粉尘爆炸隔离技术的应用与设备试验

文/钟圣俊

多起典型的粉尘爆炸事故皆是因为工艺系统中没有采取爆炸隔离技术所致。本文约请东北大学工业爆炸及防护研究所副教授钟圣俊简要介绍粉尘爆炸隔离装置的类别及其应用与实验。

爆炸隔离是一种减小爆炸损失的方法，通过设置阻断装置，防止爆炸火焰和/或压力波通过，进而限制爆炸的范围。爆炸隔离措施可防止爆炸在管道相连的设备之间和/或设备与作业区域之间传播。

绝大部分的灾难性爆炸事故是爆炸在工艺系统中传播并发生二次爆炸导致的，如以下3起事故，就是因为没有采取爆炸隔离措施导致损失扩大的：2014年8月2日，江苏省苏州市昆山中荣金属制品有限公司铝粉尘爆炸；2015年1月31日，内蒙古根河市金河人造板厂木材粉尘爆炸；2003年10月29日，美国印第安纳州海因斯·莱姆茨国际公司铝粉尘爆炸。

在这些事故中，爆炸首先在位于室外的除尘器中发生，沿进风管道传播到了车间，并在车间发生了二次爆炸。

避免类似事故的发生，爆炸隔离技术将发挥十分重要的安全控制作用。

隔离技术的应用

首先，介绍爆炸隔离技术的应用条件。如果风险评估表明存在不可接受的爆炸传播风险，则应依据相关的标准，在工艺设备之间和（或）工艺设备与作业区域之间的通道，设置爆炸隔离装置，以防止爆炸在相连设备间传播，或防止爆炸通过管道系统从设备传至工作区域。

能够传播爆炸的通道包括但不限于管道、斗式提升机、刮板机、封闭式皮带机、螺旋输送机等机械输送设备。这些设备通常需要采取爆炸隔离措施，典型的采取爆炸隔离措施的部位包括：除尘系统的进风管道、粉碎机的出料口与斗式提升机的出料溜管。

评估工艺设备之间的管道是否需要采取爆炸隔离措施应考虑以下因素：工艺设备预期的最大受控爆炸压力、管道直径与长度、作业区域可能被扬起的粉尘数量。

爆炸隔离装置的分类

爆炸隔离装置分为主动式和被动式两种类型。主动式隔爆装置通过监测爆炸压力或火焰等爆炸信号，并启动主动动作的阻隔装置实现爆炸隔离；被动式隔爆装置不监测压力或火焰信号，通过阻隔装置自身的机械特性实现爆炸隔离。

主动式隔离装置需要通过检测与控制系统来实现隔爆功能。检测系统通常为光学传感器或压力传感器。典型的主动式隔离装置包括：化学隔爆装置（见图1）、快速动作插板阀或蝶阀阀、主动式浮球阀、夹管阀。

图1 化学隔爆装置

被动式隔离系统不需要检测与控制系统即可实现隔爆功能。典型的被动式隔离装置包括：隔爆翻板阀、 被动式浮球阀、旋转隔爆阀、爆炸换向器。

隔爆翻板阀一般安装在除尘系统进风管道上。在除尘系统正常运行时，翻板处于开启状态；当除尘器发生爆炸时，翻板在爆炸压力的作用下关闭（见图2）。

图2 隔爆翻板阀

旋转隔爆阀与普通的旋转下料阀（关风器）类似。通过对叶轮与阀座之间的间隙长度、间隙宽度和叶轮强度的设计而实现爆炸隔离（见图3）。

图3 旋转隔爆阀

爆炸隔离技术与设备的相关标准

与爆炸隔离技术与设备相关的标准，主要为美国和欧盟标准。如下：

NFPA 69：

2014 Standard on Explosion Prevention Systems 爆炸防护系统（NFPA，美国防火协会标准 英文名称： National Fire Protection Association），NFPA 69规定了对各种爆炸防护系统的要求，其中包括对隔爆系统的要求；

NFPA 654：

2017 Standard for the Prevention of Fire and Dust Explosions from the Manufacturing， Processing，and Handling of Combustible Particulate Solids 可燃固体颗粒生产、加工与处理防火防爆标准，NFPA 654规定了可燃粉尘工艺设备的要求，给出了爆炸隔离的应用条件；

EN 15089 ：

2009 Explosion isolation systems 爆炸隔离系统（EN，欧盟标准的缩写），EN 15089是关于爆炸隔离系统的通用标准；

EN 16447 ：

2014 Explosion isolation flap valves 隔爆翻板阀，EN 16447规定了一种特殊的隔爆设备（隔爆翻板阀）的技术要求；

EN 16020 ：

2011 Explosion diverters 爆炸换向器，EN16020所规范的爆炸换向器，不是严格意义上的隔爆设备，但是爆炸换向器对防止射流点火有重要的作用。

图4 1m3卧式爆炸试验设备

爆炸隔离设备的检测

为保障产品质量和用户的权益，同时对企业和市场进行规范，爆炸隔离设备须经有能力的检测机构检测合格后方可生产和使用。如东北大学工业爆炸及防护研究所具备这样的检测能力。图4为1m3卧式爆炸试验设备的照片。

对于指定爆炸等级St的粉尘，隔爆翻板阀测试主要包括：

耐爆炸试验：测试隔爆阀在设计的抗压强度下的耐爆炸性能；

阻火试验：确认隔爆翻板阀能够阻止爆炸火焰经过隔爆翻板阀传播；

性能试验：测定隔爆阀的最小安装距离和最大安装距离。

表1 典型的隔爆翻板阀性能参数举例

典型的性能参数举例如表1。

试验装置示意图如图5所示。

隔爆翻板阀测试结果样例

测试说明：

粉尘浓度：100 g/m3；

测试容器保护方式：爆炸泄压；

安装距离：3 m；

翻板初始状态：完全开启且未锁紧；泄爆压力pred：0.0260 Mpa；

隔爆翻板阀承受压力：0.0462 Mpa；

阻火性能：未发现火星或火焰，翻板自动关闭且锁紧；

图6 压力-时间曲线

图7 隔爆翻板阀测试（录像截屏）

图8 测试不合格的隔爆阀（阀瓣被爆炸压力打穿）

机械完整性：未发现永久性形变或破裂，机械完整性良好。

测试曲线及照片分别如图6和图7所示。

通过上述实验得出如下结论：隔爆装置对防止爆炸在管道中传播，降低爆炸事故后果有重要的作用，隔爆装置应进行试验（见图8）。如果不对隔爆装置进行试验，将无法保证隔爆装置达到预期的性能。