發表時間： 2023-04-17 19:31:34
作者： 萬收蘭 (中國石化工程建設有限公司)
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摘要：文中提出了煉油化工裝置爆炸危險區域劃分及防爆電氣設備選型設計中的幾個瓶頸問題，對比了國內和國外不同體系標準的規定，指出國標中由于相關內容的籠統規定及由此帶來在工程設計中執行的不明確性及設備選型時的困擾，進而對比北美標準中對應相關內容的規定，由其設備工藝參數數值上的明確界定著手，分析了這些規定在理論上的相容相通性。并調研國內已運行多年的裝置的做法及實際運行情況,得出設計中可參考API或NFPA系列標準的規定來明確是否劃分危險區域、危險區域范圍及防爆設備選型等相關結論，可用于指導實際工程設計。
關鍵詞：煉化裝置 爆炸危險區域 附加2區 熱油單元 ⅢB類液體 閃點 最高允許表面溫度 粉塵厚度
煉化裝置爆炸危險區域的劃分及設備防爆選型，通常依據GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》，GB/T 3836《爆炸性氣體環境》系列和GB 12476《可燃性粉塵環境用電氣設備》系列規范。這些規范在多年來的升版更新中，大部分內容是修改采用或等同采用IEC規范。這使工程設計及產品制造的通用性和國際化有了方便可靠的準則和依據。但國標也有一些不盡完善之處，比如有關附加2區劃分，國標中對此相關內容的規定只是很籠統的一句話，并未針對介質的壓力、流量、容積等工藝參數做明確的分區進而確定劃多大范圍。因此在工程設計中還會參考NFPA和API的相關規定。
1、煉化裝置爆炸危險區域劃分
石化行業的各類生產裝置，在多年來的工程設計中，爆炸危險區域劃分遇到一些因國標規范規定不明確、難執行、工藝裝置專利商要求不同而按不同規則執行等問題，給工程設計帶來一定的困擾。
1.1 爆炸性氣體環境劃分附加2區的問題
GB 50058—2014中有關附加2區劃分的規定為3.3.1條第3款，原條文規定:當高揮發性液體可能大量釋放并擴散到15 m以外時，爆炸危險區域的范圍應劃分為附加2區[1]。國標里只是這么一句簡單的規定，并沒有從工藝參數的上給出明確的界定，多年來，就是否劃分附加2區一直存在分歧，工程設計中很不方便執行。對此問題，GB 50058—2014有可參考圖例如圖1所示，此圖和API 505—2018的圖21完全相同。
圖1 劃分附加2區的圖例
API 505—2018中對此有一些工藝參數可參考，根據API 505—2018規范中Figure.D.2的溫度-壓力關系曲線圖[2]，將物料按其揮發性強弱分為4類。根據數值對應關系，第1類對應于GB 50058—2014中的高揮發性液體[1]3。按該圖，在大量釋放(釋放速率為0.19～0.38 m3/min)的情況下，高揮發性液體會按30 m的半徑劃分危險區域，具體還需根據具體工藝設備的壓力和容積參數共同確定。表1為API 505—2018中規定的非封閉場所、有良好通風、處理比空氣重氣體的標準泵為釋放源設備時危險區域劃分半徑 [2]153，對標準泵類設備，揮發性為1類的介質在高壓力(大于3.4 MPa)的情況下，其流量為中流量(0.38～1.90 m3/min)或高流量(大于1.90 m3/min)時，需要按30.5 m的半徑劃2區。確定了30.5 m的半徑，具體劃分圖參考規范后面的圖D.3確定其空間高度。依此畫出來的圖形就是API 505—2018的圖21。
表1 危險區域劃分半徑規定
注：低壓力(≤689.5 kPa),中壓力(689.5～3 447.5 kPa),高壓力(≥3 447.5 kPa)。
這些工藝參數在NFPA 497—2021中也有明確界定，當滿足大容積和高流量時，在中壓力或高壓力情況下，都需按半徑30.48 m劃分危險區[3]。
因此，對是否劃分附加2區，API 505—2018和NFPA 497—2021用于界定的工藝參數及其畫出的圖例都是相同的。
1.2 聚烯烴裝置擠壓機熱油單元是否劃分氣體爆炸危險區的問題
聚烯烴裝置中用來加熱的熱油，其閃點一般為160～200 ℃，引燃溫度一般為300～450 ℃[4]，工作溫度比引燃溫度低幾十攝氏度。熱油系統中的法蘭和閥門作為可能泄漏的釋放點，依據 GB 50058—2014第3.3.1條第4款規定，需劃為氣體爆炸危險區。原文規定：當可燃液體閃點高于或等于60 ℃時，在物料操作溫度高于可燃液體閃點的情況下，可燃液體可能泄漏時，其爆炸危險區域的范圍宜適當縮小，但不宜小于4.5 m[1]12。
國內工程項目的設計需遵從國標規范規定，何況是有關安全的爆炸危險區域劃分問題。當確定劃分危險區域時，對處在此危險區域內的熱油加熱器，要求必須為防爆設備，其防爆等級和溫度組別須滿足所在區域介質的危險級別。但是當采用歐洲生產的熱油單元時，其成套的電加熱器通常采用ATEX防爆認證，ATEX認證時對電加熱器溫度組別是按電加熱器的工作溫度認證，而并不是按其暴露在空氣中的設備表面溫度認證。這就導致其設備溫度組別認證為T1。防爆認證溫度組別為T1的設備，說明其允許最高表面溫度可以達到450 ℃，高于熱油的引燃溫度。為了使設計和設備選型合理，熱油單元成套廠商又要求用戶使用引燃溫度高于 450 ℃的熱油。但有的用戶不同意使用引燃溫度太高的熱油，項目實施中經常會因此問題多次討論確認，耗費很多時間精力。
另一方面，在做過或在做的一些工程項目中，如果業主為北美企業，或工藝裝置為北美的專利商，業主或專利商會要求熱油單元不劃分爆炸危險區。不劃的理由是NFPA或API規定。以NFPA的規定闡述說明，按NFPA 30—2021，熱油依據其閃點被歸類為ⅢB類可燃液體[5]。NFPA 497—2021的4.2.7.3條規定Ⅲ B類液體當加熱時很少會汽化為足夠數量的可燃氣體而在空氣中形成可燃混合氣。通過正確的安裝及有目的維護電氣設備，熱油幾乎不會被點燃。當ⅢB類液體泄漏出來后，會很快冷卻到其閃點之下，因此幾乎不需要考慮劃分為爆炸危險區。
針對熱油系統的實際情況，由于要實現加熱的目的，正常工作時，熱油處在爐體和管道組成的封閉系統中，法蘭及閥門等可能泄漏處有很嚴格的密封措施，泄漏的可能性很小，考慮保溫以達到所需的工作溫度，熱油加熱器從設計制造上要保證整個系統要能保持所需要的工作溫度而不能有較大的熱損失，意味著即使有泄漏的情況出現，也不會是快速地大量的泄漏，少量泄漏出來的物料會很快冷卻到其閃點之下，所以不劃危險區實際上是沒有問題的。這也就是國內外在有部分項目對熱油不劃危險區，但幾十年來依然能安全運行的原因。
另外通過分析熱油加熱器實際制造及設計圖紙，可以分析其實際表面溫度。圖2為某工程項目熱油加熱器的設計圖紙的一小部分，從圖2可以看出，電加熱器的主要加熱元件(圖中法蘭盤右邊的部分)是泡在熱油里的，包裹著熱油的還有很厚的爐體外殼及外面的絕緣保溫層。因此熱油加熱器暴露在空氣中的只有圖中法蘭盤左邊的部分，主要是電源接線盒，還有一段過渡段。現場情況調研發現，這部分表面溫度，只有幾十攝氏度。因此把電加熱器的溫度組別按其工作溫度認證為T1是不準確的。
圖2 某工程項目熱油加熱器的部分設計圖紙
1.3 粉塵場所防爆電氣設備的表面最高溫度確定
煉化行業聚烯烴裝置中的爆炸性粉塵通常為聚乙烯或聚丙烯粉塵及添加劑粉塵，添加劑粉塵通常為硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、抗氧化劑等。這些粉塵都是可燃性粉塵。其各種粉塵的引燃溫度如表2所示。
表2 聚烯烴裝置常用的粉塵物料及其引燃溫度
對于聚乙烯或聚丙烯粉塵區域，其物料引燃溫度比較高，5 mm厚粉塵層的狀態下就會熔融。確定電氣設備表面溫度組別時，按國標GB/T 3836.15—2017《爆炸性環境 第15部分：電氣裝置的設計、選型和安裝》規定，用粉塵云的引燃溫度乘2/3的值確定設備表面溫度就行。
對于添加劑粉塵，按GB 50058—2014規定以廠房為區域做粉塵劃分，主要添加劑粉塵介質的引燃溫度如表2所示，考慮到粉塵積聚為粉塵層后引燃溫度會下降，因此需要用介質中5 mm厚粉塵層最低引燃溫度減去75 ℃后的值，或用 GB/T 3836.15—2017中的圖例所示粉塵層厚度與引燃溫度關系曲線圖[6]，如圖3所示，對照出來粉塵層的引燃溫度，兩者取較低值來要求設備的溫度組別。綜合工程設計經驗及添加劑物料特性，第二種方法即曲線對照取值法通常是更嚴格的確定方法。該方法考慮比較嚴重的積聚情況，在圖中取10 mm厚度處，物料最低引燃溫度按在250～320 ℃之間，為圖中最下面的曲線，其在 10 mm 粉塵層的引燃溫度為145 ℃左右。因此一般對設備溫度組別按135 ℃要求。
圖3 最高允許表面溫度與粉塵層厚度關系曲線
實際生產中，各企業都有嚴格的粉塵清掃管規定，以防止粉塵積聚，粉塵層都不會積聚到 10 mm 的厚度，因此根據此方法得到的設備表面最高溫度是一個足夠安全的值。
2、結 論
(1)國標里對劃分爆炸性氣體危險區只有一句定性的說明，對于工程項目中是否劃分，可參考NFPA 497或API 505中根據介質的工藝參數判斷確定。
(2)多年來的設計經驗及對國內外已建成裝置幾十年的運行情況跟蹤確認，熱油單元可不劃分爆炸危險區。
(3)爆炸性粉塵場所電氣設備的溫度組別，在混合性粉塵介質情況下，須按其中介質最低引燃溫度和是否可能積聚粉塵層的可能性，要求設備最高允許表面溫度。
(4)不管國標、IEC，NFPA還是API的相關規定，都不能做到全面，設計時對規范的有些規定不宜生搬硬套，可根據實際情況及工程經驗做適當調整。
參考文獻：
[1] 中國工程建設標準化協會工分會.爆炸危險環境電力裝置設計規范:GB 50058—2014[S].北京:中國計劃出版社,2014:33.
[2] American Petroleum Institute.Recommended practice for the classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I,Zone 0,Zone 1,and Zone 2:API standard 505—2018[S].2nd ed.Washington D C: American Petroleum Institute,2018:152.
[3] National Fire Protection Association.Recommended practice for the classification of flammable liquids,gases,or vapors and of hazardous (classified) locations for electrical installations in chemical process areas:NFPA 497—2021[S/OL].[2022-03-10].https://www.doc88.com/p-35129216791444.html.
[4] 中國石油產品和潤滑劑標準化技術委員會.石油產品術語:GB/T 4016—2019[S].北京：中國標準出版社，2019:32.
[5] National Fire Protection Association.Flammable and combustible liquids code：NFPA 30-2021[S/OL].[2022-03-10].https://max.book118.com/html/2019/1113/8127026046002063.shtm.
[6] 全國防爆電氣設備標準化技術委員會.爆炸性環境:第15部分電氣裝置的設計、選型和安裝：GB/T 3836.15—2017[S].北京：中國標準出版社，2017:15.
