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本質安全型手動工具的防爆性

文檔作者：高工劉海亮文檔來源：國家質量技術監(jiān)督局鍋爐壓力容器檢測研究中心		點擊數：	更新時間： 2021年11月15日
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質量與安全
本質安全型手動工具的防爆性
國家質量技術監(jiān)督局鍋爐壓力容器檢測研究中心 高工 劉海亮

-引言
在爆炸危險場所使用的手動工具應采用非鋼 材制成 以避免鋼或鋼與水泥地面、巖石碰撞、摩 擦等原因產生火花而引起周圍可燃性物質的燃燒 和爆炸。這類采用非鋼材制成的、用于爆炸危險場 所的手動工具，稱為防爆工具
防爆工具自80年代起才在我國開始有規(guī)模 地生產，并得到比較廣泛的應用。在此之前，在爆 議由澳大利亞的電子標準化協會召集，參加會議 (晚餐會)的有美國、新西蘭、澳大利亞、加拿大、日 本、韓國和中國 會上，澳大利亞介紹了協調會的 宗旨和運作方法 主要目的是加強亞太地區(qū)國家 在標準方面的協調，以便象歐共體國家那樣在 IECTC31會議上協調觀點。協調會是松散型組 織，利用電子通訊以及IEC會議的機會進行聯絡 和協調。
我們在會上未發(fā)言在爾后IEC TC會議上， APC成員間在發(fā)表意見方面有協調，但國家利益 仍是第一位的 例如，在表決“n”型標準時，開始 澳、美、新等國是反對意見，后來澳方的IEC Ex 秘書提出澳在進行Ex認證要用該標準,澳方的 標準代表就改變態(tài)度，支持“n”型標準時；我們雖 然參加APC的協調會，但在IEC工作中，國家利 益是第一位的。
2這次會議之前，我們列席了 IECEx(Ex 安全認證)體系的EXTAG和EXM C的會議，對 在IEC組織下進行防爆電氣產品安全認證的工 作有了進一步的了解。中國也是Ex體系的參加 國，在l(b 15年的過渡期間，中國的防爆標準要 逐步等同IEC相應標準，這對國內的標準化匚作 提岀了新的課題
3.會議期間參觀了澳大利亞兩個安全方面 的實驗室和認證機構一SAFETY AND TEST- ING和SIMTAS,前者是從事勞動保護安全和防 爆檢驗的國家實驗室，后者是從事煤礦安全研究 和防爆檢驗的國家實驗室澳大利亞在實驗室建 炸危險場所里工人在使用工具進行操作時，常常 采用在鋼制工具與被接觸部件的相互表面涂抹黃 汕或在操作部位澆冷水的辦法冒險作業(yè)為此，一 些大企業(yè)和有色金屬生產廠、鑄造加工廠曾制造 了一些有色金屬材料的工具，但大多數工具的機 械性能不理想，防爆性能也不可靠有些企業(yè)在鋼 制工具上鍍一層有色金屬,但因工作部位易磨損， 如果發(fā)生碰撞，均可暴露出鋼材表面，故防爆性能 并不可靠 我國的一些引進工程和大型企業(yè)常因 設方而走在世界前列，實驗的管理、工作程序、記 錄和報告等方面的經驗值得我們學習。
四、體會和建議
1.這次會議共討論了 15個標準的有關內 容，其中 IEC60079- 1 6()079- 2 6(X)79- 7 60()79- 15等標準是利用率很高的標準通過參 加討論有關問題，了解在該領域世界上技術發(fā)展 的方向，學習到不少新的知識同時，積極參與標 準意見的討論和表決，進一步樹立中國在參與國 際技術活動中的良好形象
2	IEC60079系列標準中的60079- 0和
6007 9- 11分別在1998年和1999年出版了修訂 版,這次又修訂和制訂了 15個標準,IEC60079系 列標準的普遍修訂,對國內的標準化工作有很大 影咆相應的國家標準要加快制修訂步伐,等同或 等效采用國際標準
3.由于中國已經參加IEC Ex認證體系，對 我國的標準化工作有很大影咆由于IECEx體 系要求參加的國家標準在10~ 15年內要與 IEC60079標準等同,這就要求標準的制修訂工作 要加快采標的步儻另一方面，也要求我國以積極 的姿態(tài)參加IEC60079的標準工作。以前,可以客 觀的態(tài)度對待IEC60079標準，因為國標是否采 用相應的IEC標準,主動權還掌握在自己手中。 今后這種局面改變了，過渡期之后,IEC60079標 準就是自己的國標，因此我們要象對待國標那樣 對待IEC60079標準的制修訂工作。
沒有防爆工具而不能開工不得不動用外匯向國 外購買。但更多的情況是在爆炸危險場所工作的 許多人，還沒有認識到鋼制工具在操作時會產生 火花而引燃引爆，認為多年來使用普通工具操作 也沒有發(fā)生事故 但是，在爆炸危險場所作業(yè)中， 未使用防爆工具而導致的爆炸事故屢有發(fā)生如：
天津某化學廠曾因用普通鋼制錘子敲擊作業(yè) 引起硝化棉爆炸事故，當場死亡13人
西南某化工廠在罐裝汽汕時，工人用鋼制扳 手開桶蓋，產生火花引起爆炸事故，造成7人死 亡，3人受傷
二、摩擦碰撞火花的類型和引燃 性能
當兩種固體的表面互相摩擦時，會在有限的 接觸點上產生一系列微小的熱點。若接觸壓力增 加，則不僅熱點溫度增加，還能將一部分接觸點磨 損，并產生新的接觸點。因摩擦而產生的溫度,一 般不會超過其中較易熔化的物質的熔點 對于兩 個物體的正面碰撞,也就是其撞擊力沒有切線方 向成分時,就不發(fā)生摩擦，至多是硬度較髙的一種 物體壓癟另一種物體此時因變形產生的熱量全 部消散在該變形物體的體積中，因而其表面溫度 并不會增加很多。但對于大多數非正面的碰撞情 況來說，則同時還發(fā)生摩擦，可以出現較高的局部 表面溫度試驗表明，垂直下落的物體在碰撞時, 摩擦熱能的最大值將岀現在被碰撞物體的表面與 水平成5(f左右時。發(fā)生引燃火花所需的沖擊力 量隨著條件不同而不同，因此試驗結果也不盡相 同。其中有試驗認為對于鎂的合金鋁的合金或碳 鋼依次需要有大于245 343 J和627 J的能量才能 引燃石油氣體
各種不同的物質由于其物化性質的活潑程 度、熔點和氧化溫度高低等因素的不同，將會在摩 擦碰撞時產生許多復雜的情況 當兩物體緊密摩 擦時,不僅發(fā)生表而磨損和溫度增加，還可以發(fā)生 一種物體的顆粒脫落卜?來,涂覆在另一種物體上 當摩擦碰撞的速度較快時,其碎粒濺向周圍空氣 中的現象，就是一般被人理解的摩擦火花從防爆 安全的角度來考慮,摩擦火花大體上可以分為以 下三種類型
1.通常如鋼鐵間摩擦碰撞產生的火花，實際 上是從表面飛濺岀來的高溫金屬顆粒，如用砂輪 磨削鐵件時產生的火星 這種火星在髙速運動中 很易冷81我們曾在砂輪下方放置一個深約10cm 的茶懷，其中放入少量汽汕，使砂輪產生的大量密 集火星垂直射向杯中，歷時30s而多次均未引燃。 有試驗表明，只有在被摩擦金屬自身的溫度升得 很高，或者濺出的顆粒非常密集、成為連續(xù)的粒子 流時,才有可能引燃石油氣
2對于一些在髙溫下容易在空氣中發(fā)生氧 化的金屬顆粒，當濺出通過空氣時其溫度可以進 一步增力3此類金屬主要有鋸鎂、鈦、肺以及某些 重金屬飴和鉗等 若鋁和鎂及其合金的粉粒在帶 銹(氧化鐵)的鋼鐵表面上略有粘附，則在受到硬 物甚至硬的橡膠或塑料的打擊，就可能發(fā)生一種 劇烈放熱的“鋁熱反應”。鋼鐵管道外涂有含鋁的 漆層,在受到敲擊時就可能出現多種容易引燃的 鋁熱高溫火花，其溫度甚至可高達3(XXJ(；對于 鎂,則不僅與鐵銹而且與硅也能發(fā)生上述反應，所 以危險性更大些
3.對于一些含有硅或石英成分的材料，包括 砂石、花崗石、粘土磚和水泥等，在受到外力撞擊 時，往往可以因巖石的晶體被破碎而產生髙能電 火花此時不論撞擊物是鋼鐵或是銅鐮合金、紫銅 等都有引燃的可能一般來說，在巖石中石英含量 愈多,或其顆粒愈大愈易引燃據煤礦方面對現場 巖石的試驗結果表明，在可能發(fā)生碰撞引燃的巖 石中，粒徑大于l(Fm的石英顆粒總含量的體積 比通常大于3% ,且其顆粒往往大于70xm而當 體積比小于2%或顆粒小于2臬m時未見到引 燃。對于最小引燃能量比甲烷更小的氣體或蒸氣 來說，其引燃危險就更大了。
三、防爆工具的防爆機理
通常由鋼鐵材料制成的釬、鎬、錘、鉗、扳手、 吊具等工具在其激烈動作或失手跌落時發(fā)生的摩 擦、撞擊火花是引爆火源，所以這些工具不能在爆 炸危險場所中使用。在爆炸危險場所中使用的工 具必須由不發(fā)生摩擦、撞擊火花，真至不能產生熾 熱高溫表面的特種材料制成的防爆工具
鋼鐵材料具有較高的強度和硬度，適合于制 造工具，而且鋼材的強度和硬度隨著含碳量的增 加而提高 然而對鋼鐵材料摩擦火花產生機理的 研究結果表明，恰恰是鋼材中所含的碳元素是產 生摩擦火花的根源
為了消除工具的摩擦撞擊火花，人們把選材 方向轉到了銅林 用銅材做防爆工具，與銅材比 較有兩個顯著的不同點：第一，不含碳元素，不會 出現氧一婦碳反應鏈，所以不出現火花第二, 銅材的強度和硬度都比較低，導熱性乂比鋼材髙, 發(fā)生摩擦或撞擊時,局部摩擦點會發(fā)生塑性變形 而避免摩擦能量集中在個別接觸點上，加上材料 的高導熱性，摩擦產生的熱量迅速分散到基體，而 減少摩擦撞擊點岀現熾熱高溫的危險。以上兩點 就是銅材（銅合金）工具的防爆機理
然爾，純銅的強度和硬度太低,不能直接用做 工具，需要添加適當的元素如鍍鋸鈦線鎂等 熔煉成銅基合金，以提高其強度和硬度但當強度 和硬度提高后，前述銅材在防爆工具上的第二個 特點就有削弱或消失的危險。于是,人們又進一步 探討“兩全其美”的技術途徑這就是要求所配制 的銅基合金在室溫下具有高的強度和硬度，一旦 受到摩擦、撞擊，溫度上升到一定程度時,銅基合 金的金相組織就發(fā)生相變而轉化為低強度，并岀 現塑性變形甚至磨損剝離 這時，局部摩擦面上的 金屬摩擦抗力卜降，摩擦、撞擊的最髙溫度就被限 制在合金相變溫度之f，成為不能點燃爆炸性混 合物的防爆合金，國外稱為非危險火花金屬 現 在，工業(yè)上已有鉞青麻鋁青銅等兒種銅基合金, 被成功地用作防爆工具的制造材料
四、不同材質防爆工具的適用場 所
1.披青銅
皺青銅是以披為基本合金元素的銅基合金, 其含披量為％?2%。同時含有微量鉆、鎂鐵 以及其他微量元素。它的物理性能導電率、電阻 系數熱導率與純銅相比較雖有降低，但與鋼相比 較則是鋼的許多倍。
由于固體表面一般都有細微的凹凸，因此兩 個固體表現的接觸僅僅在最高突起部位的頂點 上,實際接觸面積很小。所以在摩擦時澤擦能變 為熱能集中在接觸點上，使接觸點上的固體表面 局部達到極高的溫度
在各種金屬中，假設其荷重及摩擦速度都相 同，導熱率越小，接觸點的溫度就越高。
披青銅在高速沖擊或高速摩擦時，其機械能 在作用到物體表面時被轉換成熱能，表而溫度突 然升高。但由于其材料有較高的導電性能和導熱 率，工作表面的熱量被迅速傳遞到工件的其他部 位.工作表面的熱量劇烈減尖 一些在沖擊或摩 擦作用下脫離工件的微粒,其溫度也達不到點火 源的溫度
皺青銅金屬間的化合物均較穩(wěn)定，且熔點高, 不易劇烈氧化，在髙速沖擊或摩擦時，被作用表面 或者一些脫離下來的微粒的溫度雖有所升高，但 都不能與氧氣及其他可燃氣體發(fā)生劇烈的氧化反 應,形不成點火源
鉞青銅這一特性已被防爆工具的不燃性試驗 所驗證 值得注意的一點是,披青銅除具備這一重 要特性外坯有一個很重要的特點,就是經過處理 后的皺青銅,其抗拉強度和硬度比其他銅合金都 要高得篡由于該材料具備這兩個特點，而被廣泛 用于一些特殊場所下的重要零部件和防爆工具的 制造上
2鋁青銅
常用鋁青銅有兩種：一是當含鋁量小于 9.僥時，金相為樹枝狀單a相固溶體（鋁在銅中 的固溶體）;二是當含鋁量為1.	9.妮時，其
組織為a+ M+少量的a+ 72
在二元鋁青銅中，鋁含量大于9.餛且加入 大于％的銀時，其組織為：
«+ 3»+ （少量的a+乃片K 式中« 	 A1在Cu中的固溶體
Pi	Cu3 Al
li	Cu9 Ak
K	 Cu- Ni-	Al
從以上可以看出各元素均已生成金屬間化合 物。這些化合物均較穩(wěn)定，且熔點高，不易劇烈氧 化而單獨存在的元素是少量的。
元素的氧化即與氧結合，主要取決元素與氧 的親和能力。
我們知道，純金屬在85/C時,對氧的親和能 力順序如下：
Ca Mg Al Ti Si. V Mn CF Zn Fe Ni Cu,對氧的親和能力依次減弱
金屬材料的髙溫氧化性能主要取決于氧化物 的保護性能＞ 假如氧化物的分子體積比生成氧化 物所消耗的原子體積大，氧化物則會將金屬的整 個表面蓋住，阻止金屬繼續(xù)氧化這種氧化物可稱 為保護性膜.
可以看岀，鋁是鋁青銅中最易氧化的，生成物 為Ab（）3,該物質一是熔點高（200（憑）；二是很致 密，形成一層保護膜,使鋁不再氧化 大量的五顏 六色的電化鋁制品正是人為的在鋁制品表面生成 一層較厚的Ab()3膜，從而使軟而易氧化的鋁得 到保護，延長使用壽命。
其次是鐵，高速撞擊或摩擦時產生的粒塵中 含有極少量的鐵，且2FCF 02= 2Fe0+ Q為放熱 反應 可使微粒溫度繼續(xù)升嵐 使未參加反應的 鐵氧化 但一是微粒中含鐵量很少,反應生成熱能 有限;二是大部分熱被微粒所吸收而散掉，故不足 以點燃可燃氣體-空氣混合物而引起爆:m這一點 已由鋁青銅系列防爆工具按《防爆工具》國家標準 GB10686- 10693- 89進行防爆性能測試結果所 證實
至于銀和銅,一是與氧親和能力差，與氧反應 時產生的熱量少，因而發(fā)生反應乃至劇烈反應則 需要猛烈的撞擊和更高的溫度 這是一般的撞擊 不可能達到的。二是銀和銅生成的固溶體,導熱、 散熱能力較好，撞擊下碎塊的溫度是不高的(經用 782熱相儀測量，鋁青銅磨削出顆粒溫度為36.7 土 3C),不會發(fā)生劇烈氧化
在鋁青銅中加入鐵后，含碳量極低(僅萬分之 兒)且大部分已合金化,極少量分散的鐵不足以發(fā) 生類似鋼中CO或其他氣體產生的現象
通過以上分析，可以得出下述4點結論：
(1)	在鋁青銅中，各元素基本上已合金化，這 些合金性能穩(wěn)定,不易劇烈氧化
(2)	鋁在一定溫度下被氧化,生成的A12()3 是一層極好的保護層，處在它保護下的鋁不再氧 化
(3)	在鋁青銅中，含碳量很低，僅萬分之兒， 不會產生類鋼鐵中的碳生成大量的(：()而從基 體中逸出呈爆花狀
(4)	鋁青銅的基體是銅盡管已合金化，它的 導熱性仍然很好，在與其他物體摩擦碰撞時所產 生的熱，大部分被工具所吸收而散去。磨削下的微 粒所具有的熱量較低，不會引起空氣與可燃物質 混合物的爆炸。
3. J892銅合金
(1)	防爆性能:按GB10686- 8%銅合金工具 防爆性能試驗方法》對J8 92銅合金材料分別選擇 II類(:級代表氣體氫氣(濃度為21.吐2.	'
II類B級代表氣體乙烯(濃度為7. St 0. % > II 類A級代表氣體丙烷(濃度為5.吐0.觀〉I類 代表氣體甲烷(濃度為6. 5t 0. % )進行落錘摩 擦和高速沖擊試驗,按國家標準中規(guī)定的試驗步 驟和方法進行，均未發(fā)生引爆，試驗合格，證明 J892銅合金防爆工具適用于各類各級爆炸性氣 體場合使用。
鑒于乙烘氣體場合使用的銅合金含銅量需 7瞬以卜?的要求，同時考慮乙塊氣的引燃溫度比 氫氣要低 雖然J892銅合金已做過II類C級代表 氣體氫氣的防爆性能試驗為慎重起見，按國家標 準規(guī)定的試驗方法，又選擇了乙烘氣(濃度為T/o ?1(% )進行了落錘、摩擦和高速沖擊試驗，也未 發(fā)生引爆，試驗合格 同時,在密閉的爆炸槽內放 置了 J892銅合金材料和試驗樣件,進行了 J892 銅合金和乙烘氣混存后的引爆試驗 經混存20天 后仍按國家標準規(guī)定的試驗方法進行了落錘 摩 擦和高速沖擊試驗,也未發(fā)生引爆，試驗合格 證 明J892銅合金防爆工具適于乙烘場合使甩
(2)	機械性能：防爆工具產品國家標準 (GB10687- 10693- 89)中規(guī)定，采用彼青銅材料 制造的防爆工具產品硬度不低于HRC35采用鋁 青銅材料制造的防爆工具產品硬度不低于
HRC25 J892銅合金產品可滿足彼青銅產品硬度 的要求一般生產中，J892銅合金材料處理后硬 度比鉞青銅材料還要偏髙,更接近于鋼制工具產 品的硬度
按防爆工具國家標準對J892銅合金工具進 行扭矩實驗，呆板手可承受標準(GB10687- 89) 中d系列所規(guī)定的扭矩，梅花板手可承受標準 (GB 10691- 89)中b系列所規(guī)定的扭矩,桶蓋板 手各板口或樺頭均能承受標準(GB10690- 89)中 規(guī)定的196N。m的扭矩
(3)	適用場所:對J892銅合金材料的防爆性 能試驗表明：J892銅合金防爆工具可適用于各類 各級爆炸性氣體場所。由于其含銅量在7%以 下，更適用于乙烘氣體場所。J892銅合金防爆工 具的產品硬度、試驗扭矩都能達到國家標準中對 鐵青銅防爆工具的要求
目前J892銅合金的韌性還不能達到鋼制工 具的水平因此在使用中對J892銅合金防爆工具 不能做超載荷使用，更不能對扳手加套管以延長 力臂或在柄部用錘作敲擊作業(yè)
J892銅合金的防銹性能優(yōu)于皴青銅,但不能 將J892銅合金防爆工具與酸、堿等腐蝕性物品混 放，以防腐蝕
(未完待續(xù))

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