殷 杰

（上海上发院发电成套设备工程有限公司，上海 200240）

1 引言

爆炸试验槽系统主要用于对危化场所使用的隔爆型防爆电气产品进行最为重要的爆炸试验，主要由试验槽本体、供气系统、控制系统三部分组成。其主要工作原理是：在试验槽本体内放入试验样品，在样品中充入规定的试验气体（甲烷、氢气）并点燃，测量其爆炸压力并保证试验样品内部发生的爆炸不扩散到试验槽本体外。其在防火防爆设计和运行中涉及到多项安全风险，文中针对爆炸试验槽系统的防火防爆设计及安全管理方面的问题进行介绍和分析。

图1 防爆试验槽系统实物图

图2 防爆试验槽系统主要构件

2 安全方案综述

厂房总体布局应满足GB 50016-2014《建筑设计防火规范》等相关要求；试验槽本体强度应满足爆炸试验的要求；电气控制系统应满足GB 50257-2014《电气装置安装工程爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范》等相关要求；防爆试验槽系统运行维护应满足安全管理的要求。

现有单层丁类综合试验厂房建筑面积为1200m2，严格控制爆炸试验槽系统占地面积不大于该厂房防火分区建筑面积的5%，以便不提高现有厂房的危险类别。

3 试验槽本体

3.1 试验槽承压能力设计

考虑到受力性能，将试验槽本体采用卧式圆筒形结构。试验槽本体的承压能力取决于可燃性气体混合物爆炸时产生的最大爆炸压力，理论上爆炸压力可以通过以下热力学能公式计算。

表1 几种可燃性气体混合物的最大爆炸压力及最大压力体积分数

爆炸压力也可以通过试验直接测定，几种常见可燃性气体混合物的最大爆炸压力参考值及最大压力体积分数见表1。为了保证试验安全和设备的长期使用，试验槽承压能力取安全系数为4[3]，因此试验槽本体按4 MPa承压能力设计，属于固定式中压力容器。

通过比较螺栓紧固结构和快开结构两种罐盖可以发现：螺栓紧固型罐盖开关速度慢，螺纹磨损锈蚀情况等难以度量，存在安全隐患，因此选用槽体与带齿罐盖通过带齿卡箍连接的快开结构。罐盖和槽体扣合后，旋转卡箍对准相互的齿，同时压紧橡胶密封圈。卡箍的旋转采用液压油缸驱动。

3.2 强度校核

需要对试验槽本体进行强度校核。横向中卡箍和罐盖的齿部分最为薄弱，因此卡箍和罐盖的设计应以罐盖齿的剪切强度为准[4]。纵向不考虑罐盖作用力。强度校核如表2所示。

表2 强度校核

3.3 附件设计

为了减轻压力重叠对设备的影响，延长试验槽使用寿命，在槽体顶部设置一套爆破片安全装置，采用设计爆破压力为2MPa的平板形爆破片，当试验槽内发生传爆时破裂泄压，起到保护试验槽本体的作用。爆破片的选择与安装参照GB 567.2-2012《爆破片安全装置 第2部分：应用、选择与安装》等相关要求。

4 供气系统

4.1 气瓶间防火防爆设计

供气系统需要放置甲烷1集装格（16瓶），氢气1集装格（16瓶），如果按照物质分类则建筑防火等级应为甲类。由于气瓶直接连接到供气管路使用（非储存），因此不作为单独的甲类仓库设计。将气瓶间沿厂房外墙狭长布置，可以增加侧墙的泄爆面积，增大泄爆面积，基于以上经验，在厂房外东北角北侧设置长、宽、高分别为5m、3m、2m的临时板房作为气瓶间(经核算长径比小于3，符合要求)，采用耐火等级不小于4.00h的防火墙与厂房主体隔离。气瓶间的屋顶和西、北、东四个面设置为泄爆面，其中屋顶材料的单位面积重量小于60kg/m2。气瓶间北侧墙面设置甲级防火卷帘，供人员和气瓶进出。

气瓶间的泄爆面积S=5×3+5×2+3×2+3×2=37m2

最小泄压面积[5]A=10CV2/3=10×0.25×302/3=10×0.25×9.66=24.15m2

注：V为厂房的容积，C为泄压比（此处取0.25）。

气瓶间的泄爆面积S＞最小泄压面积A，因此满足要求。

气瓶间内东西两侧各设置1台防爆通风机，每台风机排风量400m3/h，使得气瓶间内的换气次数大于12次/h。

供气系统的气瓶间内在正常运行时不经常或短期存在爆炸性混合气体，因此设计为气体防爆2区，气瓶间内的电气设备如防爆照明灯、开关、接线盒、可燃气体探测器、声光报警器均选用ⅡCT1级以上的电气防爆设备（氢气ⅡCT1，甲烷ⅡAT1），设备安装应符合GB 50257-2014等相关要求。其中可燃气体探测器设置在气瓶间中部和顶部易形成和积聚爆炸性气体混合物的位置，并设置当气体浓度接近爆炸下限值的20%时，能自动报警并启动通风机，当气体浓度接近爆炸下限值的50%时，应能可靠的发出信号或切断电源[6]。

气瓶间门口设置静电释放装置，张贴安全警示标识，悬挂其化学品安全技术说明书（MSDS）。在气瓶间和试验槽厂房内均设置可燃气体探测器和火灾警报器，火灾警报器声压级不应小于60dB[7]，考虑到空压机等其他噪声的影响，选用响度不低于90dB的火灾声光报警器。

气瓶间内的气体集装格应与防静电接地装置可靠连接，并定期检测接地电阻，每年至少检测一次。不得将气瓶内的气体用尽，瓶内至少保留0.05MPa的压力，以防空气进入气瓶[8]，气瓶间内配置2具MF/ABC4灭火器，不得用水灭火。

4.2 空压机房

试验槽系统所需的空气由1台自带储气罐的空压机提供，选用工作噪音小于75dB的产品，无需人员职守因此不考虑人员噪声防护。在厂房内设空压机房放置该空压机，内墙面采用吸声材料装修，配置2具MF/ABC4灭火器。

4.3 三元配气系统及管路

三元配气系统是将可燃性气体与空气按照预定浓度进行混合的装置。可燃性气体由气瓶间内的集装格提供，空气由空压机及配套管路提供，通过专用管路引入三元配气体系统，管路采用25mm无缝钢管（非压力管道）。气瓶端安装减压阀、止回阀，管道首、末端均安装截止阀，配气系统中电磁阀等电气设备使用ⅡCT1级以上电气防爆设备。

5 控制系统

5.1 控制台

控制台主要包括1台win7操作系统计算机和三元配气系统显示仪表，采用专线连接（不连接外部开放网络），严格控制网络安全风险。试验槽控制系统通过计算机安装的组态软件（西门子wincc）和可编程逻辑控制器（PLC）联合控制整个系统运行。计算机自动保存试验数据，生成试验记录，在方便试验人员的同时避免人为参与影响试验结果。

图3 PLC控制框图

图4 系统组态界面图

5.2 现场控制元件

现场控制元件包括电接点压力表、电磁阀、流量计、急停开关、点火装置等组成。为了保证安全，试验槽体周围的现场控制电气仪表设备全部采用防爆型，防爆等级不低于ⅡCT1。试验槽体内的点火装置采用高能量火花塞点火，保证一次点火成功。

6 日常安全管理

爆炸试验槽系统的安全运行离不开日常的安全管理。首先，要落实操作人员的安全生产责任制，明确管理人员、操作人员、维修保养人员的职责，做好设备使用记录，定期检修保养等工作；其次，要进行危险源辨识和职业健康风险因素识别，建立台账，在气瓶间内张贴相应的安全标志标识，配备急救物品，在明显区域设置疏散图、消防安全疏散标志[9]；再次，要编写设备操作规程和试验作业指导书，并在现场张贴，对操作人员进行教育培训，经操作考试合格后方可上岗操作；最后，要加强外来人员安全管理和监控，要做应急预案并定期演练，避免发生意外。总之，时刻保持安全文化、安全法制、安全科技、安全责任、安全投入这五个要素不放松，就可以保证正常的生产安全[10]。

7 结语

通过以上防火防爆设计，该爆炸试验槽系统的各项安全性能指标均满足设计需求和建筑防火、防爆等国家生产安全相关要求，为类似的特种设备和系统的建筑防火、防爆、安全管理等方面提供参考。