海上油氣生產設施防爆電氣設計

覃柳莎，李艷華，吳 磊，許曉麗，蔣 薇

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津300451；2. 中國海洋石油(中國)有限公司天津分公司 天津300451)

0 引 言

防爆電氣設備在海上平臺油氣生產設施上廣泛應用，對降低平臺上火災爆炸風險有重要作用。國家相關法規、行業規范和工程設計標準對防爆電氣設備的設計、選型、制造、檢驗和驗收均有明確規定[1-4]。但是在工程實踐中由于防爆電氣不合格而影響項目進度的情況時有發生，主要原因是相關規范和標準較多，在工作實踐中難以保證防爆電氣設備各方面的要求面面俱到。因此，對防爆電氣設計的相關理論和國家法規、標準規范的強制要求進行梳理和分析，并以此指導海上油氣生產設施上的防爆電氣的設計、選型和采辦顯得十分必要。

1 防爆電氣設計

防爆電氣設計主要依據生產設施上的危險區進行劃分。危險區是指生產設施上存在可燃氣體并且濃度可能達到了其爆炸下限的某個區域。根據該區域可燃氣體濃度達到爆炸下限的可能性高低，劃分不同的等級，表征某個區域的危險特征，主要考慮如下幾個方面：危險區類別、危險區等級、危險區內可燃氣體的成分、可燃氣體被點燃的溫度等級。目前海上油氣生產設施上危險區劃分的標準有美國石油協會的危險區劃分標準、國際電氣工程師協會的危險區劃分標準以及歐盟危險區劃分標準。各劃分標準在表征危險區特征的4個參數上略有差異，對防爆電氣設備的設計有較大的影響。

根據爆炸物質的類別，危險區劃分為 3類，分別是I類危險區為煤礦瓦斯氣體，II類危險區為除煤礦瓦斯之外的可燃氣體，III類危險區為粉塵和纖維。我國國標、國際電氣工程師協會標準以及歐盟標準均據此進行分類[5-7]。美國石油協會的劃分標準與此不同，I類為可燃氣體，II類為爆炸性粉塵，III類為爆炸性纖維[8]。兩者的主要區別在于煤礦瓦斯氣體沒有單獨分類，在美國石油協會標準中直接歸入可燃氣體一類。對于海上油氣生產設施按照國際通用劃分方法，危險區為 II類除煤礦瓦斯之外的可燃氣體，對應標記為 Group II；按照美國石油協會標準(API標準)，應該為I類危險區，對應標記為Class I。

根據可燃物質存在的概率高低，危險區劃分為3個等級，分別是0區、1區和2區。0區表示該區域可燃物質達到爆炸下限的時間每年超過 1000h，即每年有10%的時間存在可以被點燃的氣體；1區表示該區域可燃物質達到爆炸下限的時間每年在 10～1000h之間，即每年有 0.1%～10%的時間存在可以被點燃的氣體；2區表示該區域可燃物質達到爆炸下限的時間每年低于10h，每年存在被點燃氣體的概率低于 0.1%。在部分使用 API 500進行危險區劃分的生產設施上，危險區只分 2個等級，其中 1級對應0區和1區，2級對應2區。

對于氣體爆炸物，按照氣體爆炸時的爆炸壓力和爆炸安全間隙，可以分為 3類，分別為 A、B、C 3個組別。美國 API RP 500標準將氣體組分劃分為 A、B、C、D 4個組別，其中A組和B組與國際通行標準中的C組對應，C組與國際通行標準中的B組對應，D組與A組對應。

表1列出了目前各主流危險區劃分規范的對比。

表1 不同危險區劃分標準對比Tab.1 Comparison between different hazardous area classification standards

2 防爆電氣設備選型

防爆電氣設備最根本的作用是在危險區內使用而不會成為點燃源。根據國際電工委的標準，防爆電氣設備可分為隔爆型、增安型、本質安全型、正壓型、充油型、充砂型、澆封型、無引燃設備型和特殊型。各種不同類型的防爆電氣設備的主要工作原理以及設備代號如表 2所示。表 2中所列防爆電氣設備的形式也可概括歸納為 3種類型：①限制能量型，即限制電能的形式，如本質安全型設備；②囚禁型，即把已引爆的氣體基本囚禁在殼內，不引爆殼外的可燃氣體，如隔爆型設備；③隔離型，即把可能的引爆源與可燃氣源隔開的形式，如充油、充砂、增安、澆封、正壓型等。

表2 不同類型防爆電氣設備及主要工作原理Tab.2 Types of explosion-proof electrical equipment and their working principles

爆炸性氣體環境用防爆電氣設備分為 I類和II類，該分類與危險區劃分中危險區類型分類相同。I類設備用于煤礦爆炸環境，II類設備用于其他氣體爆炸環境。在海上油氣生產設施上用到的防爆電氣設備屬于 II類設備。不同防爆類型的電氣設備適用于不同類別和等級的危險區。表 3列出了防爆設備類型與危險區類別和等級的對應關系。由表 3可知，0區對防爆電氣設備的選用要求最為嚴格。除了無引燃型設備只能用于2區，大部分防爆電氣設備在1區和2區是可以通用的。增安型、澆封型、正壓型、充油型和充砂型設備，也就是說所有的隔離型設備可適用于任何種類的可燃性氣體環境中，因為它們的防爆工作原理與氣體性質沒有關系。但是隔爆型與本安型的工作原理與每種氣體的性質密切相關，在選用這2類設備時要考慮氣體組分。氣體組分的劃分與危險區劃分中的氣體組分相同。

表3 各危險區所適宜的標準的防爆電氣設備形式Tab.3 Standard explosion-proof electrical equipment suitable for each hazardous area

防爆設備的選擇還需要考慮設備表面溫度不能超過對應氣體組分的最低點燃溫度，各氣體組分對應的溫度等級如表 4所示。在表 4中設備的級別從上到下越來越高，也可以說設備從上到下檔次越來越高。如果設備溫度組別相同，如都是T1組設備，那么IIB T1設備就比 IIAT1高一檔，在實際選擇時，如IIAT1設備不可獲得，可用IIB T1設備來代替，反之則不行。表中同一氣體組分內，從左往右溫度級別越來越高，如 IIBT3可以代替 IIBT2，反之不行。表中IICT6是最高等級，可以替代表中所有的溫度等級。在同一個危險區范圍內如果有多種可燃氣體組分存在，在防爆設備選型上就要按照最高級別的防爆設備選取。

表4 設備和氣體級別以及溫度組別對應序列Tab.4 Corresponding sequence of equipment, gas level and temperature groups

3 防爆電氣設備采購

防爆電氣設備的采購是防爆電氣設計的重要環節。防爆電氣設備采購是落實危險區劃分和防爆電氣設備選型技術要求，保證產品質量的關鍵所在。目前我國對于防爆電氣設備采取了嚴格的認證制度，對生產企業有防爆電氣設備生產許可證書要求，對產品有防爆產品認證證書要求。因此在設備采購環節，對防爆產品證書進行嚴格把關是保證防爆電氣設備質量的重要環節。防爆證書上有防爆證書編號和防爆認證標志兩項重要信息。表 5列出了防爆證書編號和防爆認證標志的組成和含義。在證書上還應關注防爆設備的結構組成并與實物進行對比驗證，確保設備結構與證書一致，是沒有經過修改的防爆結構。通過防爆證書編號可以在國家相關網站上進行證書真偽鑒別，保證證書的真實可靠。

表5 防爆證書主要信息組成Tab.5 Main information in explosion-proof certification

4 結論與展望

防爆電氣設備對保障海上油氣生產設施的安全非常重要，從前期危險區的劃分、設備選型、設備采購到后期設備的安裝、驗收以及設備變更管理應該形成閉環，嚴格遵守國家法律法規和標準規范要求。設備的設計、選型和采購是防爆電氣設備管理的前期環節，設備設計和選型的正確與否，產品質量好與壞直接影響后期的安裝和驗收。目前關于防爆電氣設備的設計、選型和制造等國際上相關標準規范較多，但大部分要求都是一致的。在使用不同標準規范時要留意其中的差異，在危險區劃分、設備選型、設備制造等各個環節應盡量選擇同一體系的標準，既為后期設備采辦和驗收提供便利，也可以避免因標準差異導致的設備不滿足要求的情況發生。