隔爆型非電氣設(shè)備用于爆炸性氣體環(huán)境的型式試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究

摘要
隔爆型防爆技術(shù)，又稱“耐壓防爆外殼”，是爆炸性環(huán)境用設(shè)備安全保護(hù)的重要形式之一，不僅廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備，也普遍應(yīng)用于非電氣設(shè)備。其原理是將可能產(chǎn)生點(diǎn)燃源（如火花、電弧或高溫表面）的部件封閉在一個(gè)堅(jiān)固的外殼內(nèi)。當(dāng)外殼內(nèi)部發(fā)生可燃混合物爆炸時(shí)，外殼能夠承受其爆炸壓力而不損壞，并且能阻止內(nèi)部的爆炸火焰向外部殼體周圍的爆炸性環(huán)境傳播，從而避免引燃周圍大氣。本文旨在系統(tǒng)闡述針對(duì)隔爆型非電氣設(shè)備的型式試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目、方法、標(biāo)準(zhǔn)及儀器，為設(shè)備的設(shè)計(jì)認(rèn)證與安全應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

一、 檢測(cè)項(xiàng)目與方法原理

隔爆型非電氣設(shè)備的型式試驗(yàn)核心在于驗(yàn)證其外殼的機(jī)械完整性和隔爆性能。主要檢測(cè)項(xiàng)目如下：

1. 外殼耐壓試驗(yàn)

   • 原理：該試驗(yàn)旨在驗(yàn)證外殼是否能承受內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的大壓力而不發(fā)生永久性變形或損壞。試驗(yàn)分為參考?jí)毫y(cè)定和動(dòng)態(tài)過壓試驗(yàn)兩個(gè)步驟。

   • 方法：

     • 參考?jí)毫Γ≒_ref）測(cè)定：在外殼內(nèi)部充以特定濃度的可燃性氣體（通常為易引燃的氫-空氣混合物或?qū)嶋H工況指定的氣體），并點(diǎn)燃。通過壓力傳感器記錄下爆炸過程中產(chǎn)生的大壓力，此壓力即為參考?jí)毫ΑＴ撛囼?yàn)通常重復(fù)多次以確保數(shù)據(jù)的可靠性。

     • 動(dòng)態(tài)過壓試驗(yàn)：在測(cè)定參考?jí)毫螅褂孟嗤谋ㄐ曰旌衔铮邳c(diǎn)火前向殼內(nèi)預(yù)壓入空氣，使初始?jí)毫Ω哂诖髿鈮骸｜c(diǎn)火后產(chǎn)生的爆炸壓力將遠(yuǎn)高于參考?jí)毫ΑＴ囼?yàn)要求外殼能承受至少1.5倍參考?jí)毫Γň唧w倍數(shù)依據(jù)設(shè)備類別和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）的爆炸沖擊而不出現(xiàn)影響隔爆性能的永久性變形或破裂。

2. 隔爆接合面參數(shù)檢測(cè)

   • 原理：隔爆外殼的各個(gè)部件通過接合面（如法蘭間隙）連接。火焰在通過狹窄的接合面時(shí)，會(huì)因熱量的損失而熄滅。接合面的寬度（L）和間隙（i）是確保隔爆性能的關(guān)鍵參數(shù)。

   • 方法：

     • 間隙（i）測(cè)量：使用塞尺、內(nèi)徑千分尺、光學(xué)投影儀或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等精密量具，測(cè)量法蘭之間、軸與軸孔之間等所有接合面的大間隙。該值必須小于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于相應(yīng)氣體組別和設(shè)備類別所規(guī)定的大允許間隙。

     • 接合面寬度（L）測(cè)量：使用游標(biāo)卡尺、深度尺等工具，測(cè)量火焰從殼內(nèi)傳播到殼外所需路徑的小有效寬度。該值必須大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的小值。

     • 表面粗糙度（Ra）檢測(cè)：使用表面粗糙度儀測(cè)量接合面的加工光潔度。過高的粗糙度會(huì)等效于增大間隙，影響隔爆性能。

3. 內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn)

   • 原理：這是驗(yàn)證隔爆性能直接的試驗(yàn)。在殼體內(nèi)部分易傳爆的接合面附近進(jìn)行多次內(nèi)部點(diǎn)燃，檢驗(yàn)其是否能有效阻止火焰向外傳播。

   • 方法：將外殼置于一個(gè)充滿特定爆炸性混合物的試驗(yàn)箱內(nèi)。在殼體內(nèi)部分充以相同或更易爆炸的混合物并點(diǎn)燃。觀察外部試驗(yàn)箱內(nèi)的混合物是否被殼體內(nèi)溢出的火焰所引燃。通常需要進(jìn)行多次試驗(yàn)（如10次），以統(tǒng)計(jì)上確保無一傳爆。

4. 外殼防護(hù)等級(jí)（IP）試驗(yàn)

   • 原理：驗(yàn)證外殼防止外部固體異物和水分侵入的能力，這對(duì)于維持內(nèi)部元件的正常運(yùn)行和接合面的防腐蝕至關(guān)重要。

   • 方法：

     • 防塵試驗(yàn)：在密閉的防塵試驗(yàn)箱中，使用滑石粉等細(xì)塵模擬環(huán)境，外殼內(nèi)部保持負(fù)壓，試驗(yàn)后檢查內(nèi)部無灰塵沉積為高等級(jí)。

     • 防水試驗(yàn)：使用滴水、沖水、浸水等不同強(qiáng)度的水流模擬雨淋環(huán)境，試驗(yàn)后檢查內(nèi)部無水分進(jìn)入。

5. 機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)

   • 原理：模擬設(shè)備在運(yùn)輸、安裝和使用過程中可能遇到的機(jī)械沖擊，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

   • 方法：包括沖擊試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)。使用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品外殼的薄弱部位（如觀察窗、透明件）施加規(guī)定能量的沖擊。對(duì)于便攜式或小型設(shè)備，還需進(jìn)行規(guī)定高度的自由跌落試驗(yàn)。

6. 材料性能評(píng)定

   • 原理：外殼及其關(guān)鍵部件所用材料的性能直接影響設(shè)備的耐爆能力和長(zhǎng)期安全性。

   • 方法：

     • 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)：對(duì)于塑料等非金屬材料，需評(píng)估其在高溫下的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械性能保持率。

     • 抗光老化試驗(yàn)：對(duì)于戶外用設(shè)備的非金屬材料，需進(jìn)行紫外光老化試驗(yàn)，評(píng)估其抗老化性能。

     • 金屬材料成分與力學(xué)性能分析：通過光譜分析、拉伸試驗(yàn)等，確認(rèn)其符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

7. 緊固件與聯(lián)鎖裝置檢查

   • 原理：確保外殼的緊固件能夠承受爆炸壓力而不松脫，且對(duì)于需要開蓋的設(shè)備，聯(lián)鎖裝置能保證在斷電或無危險(xiǎn)狀態(tài)下才能開啟。

   • 方法：檢查緊固件的類型、機(jī)械強(qiáng)度，并測(cè)試聯(lián)鎖裝置的功能有效性。

二、 檢測(cè)范圍與應(yīng)用領(lǐng)域

隔爆型非電氣設(shè)備的檢測(cè)覆蓋了所有在爆炸性環(huán)境中可能成為點(diǎn)燃源的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)設(shè)備。

• 機(jī)械設(shè)備：柴油機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、壓縮機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)、齒輪箱、制動(dòng)器、離合器、攪拌機(jī)、輸送系統(tǒng)等。檢測(cè)重點(diǎn)在于旋轉(zhuǎn)軸與端蓋的隔爆接合面、外殼耐壓能力以及排氣系統(tǒng)的火花熄滅裝置。

• 液壓與氣動(dòng)設(shè)備：液壓馬達(dá)、氣缸、閥門、蓄能器、壓力調(diào)節(jié)器等。檢測(cè)重點(diǎn)在于承受流體壓力與爆炸壓力疊加效應(yīng)的外殼強(qiáng)度，以及所有密封接合面的參數(shù)。

• 儀器儀表與過程控制設(shè)備：分析儀采樣系統(tǒng)、壓力/溫度變送器的非電氣外殼、氣動(dòng)控制器等。

• 物料處理設(shè)備：粉碎機(jī)、研磨機(jī)、干燥機(jī)等，其內(nèi)部可能因摩擦、碰撞產(chǎn)生火花或高溫。

• 交通工具：用于爆炸性環(huán)境的礦用卡車、叉車等其發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)。

三、 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

型式試驗(yàn)嚴(yán)格遵循、及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

• 標(biāo)準(zhǔn)：

  • ISO/IEC 80079系列：這是目前上通用的防爆設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系。其中，ISO 80079-36:2016 規(guī)定了非電氣設(shè)備的一般要求，而ISO 80079-37:2016 則專門詳細(xì)規(guī)定了隔爆型“d”保護(hù)級(jí)別的試驗(yàn)方法和要求。

• 中國標(biāo)準(zhǔn)：

  • GB/T 3836.1-2021《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》。

  • GB/T 3836.2-2021《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》。該標(biāo)準(zhǔn)與IEC 60079-1等效，是隔爆型電氣和非電氣設(shè)備檢測(cè)的核心依據(jù)。

• 歐洲標(biāo)準(zhǔn)：

  • EN 13463-1:2009《潛在爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備 第1部分：基本方法和要求》。

  • EN 13463-3:2009《潛在爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備 第3部分：防爆型“d”》。

• 北美標(biāo)準(zhǔn)：

  • UL 1203《用于爆炸性氣體環(huán)境的防爆和其他類型設(shè)備》。

  • FM 3600/3615 等工廠互助標(biāo)準(zhǔn)。

這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了設(shè)備的分類（I類-礦用，II類-除煤礦外）、氣體組別（IIA, IIB, IIC，其中IIC嚴(yán)）、溫度組別（T1-T6）以及對(duì)應(yīng)的具體試驗(yàn)參數(shù)。

四、 主要檢測(cè)儀器及其功能

1. 爆炸試驗(yàn)罐與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

   • 功能：用于進(jìn)行外殼耐壓試驗(yàn)和內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn)。核心部件為一個(gè)能夠密封并承受爆炸壓力的試驗(yàn)容器，集成高壓點(diǎn)火器、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)壓電或壓阻式壓力傳感器、高速數(shù)據(jù)采集卡。系統(tǒng)能精確記錄爆炸壓力-時(shí)間曲線，并捕捉峰值壓力。

2. 精密尺寸測(cè)量?jī)x器

   • 功能：用于測(cè)量隔爆接合面的間隙和寬度。

   • 類型：包括數(shù)顯游標(biāo)卡尺、內(nèi)/外徑千分尺、萬能工具顯微鏡、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面和空間尺寸的高精度測(cè)量。

3. 表面粗糙度測(cè)量?jī)x

   • 功能：定量評(píng)估接合面表面的算術(shù)平均偏差（Ra），確保其光潔度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4. 防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)設(shè)備

   • 功能：包括防塵試驗(yàn)箱和擺管淋雨裝置。防塵試驗(yàn)箱能控制粉塵濃度和氣流，淋雨裝置能精確控制水流量、水壓和擺動(dòng)角度。

5. 沖擊試驗(yàn)機(jī)

   • 功能：模擬機(jī)械沖擊環(huán)境。通常采用擺錘式或跌落式?jīng)_擊臺(tái)，可精確設(shè)定沖擊能量和方向，對(duì)樣品特定部位進(jìn)行撞擊。

6. 材料性能測(cè)試設(shè)備

   • 功能：

     • 萬能材料試驗(yàn)機(jī)：用于測(cè)試金屬和非金屬材料的拉伸、彎曲、壓縮強(qiáng)度。

     • 灼熱絲試驗(yàn)儀：用于評(píng)估非金屬材料的耐點(diǎn)燃性能。

     • 氣候環(huán)境試驗(yàn)箱：用于進(jìn)行高低溫循環(huán)、濕熱老化、紫外光老化等試驗(yàn)。

7. 氣體分析儀與配氣系統(tǒng)

   • 功能：在爆炸試驗(yàn)中，用于精確配制特定濃度的可燃?xì)怏w/空氣混合物，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)環(huán)境中的氣體濃度，確保試驗(yàn)條件的一致性和準(zhǔn)確性。

結(jié)論

對(duì)隔爆型非電氣設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)、嚴(yán)格的型式試驗(yàn)，是保障其在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境中安全運(yùn)行的根本。檢測(cè)機(jī)構(gòu)必須依據(jù)現(xiàn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，利用高精度的檢測(cè)儀器，對(duì)外殼的耐壓強(qiáng)度、接合面參數(shù)、隔爆性能及機(jī)械與環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行全面驗(yàn)證。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜化，相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)也將持續(xù)演進(jìn)，以應(yīng)對(duì)新的安全挑戰(zhàn)。