隔爆外殼內爆炸壓力疊加現象研究

李銀河,楊德雙,辛磊夫

(上海儀器儀表自控系統檢驗測試所有限公司，上海 200233)

0 引言

在工業過程中，可燃性氣體得到了非常廣泛的應用，但與此同時也帶來了一系列安全問題。一定濃度的可燃性氣體和空氣組成的混合氣體在遇到高溫、明火或靜電時都可能會發生爆炸。爆炸是工業生產常見的危險、有害因素。預防爆炸性事故的發生是工業生產過程永恒的主題[1]。為了確保在可能存在的爆炸性環境中進行正常的工業生產活動，保證石油、化工、煤炭等產業部門生產裝備的防爆安全,人們通過不斷經驗總結，研究出了可以應用在不同爆炸性環境中的防爆設備。隔爆型電氣設備便是其中之一。

隔爆型電氣設備的外殼能夠承受通過外殼任何接合面或結構間隙進入外殼內部的爆炸性混合物在內部爆炸而不損壞，并且不會引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性氣體環境的點燃[2]。作為一種常見的防爆型式，隔爆外殼具有結構設計簡潔、應用廣泛、 易于維護等特點。在一些大中型隔爆設備中，可能擁有多個不同功能的腔室。這些腔室之間有的互相聯通，有的通過絕緣套管等結構進行隔離。即使在一個隔爆腔體內，因為內部結構中線路板或其他內部元件的設計，在一些情況下會形成一些小的空腔之間互相聯通的現象。比如電動機、電動執行機構等產品。在隔爆型設備的設計上，這種現象是非常常見的。

1 最大爆炸壓力的計算

當可燃性氣體在體積固定的剛性隔爆外殼內部與點燃源相遇時，在助燃性物質的作用下會發生激烈的燃燒化學反應，從而產生定容爆炸。爆炸過程釋放的能量被氣體吸收，使溫度和壓力升高。氣體燃燒過程中，火焰受到約束，或者由于擾動而使火焰在預混氣體中逐漸加速，則會產生一定的壓力，形成壓力波。火焰以亞音速傳播，壓力波則以當地音速傳播，行進在火焰陣面之前。以亞音速傳播的火焰陣面前方有前驅沖擊波擾動，即火焰在已被擾動過的介質中傳播。爆燃過程的復雜性就在于爆燃過程是不穩定的燃燒波傳播過程。在某些特定條件下，壓力波會加速而演變為爆轟波。由于爆燃過程火焰以亞音速傳播，所以外界環境對爆燃過程有較大的影響。如果爆燃過程受到強烈干擾，火焰逐漸加速并趕上前驅沖擊波，即火焰陣面與壓力波陣面重合，形成爆轟波，爆轟壓力在1.5 MPa量級[3]。當隔爆外殼內包含很多互相聯通的腔室時，火焰受到隔爆外殼約束，從而在預混氣體中逐漸加速甚至產生爆轟現象。爆轟現象的發生伴隨著高溫及高壓，爆炸壓力快速上升，瞬間對隔爆外殼產生巨大的壓力。當爆炸壓力上升速率最大時，可燃氣體完全反應，爆炸產生的破壞力最大[4]。根據國家標準GB 3836.2-2010中的描述，隔爆外殼內爆炸過程及所產生的影響應不能使隔爆外殼的防爆性能失效。這就對隔爆外殼的設計提出了更高的要求。

多年來，國內外學者對于爆炸壓力的數學模型計算已經進行了充分的研究和論證。本次試驗采用氫氣與空氣進行混合，構成爆炸性氣體環境。由于不同濃度的氫氣爆炸壓力有所不同，在本次試驗中采用的氫氣與空氣的體積比為(31±1)%，在該濃度下的氫氣爆炸壓力可達到最大。理想狀態下，假設空氣成分按體積分數計算為：氮氣(N2)約占79%，氧氣(O2)約占21%，且氫氣與氧氣完全反應。氫氣在空氣中燃燒的化學反應方程式為：

2H2+O2+3.76N2→2H2O(g)+3.76N2

(1)

如果忽略燃燒過程中在隔爆外殼上的熱交換，那么氫氣在隔爆外殼內的燃燒過程可以近似認為是定容絕熱燃燒的過程。定容、絕熱情況下，可燃氣體最大爆炸壓力Pm與初始壓力P0的關系為:

(2)

式中：nf為反應終態物質的物質的量濃度；tf為反應終態物質的溫度；n0為反應初態物質的物質的量濃度；t0為反應初態物質的熱力學溫度[5]。

根據式(1)的化學反應，將相應的物質的量濃度及溫度數值代入式(2)，即可得到氫氣在定容絕熱情況下的理論爆炸最大壓力。在相關資料中，氫氣的絕熱理論火焰溫度在2 480 K[6]左右，但氫氣在定容絕熱情況下理論火焰溫度可以達到3 024.512 K[7]。按照大氣環境下正常溫度298 K和正常大氣壓0.101 MPa進行計算，Pm的計算公式如下：

由于燃燒過程中必然存在熱損耗和能量耗散，以上計算數值僅為理論參考的最大爆炸壓力。

2 試驗裝置及方案

在實際的工業現場中，氫氣的燃燒爆炸過程受到多種不同因素的共同影響。因此，試驗室條件對于隔爆外殼內壓力重疊現象的研究是十分關鍵的。整個測試系統由水平圓柱形隔爆外殼、中心位置帶有圓孔的孔板、配氣系統、點火系統和測壓系統五部分組成。

圓柱形隔爆外殼由長度為250 mm和500 mm的兩節不銹鋼桶狀腔體和孔板組成，其結構如圖1所示。

圖1 圓柱形隔爆外殼結構圖

圖1中，連接部為法蘭結構配合，并采用密封圈進行密封?？装逋鈴脚c筒體直徑一致，圓孔內徑為16 mm，腔室A與腔室B通過孔板組成同一隔爆外殼內的兩個互相聯通的腔室。外殼左右兩端分別設置進氣口、點火源與壓力傳感器。進氣口與配氣系統連接，完成可燃氣充入及點燃爆炸后廢氣排出。兩端壓力傳感器分別檢測兩端壓力值，并與測壓系統連接，測壓系統記錄產生壓力及相應壓力曲線。點火源與點火系統連接，實現爆炸性氣體的點燃功能。

隔爆外殼內的爆炸試驗流程如圖2所示。

圖2 試驗流程圖

本次試驗采用兩種形式的樣品，分別為不加孔板的隔爆外殼1和加入孔板的隔爆外殼2(以下簡稱外殼1和外殼2)。外殼1與外殼2的不同之處僅為是否安裝孔板。外殼1為一個完整貫通的腔體，兩段殼體中間無任何阻礙。增加孔板的外殼2為兩個腔體，中間通過孔板的孔進行聯通，通過加入孔板模擬隔爆產品設計中產生的獨立空腔結構。由于外殼2中的孔板結構，腔室A中的氣體將產生壓力重疊現象。

點火狀態下，腔體內可燃氣混合氣壓力與外界大氣壓保持一致，同時保證樣品密封性完好，不存在漏氣泄壓現象。

3 結果分析

帶有孔板的隔爆外殼2爆炸壓力曲線如圖3所示。

通過圖3可以清晰地發現，當氫氣被點燃時，伴隨著一系列的燃燒化學反應，腔室B內的壓力和溫度不斷升高。壓力波及火焰陣面逐漸從腔室B的點火端傳播到孔板的位置，進而通過孔板中的孔傳播到另一個腔室。由小孔傳導的火焰將腔室A內部的氫氣點燃，在腔室A內部形成壓力疊加現象。受試樣品側面2放置的壓力傳感器S2記錄到的最大爆炸壓力可達到0.65 MPa，側面1放置的壓力傳感器S1記錄到的最大爆炸壓力可達到1.55 MPa，腔室A內的壓力上升速率極高，可達到10.8 Pa/ns。

圖3 帶有孔板的隔爆外殼2爆炸壓力曲線

無孔板的隔爆外殼1爆炸壓力曲線如圖4所示。

圖4 無孔板的隔爆外殼1爆炸壓力曲線

當去除隔板時，腔室A、B合并為一個腔室。通過圖4中隔爆外殼1的爆炸壓力曲線可以發現，沒有類似孔板結構時，爆炸壓力最大值遠不及產生壓力疊加現象的最大壓力值高。側面1放置的壓力傳感器S1記錄的壓力上升速率也僅為9.93×10-2Pa/ns，對隔爆外殼的破壞程度也遠不及產生壓力疊加現象的情況。

根據式(4)，可得到實際壁厚t。其計算式為[8]：

(3)

式中：p為設計壓力,MPa;D為外殼內徑,mm；[σ]為材料的許用應力;Φ為焊縫系數或許用應力折減系數；C為壁厚附加量,mm，主要包括鋼板負公差、外殼加工過程中的工藝減薄量和使用過程中腐蝕等造成的腐蝕裕量。

由式(3)可知，在其他條件未變化的情況下，壓力p越高，對材料的壁厚t要求也就越高。在指定材質、焊縫工藝、許用應力和外殼內徑等其他參數均相同的情況下，分別代入外殼1及外殼2兩種情況測得的兩組最大爆炸壓力。通過計算可以得出，在存在壓力疊加情況下，產品外殼厚度應該為正常(不存在壓力疊加現象)厚度的2.14倍(典型值)。由此可見，在產生壓力重疊的情況下，必然對隔爆外殼提出了更高的要求。

4 結論

本文采用氫氣與空氣的體積比為(31±1)%的混合氣，對壓力疊加現象進行了驗證。常溫常壓下，同一隔爆外殼內壓力疊加現象所產生的爆炸壓力可以高達1.55 MPa，且爆炸壓力上升速率快，造成的破壞力較大。當隔爆外殼內設計中出現若干個互相聯通的空腔，且這些腔體通過小孔或窄小通路連接時，則可能會產生壓力疊加現象。

由此可見，在隔爆型電氣設備的設計過程中，應在結構上避免小孔或窄小通路造成兩腔聯通，盡量避免因為壓力疊加使得隔爆產品防爆性能失效。若設計的隔爆外殼內包含構成壓力疊加現象的結構時，應通過增加腔體壁厚、增設加強筋等方式，對可能產生壓力疊加的腔體進行特殊設計，避免外殼防爆性能失效造成工業生產事故發生。對于大型電氣設備的排線設計，應盡量采用絕緣套管等結構的接線裝置，從而避免形成一個個聯通空腔而造成壓力疊加現象。