圓管狀隔爆產品爆炸壓力測試實驗研究*

張錦輝，陳志明

(1.廣州特種機電設備檢測研究院，廣東 廣州 510180；2.國家防爆設備質量監督檢驗中心(廣東)，廣東 廣州 510760；3.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641)

0 引言

隔爆型防爆設備目前廣泛的應用于含有各種爆炸性氣體的危險環境中，是一種專門的防爆電氣設備[1]。隔爆型設備在實際應用中內部裝設有可能產生電火花和熾熱表面的電氣部件，憑借其堅固的防護外殼和合理的泄壓結構，即使爆炸性的氣體混合物被內部電氣部件引燃，火焰也無法穿透外殼，從而保證周圍環境的安全。現階段隔爆產品外殼的強度設計可以采用有限元分析等方法進行仿真計算[2]，但對其內部爆炸壓力的大小仍需要實測驗證。文獻[3]設計出一套多功能球型爆炸壓力測試系統，可以針對粉塵、氣體、液體蒸氣與空氣的混合物進行研究；文獻[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[5]提出了優化測試結果的試驗方法，采用隔熱措施與隔振安裝結構，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品內部爆炸壓力進行測試提供了實踐指導。

現階段爆炸研究，無論是采用計算機進行仿真模擬，還是實驗室優化測試裝置和方法，均未對現場實際安裝的終端產品展開針對性的研究。本文選取了一種現場廣泛使用的圓管狀隔爆產品，通過改變初始溫度，氣體類型和樣品結構等測試條件，利用示波器記錄其內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律，為產品設計和工程實踐提供指導建議。

1 實驗裝置

實驗在自主研發的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、爆炸防護殼體、壓力探測系統、電火花點火裝置、配氣系統和穩壓電源，能夠實現數據的實時采集，過程的智能控制和結果的可視化顯示。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IEC國際標準[6]和國家標準[7]的測試步驟，在常溫和低溫2種測試環境下，分別選取2種典型的可燃性氣體，即乙烯和氫氣，通過產品的組合變化形成2種隔爆腔體結構，從而探索這些變量對圓管狀隔爆產品爆炸壓力的影響。參考文獻[8-10]分別從現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，內徑為φ161.5 mm的圓管狀隔爆產品，材質為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[11-13]對甲烷氣體爆炸壓力和溫度的關系展開研究，但是在型式試驗中考核隔爆產品性能的代表性氣體為乙烯。因此，試驗采用標準[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)℃的初始環境溫度下，圓管狀隔爆產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行計算：

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

(1)

式中：p表示氣體壓強，kPa ；Ta表示環境溫度，℃。對于-40℃初始環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，在一般環境溫度下進行測定，頂面爆炸壓力試驗結果如圖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

經比對，-40℃環境下爆炸壓力比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%。這是因為根據克拉伯龍方程式：

pV=nRT

(2)

式中：p表示氣體壓強，Pa ；V表示氣體體積，m3；n表示氣體物質的量，mol；T表示絕對溫度，K；R表示氣體常數，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乙烯-空氣混合物物質的量，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，氧化還原反應的活性增加，更容易發生燃燒爆炸。

3 氣體類別對爆炸壓力的影響

文獻[14-15]對氫氣的爆炸特性展開了研究，氫氣作為標準[6-7]中危險等級最高的氣體之一，尤為值得關注。試驗依據標準[6-7]，在初始環境溫度(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進行對比。2種氣體在樣品頂面產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標準[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據可知，乙烯雖然氣體濃度低，但是得益于更大的相對分子質量，其爆炸將產生水和二氧化碳，爆炸壓力會比氧化還原反應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 內部結構對爆炸壓力的影響

文獻[16-17]針對燈具和電機展開了爆炸壓力重疊的實驗研究。隔爆產品在使用過程中，因內部安裝的電氣部件布置的需求，往往會改變腔體的內部結構。利用兩段圓筒狀隔爆殼體的組合連接，可以研究隔爆產品腔體結構對爆炸壓力的影響，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。測試結果如圖7，圖8所示，p1的壓力達到p2壓力的2～3倍，樣品內部出現了明顯的壓力重疊現象。

圖7 乙烯壓力重疊測試結果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構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部氣體爆炸所產生的壓力重疊現象。通過點燃長度為500 mm段隔爆外殼內部的可燃性氣體，其內部率先開始發生燃燒爆炸反應，p2探測到壓力升高。隨后，250 mm段隔爆外殼內部的爆炸性氣體被引燃，由于受到預壓的影響，其爆炸壓力顯著升高，頂面p1的壓力尖峰數值達到底面p2的2倍以上。

測試結果表明隔爆結構的變化會明顯改變爆炸壓力的大小，相連通的腔體引發的壓力升高可能會突破隔爆外殼的強度極限，從而引發事故。因此，在設計和安裝使用隔爆產品的過程中，應提高安全意識，科學合理的布置腔體結構，避免產生壓力重疊的現象。

5 結論

1)環境溫度越高，單位體積內可燃氣體物質的量減少，氣體分子之間的間距增大，燃燒爆炸反應產生的能量減少，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，由于相對分子質量更小，若要產生相同的爆炸壓力，氫氣的氣體濃度要求更高。

3)產品相互連通的腔體會導致其內部發生燃燒爆炸時，產生爆炸壓力相互重疊的現象。過高的壓力會超出隔爆產品外殼的強度極限。因此，設計人員應優化隔爆產品的結構設計，運行維護和檢修人員應注意現場設備的規范使用。