淺談石化裝置防爆設計及爆炸危險區域劃分

孫彥軍，張婷婷， 包磊（寧夏寶塔石化集團設計院（有限公司），寧夏 銀川 750001）

馬程（銀川寶塔精細化工有限公司，寧夏 銀川 750001）

在石油化工企業中，大部分裝置的物料都是易燃易爆，爆炸和火災事故是威脅石化企業安全的一個重要問題。因此裝置大都處于爆炸危險環境。如：常減壓、催化裂解、加氫制氫、重整-柴油加氫、聚丙烯等屬于爆炸危險環境。在這種環境中，電動儀表和電氣設備的火花常常是引起爆炸事故的主要原因之一。因此，嚴格、細致地劃分爆炸危險場所的等級和危險介質的級別，經濟合理的選用防爆設備，并輔以建筑物的防爆設計、加強通風等措施，以防止爆炸條件的形成和減輕爆炸危險的嚴重程度，是工程設計的一項基礎性工作。

目前，國內外對危險區域的劃分基本分為兩大系列：美國和加拿大采用美國NEC標準；中國和歐洲國家采用國際電工協會IEC標準。國內現行的爆炸危險區域GB與IEC標準是完全對應的。本文論述主要以中國國家標準（GB）為主。

1 爆炸危險的產生

首先，在石化裝置中可燃氣體的泄露是不可避免的，這是由工藝介質自身物性和設備及過程特點決定；還有物系自一種狀態迅速地轉變成另一種狀態，并在瞬間以機械功的形式放出大量能量的過程。這些都為爆炸提供的一種潛在的爆炸危險環境。

氣體爆炸發展程度由多方面因素決定，但準確定義時必須同時具備下面三個條件:

(1)存在易燃氣體、易燃液體的蒸汽或薄霧;

(2)上述物質與空氣混合其濃度在爆炸極限以內;

(3)存在足以點燃爆炸性混合物的火花，電弧或高溫。

以上三個條件，石化企業任何一套裝置都同時具備，為了保證企業的安全生產，我們必須對石化企業進行爆炸危險區劃的劃分。

其次，可燃氣體混合物的爆炸性是由于可燃物質性質的不同和爆炸感度的不同所決定的，即引起爆炸程度的參數不同決定的。爆炸的參數一般指閃點、自燃溫度、最小點燃電流、最小點燃電流比、爆炸上下限和最大試驗安全間隙[1]。

(1) 閃點是指引起閃燃時的溫度。閃燃是指可燃液體或固體的表面上，在一定溫度時產生一定的可燃蒸汽的濃度。當其在空氣中達到一定的可燃性混合物濃度時，遇到火源就可發生燃燒瞬間火光的現象。故易燃液體或固體在閃點以上溫度時，遇到明火會隨時發生點燃的危險。相反，在閃點以下溫度時，可燃蒸汽的壓力低，其與空氣混合生成的混合物還不足以與明火相遇而被點燃的危險。

(2) 自燃是物質因長期的緩慢氧化作用，在無明火或電火花情況下而自發地發生燃燒現象。該易燃物質因受外界熱源作用下升溫達到自燃溫度或者是由于自身內部化學或物理作用或生化過程使熱量積聚，升高溫度而達到自燃點溫度。

(3) 最小點燃電流（MIC）：在規定的實驗裝置上，用直流24V，95mH的電感電路的火花進行3000次點燃試驗時，能夠發生點燃的最小電流。

(4) 最小點燃電流比（MICR）是各種可燃氣體或蒸汽與空氣相混合的混合物的最小點燃電流對甲烷/空氣混合物的最小點燃之比值。

(5) 爆炸極限值是指可燃氣體或蒸汽與空氣混合形成的可燃氣體濃度低于該可燃氣體爆炸下限（LEL）或高于其爆炸上限（UEL）都不會發生爆炸。上限和下限間的可燃氣體濃度稱為爆炸范圍區，不屬于上限和下限內的范圍稱為非爆炸范圍區。

(6) 最大試驗安全間隙（MESG）是指在規定的標準試驗條件下測定的。在一定殼體內充有一定濃度的被試驗氣體或蒸汽與空氣的混合物，點燃后，通過25mm長的結合面均不能點燃殼體外爆炸性氣體混合物的外殼空腔與殼內兩部分的最大間隙。

對于設計而言，可燃氣體混合物的引起爆炸程度的參數很說明裝置的某個區域的爆炸危險程度，所以采用不同的爆炸參數來研究爆炸區域劃分是很有必要的。

2 爆炸危險區域[2]

爆炸危險性場所的分類，應由懂得易燃性材料性能、設備工藝性能的技術人員提出易燃性介質及其釋放源和懂得安全、工程技術人員根據有關規范，來劃分爆炸危險區域。為盡量準確地劃分區域，在根據有關標準和規范劃分的同時，還應參考以往的經濟和行業特點。既要保證生產裝置的安全可靠，又要避免人為提高爆炸危險區域等級，而造成工程投資浪費。

爆炸危險場所的劃分首先要查找和確定釋放源，根據釋放源的等級，劃分爆炸危險區域，然后還應結合釋放源所處的通風條件調整區域的劃分。

2.1 查找和確定釋放源

在每個工程項目中，每一臺加工設備(如罐、泵、管道、容器、調節閥等)，其內部含有易燃性物料，就應視為潛在釋放源。在場所分類中，首先應按易燃物質的釋放頻繁程度和持續時間長短確定釋放源的等級。根據規范規定共分為三級:

(1) 連續級釋放源:預計長期釋放或短時頻繁釋放的釋放源，可劃為連續級釋放源。

如:固定頂貯罐的上部空間和排氣口;油、水分離器等，直接與空氣接觸的易燃液體的表面;經?；蜷L期向空間釋放易燃氣體或易燃液體的蒸汽的自由排氣孔或其它孔口等。

(2) 第一級釋放源:預計正常運行時周期或偶爾釋放的釋放源，可劃為第一級釋放源。

如:正常運行時，會釋放易燃物質的泵、壓縮機和閥門等的密封處、取樣口等。 在此“正常運行”是指正常的開車、運轉、停車、易燃物質產品的裝卸、密閉容器蓋的開閉，安全閥、排污閥以及所有工廠設備都在其設計參數范圍內工作的狀態。

(3)第二級釋放源:預計在正常時不會釋放，即使釋放也僅是偶爾短時釋放的釋放源，可劃為第二級釋放源。

如:正常運行時不會出現釋放易燃物質的泵、壓縮機和閥門的密封處;正常運行時不會釋放易燃物質的法蘭、連接件、管道接頭、安全閥、排氣孔和取樣口。

由上述兩種或三種級別釋放源組成的釋放源，稱為多級釋放源。

2.2 爆炸危險區域的劃分

石化裝置中根據爆炸性氣體出現的頻率和持續時間將危險場所劃分為三個區域：即0區、1區、2區。爆炸危險區域的劃分是根據爆炸性混合物出現的頻繁程度和持續時間確定的，

首先根據有關專業提供的爆炸危險區域劃分條件和釋放源的等級劃分爆炸危險區域:

(1) 爆炸性氣體環境連續出現或長時間存在的場所或者存在連續釋放源的區域可劃分為0區;

(2) 在正常運行時，可能出現爆炸性氣體環境的場所或者存在第一級釋放源的區域可劃分為1區;

(3) 在正常運行時，不可能出現爆炸性氣體的環境，如果出現也是偶爾發生并且僅是短時間存在的場所或者存在第二級釋放源的區域可劃分為2區。

然后應根據通風條件調整區域劃分。當通風良好時，應降低爆炸危險區域等級;當通風不良時應提高爆炸危險區域等級。

在生產裝置中0區是極個別的，大多數屬于2區，在設計中劃分爆炸危險區域時，應采取合理措施盡量減少1區。

2.3 爆炸危險區域的范圍

爆炸危險區域的范圍劃分，除了按照規范條文規定以外，還與以下幾個因素有關:

(1) 易燃物質的泄出量;

(2) 釋放速度;

(3) 釋放的爆炸氣體混合物的濃度;

(4) 易燃液體的沸點(液體混合物初沸點);

(5) 爆炸下限;

(6) 閃點 ;

(7) 通風量等。

這些量的增加與減少都與爆炸危險區域范圍的大小有直接的關系。因這些量界定的因素較復雜。所以上述所列影響范圍大小的參數，只是采用了IEC規定，而該規定迄今為止只是一個原則性規定，無具體尺寸可遵循。由于實際生產裝置的工藝、設備、儀表、通風布置等條件各不相同，在具體設計中均需結合實際情況妥善選擇，才能確保安全。

在區域劃分中有些場所要特別引起注意，一是裝置內的中央控制室和變配電所，應盡量布置在爆炸危險區域范圍以外，位于爆炸危險區域場所附加2區內，設計中其室內外地坪高差應大于0.6 m.二是加熱爐區的爆炸危險區域，離爐子外壁1.5 m內應視為非防爆區[3]。

在爆炸危險區域劃分后，應對其結果畫出“爆炸危險區域劃分圖”，作為在該區域范圍內的設備的選型依據。

3 爆炸危險場所防爆設備選型

在選擇使用于爆炸危險場所的設備（包括電氣、儀表、泵、罐、塔、容器等）前，應首先明確以下內容:

（1）爆炸危險場所環境的類別是爆炸性氣體環境還是爆炸性粉塵環境。不同的爆炸性介質其設備的防爆結構要求是不一樣的。我們通常所說的防爆設備大多數指的是爆炸性氣體環境中使用的，如dⅡBT4,dⅡCT6等，而用于爆炸性粉塵環境的設備應為防塵結構(標志為DP，主要用于可燃性非導電粉塵和可燃纖維的11區環境)或塵密結構(標志為DP，主要用于爆炸性粉塵10區環境和其它爆炸性粉塵11區環境。)

（2） 根據可能引爆的最小火花能量，環境中爆炸性氣體混合物的爆炸級別，即Ⅰ、ⅡA , ⅡB ,ⅡC。其級別根據產生爆炸性氣體的介質不同而不同，見表1。

表1 爆炸氣體組別

氣體組別對應設備分類，對于隔爆型設備，按最大實驗安全間隙劃分；對于本安型設備，按最小引燃電流劃分，從表1中可以看出，ⅡC組設備具備對ⅡA , ⅡB組的通用性。

3.1 環境中爆炸性氣體混合物的組別或溫度等級

這是易燃性物質的氣體或蒸汽與空氣形成的混合物的規定條件下被熱表面引燃的最低溫度。溫度等級通常被定義為引燃溫度，可燃氣體的引燃溫度越高越難引燃，越低越易引燃。爆炸性氣體環境中電氣設備溫度組別見表2。從組別T1到T6隨著引燃溫度的降低，其設備的防爆要求逐級提高。

表2 Ⅱ類爆炸性氣體環境中電氣設備溫度組別

可選設備溫度等級見表3：

表3 可選設備溫度等級

爆炸性氣體的分類、分級、氣體組別和溫度等級見表4。

表4 爆炸性氣體的分類、分級、氣體組別和溫度等級[1]

3.2 周圍環境對防爆設備的選型要求

如周圍環境內化學的、機械的、熱的、霉菌等不同環境條件，在防爆設備選型時應同時考慮。

在考慮以上幾條基本要求后，可選擇能滿足要求的防爆電氣產品。對有些必須布置在爆炸危險區域內的電氣設備，而其防爆要求又不能滿足場所要求的時候，可采用正壓通風，具體要求詳見國標GB50058—92。

各種防爆類型標志如下:

隔爆型 d 充油型 o

增安型 e 充沙型 q

本質安全型 ia,ib 無火花型 n

正壓型P 特殊型 s

以上防爆型式，在石油化工企業經常用到的有隔爆型 d、本質安全型 ia,ib、增安型 e、正壓型P，其他防爆型式在石化裝置中的設備上基本無應用。爆炸危險區適用防爆類型見表5。

表5 爆炸危險區適用防爆類型[4]

4 結 語

在爆炸危險區域環境內，除本文所述爆炸危險區的劃分、設備的選型外，要保證安全生產，還有許多方面要考慮。如儀表和電氣線路的設計安裝、系統接地的設計安裝等，這方面國家規范和有關設計手冊都有嚴格的標準和詳細的介紹，所以，正確理解和運用爆炸設計手冊和標準規范來進行正確的工程設計，以避免錯誤設計和過度設計。

[1]陸德民,張振基,黃步余. 石油化工自動化控制設計手冊[M]. 北京:化學工業出版社.2000.

[2]SH3063-2009. 石油化工企業可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范[S].

[3]GB50160-2008. 石油化工企業防火設計規范[S].

[4]薛東勝. 爆炸危險區劃分和儀表防爆設計[J]. 石油化工自動化,2010,46(4)14-16.