江湖一佳 劉柏清 丁建旭 鄭日有

（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)量檢驗(yàn)檢測中心（廣東），廣東 廣州 510760）

0 引言

目前，國內(nèi)外關(guān)于粉塵爆炸特性參數(shù)測定標(biāo)準(zhǔn)組成基本一致，主要包括粉塵爆炸性、粉塵最小點(diǎn)火能量、粉塵最低著火溫度、粉塵云爆炸下限濃度、粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率、粉塵爆炸最低氧含量等［1］。但是在測試方法上存在不同的差異。粉塵爆炸特性參數(shù)的測定是粉塵防爆標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，它是后期粉塵防爆設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并對粉塵涉爆企業(yè)的安全生產(chǎn)和政府依法履行安全監(jiān)管職責(zé)提供指導(dǎo)性建議［2］。而國內(nèi)外對粉塵防爆對比分析研究集中在標(biāo)準(zhǔn)體系、防爆監(jiān)管、事故統(tǒng)計(jì)和監(jiān)管體系等方面［3-5］。因此，對國內(nèi)外粉塵爆炸特性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，有利于檢測機(jī)構(gòu)規(guī)范各自的檢測能力，縮小國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室之間因標(biāo)準(zhǔn)理解程度差異造成的測試不準(zhǔn)確性，避免粉塵涉爆企業(yè)對測試結(jié)果持懷疑態(tài)度，提高國內(nèi)市場的競爭力。

1 國內(nèi)外粉塵爆炸特性參數(shù)測定標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀

粉塵涉爆企業(yè)生產(chǎn)、加工出的粉塵并不是純物質(zhì)，其中混雜物質(zhì)的比例直接影響粉塵的特性。根據(jù)各自生產(chǎn)工序的不同和原料物質(zhì)配比的差異，特有的粉塵爆炸特性參數(shù)測定是對粉塵爆炸的危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)先評價(jià)，以及后期采用何種爆炸防護(hù)措施的重要依據(jù)［6］。國外對粉塵爆炸特性參數(shù)測定標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)有德國工程協(xié)會(huì)（VDI）、國際電工技術(shù)委員會(huì)（ISO/IEC）、美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)（ASTM）、美國防火協(xié)會(huì)（NFPA）和歐盟（EN）等。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)由全國市場監(jiān)督管理總局組織，國家標(biāo)準(zhǔn)化委員管理會(huì)管理［7］。目前施行的粉塵爆炸特性參數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)通常為推薦性標(biāo)準(zhǔn)。粉塵爆炸特性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系如圖1 所示。

圖1 粉塵爆炸特性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

2 各粉塵爆炸特性參數(shù)測定分析

2.1 粉塵云最小點(diǎn)火能量

粉塵云最小點(diǎn)火能量是指處于最容易著火濃度條件下，使粉塵云著火的點(diǎn)火源能量的最小值［1］。原理即通過壓縮空氣將粉塵樣品擴(kuò)散到哈特曼管內(nèi)，調(diào)整粉塵濃度和粉塵噴撒參數(shù)（即著火延遲時(shí)間和噴塵壓力），使其形成最易燃燒的粉塵云，測出使其持續(xù)燃燒的火花的最低能量。具體的測試標(biāo)準(zhǔn)方法見表1。

表1 粉塵云最小點(diǎn)火能量標(biāo)準(zhǔn)方法比較分析

檢測機(jī)構(gòu)測定粉塵云最小點(diǎn)火能量常用的標(biāo)準(zhǔn)有《粉塵云最小著火能量測定方法》（GB/T 16428—1996）、《空氣中粉塵云的最小點(diǎn)火能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》（ASTM E2019—2003）（R2013）、《爆炸性氣體環(huán)境》（ISO/IEC 80079—2011）、《爆炸性環(huán)境第12 部分：可燃性粉塵物質(zhì)特性試驗(yàn)方法》（GB/T 3836.12—2019）等4 種。因GB/T 3836.12 等同于ISO/IEC 80079，論文中只針對后者分析。筆者分別從粒徑、粉塵含水率、測試設(shè)備、判定依據(jù)等方面展開研究。

從粒徑角度，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)接收到的樣品無法進(jìn)行試驗(yàn)，或者不能代表工藝物質(zhì)時(shí)，可對樣品進(jìn)行研磨、篩選、干燥等處理。ISO/IEC 80079 則選用粒徑小于63m 的顆粒。 GB/T 16428 和ASTM E2019選用樣品粒徑小于75m 的顆粒。

從粉塵含水率角度，ISO/IEC 80079、GB/T 16428、ASTM E2019 未做特殊規(guī)定，但在測試報(bào)告中需注明粉塵初始含水率。

粉塵云最小點(diǎn)火能量的測定是在粉塵判定為可燃性后，涉粉企業(yè)對場所內(nèi)靜電接地等能量輸出提供指導(dǎo)性建議進(jìn)行的參數(shù)測試。而參數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)最大的不同在于測試步驟，國內(nèi)關(guān)于粉塵云最小點(diǎn)火能量測定的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 16428 和GB/T 3836.12。GB/T 16428 雖有提及到粉塵濃度、著火延遲時(shí)間、噴塵壓力三者的影響，但并未明確三者應(yīng)怎樣賦值。而GB/T 3836.12 噴塵壓力固定選用0.7 MPa，粉塵濃度和著火延遲時(shí)間已明確改變的數(shù)值，如粉塵質(zhì)量濃度可選用750、1 200、2 000 mg/L 等，著火延遲時(shí)間可選用60、120、180 ms 等。另外，粉塵云最小點(diǎn)火能量最終結(jié)果是界限范圍，GB/T 16428 標(biāo)準(zhǔn)中E1（未出現(xiàn)點(diǎn)燃的最大能量值）和E2（出現(xiàn)點(diǎn)燃的最小能量值）是從20 次連續(xù)試驗(yàn)獲得的。GB/T 3836.12 則是從10 次試驗(yàn)獲取。國外標(biāo)準(zhǔn)有ISO/IEC 80079 和ASTM E2019，ASTM E2019 并未考慮到噴塵壓力對最小點(diǎn)火能量影響。ASTM E2019 為快速找到出現(xiàn)點(diǎn)燃的最小能量值，則是以倍數(shù)≤3.3 降低，而ISO/IEC 80079 為減半降低。

就國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)而言，GB/T 16428 于1996 制定，標(biāo)準(zhǔn)描述過于簡單，并未對影響因素進(jìn)行賦值，從而使檢測機(jī)構(gòu)測試時(shí)無法進(jìn)行統(tǒng)一，造成數(shù)據(jù)結(jié)果具有差異。GB/T 3836.12 于2019年實(shí)施，彌補(bǔ)GB/T 16428 的不足，為每個(gè)影響因素提供大致的參考數(shù)值，便于實(shí)驗(yàn)室檢測人員試驗(yàn)最初的開展。在對E1和E2進(jìn)行確定時(shí)，GB/T 3836.12 亦進(jìn)行了優(yōu)化，由20 次試驗(yàn)改成10 次，不再是連續(xù)試驗(yàn)獲得的結(jié)果，而是只要發(fā)生一次點(diǎn)燃即可。此次優(yōu)化是因粉塵發(fā)生爆炸條件存在很多偶然性因素，更用于快速準(zhǔn)確找到能量值。國外標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2019 于2019年進(jìn)行更新，標(biāo)準(zhǔn)描述的方法對測試人員專業(yè)素養(yǎng)要求較高，能量值的選取采用“逼近法”，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到平滑的拋物曲線。此外，所有標(biāo)準(zhǔn)在選用最初的能量值點(diǎn)燃粉塵時(shí)，只描述選用一定引起點(diǎn)燃的能量值開始試驗(yàn)，而這個(gè)能量值的選用會(huì)直接反映到E1和E2這2 個(gè)界限的最終確定。這也是實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行比對時(shí)，首先需告知對方的關(guān)鍵參數(shù)。

2.2 粉塵層最低著火溫度

粉塵層最低著火溫度是指粉塵層受熱時(shí)，使粉塵層的溫度發(fā)生突變（點(diǎn)燃）時(shí)的最低加熱溫度（環(huán)境溫度）［1］。粉塵層著火溫度反映了粉塵在堆積狀態(tài)時(shí)對點(diǎn)燃的敏感程度?；驹硎菍⒁?guī)定厚度的粉塵層置于熱表面上，給定某個(gè)溫度，當(dāng)粉塵層中的生熱速率大于周圍環(huán)境的熱損失率時(shí)，粉塵層即會(huì)著火，測得其發(fā)生著火時(shí)熱表面的最低溫度。具體的測試標(biāo)準(zhǔn)方法見表2。

表2 粉塵層最低著火溫度標(biāo)準(zhǔn)方法比較分析

在粒徑方面，GB/T16430 標(biāo)準(zhǔn)要求粒徑可為小于75m 和小于500m。ASTM E2021 要求粒徑小于75m，而ISO/IEC80079 要求采用粒徑小于63m 進(jìn)行測試。

測試設(shè)備方面，常見的粉塵層最低著火溫度測試儀主要組成部分為熱表面，而GB/T 16430 和ISO/IEC 80079 熱表面在無粉時(shí)最高溫度達(dá)到400 ℃即可，ASTM E2021 為450 ℃。

判定依據(jù)方面，ASTM E2021 稍微存在差異，判斷粉塵層發(fā)生著火由粉塵層溫度高于熱表面溫度250 ℃變更為至少超過50 ℃，刪除粉塵層溫度達(dá)到450 ℃。

粉塵層最低著火溫度參數(shù)的測定是為涉粉場所內(nèi)控制設(shè)備表面溫度提供參考意見。在測試步驟方面，GB/T 16430 和ISO/IEC 80079 建議每個(gè)溫度下測試的時(shí)間大致為30 min，30 min 結(jié)束后溫度沒有進(jìn)一步升高，則結(jié)束試驗(yàn)。而ASTM E2021 測試時(shí)間為2 h。另外，在最高未著火溫度GB/T 16430 和ASTM E2021 要求做3 次試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，而ASTM E2021 為至少重復(fù)1 次即可。

就國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)比較而言，粉塵層最低著火溫度的測定較一致，測試環(huán)節(jié)分別為熱表面升溫，制作粉塵層，觀察記錄試驗(yàn)現(xiàn)象。ASTM E2021 的優(yōu)勢在于可測試粉塵層著火溫度400 ～450 ℃的粉塵。缺點(diǎn)在于因未著火的最高溫度點(diǎn)需經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，不是一兩次試驗(yàn)即能完成，1 次試驗(yàn)2 h，耗時(shí)較長。GB/T 16430 和ISO/IEC 80079 雖只適用于400 ℃以下的粉塵，但已能滿足絕大部分工貿(mào)行業(yè)重點(diǎn)可燃性粉塵測試要求，測試時(shí)間30 min，并進(jìn)行3 次驗(yàn)證，可完全排除粉塵層未著火的不確定因素。此外，對于尺寸較粗的粉塵，除了用其他方法進(jìn)行預(yù)處理達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的粒徑外，當(dāng)為金屬粉塵，實(shí)驗(yàn)室不具備處理的能力時(shí)，GB/T 16430 放寬要求。

2.3 粉塵云最低著火溫度

粉塵云最低著火溫度是指粉塵云受熱時(shí)，使粉塵云的溫度發(fā)生突變（點(diǎn)燃）時(shí)的最低加熱溫度（環(huán)境溫度）［1］。空氣中粉塵云的著火是由于能量的傳遞引起爆炸的初始階段，一旦濃度在爆炸范圍內(nèi)的粉塵云被引燃，就會(huì)形成粉塵爆炸［8］。具體的測試標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 粉塵云最低著火溫度標(biāo)準(zhǔn)方法比較分析

從表3 可知，檢測機(jī)構(gòu)對粉塵云最低著火溫度測定采用的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 16429、ISO/IEC 80079、ASTM E1491。

在粉塵含水量方面，ASTM E1491 要求水分含量小于10%，其他無敘述。

在測試設(shè)備方面，有G-G爐、BAM爐等，檢測機(jī)構(gòu)常用的設(shè)備為G-G 爐。

在判定依據(jù)方面，3 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都強(qiáng)調(diào)在爐內(nèi)觀察到火焰則視為點(diǎn)燃或著火。只有GB/T 16429 明確可見火星和火焰的區(qū)別。

在測試步驟方面，第一次測試GB/T 16429 選用加熱爐溫度500 ℃，粉塵質(zhì)量0.1 g，空氣壓力10 kPa。而ISO/IEC 80079 在爐壁為500 ℃，粉塵質(zhì)量0.3 g，空氣壓力30 kPa 條件下進(jìn)行。ASTM E1491 則選用最佳粉塵爆炸濃度進(jìn)行第一次試驗(yàn)，壓力和加熱爐溫度設(shè)定到預(yù)定值。GB/T 16429 和ISO/IEC 80079中以50 ℃的步長升高溫度，以25 ℃的步長降低溫度。ASTM E1491 以50 ～100 ℃的步長升高溫度測試，以25 ℃的步長降低溫度以確定最低著火溫度以及最高未著火溫度。GB/T 16429 和ISO/IEC 80079在最高未著火溫度上需要做10 次試驗(yàn)驗(yàn)證。ASTM E1491 則在最高未著火溫度下至少驗(yàn)證5 次；為了保證試驗(yàn)的可驗(yàn)證性，最低著火溫度下至少觀察到3 次點(diǎn)燃。

國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16429 于1996年制定，經(jīng)試驗(yàn)表明，它的缺點(diǎn)在于初始空氣壓力為10 kPa，放置在儲(chǔ)粉室的粉塵通過大氣壓的作用，從玻璃管，到U 型管，再到加熱爐，因阻力作用，一定量的粉塵已黏附在管壁上。而實(shí)際達(dá)到加熱爐參與反應(yīng)的粉塵遠(yuǎn)低于實(shí)際稱重的粉塵。若壓力設(shè)置過低，還需計(jì)入一部分粉塵殘留在儲(chǔ)粉室的損失，造成粉塵云在相應(yīng)溫度下未出現(xiàn)著火的錯(cuò)誤判斷。ISO/IEC 80079在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改，空氣壓力為30 kPa，可滿足粉塵全部吹入加熱爐中。此外，進(jìn)行粉塵云最低著火溫度的測定，重點(diǎn)在于找到最強(qiáng)烈點(diǎn)燃的條件，ASTM E 1491 提到最強(qiáng)烈點(diǎn)燃的條件中最佳粉塵爆炸濃度的確定，即為產(chǎn)生最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)對應(yīng)的濃度。而缺點(diǎn)在于未說明噴粉壓力的取值。

2.4 粉塵最大爆炸壓力和最大壓力上升速率

粉塵最大爆炸壓力是指在規(guī)定容積和點(diǎn)火能量條件下，不同濃度粉塵云對應(yīng)的爆炸壓力峰值的最大值［1］。它是表明粉塵爆炸后所造成嚴(yán)重程度的重要參數(shù)，一般用于對爆炸防護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì)，如惰化、抑爆、隔爆等。具體的測試標(biāo)準(zhǔn)方法見表4。

表4 粉塵最大爆炸壓力和最大壓力上升速率標(biāo)準(zhǔn)方法比較分析

由上述可知，ASTME1226 和GB/T16426 在粒徑方面小于75m。粉塵含水量方面，GB/T 16426 為＜10%，ASTM E1226 則為≤5%。EN 14034 在這兩方面無特別要求。

測試設(shè)備方面，選用1 m3罐和20 L 球，目前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室對Pmax的檢測常用設(shè)備為20 L 球，1 m3罐多用于科學(xué)研究。

在判定依據(jù)方面，GB/T 16426 未給出規(guī)定，ASTM E1226 同粉塵爆炸性測試，引入PR進(jìn)行判斷。EN14034 中因1 m3罐的體積為20 L 球的50 倍，在與初始壓力進(jìn)行比較時(shí)會(huì)有所出入。

在測試步驟方面，EN14034 在2011年對Pmax和（dP/dt）max測定進(jìn)行了補(bǔ)充，規(guī)定測試壓力所選用初始濃度為250 g/m3，逐步增加濃度，濃度步長為250 g/m3，如果減小濃度按照50%濃度值的步長，直到在此系列中爆炸壓力和上升速率的最大值被清楚測得。第一個(gè)測試系列結(jié)束后，對接近測得的最大值［Pmax，（dP/dt）max］的濃度范圍再進(jìn)行2 個(gè)系列測試，即：最佳濃度、次高濃度和次低濃度。若壓力曲線圖與第一列系列一致，最后取三者的平均值。不一致則需重復(fù)試驗(yàn)，直到找到相一致的曲線圖。ASTM E1226在2019年對2 個(gè)參數(shù)測定進(jìn)行了修改，粉塵初始濃度、粉塵濃度步長都與EN14034 相同，只是判定依據(jù)中新加了化學(xué)點(diǎn)火頭對參數(shù)測定的影響。另外增加了1 m3罐與20 L 球比對時(shí)，20 L 球水循環(huán)裝置和體積差異對2 個(gè)設(shè)備之間比對的數(shù)據(jù)換算。

目前粉塵最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測定的唯一國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)于1996年發(fā)布，此標(biāo)準(zhǔn)對測試過程中粉塵初始濃度、粉塵濃度步長、發(fā)生爆炸的判定依據(jù)均未給出相應(yīng)的規(guī)定。只提及采用不同的粉塵濃度重復(fù)測試，找到曲線圖，根據(jù)圖求得Pmax和（d P/dt）max。這給檢測機(jī)構(gòu)之間比對留有太多不確定因素，參考價(jià)值不大。國外標(biāo)準(zhǔn)EN14034 和ASTM E1226 給出了完整的測試步驟和取值意見，避免因粉塵濃度取值不同，導(dǎo)致誤差范圍擴(kuò)大。ASTM E1226優(yōu)于EN14034 是對測試的粉塵粒徑和水分含量進(jìn)行限制，此時(shí)得到Pmax和（dP/dt）max數(shù)值可能會(huì)比實(shí)際工藝發(fā)生爆炸產(chǎn)生的壓力大，因?qū)嶋H工藝中會(huì)混雜著粗粉塵，粉塵未經(jīng)過烘干等處理。但上述參數(shù)的測定是后期選擇何種級別防爆措施的重要因素，可直接有效減小甚至避免粉塵發(fā)生爆炸產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，減小人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2.5 粉塵云爆炸下限濃度

粉塵云爆炸下限濃度是粉塵云在給定能量的點(diǎn)火源作用下，剛好發(fā)生自動(dòng)持續(xù)燃燒的最低濃度［1］。在實(shí)際工藝中，可以采用控制粉塵濃度在爆炸下限以下的方法防止爆炸發(fā)生［9］。具體的測試標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 粉塵云爆炸下限濃度標(biāo)準(zhǔn)方法比較分析

由上述可知，ASTM E1515 和GB/T 16425 在粒徑方面小于75m，粉塵含水量方面則為≤5%。EN 14034 無特別要求。測試設(shè)備同粉塵最大爆炸壓力和最大壓力上升速率。

判定依據(jù)方面，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)引入絕對壓力的概念，而實(shí)驗(yàn)室設(shè)備測出來的數(shù)據(jù)大多數(shù)為相對壓力。實(shí)際轉(zhuǎn)化成相對壓力的表述為≥0.05 MPa，與EN14034的判定一致。

在測試步驟方面，國標(biāo)對于粉塵云爆炸下限濃度的測定在2018年進(jìn)行修改。測試采用2 kJ 點(diǎn)火頭，初次試驗(yàn)按10g/m3的整數(shù)倍確定粉塵濃度。粉塵濃度步長的改變以10g/m3的整數(shù)倍增加或減少。爆炸下限濃度需通過一定范圍不同濃度的粉塵爆炸試驗(yàn)測定。而國外標(biāo)準(zhǔn)EN14034 的點(diǎn)火頭引爆能量有差異，20L 球采用2kJ 點(diǎn)火頭，1m3罐為10kJ。從500g/m3開始試驗(yàn)，減小質(zhì)量濃度按照50%濃度值的步長，如在500 g/m3濃度下未爆，以質(zhì)量濃度步長為250 g/m3增加。ASTM E1515 標(biāo)準(zhǔn)初始實(shí)驗(yàn)選用100 g/m3，若未發(fā)生爆炸以100 g/m3增加質(zhì)量濃度。粉塵濃度的步長采用“內(nèi)插法”，步長不能超過爆炸下限的25%。

關(guān)于粉塵云爆炸下限濃度的測定，國外標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)不同的是得出來為固定值，而不是一界限范圍。GB/T 16425 于2018年更新，作為國內(nèi)唯一測試爆炸下限的參考標(biāo)準(zhǔn)，已融合國外標(biāo)準(zhǔn)，取長補(bǔ)短，不僅對測試樣品的粒徑和含水量做了詳細(xì)的介紹，且在測試步驟、判定依據(jù)方面也能結(jié)合國內(nèi)設(shè)備，提出自己的見解。EN14034 則考慮到化學(xué)點(diǎn)火頭的影響，針對不同的設(shè)備，點(diǎn)火頭選用不同。缺點(diǎn)在于未描述所測試的粉塵類型。ASTM E1515 中步長的選擇較復(fù)雜，需經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)。

3 建議和結(jié)論

1）國內(nèi)外關(guān)于粉塵爆炸特性參數(shù)測定的標(biāo)準(zhǔn)比較齊全，檢測機(jī)構(gòu)可不斷擴(kuò)充自身的能力項(xiàng)，通過不同類型粉塵試驗(yàn)進(jìn)一步確定測試標(biāo)準(zhǔn)帶來的結(jié)果差異性，從而可自主選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，更具說服力。

2）國內(nèi)對于部分暫時(shí)施行的粉塵爆炸特性參數(shù)測定的標(biāo)準(zhǔn)仍在1996年，如粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率的測定，年限較久遠(yuǎn)，對測試無參考意義。應(yīng)加快對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化，而不是一味照搬國外標(biāo)準(zhǔn)，在充分理解消化的基礎(chǔ)上，演繹成國內(nèi)特色。

3）國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)測定條件不一致，檢測機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格遵循樣品測試條件進(jìn)行預(yù)處理，選擇具有代表性的粉塵，按照標(biāo)準(zhǔn)要求測試。當(dāng)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)無明確說明測試步驟時(shí)，可適當(dāng)引用國外標(biāo)準(zhǔn)，兩者融合使用。