爆炸防護裝置性能檢測技術研究*

陳鈺方，王繼業 ，丁建旭，王 彥，楊 娟

（1.廣州特種機電設備檢測研究院，廣州 510180；2.國家防爆設備質量監督檢驗中心（廣東），廣州 510180）

0 引言

粉體在醫藥、建材、航天等國民經濟發展的各個領域都有著非常重要的應用價值，但是多達70%以上的粉體屬于可燃爆粉塵[1]。粉塵爆炸事故逐漸成為危害人類生產生活的常見事故形態，造成巨大的財產損失和嚴重的人員傷亡[2]。2014年，位于江蘇省昆山市昆山經濟技術開發區的昆山中榮金屬制品有限公司拋光二車間發生特別重大的鋁粉塵爆炸事故，共有97人死亡、163人受傷，直接經濟損失3.51億元[3]。

現有粉塵爆炸防護技術主要包括爆炸泄壓系統、爆炸隔離系統和抑爆系統[4]。隔爆閥是一種有效的爆炸隔離減災裝置，不僅能夠通過閥瓣關閉來切斷爆炸波傳播，而且能夠通過閥瓣的關閉隔絕火焰的傳播，從根源上控制了爆炸的發展，進而避免壓力波沿管道傳播至其所保護的圍包體如除塵器等的破壞。將已燃粉塵和未燃粉塵隔絕開，防止二次爆炸或者系統爆炸等次生災害的發生[5]。

雖然隔爆閥的運用場景看起來比較有限——只用在管道的爆炸防護，但在涉粉行業中，粉塵的輸送大多都是通過管道進行[6]，因此隔爆閥在爆炸防護產品中占據重要地位。隔爆閥可以分為兩類，一是主動隔爆閥，即需設置檢測、控制和指示設備就可以實現所需功能；二是被動隔爆閥，即通過自己的機械結構設計就可實現所需功能[7]。由于主動隔爆閥自帶檢測系統，安裝成本較高，現在國內市場上還是以被動隔爆閥為主，但是被動隔爆閥目前仍存在一定的技術缺陷。由于當前生產廠家生產的隔爆閥缺乏規范，加上檢測標準對于被動隔爆閥的爆炸防護性能檢測的方法描述不太明晰，導致市場上現有的部分被動隔爆閥存在抗沖擊強度較弱、孔隙尺寸加工精度較低等缺陷，導致其不能夠有效阻止爆炸火焰在管道中傳播，從而引起二次爆炸，給大量人員和設備造成更為嚴重的損傷和破壞。綜上所述，本文研究被動隔爆閥爆炸防護性能檢測技術，對于企業的安全生產有重要意義，為相關產品檢測技術的國家標準提供有益參考。

1 測試模塊

根據EN 16447:2014的要求[8]，被動隔爆閥的測試主要包括3個部分：耐爆炸性測試、火焰傳播測試和功能性測試。耐爆炸性測試主要是產生一個爆炸壓力來檢測裝置是否滿足所需的耐爆性，測試方法主要將隔爆閥連接在1 m3罐出口處，爆炸壓力可根據裝置的設計類型（St1、St2、St3 型）對應粉塵的濃度進行調整，但是測試壓力至少要高于設計壓力10%或100%的測試平均值；火焰傳播測試主要是測試隔爆閥是否具有隔絕火焰能力的一個測試，進行該項測試時需要將隔爆閥安裝在長管道法蘭之間的標準位置處，管道長度應大于1 m且不小于20倍內徑；被動隔爆閥功能測試的主要目的是評估裝置的功能及最小/最大安裝距離，通過改變反應釜內最大爆炸壓力等關鍵影響參數來確定隔爆閥能否滿足功能性及要求。

2 測試系統及方法

隔爆閥的爆炸防護性能檢測中主要包括3 個部分：爆炸觸發及傳播裝置、爆炸保護裝置、控制系統。其中，爆炸觸發及傳播裝置如圖1所示，包括了1 m3罐、測試所需的管道若干。1 m3罐中兩個結構對稱的粉塵分散裝置被進氣電磁閥控制定量氣源負載可燃粉塵進入1 m3反應釜，反應釜內使用化學點火頭作為點火源來觸發爆炸，點火源設置在反應釜中心位置，也可根據測試需求在反應釜上的多個備用法蘭調整位置點火；測試管道的長度和內徑是根據測試需求進行調整，使用轉接閥連接，每根管道長度1 m，通過法蘭連接，出口處管道壁面上均有開孔便于傳感器的布置。在被動式隔爆閥的測試中，爆炸保護裝置除了被測的隔爆閥本身，還包括了反應釜上的爆炸泄壓口，防止反應釜內瞬時的超壓對檢測裝置造成破壞，重錘式隔爆閥需要根據測試的需求調整重錘的重量。控制系統可以分為兩部分，一是控制整個爆炸性環境的形成，包括了控制開關反應釜自動門、反應釜排氣、反應釜測壓、抽真空、儲罐進氣、點火延時、點火等過程的控制；二是對檢測裝置的控制，包括了傳感器（溫度、壓力、火焰傳感器）的開關及數據輸出以及輸出高速攝像機開始記錄信息的信號。控制系統內部設有一個交換機，控制核心PLC、人機界面和數據采集卡均采用靜態IP地址（爆炸觸發控制界面如圖2所示），這樣方便了遠程計算機與控制系統連接，使整個測試過程更加安全可靠。

圖1 爆炸觸發及傳播裝置

圖2 爆炸觸發控制界面

對于耐爆炸性測試，需要檢測的參數是產生爆炸性環境的1 m3罐內壓力以及即將到達隔爆閥的壓力是否滿足隔爆閥的測試需求，因此主要使用的檢測裝置是壓力傳感器，使用前要對壓力傳感器進行校準。試驗時，隔爆閥的閥門應處于完全打開的狀態，保證試驗時產生的爆炸壓力不低于試驗閥門的耐爆性。試驗結束后，通過觀察閥門在其承受的爆炸壓力下是否發生變形且成功阻止爆炸傳播，若閥門發生了永久變形，其功能未失效且沒有加劇對周圍環境危險影響的情況下，所測隔爆閥是允許的。

火焰傳播測試首先需要確認火焰是否能夠經過隔爆閥傳播，可以通過兩個方法確認，其一是在1 m3罐的擴展法蘭接口處搭建好滿足測試需求的管道，不連接隔爆閥的情況下創造爆炸性環境，觀察管道口是否出現火焰，若出現火焰，則說明所選擇的測試工況（粉塵濃度、噴粉壓力、點火延遲等）符合檢驗的要求，可以進行下一步阻火試驗的測試，這種方法只需要壓力傳感器證明壓力波等于或略大于裝置的設計值；第二種方法可以在管道與隔爆閥的連接上游處布置火焰傳感器和壓力傳感器，若火焰傳感器接收到管道中火花的信號并且壓力傳感器傳出的壓力信號與預期接近，此時可以觀察隔爆閥的下游處是否有火焰或火星傳出，之后進行重復性試驗證明檢測產品的阻火性能合格。第二種方法較第一種方法更為方便快捷，但選擇第二種檢測方法對于檢測者個人的經驗要求更高，如果火焰傳感器在所選工況未檢測到火焰的信號，仍需要進行多次試驗，較多次數的測試可能會對隔爆閥內部造成破壞，影響測試準確性。由于EN 16447:2014中對于觀測火焰的方法未作較多要求[9]，僅需要兩臺不同視角的攝像機即可，但根據多次的測試結果表明，普通的攝像機很難捕獲隔爆閥下游產生的火星以及較小火花，阻隔火焰的功能對于隔爆閥不可或缺，若由于設備原因或觀測失誤出現漏查，則有可能對檢測結果的正確性產生影響，因此推薦使用擁有較高幀率的超高速攝像機進行圖像采樣，這樣遠程操作既能保證測試的準確性，又能對人員和設備起到一定的保護作用。

功能性測試的目的是評估根據隔爆閥制造商規定的預期用途作為防護系統功效，實驗裝置包括試驗容器和反應其用途的一段管道（直通管道長度至少是直徑的5倍），檢測標準結合了耐爆炸性測試和火焰傳播測試，通過在隔爆閥上游布置火焰傳感器來檢測反應釜中粉塵爆炸產生的火焰是否傳播到隔爆閥處，布置壓力傳感器來檢測爆炸產生的壓力波傳播至隔爆閥時的壓力。在功能性檢測中模擬的環境更側重于工業應用中的實際情況，因此控制的爆炸壓力應該是反應釜（尺寸應與隔爆閥預期保護的容器接近）中產生的最大壓力上升速率和最大受控爆炸壓力，此時還需要在反應釜壁面上布置壓力傳感器來獲取反應釜中的壓力參數。這里說明一下，標準中對被動隔爆閥的功能性測試中關于火焰傳播的測試并未強制要求使用攝像機，也可以在隔爆閥下游連接一段布置了壓力傳感器和火焰傳感器的管道，但部分檢測中從隔爆閥溢出的火星很小，火焰傳感器無法捕獲到微弱的信號，因此在條件允許的情況下還是使用超高速攝像機觀察更為穩妥。

3 測試結果

本節通過一個爆炸性測試和火焰傳播測試的案例對被動隔爆閥的檢測技術進行論證說明。檢測產品為廣東某防護用品公司針對St2粉塵生產的被動隔爆閥。本測試中采用常規的玉米淀粉，耐爆炸性測試結果如圖3所示。可以看出，到達隔爆閥處最大壓力為0.265 MPa，爆炸指數為24.6 MPa·m/s，符合St2粉塵爆炸指數的取值范圍。當爆炸發生后，隔爆閥閥瓣由開啟到關閉，實驗后檢查發現閥瓣未發生明顯變形，且未對周圍環境造成破壞。

圖4 所示為火焰傳播測試過程中超高速攝像機拍到的火焰傳播過程，采用的粉塵濃度與耐爆炸性測試中的粉塵濃度相同。為了能更直觀地證明火焰傳播至隔爆閥處，此次檢測采用第一種方法。可以看出，5 m 長的管道下游是可以觀察到劇烈燃燒的火焰，其傳播距離管道出口5 m 左右。當在管道一側連接隔爆閥后進行重復試驗時，從圖中可以看出，隔爆閥雖然完成了由開啟至關閉的動作，但是整個過程中依然有部分火焰從閥瓣的間隙中逃逸，這種情況在實際應用中管道內布滿了粉塵的情況下是十分危險的，溢出的火焰會成為另一側管道的點燃源，使爆炸朝更危險的態勢發展。因此在火焰傳播的檢測中，關于隔爆閥能不能實現阻火的功能一定要認真測試并確認。

圖3 耐爆炸性測試壓力上升曲線

圖4 火焰傳播測試

4 結束語

隔爆閥爆炸防護性能的檢測是工業粉塵防爆工作中的重要一環，應用合格的隔爆閥極大降低了爆炸發生后危害的進一步擴大，減少了人員傷亡和企業財產損失。本文通過對被動隔爆閥爆炸防護性能的爆炸性測試、火焰傳播測試以及功能性測試的檢測方法進行了研究，結合自身的檢測經驗，對一些標準中要求不明晰的地方和檢測細節提出了改進方法。特別是關于隔爆閥阻火性能的測試，如果對隔爆閥溢出的火星或火花沒有重視，會造成檢測結果出現較大偏差。因此采用安全可靠的測試方法就可以為隔爆閥及爆炸防護產品把好質量關，為安全生產保駕護航。