(hù)具有實(shí)際的指導(dǎo)作用。