王芙蓉 福陸 (中國)工程建設(shè)有限公司 上海201103

化工企業(yè)的生產(chǎn)、加工、處理、貯存等裝置中通常存在易燃或易爆的化學(xué)物料，因此這些場所會被定義為爆炸或火災(zāi)危險場所，區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備應(yīng)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》GB 50058－92進(jìn)行選擇。但是如果一個裝置由于它的原料、產(chǎn)品有易燃物質(zhì)，就把整個裝置都認(rèn)定為爆炸危險場所，既不經(jīng)濟(jì)，又不恰當(dāng)。另一方面，化工的物料復(fù)雜多變，并不是所有物料的特性都能與國標(biāo)中的例子很明確地對應(yīng)起來，可能模棱兩可，也可能對電氣設(shè)備的要求很苛刻，造成防爆設(shè)備選擇困難，若市場上沒有相應(yīng)設(shè)備供應(yīng)，將給工程帶來很多困難。這種情況下，危險區(qū)域劃分和設(shè)備選擇更需要仔細(xì)分析設(shè)計基礎(chǔ)條件。化工工程中，爆炸性氣體危險環(huán)境居多，本文僅對爆炸性氣體危險環(huán)境進(jìn)行分析。

1 爆炸的形成

爆炸的形成因素和過程見圖1。

圖1 爆炸的形成因素和過程

這里有幾個重要的概念將重點(diǎn)分析。

閃點(diǎn):在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，可燃液體能放出足量的蒸氣并在液體表面處與空氣形成能發(fā)生閃燃的氣體混合物的液體最低溫度。

引燃溫度:在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，可燃物質(zhì)不需要外來火源即發(fā)生燃燒的最低溫度，也稱為自燃點(diǎn)。

點(diǎn)火源:主要有明火、赤熱表面、電氣火花、靜電火花、沖擊和摩擦等等。

2 爆炸性氣體危險環(huán)境劃分及防爆電氣設(shè)備的選擇

在化工工程設(shè)計時，工藝人員應(yīng)提供設(shè)計條件，包括釋放源的位置，物料的名稱、級別、組別、閃點(diǎn)、沸點(diǎn)、引燃溫度、操作溫度、壓力、釋放速度等信息。電氣設(shè)計依據(jù)國標(biāo)規(guī)范，結(jié)合設(shè)計條件對爆炸和火災(zāi)危險區(qū)域做等級劃分之后，選擇相應(yīng)的電氣設(shè)備，包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)、低壓變壓器類、低壓開關(guān)和控制器類、燈具類、信號及報警裝置類、儀表等。

爆炸性危險環(huán)境的劃分，其根本源自對釋放源的分析和判斷，應(yīng)首先明確以下內(nèi)容。

2.1 爆炸性氣體危險環(huán)境的級別

按釋放源的級別和通風(fēng)條件，爆炸性氣體危險環(huán)境分為0區(qū)，1區(qū)，2區(qū)。

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

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

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

危險區(qū)域的范圍，應(yīng)按GB50028－1992第二章第三節(jié)確定。

2.2 爆炸性氣體混合物的爆炸級別

依照最大試驗安全間隙或最小點(diǎn)燃電流 (最小引爆火花能量)來區(qū)分爆炸性氣體混合物的級別，分為ⅡA、ⅡB、ⅡC三個級別，相應(yīng)的最小引爆火花能量，見表1。

2.3 爆炸性氣體混合物的組別或引燃溫度

這是易燃性物質(zhì)的氣體或蒸氣與空氣形成的混合物在規(guī)定條件下被熱表面引燃的最低溫度。從組別T1到T6隨著引燃溫度的降低，其電氣設(shè)備的防爆要求逐級提高。

表1 爆炸性氣體混合物的級別 (mJ)

2.4 周圍環(huán)境對防爆電氣設(shè)備的選型要求

防爆設(shè)備的防爆型式應(yīng)適用于其所在的爆炸危險區(qū)域。適用區(qū)域見表2。

表2 防爆型式與適用區(qū)域

周圍環(huán)境條件的不同，在防爆電氣設(shè)備選型時應(yīng)同時考慮。在考慮以上幾條基本要求后，進(jìn)行爆炸危險區(qū)域劃分，結(jié)合安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則，選擇能滿足要求的防爆電氣產(chǎn)品。

3 案例分析

3.1 物料引燃溫度低的案例

二氯硅烷 (Dichlorosilane以下簡稱DCS)，多存在多晶硅的生產(chǎn)裝置中，設(shè)備存在二級釋放源，如閥門、法蘭等。DCS的特性是極易燃，引燃溫度為44℃左右，并且有很強(qiáng)的水解性。

針對這種物料的危險區(qū)域劃分及設(shè)備選擇有多種觀點(diǎn)。①DCS極易燃，應(yīng)劃為火災(zāi)危險區(qū)域，而非爆炸危險區(qū)域;②鑒于DCS的危險性，以及泄漏時釋放的壓力、速度、環(huán)境等不確定因素，DCS泄漏有可能會發(fā)生爆炸，應(yīng)選擇T6組別的設(shè)備 (電機(jī)、部分儀表無法滿足);③劃分為爆炸危險區(qū)域，選擇T4或者更低組別的設(shè)備。

DCS易燃，同時還具有另一個重要特性——水解性，一旦泄漏，就會與空氣中的潮氣劇烈地反應(yīng)，水解成鹽酸氣體伴有氫氣，并形成白霧，產(chǎn)生大量的熱量。這些熱量在化工裝置里具有危險性，如果同時有其他的爆炸危險性物料泄漏進(jìn)入熱輻射的區(qū)域 (DCS釋放源附近)，可能成為其他物質(zhì)的點(diǎn)火源，而發(fā)生爆炸。因此，第一種觀點(diǎn)判定為非爆炸危險區(qū)域欠妥。

DCS水解反應(yīng)之后，物料已經(jīng)發(fā)生變化，原來的DCS已經(jīng)不存在;即使存在少量未完全反應(yīng)的也會被水解的熱量引燃，徹底燃燒。所以第二種觀點(diǎn)，擔(dān)心DCS形成爆炸性混合物，過于謹(jǐn)慎的選擇T6組別的設(shè)備是沒有意義的。

筆者認(rèn)為第三種觀點(diǎn)是有充足判據(jù)的，根據(jù)工藝技術(shù)專利商的經(jīng)驗及運(yùn)行中發(fā)生泄漏的實際情況證明，這個選擇也是正確的。

結(jié)合專利商的經(jīng)驗，本案例采取以下措施:

(1)工藝、通風(fēng)、建筑上采取一次防爆措施，本著消除0區(qū)，避免1區(qū)，減少2區(qū)的原則，合理布置設(shè)備，盡量減少閥門、法蘭等釋放源的數(shù)量，采用焊接連接方式。

(2)將DCS釋放源周圍15m劃分為爆炸危險區(qū)域2區(qū)，按照裝置內(nèi)除DCS外的物料的最高級別和組別確定區(qū)域的級別和組別。

(3)爆炸危險區(qū)域內(nèi)的電機(jī)、開關(guān)箱、照明、儀表等應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范防爆要求選擇相應(yīng)的防爆設(shè)備。

3.2 閃點(diǎn)明顯高于最高操作溫度

石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《導(dǎo)熱油加熱爐系統(tǒng)規(guī)范》SY/T 0524－2008第4.6.3條規(guī)定:導(dǎo)熱油加熱爐系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域為非防爆區(qū)。但規(guī)范中沒有給出具體解釋，定義為非防爆區(qū)的理由和判據(jù)。

筆者參讀了美國國家標(biāo)準(zhǔn)《危險區(qū)域內(nèi)的可燃液體、氣體和蒸汽分類 (用于電氣設(shè)備選擇及安裝)》NFPA 497－2008第 4.2.7.3條、4.4.2條，指出IIIB類的液體 (閃點(diǎn)等于或高于93℃的液體)即使在高溫下也幾乎不會變成氣相而形成可燃性氣體混合物，而且也幾乎不會被正確安裝、正常維護(hù)的通用電氣設(shè)備引燃。IIIB類的液體在泄漏時會迅速地冷卻至閃點(diǎn)以下。因此，幾乎不需要定義危險區(qū)域。

實際上，如果閃點(diǎn)明顯高于易燃液體的最高操作溫度，就不會形成爆炸性氣體混合物，也不需要劃分爆炸危險區(qū)域。導(dǎo)熱油加熱爐就是最典型的例子。導(dǎo)熱油型號不同，閃點(diǎn)有所不同，在200℃左右，但不論是何種型號的導(dǎo)熱油，工藝流程上其閃點(diǎn)肯定高于最高操作溫度。因此，導(dǎo)熱油加熱爐的運(yùn)行區(qū)域?qū)儆诜潜ㄎｋU區(qū)域。

其他閃點(diǎn)高于93oC或閃點(diǎn)明顯高于易燃液體的最高操作溫度的情況，同理可判定為非爆炸危險區(qū)域。

3.3 內(nèi)部明火的設(shè)備

燃?xì)忮仩t使用的燃?xì)庵饕刑烊粴狻⒔範(fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣。鍋爐存在釋放源，如閥門密封處，法蘭、連接件和管道接頭，放散管、取樣口、吹掃口，壓力、溫度等傳感器與燃?xì)夤艿肋B接處。本案例的爭議點(diǎn)在于，鍋爐附近是否應(yīng)劃為非爆炸危險區(qū)。

3.3.1 劃為非爆炸危險區(qū)的條件

《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》GB 50058－92第2.2.2條中有一條:在生產(chǎn)過程中使用明火的設(shè)備附近，或熾熱部件的表面溫度超過區(qū)域內(nèi)易燃物質(zhì)的引燃溫度的設(shè)備附近，劃為非爆炸危險區(qū)域。筆者尚未見到現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)對確定非爆炸危險區(qū)域的范圍的明確規(guī)定。參照石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)使用明火的設(shè)備 (有穩(wěn)定的、持續(xù)的外露火焰)附近或熾熱部件的表面溫度超過區(qū)域內(nèi)易燃物質(zhì)引燃溫度的設(shè)備附近為非爆炸危險區(qū)域，但該區(qū)域亦僅為設(shè)備周圍1.5m范圍。

符合以下兩種條件之一時可確認(rèn)為非爆炸危險區(qū)域。

(1)有穩(wěn)定的、持續(xù)的外露火焰。

(2)有穩(wěn)定的、持續(xù)的熾熱表面，且其表面溫度超過燃?xì)獾囊紲囟取?/p>

《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》GB 50160－2008為確定設(shè)備、建筑物平面布置的防火間距，提出“明火設(shè)備”的概念，即第2.0.8條:明火設(shè)備是指燃燒室與大氣連通，非正常情況下有火焰外露的加熱設(shè)備和廢氣焚燒設(shè)備。條文說明第5.2.1條中亦明確指出:明火設(shè)備主要指明火加熱爐、廢氣焚燒爐、乙烯裂解爐等。

而針對第二項條件，燃?xì)忮仩t常見燃?xì)獾囊紲囟?天然氣550℃，焦?fàn)t煤氣450～650℃，高爐煤氣550～650℃，轉(zhuǎn)爐煤氣550～630℃。也就是說，設(shè)備表面溫度應(yīng)超過燃?xì)獾囊紲囟?50～650℃才能滿足該條件。

3.3.2 鍋爐附近不屬于非爆炸危險區(qū)的判據(jù)

(1)燃?xì)忮仩t附近不存在穩(wěn)定的或持續(xù)的外露火焰。

爐膛是鍋爐設(shè)備的燃燒室，是一個四周用磚墻砌成 (或用混凝土澆成)的相對密閉空間，爐膛與爐外連通的僅有點(diǎn)火孔、看火孔、人孔、防爆門等。這些與爐外連通的孔均設(shè)有爐門，正常情況封閉或關(guān)閉。故燃?xì)忮仩t附近不存在穩(wěn)定的或持續(xù)的外露火焰。

(2)燃?xì)忮仩t外部未經(jīng)證實不能確認(rèn)存在超過易燃物質(zhì)引燃溫度的赤熱表面。

因為爐膛溫度很高，最里面的墻使用能耐高溫的耐火磚，為了高溫爐膛保溫，防止熱量散失，耐火磚外面采用保溫磚。與高溫火焰接觸的一層采用耐火混凝土，耐火混凝土外面再澆一層保溫混凝土，再外面用硅石保溫磚。

爐墻等采用絕熱性能良好的材料筑成并有效保溫，且具有相當(dāng)?shù)暮穸?，可最大限度防止?fàn)t墻、構(gòu)架、管道、門孔向周圍環(huán)境散熱造成的熱損失，提高鍋爐效率。故燃?xì)忮仩t外部，未經(jīng)證實不能確認(rèn)存在穩(wěn)定的、持續(xù)的、超過易燃物質(zhì)引燃溫度的赤熱表面。

因此，鍋爐周圍不能判定為非爆炸危險區(qū)域。

3.3.3 爆炸危險區(qū)域劃分

燃?xì)夤艿郎系尼尫旁磻?yīng)按常規(guī)方式劃分爆炸危險區(qū)域。一般屬于第二級釋放源，即預(yù)計在正常運(yùn)行下不會釋放，即使釋放也僅是偶爾短時釋放的釋放源。按上文介紹的爆炸性氣體危險環(huán)境劃分方法，燃?xì)忉尫旁锤浇鼞?yīng)劃為爆炸危險區(qū)域2區(qū)。對于燃?xì)庵赜诳諝獾?(如高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等)，爆炸危險區(qū)域的范圍還應(yīng)劃分附加2區(qū)。

3.3.4 爆炸危險區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備選擇

爆炸危險區(qū)域內(nèi)的電氣裝置，如配套輔機(jī)設(shè)備、電氣控制箱柜、消防控制箱、照明、傳感器、接線及接線盒等的設(shè)計安裝必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范防爆要求。

4 結(jié)語

對于國標(biāo)規(guī)范的理解和使用，不能流于形式。如果工程設(shè)計中遇到的實際情況，在規(guī)范中沒有明確可對應(yīng)的條款，或?qū)σ?guī)范理解不充分時，不能只依據(jù)以往經(jīng)驗做判斷。結(jié)合爆炸形成的條件，分析物料的閃點(diǎn)和引燃溫度，是否存在點(diǎn)火源，是否能形成爆炸，這才是科學(xué)的分類依據(jù)。

1 NFPA 497-2008，危險區(qū)域內(nèi)的可燃液體、氣體和蒸氣分類 (用于電氣設(shè)備選擇及安裝)。