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机械火花安全性能试验方法对比分析

文档作者：汤鹏梁峻靳鑫蒋漳河王新华文档来源：广州特种机电设备检测研究院		点击数：	更新时间： 2021年02月28日
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· l 爆试验· 机械火花安全性能试验方法对比分析
机械火花安全性能试验方法对比分析
汤鹏，梁峻，靳鑫，蒋漳河，王新华
(广州特种机电设备检测研究院，广州510180)
[关键词]机械火花；安全性能；试验方法
[摘要]在爆炸危险场所使用成套机械设备和部件以及手动工具不能避免机械火花的
产生，需要对其安全性能进行试验和评价。对比了目前落锤式试验、旋转摩擦式试验和高速冲
击试验三种机械火花安全性能试验方法。
[中图分类号]TD4 [文献标识码]A [文章编号]1004—9118(2017)02—0031—05
DOI：10．14023／j．enki．dqfb．2017．02．009
Comparative Analysis of Mechanical Sparks Safety Performance Test Method
Tang Peng，Liang Jun，Jin Xin，Jiang Zhang—he，Wang Xin—hua
(Guangzhou Academy ofSpecial Equipment Inspection&amp;amp;Testing，Guangzhou，510180)
Key words：mechanical sparks；safety performance；test method
Abstract：Mechanical sparks is one of the important potential ignition source which threaten
mechanical explosion—proof safety．Using mechanical equipment，mechanical component and hand
— tools(including non—spark tools)can?t avoid mechanical sparks in explosive hazardous areas，
SO it is necessary to test and evaluate its safety．Currently，GB codes have specified drop hammer
test，rotation friction test and high speed impact test to test the safety performance of mecharrical
sparks。
0 引言
随着成套机械设备和部件以及手动工具在爆
炸危险场所使用的不断增多，机械防爆安全隐患
日益凸显。2013年山东省青岛市中石化东黄输
油管道泄漏爆炸特别重大事故的直接原因就是由
液压破碎锤在盖板上撞击形成的机械火花引
起 j。机械火花作为潜在点燃源，频繁出现在机
械设备使用过程中，如果不能正确评价其安全性
能，极易成为有效点燃源，威胁机械防爆安全。因
此，本文针对机械火花防爆安全性能的试验方法
进行对比分析。
1 机械火花及无火花材料
《防爆电气概论》一书对机械火花的定义
为：一种由两个或多个固体发生碰撞或摩擦时，从
[收稿日期]2016—12—09
[基金项目]国家质检总局科技计划项目《防爆起重机防爆性能风险辨识及安全检验方法研究》(项目编号：2016QK141)；广东省质
量技术监督局科技计划项目《防爆电梯非电气部件点燃危险评估技术》(项目编号：2015PT03)。
[作者简介]汤鹏(1990一)，男，硕士，主要从事机械防爆安全的研究及检验工作。
《电气防爆》2017年6月 第2期
固体上分离出来的微粒在碰撞或摩擦能量作用下
发生燃烧的现象。因此，机械火花实际上是固体
小颗粒，由于碰撞或摩擦后具有一定的初温和初
速度，在空气中迅速氧化升温，炽热到可见光的温
度，从而形成了机械火花。从能量转化的角度分
析，其实质就是碰撞或摩擦过程中的机械能转变
成了机械火花的热能和动能。由于到了可见光的
温度，可知机械火花具有很高的热量。因此，机械
火花是威胁机械防爆安全的重要潜在点燃源。
爆炸危险场所普通机械设备和手动工具产生
机械火花的风险较高，通常使用无火花材料来降
低机械火花点燃风险。所谓无火花材料并没有非
常明确的定义，是一种约定俗成的叫法，按字面上
的理解是指不产生火花的材料，例如，木材、皮革
材料、塑料等都是无火花材料。然而实际工程应
用中，成套机械设备和部件以及各种手动工具的
制作都离不开金属材料。事实上，所有的金属材
料都会产生机械碰撞火花。因此，工程应用中的
无火花材料并不是指不产生火花的材料，而是指
降低产生火花风险的材料 I4 J。目前无火花材料
主要包括铜基材料、部分不锈钢材料和金属钛等，
用这些无火花材料制作的手动工具称为无火花工
具。通常，无火花工具的强度较低，较易磨损，在
使用过程中极易嵌入铁屑、铝屑、水泥、沙砾等杂
质，如维护和使用不当也极易产生机械火花，对机
械防爆安全造成隐患 J。因此，无火花材料并不
是完全不产生机械火花，无火花材料同样也要通
过试验来确定其机械火花安全性能。
2 安全性能试验方法
目前，国内关于机械火花安全性能试验方法
的标准 主要有GB／T 10686-2013《铜合金工
具防爆性能试验方法》、GB／T 23 1 63—2008《铍铜
合金工具类防爆性能试验方法》、GB／T 138l3—
2008((煤矿用金属材料摩擦火花安全性试验方法
和判定规则》和JB／T 8313—1996《碰撞摩擦火花
安全性能试验方法导则》。其中GB／T 1O686—
2013和GB／T 23163-2008的试验对象是无火花
工具，GB／T 13813-2008的试验对象则是煤矿用
金属材料，而JB／T 8313—1996是国内较早的机
械火花安全性能试验方法导则，对机械火花测试
～ 32 一
起到指导性的作用。
标准规定了三种试验方法，分别是落锤式试
验、旋转摩擦式试验和高速冲击试验。实际上这
三种试验方法分别对应了产生机械火花较为常见
的三种工况，即碰撞、摩擦和冲击。试验时在试验
箱体内通入一定浓度的气体，碰撞、摩擦或冲击目
标材料，产生机械火花，观察气体爆炸与否，确定
试验材料的机械火花安全性能。
2．1 试验气体
试验用气体选取的原则为：选用每个级别具
有代表性的气体作为试验用气。通常，I类气体
为甲烷，IIA类为丙烷，IIB类为乙烯，IIC类为氢
气。不同标准的具体规定见表1，表中浓度为体
积分数。JB／T 83l3—1996的规定较为特殊，对
易氧化材料，I和IIA类气体选用(5．5～6．5)％
甲烷，liB类和IIC类选用(10～13)％ 氢气，对难
氧化材料及铝(铝合金)不锈钢，I和IIA类气体
选用(6．5～7．5)％ 甲烷，IIB类和IIC类选用(17
～ 20)％ 氢气
表1 不同标准规定的试验气体
＼ 标准
GB l0686— 2ol3 (狃／T 23163 ∞ 08 GB／T 】3813一一20o8
气体级 ＼、
(6．3～7 O)％甲烷，
I (6．5：tO．5)％甲烷 6．5％甲烷 富氧条件下氧气浓度
为(24 5—25．5)％
IIA (5．3：tO．2)％丙烷 5 3％丙烷
IIB (7．8±O 5)％乙烯
(21．0±2 0)％氢气 21％氢气
2．2 落锤式试验装置
图1是落锤式试验装置的示意图，该试验装
置主要由试验箱体、重锤提升机构、支撑台组成。
试验箱体可通入试验气体，通过搅拌风扇将气体
混合均匀，提升机构将重锤提升到规定高度，支撑
台用来放置试验钢板，其角度可调。试验时，将受
试金属材料制成重锤，在规定的高度自由下落，冲
击最易产生机械火花的危险角度的试验钢板，模
拟自由下落工况下机械火花产生的情况，测试其
点燃试验箱体内可燃性气体的能力。
2．3 旋转摩擦式试验装置
旋转摩擦装置可分为受试材料(固定试件)
· 防爆试验· 机械火花安全性能试验方法对比分析
与旋转圆盘(旋转试件)两个主要部件，将受试材
料(固定试件)以规定的压紧力与具有规定旋转
速度的旋转圆盘(旋转试件)产生摩擦，模拟旋转
摩擦工况下机械火花产生的过程，测试其点燃试
验箱体内可燃性气体的能力。
动球fbll
,Ig
图1 落锤式试验装置示意图
体
目前标准对旋转摩擦装置的摩擦方式存在两
种不同的规定，即轴向摩擦和切向摩擦。GB
10686-2013和GB／T 23163-2008采用的轴向
摩擦，GB／T 13813-2008采用的切向摩擦。为
了满足两种摩擦方式的试验方法，设计图2所示
的摩擦试验装置，可实现两个方向上的摩擦，能够
采样
— — r
伺服电机
罐
更为全面地研究和测试摩擦机械火花的产生及其
防爆安全性能。此外，若旋转圆盘(旋转试件)边
缘存在撞击凸缘，则可进行快速交替摩擦试验；若
旋转圆盘(旋转试件)边缘不存在撞击凸缘，则可
进行连续摩擦试验。
图2 摩擦式试验装置示意图
2．4 高速冲击试验装置
图3是高速冲击试验装置的示意图，该试验装
置主要由试验箱体、弹丸发射系统、试验板组成。
试验箱体可通人试验气体，通过搅拌风扇将气体}昆
合均匀，弹丸发射系统可调节并检测弹丸的冲击速
度，试验板承受撞击产生机械火花，其角度可调。
试验时，将受试金属材料制成弹丸，在规定的冲击
速度下冲击最易产生机械火花的危险角度的高速
冲击试验板，模拟高速冲击工况下机械火花产生的
情况，并测试其点燃爆炸腔内气体的能力。
窗搅
／备用检测 El (4 个、) 弹⋯丸 发射器
。
— ． ／ 弹 率检测 ＼ 数控压龙 誓感器
气动球阀i[：／(~‘-
H ． I数控压力控制阀
图3 高速冲击试验装置示意图
PLC
《电气防爆》2017年6月 第2期
3 对比分析
目前，不同标准对于三种试验方法在实施细
节方面存在一些共性与差异，对其进行对比分析
有利于加强对试验方法的掌握，此外也能为进一
步改进试验方法和装置提供依据。JB／T 8313—
1996作为国内较早的机械火花安全性能试验方
法导则，对相关试验参数未做明确规定，因此未列
举。
3．1 落锤式试验
表2归纳了不同标准对落锤式试验参数的相
关要求。一般重锤材料由被测试材料制成，其中，
重锤的质量和高度决定了碰撞能量的大小，碰撞
角度也是影响机械火花产生的重要因素。此外，
由于试验过程中要在密闭的试验箱体内通入可燃
性气体，且要重复进行多次试验，所以如何快速有
效地将重锤捡起将是该装置的关键。
表2 不同标准中落锤式试验的参数要求
＼ 粝准
参 GB 10686—_20l3 GB／T 23163—2oo8 GB／T 13813—_2o08
试验箱体容积 0 5 m3 0．5 m 1 m3
重锤材料 铜合金 铍铜合金 轻合金材料
重锤质量 约14 k 约14 (20±1)kg或其他规定
试验板材料 55号钢 55号钢 Q235A或Q345A
试验板尺寸 350×350 x15 350×350 x15 50o×230x8
提升高度 4 m 4 m 2 0±0．1 m
倾斜角度 45。 45。 55±2。或45±2。
试验次数 20 20 32
合格判定 不引爆 不引爆 不引爆
3．2 旋转摩擦式试验
表3归纳了不同标准对旋转摩擦式试验参数
的相关要求，压紧力和旋转摩擦速度大小是影响
机械火花产生的重要因素。其中，旋转摩擦速度
可按式(1)计算，旋转撞击次数可按式(2)、(3)
计算。
’ ： 60 (1)
-，v= (2)
Ⅳ= (3)
— — 4 ——
式中， 一旋转摩擦速度，单位m／s
一旋转圆盘(旋转试件)外缘直径，单位m
n一旋转圆盘(旋转试件)转速，单位r／min
Ⅳ一撞击次数
K一旋转圆盘(旋转试件)上撞击凸缘的数量
t一旋转撞击或摩擦的总时间，单位s
3．3 高速冲击试验
冲击速度和冲击角度是影响高速冲击机械火
花产生的关键参数。表4归纳了不同标准对试验
参数的相关要求，其中GB 10686-2013删除了高
速冲击试验装置的内容，采用GB 10686—1989的
参数作为参考。
表3 不同标准中旋转摩擦式试验的参数要求
＼ 移 GB
10686—_2013 GB／T 23163—2o08 GB／q’13813—12008
参数＼
试验箱体 0
． 5 I113 0． 5 m3 1 m
容积
固定试件：硬度较小
试件材料 铜合金 铍铜合金 材料或轻合金材料
旋转试件：硬度较大
材料或Q235
直径10 mm，长度 直径10 mm，长度
试件形状 150 mm的圆棒， 150 mm的圆棒，前 100×30×10长方
和尺寸 端部呈半径为5 段呈半径5 mm球 体
mm的球形 形状
旋转圆盘 15号钢 55号钢 旋转试件固定在旋
材料 转圆盘上即可
压紧力 490 N 490 N 50±5 N
旋转摩擦 20
m／s 20 m／s
受试最大线速度或
速度 最大运行速度
1 rain内重复摩擦 1 min内重复摩擦 旋转撞击总次数应
试验次数 试验 5次 试验5次 大于或等于 16 000
次
合格判定 不引爆 不引爆 引燃次数小于或等
于8次
表4 不同标准中高速冲击试验的参数要求标准
＼ ＼标准 G
B 1O686— 1989 GB／T 23163—2oo8 GB／q’13813—_2oo8
参数＼
试验箱体 0
容积 ． 5 m 0．5 m 0 5
弹丸材料 铜合金 铍铜合金 硬度较小材料 、轻合
金材料或Q235A
冲击板 硬 度 较 大 材 料、
材料 55号钢或 45号钢 55号钢 Q235A、受试轻合金
材料
(下转第46页)
《电气防爆》2017年6月 第2期
参考文献
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(上接第34页)
续表4
＼ 标准 G
B lO686— 1989 GB／T 23163—_2008 GB／T l3813— 2oo8
参数＼
冲击板尺寸 350 300×300×实际厚
×350×15 350×350×15 度
试验倾角 30。 30。 40±2。或20±2。
叶轮外缘最大线速
冲击速度 不小于180 nVs 不小于200 m／s 度的2倍±5 m／s
或200±10 m／s
试验次数 lO次 lO次 40次
合格判定 不引爆 不引爆 不引爆
4 结语
机械火花是威胁机械防爆安全的重要隐患和
潜在点燃源之一。在爆炸危险场所使用所谓无火
花工具并不能避免机械火花的产生，使用普通机
械设备和部件应要更加注意机械火花防爆安全。
目前国内标准规定了落锤式试验、旋转摩擦式试
验和高速冲击试验三种试验方法，进行机械火花
安全性能试验，但是，不同的标准对参数细节上有
不同的规定，文章用列表方式罗列了三个标准中
的参数对比，更加直观清晰。
． - - — — 46 -．．．——
参考文献
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