1、收稿日期2023-02-20作者简介韩晓琦(1988),男,主要从事防爆产品认证,防爆生产线安全评估和防爆安全检查等工作。爆炸泄压装置型式试验和泄爆效率计算韩晓琦1,吴宙遨1,钟圣俊2,陈然3,王健3(1.南德认证检测(中国)有限公司北京分公司,天津 300051;2.东北大学,辽宁沈阳 110819;3.汇乐因斯福环保安全研究所(苏州)有限公司,江苏苏州 215100)关键词粉尘爆炸;爆炸泄压装置;泄爆片;泄爆效率摘要介绍了爆炸泄压装置及其实际测试情况,结合实际测试和计算经验,论述了对测试方法的理解。中图分类号 U260.4+22 文献标识码 A 文章编号1004-9118(2023)03-
2、0022-05DOI:10.14023/ki.dqfb.2023.03.007Type Test and Venting Efficiency of Explosion Venting Device Han Xiao qi 1,Wu ZHou ao 1,Zhong Sheng jun2,Chen Ran3,Wang Jian3(1.TV SD Certification and Testing(China)Co.,Ltd.Beijing Branch,Tianjin 300051;2.Northeastern University,Shenyang Liaoning 110819;3.Vill
3、o-Envsafe Environmental Protection and Safety Institute(Suzhou)Co.,Ltd.,Suzhou Jiangsu 215100)Key words:dust explosion;explosion venting device;explosion venting plate;venting efficiencyAbstract:It introduces the explosion venting device and its actual test,combines practical ex-perience to provide
4、an understanding of the tests.0引言众所周知,产生气体爆炸的三个必要条件是燃料、氧化剂和点燃源,产生粉尘爆炸的五个必要条件 是 粉 尘、氧 化 剂、点 燃 源、散 布 和 空 间 限制1。在气体和粉尘防爆技术中,在技术路线上是通过破坏气体点燃三角形和粉尘点燃五角形中的某一元素来避免爆炸的发生,从这个角度上看气体和粉尘防爆技术路线是一致的。但毕竟风险无法完全排除,而且不同于气体爆炸,粉尘爆炸中因小范围的爆炸产生的压力波会吹起粉尘环境中未及时清理的粉尘层,引起能量更高的二次爆炸,所以在粉尘爆炸研究中,除了防爆技术还要关注爆炸发生之后如能更好地限制爆炸规模,最大程度地减
5、小爆炸产生的影响。隔爆装置、耐爆炸设备、抑爆装置和无焰泄爆装置等都属于典型的粉尘爆炸保护装置,而爆炸泄压装置属于保护装置中较为基础的一种,既可以单独使用又可以和灭焰单元组成无焰泄爆装置2。爆炸泄压装置包括承压时可开启的元件,被安装在被保护设备上并作为该设备结构的一部分,设计为在爆炸发生时可在预期的较低压力下及时打开足够的泄压面积,确保设备内部压力不超过其设计强度,从而保证设备机构不发生损坏,爆炸产生的火焰和压力只出现在预期位置和方向。1爆炸泄压装置爆炸泄压装置又称泄爆片,按照结构分为可重用型和不可重用型,按照使用环境可分为气体型和粉尘型,按照其性能又可分为多种不同的等22电气防爆 2023 年
6、 6 月第 3 期级,PFF 系列泄爆片技术参数如表 1 所示3。表 1PFF 系列泄爆片技术参数系列尺寸310240、410240、410310、410410,580410、910410、690690、910580,840840、910910、1090690、1 245910面密度6.3 Kg/m2使用环境St3 金属粉尘结构型式不可重用型静开启压力0.01 MPa25%25C最大 Kst34.1 MPam/s最大 Pred0.0824 MPa参考标准为 EN 14797:2006。2粉尘爆炸参数测试在测试开始前,应先通过粉尘爆炸参数测试确保泄爆片型式试验过程中使用的粉尘与生产商声称的泄爆片
7、最大 Kst相一致,并体现不同粉尘浓度下各自对应的 Kst值。测试用的粉尘也可由生产商提供,但同时需要提交一份粉尘爆炸参数测试报告,报告应至少包含以下信息:(1)报告首页有 CNAS 标志;(2)报告日期和有效期;(3)粉尘样品照片及性状描述;(4)粉尘生产商信息;(5)测试标准;(6)测试样品的含水率和粒度分布;(7)产生 50 bar m/s 的 Kst对应的粉尘浓度;(8)产生生产商所宣称的最大 Kst对应的粉尘浓度;(9)在 g 和 h 两种粉尘浓度之间取至少 3 种浓度进行 Kst测试,以证明粉尘的浓度和 Kst之间具有线性关系。如果测试结果发现没有线性关系,则应该取 5 种以上浓度
8、进行测试;(10)粉尘最大爆炸压力 Pmax。3测试样品的选择按照标准要求,对于一系列设计相同但标称尺寸不同的爆炸泄压装置的型式试验,应该从这一系列中选取最大和最小的标称尺寸进行试验,如果一个系列中包含 5 个以上不同尺寸,至少还应该选取其中一个尺寸进行试验。本文选取 310240、910410 和 1245910 这三个尺寸进行型式试验。对于三组不同尺寸的测试样品,一共需要 36种不同测试条件的测试,有些测试条件还要求测试多次。考虑到每次测试前都还需要较长的准备时间,所以泄爆片型式试验周期相比传统防爆电气要长不少。而且因为测试需要在户外做,测试人员和测试结果有效性易受天气等外部因素影响,所以
9、有效测试结果的获取也更加困难。4静开启压力测试静开启压力测试严格来说不属于型式试验,而是生产商对每一批产品出厂前做的例行测试。4.1测试样品数量静开启压力测试样品数量如表 2 所示,对于带有不可重用元件的泄爆装置,需要按照表 2 从每个批次随机选取若干样品进行测试,以验证静开启压力符合规定要求。表 2静开启压力测试样品数量单一批次的总数量测试数量10210153163043110061012504%但不少于 825110003%但不少于 10经过与生产工厂确认,每批次生产泄爆片的数量为 6080 片,所以 310240、910410 和 1245910 的泄爆片应各抽取 6 片泄爆片做静开启压
10、力测试。4.2测试方法静开启压力的测试方法分为压力法和机械法,本文选择压力法。测试开始后,压力需要在前5 秒内升至预期最小静压力开启值的 90%,然后在 120 秒内压力线性增加直至泄爆元件开启。在实际操作中,使用瓶装压缩空气提供压力,使用调压阀控制压力值和压力变化曲线,使用安装在泄爆片附近的压力传感器检测压力并记录曲线,静开启压力测试及测试压力曲线如图 1 所示。4.3可接受标准所有测试结果都应落在静开启压力允差范围32防爆试验爆炸泄压装置型式试验和泄爆效率计算之内,否则整个批次产品都应判定为不合格品。对于测试样品,所有结果都在 75 mbar 125 mbar范围之间,且未发现任何抛射物,
11、所以判定为合格。在 ATEX 认证过程中,生产商还应提交静开启压力例行测试工作指导书,并在 QAN 审核过程中,由第三方认证机构现场审核测试过程和测试设备。图 1静开启压力测试及测试压力曲线5功能和机械完整性爆炸测试功能和机械完整性测试的目的是验证泄爆片在承受爆炸压力后,仍然能够保证泄爆元件的结构完整性,而不会产生抛射碎片对泄爆方向上的人员或设备产生不利影响。试验过程中测量到的受控爆炸压力应高于生产商宣称的泄爆片最大受控爆炸压力 Pmax的 1.1 倍,测试应至少进行两次。爆炸测试后,应对泄爆片结构进行检查,未设计为失效的部分不应失效,且爆炸过程不能产生任何尺寸和速度的抛射物4。在试验过程中,
12、在测试容器内靠近泄爆片的位置安装了高频压力传感器,用以记录爆炸过程中发生的最大受控爆炸压力,在泄爆片正面和侧面分别布置高速摄像机用以确认爆炸过程中是否产生原属于泄爆片的抛射物。6直接比较法测试泄压效率6.1测试方法由于泄爆片本身为了实现泄爆和机械完整性等功能,泄爆元件本身一定会有一定的惯性,所以其泄爆效率理论上一定小于 100%。的根据 EN 14797:2006 中的描述,确定泄爆片泄爆效率的方法是在不同浓度下分别测试无惯性的泄爆装置(一般为塑料膜)和泄爆片的受控爆炸压力,并通过 EN 14491 中计算有效泄爆面积的公式进行计算,通过比较的方式计算出泄爆片的最小泄爆效率。计算过程和计算用到
13、的公式如图 2 所示。Av=A/EfA=B(1+C log(L/D)B=3.26410-5 pmax Kst p-0.569red,max+0.27 (pstat-0.1)p-0.5red,max V0.753C=(-4.035 logpred,max+0.758)图 2比较法计算泄爆效率过程及计算公式需要注意的是,背板托架、法兰压紧板、隔热层等附件和法兰螺栓扭矩也会影响泄爆片的泄爆效率,所以在测试过程中这些附件也应按说明书上指定的安装方式进行安装。6.2测试过程实际测试过程中,在测试容器内靠近泄爆片的位置安装了高频压力传感器用以记录爆炸过程中产生的最大受控爆炸压力,在泄爆片正面和侧面分别布置
14、高速摄像机用以确认爆炸过程中是否产生原属有泄爆片的抛射物。6.3泄压效率计算工具为了简化计算过程,在 excel 表格中嵌套了上文中提到的公式,如图 3 所示。图 3泄压效率计算工具整个计算分成三个部分,第一个部分是输入无惯性泄爆装置的试验数据通过公式计算出中间值Kst;然后第二部分是把泄爆片实验数据和中间值Kst作为输入条件再次通过公式计算出有泄爆片有效泄爆面积;第三部分是输入泄爆片几何泄爆面积和计算出的有效泄爆面积通过公式计算泄爆效率。42电气防爆 2023 年 6 月第 3 期表格中绿色部分是输入值,黄色部分是计算值,蓝色部分是计算输入值。由此,就能很快地计算出每一组测试结果的泄爆效率并
15、找出最小泄爆效率,如表 4 实例所示。表 4在 5 种浓度下泄爆效率计算结果6.4对标准描述和计算方法的一些讨论6.4.1计算输入条件根据 EN 14797:2006 7.4.3 部分图 1 的描述,计算过程中需要输入的测试条件如表 5 所示。表 5泄爆效率计算输入条件无惯性爆炸泄压装置测试数据(塑料膜)泄爆片测试样品V 测试设备的容积V 测试设备的容积Ad 爆炸泄压设备的几何泄压面积Ad 爆炸泄压设备的几何泄压面积Pstat 静开启压力Pstat 静开启压力Pred,baseline 基准受控爆炸压力 K 值(第一部分计算结果)但实际上并非如此,测试设备的容积 V 在两次公式计算过程中是可以
16、被相互抵消掉的,反而测试设备的长径比 L/D 是无法被抵消掉的,所以需要作为必要的输入条件参与计算。可以简单验证一下,用上面提到的计算工具进行两次运算,唯一变量是测试设备的容积 V,由 1 m3变为 3 m3。变更测试容器体积进行试算如图 4 所示,两次泄爆效率计算结果没变,只有计算中间值 Kst变了,这就证明了测试设备的容积 V 只会影响第一次计算结果,而在第二次计算时这个变量会被自身抵消掉,不会影响最终计算结果,这个值不应作为必要输入条件。图 4变更测试容器体积进行试算变更测试容器长径比 L/D 进行试算如图 5 所示,再来验证一下测试容器的长径比 L/D 对计算结果有无影响,用上面提到的计算工具进行再次运算,唯一变量是测试设备的长径比 L/D,由 1.7变为 3。两次泄爆效率计算结果发生了改变,这就证明测试容器的长径比 L/D 是一个关键的输入变量,两次计算过程中是没办法互相抵消的,标准描述计算方法时显然漏掉了这个关键值。6.4.2静开启压力对计算结果的影响通过观察计算公式,可以发现在计算泄爆效率的两次计算中都要用到静开启压力这个值,在标准 EN 14797:2006 7.4.3
