粉塵爆炸性測試相關標準

粉塵爆炸預防與控制是涉及可燃粉塵操作的企業(yè)需要關注的重點之一，如集塵器、干燥器、粉碎、打磨等操作。據(jù)公開數(shù)據(jù)，2020年全球共發(fā)生165起粉塵引起的火災及60起粉塵爆炸，共導致10人死亡及88人受傷，而2021年全球共發(fā)生163起粉塵引起的火災及53起粉塵爆炸，共導致69人死亡及215人受傷。應急管理部于2021年發(fā)布了第6號應急管理部令-工貿(mào)企業(yè)粉塵防爆安全規(guī)定，同時諸如精細化工的其他行業(yè)也涉及大量的可燃粉塵，需要系統(tǒng)性地評估粉塵爆炸風險。

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我們知道粉塵爆炸的五要素如下圖1-1所示，而評估粉塵爆炸風險的第一步是識別粉塵是否具有爆炸性(即所稱的"Go/No-Go"測試)。本文通過分析全球常用粉塵爆炸性測試標準探討如何判斷是否為爆炸性粉塵。

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圖1-1 粉塵爆炸五要素

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一、粉塵爆炸性測試相關標準

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目前粉塵爆炸性測試相關的標準主要有以下三個標準。

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德國標準VDI 2263 第1部分(1990)：粉塵安全特性測試方法(Test Methods for the Determination of the Safety Characteristic of Dusts)

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ISO/IEC 80079-20-2(2016): 物料特性-可燃粉塵測試方法(Material characteristics – Combustible dusts test methods)

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美國材料與試驗協(xié)會標準ASTM E1226-19(2016)：粉塵云爆炸性標準測試方法(Standard Test Method For Explosibility Of Dust Clouds)。

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本文將基于以上三個標準解釋如何判斷粉塵是否具有爆炸性。

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二、粉塵爆炸性判定

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a.德國標準VDI 2263 第1部分(1990)

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VDI 2263粉塵爆炸性篩選測試流程如下圖1-2所示。

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圖1-2? VDI 2263粉塵爆炸性篩選測試流程

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在改進的哈特曼管中(如圖1-3所示)采用感應電火花(15kV電壓)進行測試，如果測試粉塵發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?，則認為是爆炸性粉塵。如果測試粉塵未發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?，則需要在20L球形容器(如圖1-4所示)內(nèi)進一步測試。

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在20L球形容器內(nèi)進行測試，使用1-2kJ的點燃能量進行測試。粉塵爆炸性判定標準：

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在點燃后，如果補償后測試的最大壓力大于0.5barg，則判定為爆炸性粉塵。

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在點燃后，如果補償后測試的最大壓力小于0.5barg，則判定為非爆炸性粉塵。

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標準中并未明確規(guī)定如果在點燃補償后測試的最大壓力正好為0.5barg如何進行判定。

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圖1-3? 改進的哈特曼管

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圖1-4? 20L球形容器

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b.ISO/IEC 80079-20-2(2016)標準:

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ISO/IEC 80079-20-2粉塵爆炸性篩選測試流程如下圖1-5所示。

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圖1-5? ISO/IEC 80079-20-2粉塵爆炸性篩選測試流程

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1.在改進的哈特曼管中采用感應電火花(15kV電壓)進行測試，如果測試粉塵發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?，則認為是爆炸性粉塵。如果測試粉塵未發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ィ瑒t進行第2步的測試，且認為粉塵的最小點火能大于1J。

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2.在改進的哈特曼管中采用加熱盤管進行測試(溫度大于1000℃)。如果測試粉塵發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ィ瑒t認為是爆炸性粉塵。如果測試粉塵未發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ィ瑒t進行第3步的測試，且認為粉塵的最小點火能大于10J。

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3.在20L球形容器內(nèi)進行測試，使用2kJ的點燃能量進行測試。粉塵爆炸性判定標準：

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在點燃后，如果補償后測試的最大壓力大于等于0.3barg，則判定為爆炸性粉塵。

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在點燃后，如果補償后測試的最大壓力小于0.3barg，則判定為非爆炸性粉塵。

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c.美國材料與試驗協(xié)會標準ASTM E1226-19(2016)：

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ASTM E1226-19中目前并未使用改進的哈特曼管的進行粉塵爆炸性篩選測試，采用的是20L球形容器，可以采用5kJ或者10kJ的點燃能量，但建議采用10kJ的點燃能量。

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粉塵爆炸性判定標準：

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在點燃后，如果補償后測試的最大壓力大于等于1barg，則判定為爆炸性粉塵。

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在點燃后，如果補償后測試的最大壓力小于1barg，則判定為非爆炸性粉塵。

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三個標準中都建議如果對20L球形容器的測試結果不確定，則在1m3的容器內(nèi)進一步測試。但是考慮到成本及耗時，很少采用1m3的容器進行測試。

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粉塵爆炸性判定

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我們將以上三個標準的粉塵爆炸性判定標準匯總于下圖1-5中。假設某粉塵爆炸性篩選測試結果為0.4barg(對應的粉塵濃度為500mg/m3)，則按照ASTM E1226-19和VDI2263為非爆炸性粉塵，但是按照ISO/IEC 80079-20-2標準為爆炸性粉塵。再假設某粉塵爆炸性篩選測試結果為0.6barg(對應的粉塵濃度為1000mg/m3)，則按照ASTM E1226-19為非爆炸性粉塵，但是按照VDI2263和ISO/IEC 80079-20-2標準為爆炸性粉塵。因此我們在判斷粉塵是否具有爆炸性時需要注意所應用的測試標準的不同。

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圖1-5? 粉塵爆炸性篩選測試標準比較

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2.雖然三個標準中給出了粉塵爆炸性的判定標準，但是粉塵爆炸性影響因素很多，如粒徑、溫度等，很難通過單一的爆炸超壓或者爆燃指數(shù)Kst判定粉塵是否具有爆炸性。例如，某些粉塵(如鐵粉、煙草)在特定的生產(chǎn)條件下測出的Kst可能只有10-20bar·m/sec，但是同樣發(fā)生過導致人員死亡的安全事故。因此我們不能簡單的通過爆炸超壓或者爆燃指數(shù)Kst判定粉塵不具有爆炸性，在特定的條件下粉塵也會發(fā)生爆燃。

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總結

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粉塵是否具有爆炸性很難通過一個單一的標準(如爆炸超壓/爆燃指數(shù)Kst)進行簡單判定，需要結合其它參數(shù)以及生產(chǎn)條件系統(tǒng)性地判斷以合理評估粉塵爆炸風險。

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化工行業(yè)涉及的粉塵絕大部分為可燃粉塵，從經(jīng)濟有效性角度是否有必要對于所有粉塵進行粉塵爆炸性篩選測試值得我們進一步探討，我們也可以通過公開可以獲得的數(shù)據(jù)初步判斷粉塵是否具有爆炸性。