煤礦井下電氣設備防爆殼體結構探討

閆曉婷

（太重煤機有限公司，山西 太原 030032）

在煤礦井下作業過程中，電氣設備防爆型式需要得到規范，以便使人員生命財產安全得到保證。因此針對井下電氣設備進行管理，需要保證防爆殼體結構合理，促使設備安全性能得到提高。加強煤礦井下電氣設備防爆殼體結構的研究，實現結構合理設計，能夠為井下作業安全提供保障。

1 煤礦井下電氣設備的防爆殼體結構

煤礦井下環境擁有較多安全隱患，所以使用的電氣設備多采用防爆殼體結構，以便設備能夠承受外界混合物的爆炸沖擊，同時能夠避免設備內部產生電火花等給外部環境帶來影響。煤礦井下電氣設備防爆型式如表1所示。其中，“0區”“1區”和“2區”分別為正常情況下爆炸性氣體及其混合物長期存在、可能存在和不可能存在的區域[1]。設備防爆殼體結構還應保證堅固，以免因人員工作中的碰、拉而受損。井下作業環境悶熱、潮濕，應使結構具有一定密封性和散熱性，能夠避免設備被銹蝕的同時，保證設備能夠正常散熱。此外，井下空間有限，需要完成內部元件結構緊湊布局，使殼體結構體積得到盡可能減小，以便對井下空間進行最大化利用。防爆殼體結構是否安全，與材料、厚度等因素密切相關。綜合考慮各項因素，煤礦井下電氣設備防爆殼體結構多采用鋁合金、鋼板、鑄鋼等材料，可以直接接線或通過隔離爆炸物接線，但是需要承受1.5倍參考壓力，因此需要實現結構的合理設計[2]。

表1 煤礦井下電氣設備防爆型式

2 煤礦井下電氣設備防爆殼體結構設計

2.1 設備結構設計要求

某煤礦井下需要完成自動監測電氣設備安裝，設備所在區域可能存在爆炸性氣體及其混合物，屬于易燃易爆環境，為保證設備能夠始終進行周圍環境參數安全采集，需要選用隔爆型電氣設備。結合設備防爆型式和安裝方式，在防爆殼體結構設計上需要滿足歐洲國家防爆標準認證和我國防爆電氣設備防爆標準認證，采用滿足防爆標準要求的材料，并在結構外涂抹環氧樹脂。根據設備結構尺寸，初步確定防爆外殼結構長在16～25cm，外徑在11～14cm。設備所處環境惡劣，結構使用還應滿足-40～60℃的溫度要求，并配備3個接口，確保設備安裝后能夠對監測數值進行順利讀取。

2.2 殼體總體設計思路

采用隔爆外殼，需要在防爆外殼中進行電氣元器件的安裝，以防內部出現爆炸。作為常見防爆結構形式，該種防爆外殼能夠對外殼任何接合面或結構間隙進入的爆炸性混合物帶來的爆炸進行承受，保證設備不被損壞，同時能夠避免環境被點燃或爆炸。從總體設計上來看，需要保證結構后續壓力分布相對均勻，且內部爆炸壓力較小，以便加強爆炸防御。為滿足數據傳輸需求，需要完成兩個不同功能腔體的設置，分別用于放置核心元件和連接性元件，中間可采用絕緣套管等防爆部件實現隔離，體現結構隔爆性[3]。腔體需要采用玻璃透明罩，為人員查看設備狀態和監測數據提供便利。考慮瓦斯爆炸事故發生的可能性，需要保證結構同時具有耐爆性和隔爆性，同時殼體各部分需要通過焊接方式組合在一起，因此最終決定選用鋁鎂合金。

2.3 殼體結構外形設計

實際在對防爆外殼結構外形進行設計時，首先需要考慮結構的耐壓問題。作為隔爆型外殼，結構還應對內部爆炸壓力進行有效擔負，才能避免結構因爆炸出現變形或破裂問題，甚至導致明火、電火花到達外界環境中。在瓦斯形成氣體爆炸的瞬間，將給予設備爆炸壓力。爆炸后，混合物具有較高溫度，絕熱密閉容器中的溫度能夠達到2150～2650℃。在容積固定的情況下，運用玻義耳馬略特定律可以對溫度和壓力關系展開分析，得到：

式中：P和P0分別為爆炸后和爆炸前的壓力；T和T0分別為爆炸后和爆炸前的絕對溫度。

在分析過程中，可以根據設備所處環境得知爆炸前的壓力和絕對溫度，而爆炸后甲烷濃度為9.5%，混合氣體爆炸瞬間溫度通常在2100～2200℃，可以轉換為絕對溫度。在實際分析中，可以對0.5～6.4L容積的外殼結構進行分析，可以發現壓力相差不到104Pa。由此可見，結構壓力與容積無關。針對兩腔相連的殼體結構，還應避免爆炸后壓力疊加，所以應使腔體容積比不超過4∶1。但在容積一定的情況下，改變結構形狀將導致壓力出現較大變化。分析原因可知，爆炸壓力與外殼散熱面積相關。在形狀不同的情況下，結構壓力將受到影響。不同形狀在相同容積條件下承受的不同爆炸壓力如表2所示。根據表中數據可知，圓柱形外殼承受的壓力較小，同時結構受力均勻，能夠實現緊湊布置，因此可以作為設備外殼形狀。

表2 相同容積下不同形狀外殼結構的爆炸壓力 單位：kPa

2.4 殼體結構厚度設計

在受到爆炸沖擊時，殼體結構失效主要包含變形和斷裂，主要是由強度不足引起的。而殼體結構強度與厚度密切相關，因此需要做好結構厚度設計。一味增加殼體厚度，將導致結構制造成本過高；厚度過小，將導致結構出現失效問題。在結構厚度設計中，考慮到腔體結構并非完全密封，需要提供外部接口，有對接縫存在，容易導致結構強度受到間隙干擾。在間隙較大，接口數量較多的情況下，結構強度會有所減小。按照國家防爆標準中的等效轉換方式，圓柱形外殼厚度應滿足如下要求：

δ≥pD/（2[б]tφ-p）

式中：δ為外殼壁厚；p為實際壓力；D為結構內徑；[б]t為結構允許應力；φ為焊接系數。

采用鋁鎂合金，需要將結構安全系數當成是允許應力分析基礎，最終可以得到結構厚度為0.51cm。在結構內部，可以利用橫向和豎向加強筋提高結構強度，保證載荷能夠得到均勻分布，從而實現強度儲備。在確定結構強度的基礎上，根據結構設計要求可以確定結構外徑和內徑分別為12cm和1.1cm，長和寬分別為2.6cm和1.7cm，玻璃罩厚為0.12cm，殼體重量約4kg。

2.5 殼體結構連接設計

作為隔爆型外殼，還應做好結構連接位置的處理。在結構連接設計上，還應使內徑和外殼能夠緊密連接在一起，同時保證罩體與設備緊密結合，因此可以采用螺紋結構，選擇107mm的規格，滿足機械加工余量要求。在結構內部腔體連接時，一個腔體帶有玻璃視蓋，另一個為非玻璃盲蓋，采用螺紋可以實現隔爆。設計的防爆外殼結構三維展示圖如圖1所示。在腔體線路間，采用穿墻隔蘭方式，能夠使腔體各自具備獨立防爆功能。在設備安裝時，可以在傳輸裝置下方利用螺釘進行裝置固定，并采用左邊外部接口與外部電路連接。

圖1 煤礦井下監測設備的防爆外殼結構三維展示圖

3 結論

綜上所述，在對設備防爆外殼結構進行設計時，還要結合煤礦井下電氣設備的安裝、使用需求把握結構設計方向，根據結構耐壓需求做好結構外形設計和厚度選擇，并完成結構連接位置的合理設計，繼而使結構安全性得到全面提升。