起重机械检验员培训教材(QZ-1)基础知识第八章

第8章防爆基础知识在石油、化工、冶金等行业都存在有一些爆炸性环境。

在这些爆炸性环境中的电气火花、电器设备表面的高温以及机械摩擦和撞击产生的热量与火花都有可能引起爆炸性物质的爆炸。

发生爆炸是很危险的，爆炸产生的直接后果是造成人员的伤亡和财产的重大损失。

8.1 爆炸知识简介爆炸是指在极短时间内物质从一种状态，经过物理或化学的变化突然变成另一种状态，并急剧释放出巨大能量，产生光、热或机械功使周围物体受到猛烈的冲击和破坏。

按照爆炸前后物质是否发生变化，爆炸通常分为“物理性爆炸和化学性爆炸”两种。

物理性爆炸如锅炉的爆炸；化学性爆炸如化学物质分解爆炸和可燃性气体、蒸气及粉尘与空气形成爆炸性混合物的爆炸。

在工业生产及日常生活中遇到的爆炸大多数属于化学性爆炸。

按照爆炸性物质来分类有：凝聚相爆炸(如炸药、雷管、烟火药等爆炸)、混合相爆炸(如空气中的煤粉、面粉、铝粉、亚麻粉尘等爆炸)和气相爆炸(如氢气、乙炔气、汽油气、各种易挥发溶剂挥发后生成可爆炸的气体爆炸)三种。

爆炸必然会产生爆炸冲击波，我们把爆炸冲击波形成的压力称之为爆炸压力。

爆炸压力与爆炸性物质的浓度有一定的关系，但这关系并非是线性的正比关系。

H2是一种比较常见而典型的爆炸性气体，我们就以H2为例来说明这一点。

H2在不同浓度时形成的爆炸压力试验曲线，见图8.1。

图8.1 H2的爆炸压力和浓度间的关系试验曲线从图8.1可以看出，当H2浓度在36%附近时，形成的爆炸压力最大。

燃烧是人们十分熟悉的一种自然现象，它是一种能释放出热量的氧化反应，当该反应放出的热量使反应介质温度升高到一定程度时，就能形成目视可见的火焰。

燃烧是爆炸的一种形式。

爆炸与燃烧的区别主要是氧化反应速度极快，反应产生的能量在极短的时间内释放出来。

同时一般的燃烧可燃物和燃烧阵面都是基本不移动的，而对于爆炸则不同，爆炸的火焰阵面（就是火焰的传播）是移动的，其速度可达到每秒数百米至上千米。

爆炸发生在气体环境时还会形成爆轰（爆轰是爆炸的一种高级形式），当爆轰产生时火焰传播速度可达到2Km/s，压力可升高10～20倍并伴随形成巨大的爆轰波和爆炸压力，因此，爆炸时形成的破坏力十分巨大。

8.1.1 爆炸的机理和条件在大气条件下，可燃性物质可能会以气体、蒸汽、粉尘、纤维或飞絮的形式与空气形成混合物，当混合物被点燃后，就有可能形成能够保持燃烧并自行传播的环境，这个环境就是爆炸性环境。

爆炸性环境根据可燃性物质的不同通常可分为：爆炸性气体环境和爆炸性粉尘环境两种。

爆炸性气体环境和爆炸性粉尘环境它们在爆炸机理和爆炸条件方面既有相似之处，又有不同之处。

1. 爆炸性气体环境爆炸机理和条件爆炸性气体环境的爆炸既可能会在建筑物内或设备内发生，也可能会在室外敞开的场地发生。

爆炸性气体环境的爆炸是可燃性气体与空气混合后迅速燃烧，引起压力急骤升高的过程。

爆炸性气体环境的爆炸从机理上讲分为两类，一是爆燃，即爆炸性混合气体的火焰波以低于声速传播的燃烧过程。

二是爆轰，即：爆炸性混合气体的火焰波以高于声速传播的燃烧过程。

一般认为，爆炸性气体环境的爆炸绝大多数为爆燃，发生爆轰的可能性极小。

爆炸性气体爆炸的一般特点是：（1）最小点燃能量较低，一般都在微焦耳级；（2）爆炸发生的时间极短；（3）形成的爆炸压力极大，个别情况下还会产生爆轰；（4）爆炸产生的危害极大。

爆炸除会造成巨大的损失或人员伤亡外，还可能会对周围环境造成影响和破坏。

爆炸性气体环境要形成爆炸，必须要同时具备5个基本条件：（1）具有足够能量的可燃物质（释放源）；（2）辅助燃烧的助燃剂（如氧气、空气等）；（3）可燃物质与助燃剂的均匀混合；（4）混合物处于相对封闭的空间（包围体）；（5）有足够能量的点火源（如明火、火花、电弧、高温表面等）。

只有当这5个基本条件同时都具备时爆炸才会发生，爆炸发生的5个基本条件我们通常又将其称之为爆炸5要素。

爆炸5要素有时也被称为爆炸3要素：即可燃物质、助燃剂和点火源。

根据爆炸性气体环境形成爆炸的5个基本条件，只要采取措施避免其中任一个条件的形成，就能有效地防止爆炸的发生。

2. 爆炸性粉尘环境爆炸机理和条件爆炸性粉尘环境要形成爆炸，其粉尘必定是可燃性粉尘。

爆炸性粉尘环境爆炸的机理是：悬浮于空气里的可燃性粉尘达到燃烧爆炸的粉尘浓度范围时，在遇到有足够的热量和温度的点火源后，随即氧化燃烧释放出大量的热量，此热量又以热传导和火焰辐射的方式传给附近悬浮的或被吹扬起来的粉尘并引起周围压力的突增和无法控制的膨胀效应产生第一次爆炸。

如果此时空间密闭的话，第一次爆炸的冲击波又将沉积粉尘再次扬起，形成粉尘云，粉尘云受热汽化后又会使燃烧以一定的速度和压力循环地传播下去，随着每个循环的逐次进行，其反应速度也逐渐加快并剧烈地燃烧，最后形成二次爆炸和连续爆炸。

可燃性粉尘爆炸的一般特点是：（1）所需最小点火能量较高，一般在几十毫焦耳左右；（2）可形成二次爆炸和多次爆炸；（3）爆炸压力虽上升较缓慢，但较高压力的持续时间较长，释放的能量大，破坏力也很大。

爆炸性粉尘环境要形成爆炸，也必须要同时具备5个基本条件：（1）足够的可燃性粉尘浓度；（2）足够的氧浓度；（3）足够的点火能量空间；（4）足够的粉尘分散程度；（5）足够的空间封闭程度。

爆炸性粉尘同爆炸性气体一样，只有当这5个基本条件同时都具备时爆炸才会发生。

根据爆炸性粉尘环境形成爆炸的5个基本条件，只要采取措施控制其中任一个条件的形成，就能有效地防止爆炸的发生。

8.1.2 爆炸的基本概念在爆炸理论中会涉及到很多的概念，下面我们将就常用的一些概念做一简单介绍。

1. 闪燃和自燃（1）闪燃可燃液体或固体形成的蒸气浓度取决于它的温度，温度太低时其蒸气量不足以形成可燃性混合物。

当温度达到一定值时，可燃蒸气和空气形成的可燃混合物遇到明火或一定的温度时会发生瞬间的火苗但燃烧不能继续，这种现象称为闪燃，此时的温度称为该物质的闪点。

闪点是可燃气体爆炸性的重要参数。

（2）自燃自燃是物质达到一定温度后不需点火而自行燃烧的现象，发生自燃的最低温度称为自燃温度（简称AIT）。

当环境中可燃气体混合物遇到一个温度超过其自燃温度的物体时，虽没有明火也会由于自燃而发生爆炸。

2. 爆炸极限可燃性气体与空气混合形成可爆炸的混合物中可燃性气体的浓度范围称为爆炸极限。

爆炸极限是可燃性气体爆炸的重要参数，也是防爆技术的重要数据。

由于爆炸极限是可爆炸的混合物中可燃性气体的浓度范围，所以，爆炸极限就存在爆炸极限的上限和爆炸极限的下限之分。

爆炸极限的上限和爆炸极限的下限构成爆炸极限的范围。

（1）爆炸极限的上限（UEL）空气中的可燃气体或蒸汽的浓度高于该浓度时，则气体环境就不能形成爆炸。

（2）爆炸极限的下限（LEL）空气中的可燃气体或蒸汽的浓度低于该浓度时，则气体环境就不能形成爆炸。

爆炸极限的上限和爆炸极限的下限表明，当混合物中可燃气体的浓度低于爆炸极限的下限（LEL）和超过爆炸极限的上限（UEL）时，混合物中的可燃气体都不会发生爆炸。

爆炸极限的下限和爆炸极限的上限之间的浓度区间越大，也就是爆炸极限的范围越宽时，则表明该物质的爆炸危险性就越大。

温度和初始压力对爆炸极限都有一定的影响。

一般来说爆炸范围随初始温度升高而变宽，使爆炸的危险性增大。

初始压力对爆炸极限的影响只有在高压时才表现出来。

我们通常所说的爆炸极限的上限值和下限值都是在一个标准大气压和25℃的温度下用标准的试验装置和方法测定出来的。

在实际工作中必须要考虑现场的实际初始温度和压力对爆炸极限的影响。

3. 最小点燃电流、最小点燃能量和最小点燃电流比（1）最小点燃电流（MIC）GB 3836.12—2008《爆炸性环境 第12部分 气体或蒸气混合物按照其最大试验安全间隙和最小点燃电流的分级》给出了最小点燃电流的定义，即：在规定的条件下，能点燃最易点燃混合物的最小电流，简称MIC。

（2）最小点燃能量（MIE）最小点燃能量是在最易点燃混合物浓度下，一个电路的一次放电正好足够点燃混合物，这个电路总能量的最小值，即为相应的物质与空气混合物的最小点燃能量，简称MIE。

最小点燃能量也是衡量爆炸性混合物爆炸危险程度的一个技术指标。

爆炸性混合物的引燃能量越小，其爆炸的危险性就越大。

最小点燃能量可以利用充电的电容器产生短路放电火花引燃爆炸性混合物的方法来测量最小点燃能量。

其基本方法是：假设电容器的电容量为C，电容两端的电压为U，则相应的放电能量E=1/2CU2即为相应的最小点燃能量。

每一种可燃性物质均可作出相应的点燃特性曲线。

当可燃性物质与空气形成的混合物浓度(%)处于爆炸极限的下限(LEL)和爆炸极限的上限(UEL)之间的可燃范围内时，总存在一个最小点燃能量点(MIE)。

如果点燃能量大于MIE值时，则混合物就会被火花点燃，反之，如果点燃能量小于MIE值时，则是安全的。

由于可燃性气体或蒸气的点燃特性各不相同，它们被点燃所需的活化能不同，当它们被电火花点燃时，需要的电能量也不相同。

例如，甲烷的最小点燃能量是0.28 mJ，正丁烷是0.25 mJ，异丁烷是0.52 mJ，乙烯是0.096 mJ，氢气是0.019 mJ。

在工业生产实践中，可以采取限制电路或储能元件(电容器、电感器、电池等)中能量的方法来避免电路断开或闭合时产生的火花能量点燃爆炸性混合物。

（3）最小点燃电流比（MICR）GB 3836.12—2008同样也给出了最小点燃电流比的定义，即：气体或蒸气按最小点燃电流与实验室用甲烷的最小点燃电流的比值，简称MICR。

不同的爆炸性气体的最小点燃电流比是不同的。

如：氢气的最小点燃电流比为0.45而甲烷的最小点燃电流比等于1.0。

最小点燃电流比是爆炸性混合物特性的基本参数，它是设计、制造本质安全型防爆电气设备和电路的主要依据。

4. 爆炸性环境的引（点）燃温度和电气设备的最高表面温度（1）爆炸性气体环境的引燃温度按照GB/T 5332—2007《可燃液体和气体引燃温度试验方法》规定的方法进行试验时，发生引燃爆炸性气体与空气混合物的热表面最低温度，就是爆炸性气体环境的引燃温度。

爆炸性气体环境的引燃温度是防爆电气设备选型时需要考虑的重要因素之一。

爆炸性气体与空气混合物引燃温度的组别不同，对防爆电气设备选型的要求也不相同。

（2）爆炸性粉尘环境的点燃温度1）粉尘层的点燃温度根据GB 12476.8—2010《可燃性粉尘环境用电气设备 第8部分：试验方法 确定粉尘最低点燃温度的方法》规定，粉尘层的点燃温度是指：规定厚度的粉尘层在热表面上发生点燃的热表面的最低温度。

2）粉尘云的点燃温度根据GB 12476.8—2010的规定，粉尘云的点燃温度是指：集尘装置内空气中所含粉尘云发生点燃时集尘装置内壁的最低温度。

（3）电气设备的最高表面温度电气设备在正常运行时，会因有电流的通过而使得其内表面或外表面的温度上升。