甲烷催化元件防爆檢測(cè)研究范文
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《電氣防爆雜志》2016年第3期
摘要：
介紹了甲烷催化元件的工作原理、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等情況。
關(guān)鍵詞：
催化元件;隔爆性能;耐爆性能;Ma保護(hù)等級(jí)
0引言
煤礦井下瓦斯?jié)舛却笮￡P(guān)系著煤礦的安全生產(chǎn)作業(yè)，作為煤礦井下用檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊募淄闅怏w傳感器，按其原理分主要分為光干涉甲烷傳感器、催化燃燒式甲烷傳感器以及紅外、光纖、激光等原理的甲烷傳感器［1－2］。雖然紅外、光纖、激光等新型原理的甲烷傳感器由于技術(shù)的進(jìn)步陸續(xù)得到推廣和應(yīng)用，但還是存在一些工作不穩(wěn)定和質(zhì)量不可靠的技術(shù)性難題，現(xiàn)階段還是主要以技術(shù)成熟的催化燃燒式甲烷傳感器和光干涉式甲烷測(cè)定器為主。其中作為催化燃燒式甲烷傳感器的核心部件催化元件由于制作工藝復(fù)雜，質(zhì)量、精度、防爆安全要求高的原因，勢(shì)必會(huì)使催化元件的防爆安全性能檢測(cè)檢驗(yàn)變得十分重要［3］，隨著技術(shù)和安全的發(fā)展，礦用本質(zhì)安全型設(shè)備也勢(shì)必會(huì)朝著Ma保護(hù)等級(jí)的方向努力。
1甲烷催化元件的工作原理
檢測(cè)甲烷等可燃?xì)怏w的儀器一般使用催化燃燒式原理的傳感器［4］，它可以被看成是一個(gè)小型化的熱量計(jì)，它的檢測(cè)原理在幾十年內(nèi)沒有大的變化。這是一個(gè)惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)。在它的測(cè)量橋上涂有催化物質(zhì)，測(cè)量時(shí)，要在參比和測(cè)量電橋上施加電壓使之加熱從而發(fā)生催化反應(yīng)，這個(gè)溫度大約是500℃或者更高。正常情況下，電橋是平衡的，輸出為零。如果有可燃?xì)怏w存在，它的氧化過程會(huì)使測(cè)量橋被加熱，溫度增加，而參比橋溫度不變。電路會(huì)測(cè)出它們之間的電阻變化，輸出的電壓同待測(cè)氣體的濃度成正比。同理，催化燃燒式甲烷傳感器的工作原理［5］是:在傳感元件(含敏感元件)表面的甲烷，在催化劑的催化作用下，發(fā)生無(wú)焰燃燒，放出熱量，使傳感元件升溫，進(jìn)而使傳感元件電阻變大，通過測(cè)量傳感元件電阻變化就可測(cè)出甲烷氣體的濃度。
2現(xiàn)階段甲烷催化元件的防爆試驗(yàn)
眾所周知，現(xiàn)階段的甲烷催化元件作為隔爆型產(chǎn)品認(rèn)證，主要是針對(duì)隔爆外殼的防爆性能要求，即催化元件粉末冶金罩的“隔爆性能”和“耐爆性能”，隔爆性能的型式試驗(yàn)要求是通過點(diǎn)燃粉末冶金罩內(nèi)的可燃性氣體而不引爆粉末冶金罩外試驗(yàn)罐的可燃性氣體即可達(dá)到隔爆性能的要求;而耐爆性能試驗(yàn)要求則是通過1MPa的外殼靜壓的試驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證粉末冶金罩及澆封劑的強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.1隔爆性能試驗(yàn)(內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn))
根據(jù)內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)的要求，把外殼即粉末冶金罩放在一個(gè)試驗(yàn)罐內(nèi)，外殼內(nèi)和試驗(yàn)罐內(nèi)應(yīng)在大氣壓下充以相同的爆炸性混合物［6］，對(duì)于I類電氣設(shè)備，充以(55±0.5)%氫氣和空氣的混合物，進(jìn)行內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)，重復(fù)5次，如果點(diǎn)燃沒有傳播到試驗(yàn)罐，則認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果合格［7］。試驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示。
2.2耐爆性能試驗(yàn)(外殼耐壓試驗(yàn))
根據(jù)外殼耐壓試驗(yàn)的要求，對(duì)于小型設(shè)備不能測(cè)定參考?jí)毫r(shí)，應(yīng)采用靜壓試驗(yàn)的方法，試驗(yàn)壓力為1MPa，加壓試驗(yàn)至少為10s，試驗(yàn)只進(jìn)行一次，如果試驗(yàn)結(jié)果未發(fā)生影響防爆型式的永久性變形或損壞，且沒有通過外殼壁泄露，則認(rèn)為外殼耐壓試驗(yàn)合格。試驗(yàn)原理圖如圖2所示。
3CE認(rèn)證要求試驗(yàn)項(xiàng)目－礦用Ma等級(jí)催化燃燒甲烷傳感器試驗(yàn)
隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)Ma保護(hù)等級(jí)的甲烷傳感器，如紅外甲烷傳感器以及光纖、激光甲烷傳感器。如果按照標(biāo)準(zhǔn)使用場(chǎng)所的需要，這類甲烷傳感器相比較載體催化式甲烷傳感器安全等級(jí)更高，使用范圍更廣，安全級(jí)別更高。但通過分析和實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)［8］，催化燃燒式的方式與紅外光源發(fā)光式的小元件熱點(diǎn)燃式的防爆機(jī)理十分相似，如果都能夠滿足小元件點(diǎn)燃試驗(yàn)，二者均可以達(dá)到Ma的保護(hù)等級(jí)。礦用Ma等級(jí)催化燃燒甲烷傳感器試驗(yàn)項(xiàng)目的目的是驗(yàn)證催化珠的無(wú)焰燃燒反應(yīng)在故障條件下的最大功耗狀態(tài)下不能夠點(diǎn)燃爆炸性氣體［9－10］。試驗(yàn)步驟如下:
a)準(zhǔn)備黑白催化元件各10個(gè)(不帶傳感器外殼)
b)將元件裝在實(shí)際使用的電路板上或者模仿使用條件的測(cè)試夾具下。
c)將爆炸性氣體覆蓋催化元件，周邊要有通風(fēng)系統(tǒng)(防止排出氣體爆炸)。
d)使催化珠周圍通6.5%±0.2%的甲烷氣體。
e)給催化珠以最大的正常工作電壓供電。
f)緩慢的增加電壓直到催化珠達(dá)到1.5倍的最大正常功耗。
g)等待催化珠達(dá)到最大的熱平衡(每10%的上電時(shí)間間隔測(cè)試一次，不得小于5分鐘，熱平衡判定條件有:測(cè)得的3個(gè)連續(xù)的催化珠最高溫度變化小于5%;或者催化珠的溫度降到530度以下;或者催化珠的功耗降到最大功耗的5%)。
h)如果測(cè)試終止是因?yàn)樵p壞，剩余的測(cè)試樣品應(yīng)該降低功耗繼續(xù)測(cè)試(再次等待熱平衡，觀察最高功耗的熱平衡下不點(diǎn)燃甲烷)。
i)記錄爆炸性氣體的點(diǎn)燃，冷火焰應(yīng)該認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)燃，應(yīng)該用目視或者熱電偶記錄點(diǎn)燃。
j)如果測(cè)試過程中沒有點(diǎn)燃，測(cè)試完成后應(yīng)該點(diǎn)燃夾具內(nèi)的氣體，以證明測(cè)試過程中沒有點(diǎn)燃。注:要完成上述試驗(yàn)，需要首先大致找到催化珠的熱平衡工作條件，其次還要試驗(yàn)?zāi)芊衲恳曈^察出6.5%±0.2%的甲烷氣體的爆炸，如無(wú)法目視點(diǎn)燃可考慮用壓力傳感器監(jiān)控。覆蓋傳感器的空間盡量要小，采用體積小一點(diǎn)的帶觀察窗的隔爆外殼，以盡量降低爆炸威力。按照試驗(yàn)要求，采用上述隔爆性能試驗(yàn)用自制的試驗(yàn)裝置以及高壓點(diǎn)火試驗(yàn)系統(tǒng)能夠很好地完成該試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)裝置模擬框圖如圖3所示。
4結(jié)語(yǔ)
為了適應(yīng)新的煤礦安全規(guī)程的要求以及礦用產(chǎn)品Ma等級(jí)的推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)勢(shì)必會(huì)推行催化元件礦用Ma等級(jí)催化燃燒甲烷傳感器認(rèn)證的要求。
參考文獻(xiàn)：
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作者:柳玉磊 尋增霞 單位:中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司檢測(cè)分院