隔爆型电机在火炸药危险场所应用的安全性分析

隔爆型电机用于火炸药粉尘危险场所的安全性 分析多停留在定性阶段。火炸药粉尘爆炸具有压力 上升速率大、着火点低、最小点火能量小、自身供氧 等特点，而隔爆型电气设备常用于可燃性气体危险 场所，其抗爆性能低，有安全间隙，火炸药粉尘极易 通过缝隙进入电气设备内部，遇到点火源有可能引 发火炸药粉尘爆炸，造成惨痛的事故。笔者通过试 验得到不同壳体间隙下的粉尘侵入量，进而计算火 炸药粉尘的爆压，进行设备壳体强度校核，定量分析 了隔爆电机的安全性。
学科分类与代码：６２０．３０３０
中图分类号：Ｘ９３４
文献标识码：Ａ
【摘要】 针对普通隔爆型电机应用于火炸药粉尘危险场所的安全性问题进行定量分析，设计壳
体粉尘侵入量试验，系统研究不同间隙下的粉尘侵入量，根据试验数据，应用曲线外推法及阿贝尔
（Ａｂｅｌ）余容状态方程计算爆压，结合材料力学及薄壁理论进行隔爆型电气设备外壳强度及刚度的
金属方孔筛滤过，金属丝直径５０岬，筛孔尺寸为 ７５岬。滑石粉用量为每立方米试验箱容积２ ｋｇ，使
用次数不得超过２０次。具体的试验步骤如下：
万方数据
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中国安全科学学报
Ｃｈｉｎａ Ｓａｆｅｔｙ
Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ
第１８卷 ２００８钜
１）清洁壳体内部。 ２）调整间隙，在壳体平面接合面上每隔６００放 置一块垫片，拧动壳体周边的螺栓，使间隙达到要求 值，用塞规检查合格为止。 ３）将壳体装入试验箱内，关上试验箱。 ４）利用压差把箱内空气抽人被试壳体内，抽气 量为８０倍被试外壳容积。 ５）试验结束后，０．５ ｈ后开箱取出壳体，目的是 使箱内扬起的粉尘沉积下来。 ６）打开壳体，收集侵入的粉尘，用感度为 ０．１ ｍｇ的物理天平称出粉尘质量。 ７）调整间隙，重复上述试验。 试验共进行５次，分别取间隙０．０７ ｍｍ，
德国２０世纪８０年代，美国在９０年代分别对火 炸药危险场所用电气设备的技术进行了研究，形成了 技术报告以指导企业的安全生产ＢＪ。我国在２０世纪 ８０年代，哈尔滨亚麻厂粉尘爆炸、黄埔港粮食筒仓大 爆炸等数次恶性爆炸事故之后，开展了粉尘爆炸规律 的研究Ｈ—Ｊ，但至今没有制订出用于火炸药粉尘危险 场所防爆电气设备设计、制造与使用标准。实际执行 时，多采用隔爆型电气设备代替，ＩＥＣ和我国的标准 均明确指出该类电气设备“不适用于那些不需要大气 中的氧即可燃烧的炸药粉尘环境”怕。Ｊ。
第１ ８卷第１ ２期 ２ ０ ０ ８年１ ２月
中国
Ｃｈｉｎａ
安全
Ｓａｆｅｔｙ
科学
Ｓｃｉｅｎｃｅ
学报 Ｊｏｕｍａｌ
Ｖ０１．１８Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．２ ０ ０ ８
隔爆型电机在火炸药危险场所应用的安全性分析‘
朱 方１ 汪佩兰２教授
（１江苏大学安全工程系，镇江２１２０１３ ２北京理Ｔ大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京１０００８１）
表１粉尘侵入量试验结果数据
间隙６（ｈｉｍ）
Ｏ．０ｒ７ Ｏ．１ｌ ０．１３ Ｏ．１５ ０．１７
粉尘，，１．（ｇ）
０．９２３ ３ ２．５５２９ ２．８２３ ５ ３．３６５７ ３．９２９ ｌ
总粉量ｍ。（ｇ）
０．９７３ ３ ２．６０２ ９ ２．８７３ ５ ３．４１５ ７ ３．９７９ １
４．０
３．５
３．０
３ ２．５ 窭２．０
２ 隔爆型电气设备外壳强度及刚度 校核
２．１ 强度及刚度校核的基本原理 隔爆型电气产品须保证产品外壳具备一定的强
度和刚度。强度是指在确定的爆炸压力下不会发生 破裂或过量的塑性变形；刚度是指在确定的爆炸压 力和压力上升速率的作用下，不会产生过大的弹性 变形而丧失其隔爆性能，刚度是保证各零部件的正 确装配、机械性能和满足使用要求的必要条件。
图１），壳上有一抽气孔，接合面宽度为２５ ｍｍ，圆周 上均布着６个螺孔，上下壳体由螺栓连接，通过拧动 螺栓，控制上下壳体的间隙。
ｌ
气孔
图１试验壳体示意图 当壳体放在箱体内时，通过循环泵将试验箱内 的粉尘扬起，并在箱内循环运动，使壳体处于一个高 浓度粉尘环境，抽气口与真空泵相连，当抽气系统的 阀门打开时，通过压力计调整试样内外压差，利用压 差把箱内空气抽人被试壳体内，从流量计可以读出 抽气量，试验装置原理如图２所示。
２）试验最小间隙０．０７ ｍｍ时，进粉量为 ０．９７３ ３ ｇ，试验壳体的容积为２．５ Ｌ，则其壳内粉尘 的平均浓度约为３８９ ｍｇ／Ｌ，如表２所示，ＲＤＸ粉尘 云的爆炸下限浓度为１０８．３ ｍｇ／Ｌ，ＴＮＴ粉尘只有 ５０ ｍｇ／Ｌ＂Ｊ，壳内粉尘的平均浓度比ＲＤＸ粉尘云的 爆炸下限浓度高出３．５９倍，即壳内的进粉量有引起 爆炸的可能性。采用隔爆原理设计的防爆电气设备 最大试验安全间隙（ＭＥＳＧ）都在０．１０ ｍｍ以上，所 以用于火炸药粉尘危险场所的电气设备必须采取特 殊的防爆结构设计。
校核。计算表明：若壳体内粉尘较均匀的悬浮在空中，切向应力与许用应力处于同一数量级；如果火
炸药粉尘在轴承室、接线盒等局部堆积成火炸药层，切向应力比许用应力大两个数量级。试验结果
强调：用于火炸药粉尘危险场所的电气设备必须有特殊的防爆结构设计，普通的隔爆电机用于火炸
药粉尘危险环境时存在一定的安全隐患。
【关键词】 隔爆型电气设备； 火炸药粉尘； 粉尘爆炸； 强度校核； 安全分析
ｆｏｒｍｌｙ ｉｎ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ，ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｉｎｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ａｓ ｔｈａｔ ｏｆ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ；ｉｆ ｔｈｅ ｄｕｓｔ Ｗａｓ ｐｉｌｅｄ ｕｐ ｉｎ ｓｏｍｅ ｌｏｃａｌ ｐａｒｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｃｈａｍｂｅｒ ｏｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｂｏｘ，ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｓｔｒｅ鸥ｗａｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｂｙ ｔｗｏ ｏｒｄｅｒｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｒｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｐｒｏｂａｂｌｙ ｓｏｍｅ ｈｉｄｄｅｎ ｄａｎｇｅｒｓ ｉｆ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ·—ｐｒｏｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｄｕｓｔ，ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ｆｒｏｍ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ—ｐｒｏｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ；ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｄｕｓｔ；ｄｕｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；
试验装置由抽气系统、试验箱体、粉尘循环系统 ３部分组成。设计并制造了２．５ Ｌ试验壳体（见
图２ 壳体粉尘侵入量试验装置示意图
１．２试验条件及步骤
试验环境条件控制在：温度１５—３５℃，相对湿 度２５％一７５％ＲＨ，大气压力８６—１０６ ｋＰａ，内外压差 １８＂１－２ ｃｍ水柱。由于试验是测进粉量，考虑到试验 的安全性，试验粉尘用滑石粉代替。粉尘要求：应用
１．５
１．０
０．５
０ ０６
０．０８
０．１０ ０．１２ ０．１４ 闻隙（ｍｍ）
０．１６
０．１８ ０．２０
图３粉尘侵入量与间隙的关系折线图
１。４试验结果分析
通过分析试验数据，观察曲线图，可以得出两个 结果：
１）壳体内粉尘的侵入量总体上随着间隙的增 大而逐渐增加，这是因为间隙越大，粉尘进入壳体内 的几率越大，壳体内的粉尘也越多。
１壳体粉尘侵入量试验研究
隔爆型电气设备采用间隙消焰原理工作¨１，火 炸药粉尘极易通过安全间隙进入电气设备内部，遇 到点火源有可能引发火炸药粉尘爆炸事故，给火炸 药生产和使用危险场所带来安全隐患。试验通过调 整上下壳体的间隙，研究不同间隙下粉尘侵入量的 关系，为设备强度校核提供数据。
１．１试验装置及原理介绍
粉尘名称
ＲＤＸ
Ｂ炸药
ＴＮｒｒ ＰＥＮ－ｒ
表２ ４种火炸药粉尘云爆炸下限浓度试验条件及结果
过筛目数（目） １５０—２Ｉ∞
中位直径（岬）
２２．５８
温度（℃）
２２
湿度（％）
３８
２００Байду номын сангаас３００
４４．８８
１５
５０
１５０—２００
５３．４１
１９
４６
１５０—２００
３６．６０
１９
４０
爆炸下限（ｍｇ／Ｌ）
１０８．３ ８３．３ ５０．０ ９１．７
圆筒形是电气设备外壳较多采用的形状，下面
万方数据
第１２期
朱方等：隔爆型电机在火炸药危险场所应用的安全性分析
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以圆筒形为例进行校核。圆筒形体的外壳壁与外壳 直径之比很小，一般是在１／２０以下，根据材料力学 及薄壁理论，进行应力分析。因隔爆型电气设备外 壳是指能承受内部爆炸性混合物的爆炸压力，还能 阻止内部的爆炸火焰、高温向外壳周围爆炸性混合 物传播，因此，计算外壳强度主要考虑内部爆炸压力 的作用。
Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８ １，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ—－ｐｒｏｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｈａｚａｒｄｏｕｓ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｄｕｓｔ ＷｒｉＳｔ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｄｕｓｔ ｉｎｖａｄｉｎｇ ｉｎ— ｔｏ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｔｈ∞ｕｓｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅ ｏｆ ｇａｐｓ ｗａｓ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｄａｔａ，ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｃｕｒｖｅ ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｂｅｌ ｒｅｄｕｎｄａｎ— ｃｙ ｓｔａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ—ｐｒｏｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｗａｓ ｃｈｅｃｋｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｉｎ ｗａｌｌ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｉｆ ｔｈｅ ｄｕｓｔ ｗａｓ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｕｎｉ—
０．１１ ｍｉｌｌ，０．１３ ｍｍ，０．１５ ｍｍ，０．１７ ｍｍ。
１．３试验结果
总粉量‰由壳体中侵入的粉尘量ｍ。和补偿
值两部分构成。补偿值主要来自３个方面： １）壳体内壁上残留的粉尘； ２）抽气嘴螺纹上的粉尘；
３）收集过程中的散失的粉尘，以０．０５０ ０ ｇ作 为补偿值。
试验结果如表ｌ所示，以间隙值为横坐标，总粉 量为纵坐标绘制曲线如图３所示。
Ｓａｆｅｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ—ｐｒｏｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｄｕｓｔ
ＺＨＵ Ｆａｎ９１ ＷＡＮＧ Ｐｅｉ－ｌａｎ２。Ｐｒｏｆ． （１ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ ２ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈｅｃｋ； ｓａｆｅｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ
·文章编号：１００３—３０３３（２００８）１２—００９６—０５；收稿１３期：２００８—０９—１３；修稿Ｅｔ期：２００８—１ｌ一３０
万方数据
第１２期
朱方等：隔爆型电机在火炸药危险场所应用的安全性分析
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０引 言
火炸药广泛应用于军事和工农业生产之中，国内 外均有大量的火炸药生产企业，为了提高劳动生产率， 普遍使用了大量的电气设备。在火炸药生产过程中， 有些工序如吹浮药、混药、研磨和过筛等，常常会产生 很多粉尘，因此火炸药加工车间，存在火炸药粉尘环 境，电气设备的异常状况如电火花可能引起事故。如 某厂导火索车间包装工房，工人将１５．６ ｋｇ小粒黑药样 品装入入料口，合闸刀时发生短路火花，引燃入料口浮 药，造成３人重伤，１０人轻伤的爆燃事故…。