隔爆型非電氣設備用于爆炸性氣體環境的型式試驗檢測技術研究

摘要
隔爆型防爆技術，又稱“耐壓防爆外殼”，是爆炸性環境用設備安全保護的重要形式之一，不僅廣泛應用于電氣設備，也普遍應用于非電氣設備。其原理是將可能產生點燃源（如火花、電弧或高溫表面）的部件封閉在一個堅固的外殼內。當外殼內部發生可燃混合物爆炸時，外殼能夠承受其爆炸壓力而不損壞，并且能阻止內部的爆炸火焰向外部殼體周圍的爆炸性環境傳播，從而避免引燃周圍大氣。本文旨在系統闡述針對隔爆型非電氣設備的型式試驗檢測項目、方法、標準及儀器，為設備的設計認證與安全應用提供技術依據。

一、 檢測項目與方法原理

隔爆型非電氣設備的型式試驗核心在于驗證其外殼的機械完整性和隔爆性能。主要檢測項目如下：

1. 外殼耐壓試驗

   • 原理：該試驗旨在驗證外殼是否能承受內部爆炸產生的大壓力而不發生永久性變形或損壞。試驗分為參考壓力測定和動態過壓試驗兩個步驟。

   • 方法：

     • 參考壓力（P_ref）測定：在外殼內部充以特定濃度的可燃性氣體（通常為易引燃的氫-空氣混合物或實際工況指定的氣體），并點燃。通過壓力傳感器記錄下爆炸過程中產生的大壓力，此壓力即為參考壓力。該試驗通常重復多次以確保數據的可靠性。

     • 動態過壓試驗：在測定參考壓力后，使用相同的爆炸性混合物，但在點火前向殼內預壓入空氣，使初始壓力高于大氣壓。點火后產生的爆炸壓力將遠高于參考壓力。試驗要求外殼能承受至少1.5倍參考壓力（具體倍數依據設備類別和標準規定）的爆炸沖擊而不出現影響隔爆性能的永久性變形或破裂。

2. 隔爆接合面參數檢測

   • 原理：隔爆外殼的各個部件通過接合面（如法蘭間隙）連接?；鹧嬖谕ㄟ^狹窄的接合面時，會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鍵參數。

   • 方法：

     • 間隙（i）測量：使用塞尺、內徑千分尺、光學投影儀或三坐標測量機等精密量具，測量法蘭之間、軸與軸孔之間等所有接合面的大間隙。該值必須小于標準對于相應氣體組別和設備類別所規定的大允許間隙。

     • 接合面寬度（L）測量：使用游標卡尺、深度尺等工具，測量火焰從殼內傳播到殼外所需路徑的小有效寬度。該值必須大于標準規定的小值。

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

3. 內部點燃的不傳爆試驗

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

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

4. 外殼防護等級（IP）試驗

   • 原理：驗證外殼防止外部固體異物和水分侵入的能力，這對于維持內部元件的正常運行和接合面的防腐蝕至關重要。

   • 方法：

     • 防塵試驗：在密閉的防塵試驗箱中，使用滑石粉等細塵模擬環境，外殼內部保持負壓，試驗后檢查內部無灰塵沉積為高等級。

     • 防水試驗：使用滴水、沖水、浸水等不同強度的水流模擬雨淋環境，試驗后檢查內部無水分進入。

5. 機械強度試驗

   • 原理：模擬設備在運輸、安裝和使用過程中可能遇到的機械沖擊，驗證其結構強度。

   • 方法：包括沖擊試驗和跌落試驗。使用沖擊試驗機對樣品外殼的薄弱部位（如觀察窗、透明件）施加規定能量的沖擊。對于便攜式或小型設備，還需進行規定高度的自由跌落試驗。

6. 材料性能評定

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

   • 方法：

     • 熱穩定性試驗：對于塑料等非金屬材料，需評估其在高溫下的尺寸穩定性和機械性能保持率。

     • 抗光老化試驗：對于戶外用設備的非金屬材料，需進行紫外光老化試驗，評估其抗老化性能。

     • 金屬材料成分與力學性能分析：通過光譜分析、拉伸試驗等，確認其符合標準要求。

7. 緊固件與聯鎖裝置檢查

   • 原理：確保外殼的緊固件能夠承受爆炸壓力而不松脫，且對于需要開蓋的設備，聯鎖裝置能保證在斷電或無危險狀態下才能開啟。

   • 方法：檢查緊固件的類型、機械強度，并測試聯鎖裝置的功能有效性。

二、 檢測范圍與應用領域

隔爆型非電氣設備的檢測覆蓋了所有在爆炸性環境中可能成為點燃源的機械、液壓、氣動設備。

• 機械設備：柴油機、內燃機、壓縮機、泵、風機、齒輪箱、制動器、離合器、攪拌機、輸送系統等。檢測重點在于旋轉軸與端蓋的隔爆接合面、外殼耐壓能力以及排氣系統的火花熄滅裝置。

• 液壓與氣動設備：液壓馬達、氣缸、閥門、蓄能器、壓力調節器等。檢測重點在于承受流體壓力與爆炸壓力疊加效應的外殼強度，以及所有密封接合面的參數。

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

• 物料處理設備：粉碎機、研磨機、干燥機等，其內部可能因摩擦、碰撞產生火花或高溫。

• 交通工具：用于爆炸性環境的礦用卡車、叉車等其發動機和排氣系統。

三、 檢測標準與規范

型式試驗嚴格遵循、及行業標準。

• 標準：

  • ISO/IEC 80079系列：這是目前上通用的防爆設備標準體系。其中，ISO 80079-36:2016 規定了非電氣設備的一般要求，而ISO 80079-37:2016 則專門詳細規定了隔爆型“d”保護級別的試驗方法和要求。

• 中國標準：

  • GB/T 3836.1-2021《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》。

  • GB/T 3836.2-2021《爆炸性環境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》。該標準與IEC 60079-1等效，是隔爆型電氣和非電氣設備檢測的核心依據。

• 歐洲標準：

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

  • EN 13463-3:2009《潛在爆炸性環境用非電氣設備 第3部分：防爆型“d”》。

• 北美標準：

  • UL 1203《用于爆炸性氣體環境的防爆和其他類型設備》。

  • FM 3600/3615 等工廠互助標準。

這些標準詳細規定了設備的分類（I類-礦用，II類-除煤礦外）、氣體組別（IIA, IIB, IIC，其中IIC嚴）、溫度組別（T1-T6）以及對應的具體試驗參數。

四、 主要檢測儀器及其功能

1. 爆炸試驗罐與數據采集系統

   • 功能：用于進行外殼耐壓試驗和內部點燃的不傳爆試驗。核心部件為一個能夠密封并承受爆炸壓力的試驗容器，集成高壓點火器、高動態響應壓電或壓阻式壓力傳感器、高速數據采集卡。系統能精確記錄爆炸壓力-時間曲線，并捕捉峰值壓力。

2. 精密尺寸測量儀器

   • 功能：用于測量隔爆接合面的間隙和寬度。

   • 類型：包括數顯游標卡尺、內/外徑千分尺、萬能工具顯微鏡、三坐標測量機（CMM）。三坐標測量機能實現復雜曲面和空間尺寸的高精度測量。

3. 表面粗糙度測量儀

   • 功能：定量評估接合面表面的算術平均偏差（Ra），確保其光潔度符合標準要求。

4. 防護等級試驗設備

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

5. 沖擊試驗機

   • 功能：模擬機械沖擊環境。通常采用擺錘式或跌落式沖擊臺，可精確設定沖擊能量和方向，對樣品特定部位進行撞擊。

6. 材料性能測試設備

   • 功能：

     • 萬能材料試驗機：用于測試金屬和非金屬材料的拉伸、彎曲、壓縮強度。

     • 灼熱絲試驗儀：用于評估非金屬材料的耐點燃性能。

     • 氣候環境試驗箱：用于進行高低溫循環、濕熱老化、紫外光老化等試驗。

7. 氣體分析儀與配氣系統

   • 功能：在爆炸試驗中，用于精確配制特定濃度的可燃氣體/空氣混合物，并實時監測試驗環境中的氣體濃度，確保試驗條件的一致性和準確性。

結論

對隔爆型非電氣設備進行系統、嚴格的型式試驗，是保障其在爆炸性危險環境中安全運行的根本。檢測機構必須依據現行有效的標準規范，利用高精度的檢測儀器，對外殼的耐壓強度、接合面參數、隔爆性能及機械與環境適應性進行全面驗證。隨著工業技術的發展和應用場景的復雜化，相關檢測標準和技術也將持續演進，以應對新的安全挑戰。