陈钰方，王继业 ，丁建旭，王 彦，杨 娟

（1.广州特种机电设备检测研究院，广州 510180；2.国家防爆设备质量监督检验中心（广东），广州 510180）

0 引言

粉体在医药、建材、航天等国民经济发展的各个领域都有着非常重要的应用价值，但是多达70%以上的粉体属于可燃爆粉尘[1]。粉尘爆炸事故逐渐成为危害人类生产生活的常见事故形态，造成巨大的财产损失和严重的人员伤亡[2]。2014年，位于江苏省昆山市昆山经济技术开发区的昆山中荣金属制品有限公司抛光二车间发生特别重大的铝粉尘爆炸事故，共有97人死亡、163人受伤，直接经济损失3.51亿元[3]。

现有粉尘爆炸防护技术主要包括爆炸泄压系统、爆炸隔离系统和抑爆系统[4]。隔爆阀是一种有效的爆炸隔离减灾装置，不仅能够通过阀瓣关闭来切断爆炸波传播，而且能够通过阀瓣的关闭隔绝火焰的传播，从根源上控制了爆炸的发展，进而避免压力波沿管道传播至其所保护的围包体如除尘器等的破坏。将已燃粉尘和未燃粉尘隔绝开，防止二次爆炸或者系统爆炸等次生灾害的发生[5]。

虽然隔爆阀的运用场景看起来比较有限——只用在管道的爆炸防护，但在涉粉行业中，粉尘的输送大多都是通过管道进行[6]，因此隔爆阀在爆炸防护产品中占据重要地位。隔爆阀可以分为两类，一是主动隔爆阀，即需设置检测、控制和指示设备就可以实现所需功能；二是被动隔爆阀，即通过自己的机械结构设计就可实现所需功能[7]。由于主动隔爆阀自带检测系统，安装成本较高，现在国内市场上还是以被动隔爆阀为主，但是被动隔爆阀目前仍存在一定的技术缺陷。由于当前生产厂家生产的隔爆阀缺乏规范，加上检测标准对于被动隔爆阀的爆炸防护性能检测的方法描述不太明晰，导致市场上现有的部分被动隔爆阀存在抗冲击强度较弱、孔隙尺寸加工精度较低等缺陷，导致其不能够有效阻止爆炸火焰在管道中传播，从而引起二次爆炸，给大量人员和设备造成更为严重的损伤和破坏。综上所述，本文研究被动隔爆阀爆炸防护性能检测技术，对于企业的安全生产有重要意义，为相关产品检测技术的国家标准提供有益参考。

1 测试模块

根据EN 16447:2014的要求[8]，被动隔爆阀的测试主要包括3个部分：耐爆炸性测试、火焰传播测试和功能性测试。耐爆炸性测试主要是产生一个爆炸压力来检测装置是否满足所需的耐爆性，测试方法主要将隔爆阀连接在1 m3罐出口处，爆炸压力可根据装置的设计类型（St1、St2、St3 型）对应粉尘的浓度进行调整，但是测试压力至少要高于设计压力10%或100%的测试平均值；火焰传播测试主要是测试隔爆阀是否具有隔绝火焰能力的一个测试，进行该项测试时需要将隔爆阀安装在长管道法兰之间的标准位置处，管道长度应大于1 m且不小于20倍内径；被动隔爆阀功能测试的主要目的是评估装置的功能及最小/最大安装距离，通过改变反应釜内最大爆炸压力等关键影响参数来确定隔爆阀能否满足功能性及要求。

2 测试系统及方法

隔爆阀的爆炸防护性能检测中主要包括3 个部分：爆炸触发及传播装置、爆炸保护装置、控制系统。其中，爆炸触发及传播装置如图1所示，包括了1 m3罐、测试所需的管道若干。1 m3罐中两个结构对称的粉尘分散装置被进气电磁阀控制定量气源负载可燃粉尘进入1 m3反应釜，反应釜内使用化学点火头作为点火源来触发爆炸，点火源设置在反应釜中心位置，也可根据测试需求在反应釜上的多个备用法兰调整位置点火；测试管道的长度和内径是根据测试需求进行调整，使用转接阀连接，每根管道长度1 m，通过法兰连接，出口处管道壁面上均有开孔便于传感器的布置。在被动式隔爆阀的测试中，爆炸保护装置除了被测的隔爆阀本身，还包括了反应釜上的爆炸泄压口，防止反应釜内瞬时的超压对检测装置造成破坏，重锤式隔爆阀需要根据测试的需求调整重锤的重量。控制系统可以分为两部分，一是控制整个爆炸性环境的形成，包括了控制开关反应釜自动门、反应釜排气、反应釜测压、抽真空、储罐进气、点火延时、点火等过程的控制；二是对检测装置的控制，包括了传感器（温度、压力、火焰传感器）的开关及数据输出以及输出高速摄像机开始记录信息的信号。控制系统内部设有一个交换机，控制核心PLC、人机界面和数据采集卡均采用静态IP地址（爆炸触发控制界面如图2所示），这样方便了远程计算机与控制系统连接，使整个测试过程更加安全可靠。

图1 爆炸触发及传播装置

图2 爆炸触发控制界面

对于耐爆炸性测试，需要检测的参数是产生爆炸性环境的1 m3罐内压力以及即将到达隔爆阀的压力是否满足隔爆阀的测试需求，因此主要使用的检测装置是压力传感器，使用前要对压力传感器进行校准。试验时，隔爆阀的阀门应处于完全打开的状态，保证试验时产生的爆炸压力不低于试验阀门的耐爆性。试验结束后，通过观察阀门在其承受的爆炸压力下是否发生变形且成功阻止爆炸传播，若阀门发生了永久变形，其功能未失效且没有加剧对周围环境危险影响的情况下，所测隔爆阀是允许的。

火焰传播测试首先需要确认火焰是否能够经过隔爆阀传播，可以通过两个方法确认，其一是在1 m3罐的扩展法兰接口处搭建好满足测试需求的管道，不连接隔爆阀的情况下创造爆炸性环境，观察管道口是否出现火焰，若出现火焰，则说明所选择的测试工况（粉尘浓度、喷粉压力、点火延迟等）符合检验的要求，可以进行下一步阻火试验的测试，这种方法只需要压力传感器证明压力波等于或略大于装置的设计值；第二种方法可以在管道与隔爆阀的连接上游处布置火焰传感器和压力传感器，若火焰传感器接收到管道中火花的信号并且压力传感器传出的压力信号与预期接近，此时可以观察隔爆阀的下游处是否有火焰或火星传出，之后进行重复性试验证明检测产品的阻火性能合格。第二种方法较第一种方法更为方便快捷，但选择第二种检测方法对于检测者个人的经验要求更高，如果火焰传感器在所选工况未检测到火焰的信号，仍需要进行多次试验，较多次数的测试可能会对隔爆阀内部造成破坏，影响测试准确性。由于EN 16447:2014中对于观测火焰的方法未作较多要求[9]，仅需要两台不同视角的摄像机即可，但根据多次的测试结果表明，普通的摄像机很难捕获隔爆阀下游产生的火星以及较小火花，阻隔火焰的功能对于隔爆阀不可或缺，若由于设备原因或观测失误出现漏查，则有可能对检测结果的正确性产生影响，因此推荐使用拥有较高帧率的超高速摄像机进行图像采样，这样远程操作既能保证测试的准确性，又能对人员和设备起到一定的保护作用。

功能性测试的目的是评估根据隔爆阀制造商规定的预期用途作为防护系统功效，实验装置包括试验容器和反应其用途的一段管道（直通管道长度至少是直径的5倍），检测标准结合了耐爆炸性测试和火焰传播测试，通过在隔爆阀上游布置火焰传感器来检测反应釜中粉尘爆炸产生的火焰是否传播到隔爆阀处，布置压力传感器来检测爆炸产生的压力波传播至隔爆阀时的压力。在功能性检测中模拟的环境更侧重于工业应用中的实际情况，因此控制的爆炸压力应该是反应釜（尺寸应与隔爆阀预期保护的容器接近）中产生的最大压力上升速率和最大受控爆炸压力，此时还需要在反应釜壁面上布置压力传感器来获取反应釜中的压力参数。这里说明一下，标准中对被动隔爆阀的功能性测试中关于火焰传播的测试并未强制要求使用摄像机，也可以在隔爆阀下游连接一段布置了压力传感器和火焰传感器的管道，但部分检测中从隔爆阀溢出的火星很小，火焰传感器无法捕获到微弱的信号，因此在条件允许的情况下还是使用超高速摄像机观察更为稳妥。

3 测试结果

本节通过一个爆炸性测试和火焰传播测试的案例对被动隔爆阀的检测技术进行论证说明。检测产品为广东某防护用品公司针对St2粉尘生产的被动隔爆阀。本测试中采用常规的玉米淀粉，耐爆炸性测试结果如图3所示。可以看出，到达隔爆阀处最大压力为0.265 MPa，爆炸指数为24.6 MPa·m/s，符合St2粉尘爆炸指数的取值范围。当爆炸发生后，隔爆阀阀瓣由开启到关闭，实验后检查发现阀瓣未发生明显变形，且未对周围环境造成破坏。

图4 所示为火焰传播测试过程中超高速摄像机拍到的火焰传播过程，采用的粉尘浓度与耐爆炸性测试中的粉尘浓度相同。为了能更直观地证明火焰传播至隔爆阀处，此次检测采用第一种方法。可以看出，5 m 长的管道下游是可以观察到剧烈燃烧的火焰，其传播距离管道出口5 m 左右。当在管道一侧连接隔爆阀后进行重复试验时，从图中可以看出，隔爆阀虽然完成了由开启至关闭的动作，但是整个过程中依然有部分火焰从阀瓣的间隙中逃逸，这种情况在实际应用中管道内布满了粉尘的情况下是十分危险的，溢出的火焰会成为另一侧管道的点燃源，使爆炸朝更危险的态势发展。因此在火焰传播的检测中，关于隔爆阀能不能实现阻火的功能一定要认真测试并确认。

图3 耐爆炸性测试压力上升曲线

图4 火焰传播测试

4 结束语

隔爆阀爆炸防护性能的检测是工业粉尘防爆工作中的重要一环，应用合格的隔爆阀极大降低了爆炸发生后危害的进一步扩大，减少了人员伤亡和企业财产损失。本文通过对被动隔爆阀爆炸防护性能的爆炸性测试、火焰传播测试以及功能性测试的检测方法进行了研究，结合自身的检测经验，对一些标准中要求不明晰的地方和检测细节提出了改进方法。特别是关于隔爆阀阻火性能的测试，如果对隔爆阀溢出的火星或火花没有重视，会造成检测结果出现较大偏差。因此采用安全可靠的测试方法就可以为隔爆阀及爆炸防护产品把好质量关，为安全生产保驾护航。