海上油气生产设施防爆电气设计

覃柳莎，李艳华，吴 磊，许晓丽，蒋 薇

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津300451；2. 中国海洋石油(中国)有限公司天津分公司 天津300451)

0 引 言

防爆电气设备在海上平台油气生产设施上广泛应用，对降低平台上火灾爆炸风险有重要作用。国家相关法规、行业规范和工程设计标准对防爆电气设备的设计、选型、制造、检验和验收均有明确规定[1-4]。但是在工程实践中由于防爆电气不合格而影响项目进度的情况时有发生，主要原因是相关规范和标准较多，在工作实践中难以保证防爆电气设备各方面的要求面面俱到。因此，对防爆电气设计的相关理论和国家法规、标准规范的强制要求进行梳理和分析，并以此指导海上油气生产设施上的防爆电气的设计、选型和采办显得十分必要。

1 防爆电气设计

防爆电气设计主要依据生产设施上的危险区进行划分。危险区是指生产设施上存在可燃气体并且浓度可能达到了其爆炸下限的某个区域。根据该区域可燃气体浓度达到爆炸下限的可能性高低，划分不同的等级，表征某个区域的危险特征，主要考虑如下几个方面：危险区类别、危险区等级、危险区内可燃气体的成分、可燃气体被点燃的温度等级。目前海上油气生产设施上危险区划分的标准有美国石油协会的危险区划分标准、国际电气工程师协会的危险区划分标准以及欧盟危险区划分标准。各划分标准在表征危险区特征的4个参数上略有差异，对防爆电气设备的设计有较大的影响。

根据爆炸物质的类别，危险区划分为 3类，分别是I类危险区为煤矿瓦斯气体，II类危险区为除煤矿瓦斯之外的可燃气体，III类危险区为粉尘和纤维。我国国标、国际电气工程师协会标准以及欧盟标准均据此进行分类[5-7]。美国石油协会的划分标准与此不同，I类为可燃气体，II类为爆炸性粉尘，III类为爆炸性纤维[8]。两者的主要区别在于煤矿瓦斯气体没有单独分类，在美国石油协会标准中直接归入可燃气体一类。对于海上油气生产设施按照国际通用划分方法，危险区为 II类除煤矿瓦斯之外的可燃气体，对应标记为 Group II；按照美国石油协会标准(API标准)，应该为I类危险区，对应标记为Class I。

根据可燃物质存在的概率高低，危险区划分为3个等级，分别是0区、1区和2区。0区表示该区域可燃物质达到爆炸下限的时间每年超过 1000h，即每年有10%的时间存在可以被点燃的气体；1区表示该区域可燃物质达到爆炸下限的时间每年在 10～1000h之间，即每年有 0.1%～10%的时间存在可以被点燃的气体；2区表示该区域可燃物质达到爆炸下限的时间每年低于10h，每年存在被点燃气体的概率低于 0.1%。在部分使用 API 500进行危险区划分的生产设施上，危险区只分 2个等级，其中 1级对应0区和1区，2级对应2区。

对于气体爆炸物，按照气体爆炸时的爆炸压力和爆炸安全间隙，可以分为 3类，分别为 A、B、C 3个组别。美国 API RP 500标准将气体组分划分为 A、B、C、D 4个组别，其中A组和B组与国际通行标准中的C组对应，C组与国际通行标准中的B组对应，D组与A组对应。

表1列出了目前各主流危险区划分规范的对比。

表1 不同危险区划分标准对比Tab.1 Comparison between different hazardous area classification standards

2 防爆电气设备选型

防爆电气设备最根本的作用是在危险区内使用而不会成为点燃源。根据国际电工委的标准，防爆电气设备可分为隔爆型、增安型、本质安全型、正压型、充油型、充砂型、浇封型、无引燃设备型和特殊型。各种不同类型的防爆电气设备的主要工作原理以及设备代号如表 2所示。表 2中所列防爆电气设备的形式也可概括归纳为 3种类型：①限制能量型，即限制电能的形式，如本质安全型设备；②囚禁型，即把已引爆的气体基本囚禁在壳内，不引爆壳外的可燃气体，如隔爆型设备；③隔离型，即把可能的引爆源与可燃气源隔开的形式，如充油、充砂、增安、浇封、正压型等。

表2 不同类型防爆电气设备及主要工作原理Tab.2 Types of explosion-proof electrical equipment and their working principles

爆炸性气体环境用防爆电气设备分为 I类和II类，该分类与危险区划分中危险区类型分类相同。I类设备用于煤矿爆炸环境，II类设备用于其他气体爆炸环境。在海上油气生产设施上用到的防爆电气设备属于 II类设备。不同防爆类型的电气设备适用于不同类别和等级的危险区。表 3列出了防爆设备类型与危险区类别和等级的对应关系。由表 3可知，0区对防爆电气设备的选用要求最为严格。除了无引燃型设备只能用于2区，大部分防爆电气设备在1区和2区是可以通用的。增安型、浇封型、正压型、充油型和充砂型设备，也就是说所有的隔离型设备可适用于任何种类的可燃性气体环境中，因为它们的防爆工作原理与气体性质没有关系。但是隔爆型与本安型的工作原理与每种气体的性质密切相关，在选用这2类设备时要考虑气体组分。气体组分的划分与危险区划分中的气体组分相同。

表3 各危险区所适宜的标准的防爆电气设备形式Tab.3 Standard explosion-proof electrical equipment suitable for each hazardous area

防爆设备的选择还需要考虑设备表面温度不能超过对应气体组分的最低点燃温度，各气体组分对应的温度等级如表 4所示。在表 4中设备的级别从上到下越来越高，也可以说设备从上到下档次越来越高。如果设备温度组别相同，如都是T1组设备，那么IIB T1设备就比 IIAT1高一档，在实际选择时，如IIAT1设备不可获得，可用IIB T1设备来代替，反之则不行。表中同一气体组分内，从左往右温度级别越来越高，如 IIBT3可以代替 IIBT2，反之不行。表中IICT6是最高等级，可以替代表中所有的温度等级。在同一个危险区范围内如果有多种可燃气体组分存在，在防爆设备选型上就要按照最高级别的防爆设备选取。

表4 设备和气体级别以及温度组别对应序列Tab.4 Corresponding sequence of equipment, gas level and temperature groups

3 防爆电气设备采购

防爆电气设备的采购是防爆电气设计的重要环节。防爆电气设备采购是落实危险区划分和防爆电气设备选型技术要求，保证产品质量的关键所在。目前我国对于防爆电气设备采取了严格的认证制度，对生产企业有防爆电气设备生产许可证书要求，对产品有防爆产品认证证书要求。因此在设备采购环节，对防爆产品证书进行严格把关是保证防爆电气设备质量的重要环节。防爆证书上有防爆证书编号和防爆认证标志两项重要信息。表 5列出了防爆证书编号和防爆认证标志的组成和含义。在证书上还应关注防爆设备的结构组成并与实物进行对比验证，确保设备结构与证书一致，是没有经过修改的防爆结构。通过防爆证书编号可以在国家相关网站上进行证书真伪鉴别，保证证书的真实可靠。

表5 防爆证书主要信息组成Tab.5 Main information in explosion-proof certification

4 结论与展望

防爆电气设备对保障海上油气生产设施的安全非常重要，从前期危险区的划分、设备选型、设备采购到后期设备的安装、验收以及设备变更管理应该形成闭环，严格遵守国家法律法规和标准规范要求。设备的设计、选型和采购是防爆电气设备管理的前期环节，设备设计和选型的正确与否，产品质量好与坏直接影响后期的安装和验收。目前关于防爆电气设备的设计、选型和制造等国际上相关标准规范较多，但大部分要求都是一致的。在使用不同标准规范时要留意其中的差异，在危险区划分、设备选型、设备制造等各个环节应尽量选择同一体系的标准，既为后期设备采办和验收提供便利，也可以避免因标准差异导致的设备不满足要求的情况发生。