用于爆炸性气体或蒸气/空气混合物的隔爆型非电气设备的型式试验检测

隔爆型非电气设备用于爆炸性气体环境的型式试验检测技术研究

摘要
隔爆型防爆技术，又称“耐压防爆外壳”，是爆炸性环境用设备安全保护的重要形式之一，不仅广泛应用于电气设备，也普遍应用于非电气设备。其原理是将可能产生点燃源（如火花、电弧或高温表面）的部件封闭在一个坚固的外壳内。当外壳内部发生可燃混合物爆炸时，外壳能够承受其爆炸压力而不损坏，并且能阻止内部的爆炸火焰向外部壳体周围的爆炸性环境传播，从而避免引燃周围大气。本文旨在系统阐述针对隔爆型非电气设备的型式试验检测项目、方法、标准及仪器，为设备的设计认证与安全应用提供技术依据。

一、 检测项目与方法原理

隔爆型非电气设备的型式试验核心在于验证其外壳的机械完整性和隔爆性能。主要检测项目如下：

1. 外壳耐压试验

   • 原理：该试验旨在验证外壳是否能承受内部爆炸产生的大压力而不发生永久性变形或损坏。试验分为参考压力测定和动态过压试验两个步骤。

   • 方法：

     • 参考压力（P_ref）测定：在外壳内部充以特定浓度的可燃性气体（通常为易引燃的氢-空气混合物或实际工况指定的气体），并点燃。通过压力传感器记录下爆炸过程中产生的大压力，此压力即为参考压力。该试验通常重复多次以确保数据的可靠性。

     • 动态过压试验：在测定参考压力后，使用相同的爆炸性混合物，但在点火前向壳内预压入空气，使初始压力高于大气压。点火后产生的爆炸压力将远高于参考压力。试验要求外壳能承受至少1.5倍参考压力（具体倍数依据设备类别和标准规定）的爆炸冲击而不出现影响隔爆性能的永久性变形或破裂。

2. 隔爆接合面参数检测

   • 原理：隔爆外壳的各个部件通过接合面（如法兰间隙）连接。火焰在通过狭窄的接合面时，会因热量的损失而熄灭。接合面的宽度（L）和间隙（i）是确保隔爆性能的关键参数。

   • 方法：

     • 间隙（i）测量：使用塞尺、内径千分尺、光学投影仪或三坐标测量机等精密量具，测量法兰之间、轴与轴孔之间等所有接合面的大间隙。该值必须小于标准对于相应气体组别和设备类别所规定的大允许间隙。

     • 接合面宽度（L）测量：使用游标卡尺、深度尺等工具，测量火焰从壳内传播到壳外所需路径的小有效宽度。该值必须大于标准规定的小值。

     • 表面粗糙度（Ra）检测：使用表面粗糙度仪测量接合面的加工光洁度。过高的粗糙度会等效于增大间隙，影响隔爆性能。

3. 内部点燃的不传爆试验

   • 原理：这是验证隔爆性能直接的试验。在壳体内部分易传爆的接合面附近进行多次内部点燃，检验其是否能有效阻止火焰向外传播。

   • 方法：将外壳置于一个充满特定爆炸性混合物的试验箱内。在壳体内部分充以相同或更易爆炸的混合物并点燃。观察外部试验箱内的混合物是否被壳体内溢出的火焰所引燃。通常需要进行多次试验（如10次），以统计上确保无一传爆。

4. 外壳防护等级（IP）试验

   • 原理：验证外壳防止外部固体异物和水分侵入的能力，这对于维持内部元件的正常运行和接合面的防腐蚀至关重要。

   • 方法：

     • 防尘试验：在密闭的防尘试验箱中，使用滑石粉等细尘模拟环境，外壳内部保持负压，试验后检查内部无灰尘沉积为高等级。

     • 防水试验：使用滴水、冲水、浸水等不同强度的水流模拟雨淋环境，试验后检查内部无水分进入。

5. 机械强度试验

   • 原理：模拟设备在运输、安装和使用过程中可能遇到的机械冲击，验证其结构强度。

   • 方法：包括冲击试验和跌落试验。使用冲击试验机对样品外壳的薄弱部位（如观察窗、透明件）施加规定能量的冲击。对于便携式或小型设备，还需进行规定高度的自由跌落试验。

6. 材料性能评定

   • 原理：外壳及其关键部件所用材料的性能直接影响设备的耐爆能力和长期安全性。

   • 方法：

     • 热稳定性试验：对于塑料等非金属材料，需评估其在高温下的尺寸稳定性和机械性能保持率。

     • 抗光老化试验：对于户外用设备的非金属材料，需进行紫外光老化试验，评估其抗老化性能。

     • 金属材料成分与力学性能分析：通过光谱分析、拉伸试验等，确认其符合标准要求。

7. 紧固件与联锁装置检查

   • 原理：确保外壳的紧固件能够承受爆炸压力而不松脱，且对于需要开盖的设备，联锁装置能保证在断电或无危险状态下才能开启。

   • 方法：检查紧固件的类型、机械强度，并测试联锁装置的功能有效性。

二、 检测范围与应用领域

隔爆型非电气设备的检测覆盖了所有在爆炸性环境中可能成为点燃源的机械、液压、气动设备。

• 机械设备：柴油机、内燃机、压缩机、泵、风机、齿轮箱、制动器、离合器、搅拌机、输送系统等。检测重点在于旋转轴与端盖的隔爆接合面、外壳耐压能力以及排气系统的火花熄灭装置。

• 液压与气动设备：液压马达、气缸、阀门、蓄能器、压力调节器等。检测重点在于承受流体压力与爆炸压力叠加效应的外壳强度，以及所有密封接合面的参数。

• 仪器仪表与过程控制设备：分析仪采样系统、压力/温度变送器的非电气外壳、气动控制器等。

• 物料处理设备：粉碎机、研磨机、干燥机等，其内部可能因摩擦、碰撞产生火花或高温。

• 交通工具：用于爆炸性环境的矿用卡车、叉车等其发动机和排气系统。

三、 检测标准与规范

型式试验严格遵循、及行业标准。

• 标准：

  • ISO/IEC 80079系列：这是目前上通用的防爆设备标准体系。其中，ISO 80079-36:2016 规定了非电气设备的一般要求，而ISO 80079-37:2016 则专门详细规定了隔爆型“d”保护级别的试验方法和要求。

• 中国标准：

  • GB/T 3836.1-2021《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》。

  • GB/T 3836.2-2021《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》。该标准与IEC 60079-1等效，是隔爆型电气和非电气设备检测的核心依据。

• 欧洲标准：

  • EN 13463-1:2009《潜在爆炸性环境用非电气设备 第1部分：基本方法和要求》。

  • EN 13463-3:2009《潜在爆炸性环境用非电气设备 第3部分：防爆型“d”》。

• 北美标准：

  • UL 1203《用于爆炸性气体环境的防爆和其他类型设备》。

  • FM 3600/3615 等工厂互助标准。

这些标准详细规定了设备的分类（I类-矿用，II类-除煤矿外）、气体组别（IIA, IIB, IIC，其中IIC严）、温度组别（T1-T6）以及对应的具体试验参数。

四、 主要检测仪器及其功能

1. 爆炸试验罐与数据采集系统

   • 功能：用于进行外壳耐压试验和内部点燃的不传爆试验。核心部件为一个能够密封并承受爆炸压力的试验容器，集成高压点火器、高动态响应压电或压阻式压力传感器、高速数据采集卡。系统能精确记录爆炸压力-时间曲线，并捕捉峰值压力。

2. 精密尺寸测量仪器

   • 功能：用于测量隔爆接合面的间隙和宽度。

   • 类型：包括数显游标卡尺、内/外径千分尺、万能工具显微镜、三坐标测量机（CMM）。三坐标测量机能实现复杂曲面和空间尺寸的高精度测量。

3. 表面粗糙度测量仪

   • 功能：定量评估接合面表面的算术平均偏差（Ra），确保其光洁度符合标准要求。

4. 防护等级试验设备

   • 功能：包括防尘试验箱和摆管淋雨装置。防尘试验箱能控制粉尘浓度和气流，淋雨装置能精确控制水流量、水压和摆动角度。

5. 冲击试验机

   • 功能：模拟机械冲击环境。通常采用摆锤式或跌落式冲击台，可精确设定冲击能量和方向，对样品特定部位进行撞击。

6. 材料性能测试设备

   • 功能：

     • 万能材料试验机：用于测试金属和非金属材料的拉伸、弯曲、压缩强度。

     • 灼热丝试验仪：用于评估非金属材料的耐点燃性能。

     • 气候环境试验箱：用于进行高低温循环、湿热老化、紫外光老化等试验。

7. 气体分析仪与配气系统

   • 功能：在爆炸试验中，用于精确配制特定浓度的可燃气体/空气混合物，并实时监测试验环境中的气体浓度，确保试验条件的一致性和准确性。

结论

对隔爆型非电气设备进行系统、严格的型式试验，是保障其在爆炸性危险环境中安全运行的根本。检测机构必须依据现行有效的标准规范，利用高精度的检测仪器，对外壳的耐压强度、接合面参数、隔爆性能及机械与环境适应性进行全面验证。随着工业技术的发展和应用场景的复杂化，相关检测标准和技术也将持续演进，以应对新的安全挑战。