無內(nèi)釋放源正壓外殼電氣設(shè)備安全性能檢測技術(shù)研究

摘要
本文系統(tǒng)闡述了無內(nèi)釋放源正壓外殼型電氣設(shè)備的兩項關(guān)鍵安全性能檢測項目：換氣試驗和靜態(tài)正壓時充氣程序試驗。文章詳細分析了各項檢測方法的原理與操作流程，明確了其在爆炸性氣體環(huán)境用設(shè)備認證中的適用范圍，引證了國內(nèi)外核心標準規(guī)范，并介紹了檢測所需的關(guān)鍵儀器設(shè)備及其功能，為該類設(shè)備的防爆安全評估提供了完整的技術(shù)依據(jù)。

一、 檢測項目：方法及原理

無內(nèi)釋放源正壓外殼通過保持內(nèi)部保護氣體的壓力高于外部環(huán)境壓力，以防止外部爆炸性混合物侵入，從而實現(xiàn)防爆安全。其核心檢測項目旨在驗證正壓保護系統(tǒng)建立和維持有效防爆狀態(tài)的能力。

1. 換氣試驗

   • 檢測目的：驗證在設(shè)備啟動時，其正壓外殼內(nèi)部空間能夠被足量的保護氣體有效置換，將可能積聚的可燃性氣體或粉塵濃度降至安全水平以下，確保在通電前形成安全的內(nèi)部環(huán)境。

   • 檢測原理：該試驗基于流體力學和氣體置換原理。在設(shè)備外殼的進氣口通入規(guī)定流量和壓力的保護氣體（通常為空氣或惰性氣體），迫使氣體從外殼內(nèi)部流過并從出氣口排出。此過程旨在用純凈的保護氣體置換出設(shè)備內(nèi)部所有空間（包括死角、元件間隙）原有的空氣。試驗的關(guān)鍵在于確保換氣過程持續(xù)足夠長的時間（即“換氣時間”）或達到足夠的換氣體積（通常為外殼凈容積的5倍或以上），使得內(nèi)部任何潛在的可燃物濃度被稀釋至不能構(gòu)成點燃風險的水平。

   • 檢測方法：
     a. 流量計法：在保護氣體供應管路上安裝經(jīng)校準的流量計。測量并調(diào)節(jié)氣體流量至設(shè)備設(shè)計值。記錄開始通氣的時間，并持續(xù)通氣直至達到規(guī)定的小換氣時間（T），T = (5 × 外殼凈容積 V) / 氣體流量 Q。確保在整個換氣期間，外殼內(nèi)的正壓值始終維持在設(shè)備規(guī)定的小值之上。
     b. 壓力-時間曲線法：對于結(jié)構(gòu)復雜、難以精確計算容積或存在內(nèi)部阻擋物的外殼，可采用此方法。首先密封所有開口，向殼內(nèi)充氣至一個較高的初始壓力P1，然后打開排氣閥，記錄內(nèi)部壓力從P1下降到規(guī)定的低正壓值P2所需的時間t。通過分析壓力衰減曲線，可以評估外殼的有效流通特性，并結(jié)合計算驗證換氣效果。終仍需通過實際通氣流速和時間的乘積來確認總換氣量滿足要求。

2. 靜態(tài)正壓時充氣程序試驗

   • 檢測目的：模擬在設(shè)備斷電、內(nèi)部無熱源運行的靜態(tài)條件下，驗證其正壓保護系統(tǒng)在經(jīng)歷壓力損失后，能夠通過自動或手動控制的充氣過程，重新建立并維持足夠的內(nèi)部正壓，而不觸發(fā)報警或斷電。

   • 檢測原理：該試驗考核的是正壓系統(tǒng)在“冷態(tài)”下的壓力保持與恢復能力。通過人為地將外殼內(nèi)部壓力釋放至低于低允許值，然后啟動充氣系統(tǒng)，監(jiān)測壓力恢復至安全值（通常為低正壓值的1.5倍或設(shè)備技術(shù)文件規(guī)定值）所需的時間、壓力穩(wěn)定性以及保護裝置（如壓力傳感器、時間繼電器）的動作邏輯是否正確。

   • 檢測方法：
     a. 準備：設(shè)備處于斷電狀態(tài)，所有開口按要求封閉。啟動保護氣體供應系統(tǒng)，使外殼內(nèi)壓力穩(wěn)定在正常運行壓力范圍。
     b. 泄壓：通過外殼上預設(shè)的泄壓閥或臨時安裝的可控泄放裝置，緩慢或快速地將內(nèi)部壓力降至低于設(shè)備規(guī)定的低正壓值（例如50 Pa）。
     c. 充氣與監(jiān)測：壓力觸底后，充氣系統(tǒng)應自動或手動啟動（根據(jù)設(shè)備設(shè)計）。同時，使用高響應速度的壓力傳感器和數(shù)據(jù)記錄儀，連續(xù)監(jiān)測并記錄外殼內(nèi)部壓力從開始充氣到恢復至目標安全壓力（如75 Pa）的完整時間歷程曲線。
     d. 邏輯驗證：在充氣過程中，觀察并記錄壓力監(jiān)控裝置是否在壓力達到安全閾值時正確發(fā)出信號（如解除報警、允許啟動信號），并且在整個過程中，用于安全聯(lián)鎖的計時器（如有）不應超時動作導致系統(tǒng)鎖定。充氣時間必須在設(shè)備設(shè)計或標準規(guī)定的限值之內(nèi)。

二、 檢測范圍

上述檢測項目廣泛應用于所有擬用于爆炸性危險環(huán)境的、采用“正壓外殼‘p’”防爆型式的無內(nèi)釋放源電氣設(shè)備。主要應用領(lǐng)域包括：

• 石油化工行業(yè)：大型分析小屋、控制柜、現(xiàn)場操作柱、變頻器柜。

• 煤炭礦山行業(yè)：井下主控站、采區(qū)變電所的正壓配電裝置。

• 醫(yī)藥化工行業(yè)：防爆區(qū)域內(nèi)的PLC控制柜、動力配電箱。

• 糧食加工與倉儲：存在可燃性粉塵環(huán)境的正壓型電氣控制設(shè)備。

• 油氣勘探與生產(chǎn)：海上平臺及陸上油氣田的正壓防爆儀表箱、接線箱。

• 任何存在IIA、IIB、IIC類爆炸性氣體環(huán)境或III類可燃性粉塵環(huán)境中，需要將高功率、非防爆元件置于安全環(huán)境運行的電氣設(shè)備外殼。

三、 檢測標準

檢測活動必須嚴格遵循、標準規(guī)范，確保結(jié)果的有效性和公認性。

• 標準：

  • IEC 60079-2：《爆炸性環(huán)境 第2部分：由正壓外殼“p”保護的設(shè)備》。這是范圍內(nèi)核心和基礎(chǔ)的標準，詳細規(guī)定了換氣試驗和靜態(tài)正壓試驗的要求、方法和合格判據(jù)。

• 中國標準：

  • GB/T 3836.5：《爆炸性環(huán)境 第5部分：由正壓外殼“p”保護的設(shè)備》。該標準等同采用IEC 60079-2，是國內(nèi)進行產(chǎn)品認證和檢測的強制性依據(jù)。

• 其他區(qū)域性標準：

  • EN 60079-2：歐洲電工標準化委員會采納的IEC標準，是歐盟ATEX指令下的協(xié)調(diào)標準。

  • NFPA 496：美國消防協(xié)會標準，針對凈化、加壓和通風外殼的防爆要求，其方法與IEC 60079-2原理相通，但在具體參數(shù)和程序上可能存在差異。

關(guān)鍵參數(shù)要求（以GB/T 3836.5/IEC 60079-2為例）：

• 小換氣量：通常為外殼凈容積的5倍。

• 小換氣時間：必須足夠長以確保有效置換，并考慮結(jié)構(gòu)復雜性。

• 低正壓值：通常不低于50 Pa（對于IIC類氣體環(huán)境，要求可能更高，如200 Pa）。

• 安全壓力值：至少為低正壓值的1.5倍。

四、 檢測儀器

完成上述檢測需要一系列專用、高精度的儀器設(shè)備。

1. 壓力測量儀器：

   • 數(shù)字微壓計/壓力傳感器：核心設(shè)備。需具備高分辨率（如0.1 Pa）、高精度（±0.5% FS或更高）和快速響應能力。用于實時監(jiān)測和記錄換氣及充氣過程中的外殼內(nèi)部壓力變化。通常需配備數(shù)據(jù)輸出接口，連接至數(shù)據(jù)記錄儀。

   • U型管壓力計或傾斜式微壓計：可作為輔助或粗略測量工具，但在認證試驗中通常以電子式數(shù)字微壓計為準。

2. 流量測量儀器：

   • 氣體質(zhì)量流量計/控制器：安裝在進氣管道上，用于精確測量和控制進入外殼的保護氣體流量。其量程和精度需匹配設(shè)備的設(shè)計流量。

   • 轉(zhuǎn)子流量計（浮子流量計）：經(jīng)濟實用的流量指示裝置，需經(jīng)校準后方可用于定量測量。

3. 數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)：

   • 數(shù)據(jù)記錄儀：能夠同步接收并記錄來自壓力傳感器、流量計等信號的多通道設(shè)備。用于生成壓力-時間、流量-時間曲線，為分析換氣效果和充氣動態(tài)過程提供客觀數(shù)據(jù)。

4. 計時器：

   • 電子秒表或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)置時鐘：用于精確測量換氣時間和充氣恢復時間。數(shù)據(jù)記錄儀的系統(tǒng)時鐘通常能滿足精度要求。

5. 氣源與調(diào)節(jié)系統(tǒng)：

   • 壓縮空氣/惰性氣源：提供穩(wěn)定、潔凈、干燥的保護氣體。

   • 壓力調(diào)節(jié)閥與過濾器：用于精確控制進氣壓力，并去除氣體中的油分、水分和顆粒物，確保試驗條件的一致性和設(shè)備安全。

結(jié)論

換氣試驗與靜態(tài)正壓時充氣程序試驗是無內(nèi)釋放源正壓外殼型防爆電氣設(shè)備安全認證中的強制性且至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。通過嚴格遵循標準化的檢測方法，使用精密的儀器設(shè)備，可以科學地驗證該類設(shè)備在啟動和靜態(tài)壓力故障恢復兩種關(guān)鍵工況下的防爆安全性，確保其在實際危險場所中能夠可靠運行，防止爆炸事故的發(fā)生。