СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ВЗРЫВОНЕПРОНИЦАЕМАЯ ОБОЛОЧКА
METHOD OF LIMITATION OF EXPLOSIVE IMPACT AND FLAMEPROOF ENCLOSURE

Изобретение относится к области защиты от взрывных воздействий, в частности может быть использовано для ограничения воздействия взрыва во взрывонепроницаемых оболочках, предназначенных для размещения в них оборудования, например, электрического, пневматического, механических приводов и пр.
Известен ряд технических решений по повышению взрывозащищенности оборудования, к числу которых следует отнести применение схемотехнических решений, направленных на уменьшение вероятности искрообразования. Одним из вариантов подобного решения является взрывозащищенный источник бесперебойного электропитания (пат. РФ №97879, МПК H02J 7/10, опубл. 20.09.2010 г.), содержащий взрывонепроницаемую оболочку, внутри которой размещены аккумулятор и электронный блок, включающий функциональные узлы: интерфейс, два импульсных преобразователя переменного напряжения в постоянное, диодную схему ИЛИ, искрозащитную группу элементов. Уменьшение вероятности искрообразования достигается за счет введения в электронный блок диодной схемы ИЛИ, зарядного устройства, импульсного преобразователя постоянного напряжения в стабилизированное постоянное, блокирующего диода, применения цифрового последовательного интерфейса.
Недостатком подобных решений является ограниченность их применения, обусловленная тем, что обеспечивается защита только размещенного внутри оболочки электрооборудования, обусловленное возможностью внесения схемотехнических дополнений. Однако при возникновении ударной волны степень воздействия на взрывопроницаемую оболочку и размещенное в ней оборудование не уменьшается.
Известна взрывобезопасная трансформаторная подстанция, обеспечивающая повышение взрывозащищенности оборудования за счет улучшения теплообмена (пат. РФ №2305352, МПК Н02В 7/01, H01F 27/20, опубл. 27.08.2007. г.), которая содержит заключенный во взрывобезопасную оболочку силовой трансформатор, включающий магнитопровод с горизонтальными ярмами - верхним и нижним и обмотки с осевыми каналами, продольные каналы, вентиляторы, направляющие пластины, при этом боковые поверхности взрывобезопасной оболочки выполнены в виде панелей из тонкостенных труб, причем панели соединены между собой, с радиатором охлаждения охлаждающей жидкости и с коллектором охлаждения верхнего ярма, а вентиляторы установлены в нижней части взрывобезопасной оболочки, напротив магнитопровода.
Общим недостатком вышеуказанных устройств является невысокая надежность и ограниченность их применения, обусловленная тем, что при достижении снижения вероятности искрообразования воздействие ударной волны при возникновении взрыва не снижается.
Другим вариантом повышения взрывозащищенности является применение переходных камер и лабиринтовых взрыв-каналов. Так, например, в кнопочном элементе взрывозащищенном (пат. РФ №2290710, МПК H01H 13/06, Н01Н 9/04, опубл. 27.12.2006) защита от давления взрыва и исключение передачи взрыва в окружающую среду обеспечивается за счет того, что камера коммутации в корпусе образована при пересечении встречных, глухих, цилиндрических отверстий, при этом открытые части цилиндрических отверстий выполняют технологическую роль и по окончании сборки закрываются заглушками или крышками, в результате чего нормально искрящиеся части заключаются во взрывонепроницаемую оболочку, выполненную с применением цилиндрических взрывонепроницаемых соединений.
Известен взрывозащищенный световой прибор (пат. РФ №2259512, МПК F21V 25/12, опубл. 27.08.2005 г.), содержащий разрядную лампу с патроном, которая установлена внутри защитного оптически прозрачного колпака на держателе из теплопроводного материала, находящегося в тепловом контакте с массивной оправкой в виде фланца из подобного материала, в котором установлен и герметизирован указанный колпак. Оправка снабжена лабиринтовым взрыв-каналом, соединяющим внутреннюю полость колпака с окружающей средой и совместно с держателем установлена на крышке вводной коробки для прибора с образованием переходной камеры для размещения свободной части токоведущих проводов. Держатель лампы с патроном выполнен в форме стакана с отбортовкой, установленного скользящей посадкой по боковой поверхности и смонтированного в осевом отверстии оправки промежуточного кольцевого элемента, снабженного резьбой на периферии и посаженного по ответной резьбе в осевом отверстии оправки с образованием резьбового лабиринтового взрыв-канала.
Общим недостатком переходных камер и лабиринтовых взрыв-каналов является увеличение габаритных размеров и массы взрывонепроницаемых оболочек, а также низкая надежность, обусловленная невысокой эффективностью снижения воздействия ударной волны.
Широкое распространение получили способы повышения взрывозащищенности путем упрочнения элементов конструкции оболочки и использования универсальных конструкций оболочек с ложементами.
Так, известен способ повышения взрывозащищенности, в котором взрывонепроницаемая оболочка (пат. РФ №21946, МПК F16M 5/00, Н02К 5/136, опубл. 27.02.2002 г.) содержит цилиндрический корпус с отверстием и установленную на торце корпуса вводную коробку, которая снабжена ложементами, выполненными с возможностью установки на них сменных платформ с электроприводами различных типов, а цилиндрический корпус выполнен в виде трубы с торцевыми крышками, установленными со взрывобезопасным зазором и стянутыми с трубой, по меньшей мере, тремя крепежными элементами, воспринимающими давление взрыва.
Известен способ локализации продуктов взрыва в замкнутом объеме (пат. РФ №2009387, МПК F17C 1/00, опубл. 15.03.1994 г.), в котором формируют наружную металлическую оболочку на сферической металлической оболочке, выполненной с двумя соосно расположенными горловинами с отверстиями одинакового диаметра, при этом наружная оболочка выполнена многослойной из не менее пяти групп слоев. Указанный способ предполагает максимальное использование прочностных свойств материалов и несущей способности конструкции, что осложняет технологию изготовления устройств локализации взрыва и удорожает ее.
Известен способ ограничения действия взрыва взрывных и ударных волн в замкнутом объеме (патент US №2397622, МКИ F42D 5/00), включающий заполнение объема, в котором производится взрыв, гетерогенной средой в виде порошкообразного или пористого материала, имеющего низкую плотность (перлит, вермикулит). Указанный способ позволяет снизить интенсивность ударной волны, однако эффективность локализации образующихся при взрыве аэрозолей и продуктов взрыва невысока, поскольку возможности их перемешивания ограничены.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ ограничения действия взрыва в замкнутом объеме (патент РФ №2009387, F17C 1/00, опубл. 16.03.1994 г.), в котором замкнутый объем заполняют гетерогенной средой низкой плотности, которую создают динамически путем ускоренного движения слоя диспергированного вещества или слоя жидкости, при этом в замкнутом объеме размещена емкость с разрушаемой при взрыве оболочкой, заполненной конденсированным веществом, а емкость выполнена в виде слоя, размещенного на расстоянии от стенки корпуса.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство поста управления взрывозащищенное кнопочное (пат. РФ №48229, МПК G05B 7/00, опубл. 27.09.2005 г.), содержащее корпус с крышкой, соединенные винтами, внутри которого установлены кабельный ввод, панель кнопочных элементов, рукоятка управления, при этом корпус с крышкой, соединенные винтами, образуют взрывонепроницаемую оболочку, в которую заключены нормально искрящиеся части, корпус выполнен из прессматериала АГ - 4 НС, а панель кнопочных элементов выполнена с возможностью выполнения функции коммутационного отделения, проходных зажимов и одновременного выполнения функции стенки, отделяющей кабельный ввод от коммутационного отделения с образованием цилиндрического взрывонепроницаемого соединения.
Общим недостатком приведенного способа и взрывонепроницаемой оболочки является недостаточная надежность, обусловленная невысокой эффективностью снижения воздействия ударной волны.
Основной задачей предлагаемой группы изобретений является создание способа ограничения взрывных воздействий и взрывонепроницаемой оболочки, обладающих высокой надежностью, улучшенными массогабаритными показателями и возможностью использования оборудования при более низких температурах.
Технический результат заключается в повышении надежности за счет обеспечения высокой эффективности снижения воздействия ударной волны и расширения температурного диапазона использования оборудования, уменьшения массы и габаритов взрывонепроницаемой оболочки.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе ограничения взрывных воздействий, основанном на локализации оборудования во взрывонепроницаемой оболочке, в которой создают защитный слой, формирование защитного слоя осуществляют из баллистического материала, выполненного с демпфирующими слоями, при этом на демпфирующие слои наносят внешние слои, выполненные из металлической фольги.
В качестве баллистического материала можно использовать ткани или гибридные материалы или сетчатые материалы, не поддерживающие горение.
В качестве баллистического материала можно использовать также пластилин, не поддерживающий горение.
В качестве баллистического материала можно использовать также материалы на основе стеклянных или углеродных волокон, или полимеров или композитов, не поддерживающих горение.
Предпочтительно в качестве баллистического материала можно использовать пленку из полиэтилена высокого давления, выполненную с пузырьковым покрытием.
Оптимально выполнить пузырьковое покрытие путем приваривания к подложке, выполненной из плоского пленочного материала, слоя из полиэтилена с пузырьками.
Поставленная задача решается также тем, что во взрывонепроницаемой оболочке, содержащей корпус с крышкой, внутри которого установлено оборудование, на внутреннюю поверхность корпуса и крышки нанесен баллистический материал, выполненный с демпфирующими слоями, при этом внешние слои выполнены из металлической фольги.
Оптимально корпус и крышку выполнить металлическими или из сплавов, например, из алюминия, чугуна, алюминиево-кремневого сплава, стали или из полиэстера, или полипропилена.
Корпус и крышка взрывонепроницаемой оболочки могут быть выполнены с армированием.
Корпус и крышка взрывонепроницаемой оболочки могут быть соединены винтами, а в корпусе оптимально выполнить отверстия, снабженные уплотнителями.
Взрывонепроницаемая оболочка может быть снабжена монтажной панелью, выполненной с возможностью крепления оборудования.
Высокая надежность заявляемой группы изобретений обеспечивается тем, что внутренняя поверхность корпуса и крышки покрыта баллистическим материалом с демпфирующими слоями, выполненным с возможностью снижения давления, создаваемого ударной волной при взрыве взрывоопасной смеси внутри оболочки.
Улучшение массогабаритных показателей достигается за счет покрытия поверхности корпуса и крышки баллистическим материалом, снижающим давление, создаваемое ударной волной, что исключает необходимость увеличения толщины оболочки, применения упрочняющих ребер жесткости и ложементов.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором схематически представлена взрывонепроницаемая оболочка в разрезе.
Заявляемые способ и устройство реализуются следующим образом.
При изготовлении взрывонепроницаемой оболочки на внутреннюю поверхность корпуса 1 наносится, например наклеиванием, баллистический материал 3, выполненный из демпфирующих слоев. Корпус 1 и крышка (на чертеже не показаны) могут быть выполнены из материала, обладающего высокой прочностью и пластичностью, например, из металла или сплавов или из полиэстера, или полипропилена.
Баллистический материал может быть выполнен из тканей или гибридных материалов, или сетчатых материалов, или стеклянных или углеродных волокон, или полимеров или композитов, или пластилина, не поддерживающих горение.
Наиболее предпочтительно для уменьшения затрат и повышения технологичности использовать пленку из полиэтилена высокого давления, выполненную с пузырьковым покрытием.
Пузырьковое покрытие осуществляют путем приваривания к подложке, выполненной из плоского пленочного материала, например слоя из полиэтилена с пузырьками, который получают формованием разогретого полиэтилена в виде пузырьков на экструзионной линии производства. Реализацию демпфирующих слоев в пластилине можно путем добавления в его структуру мягких включений, например пенопласта или поролона. В тканевых материалах для реализации демпфирования можно использовать разные структуры нитей для производства внешних и внутренних слоев материала, а также разные способы намотки или плетения материала, или самих нитей.
При этом баллистический материал в предпочтительном варианте реализации изобретения может состоять из нескольких слоев воздушно-пупырчатой пленки, защищенных металлической фольгой. Варьируя плотность применяемого для производства пузырчатой пленки полиэтилена и размер пузырьков, можно добиваться различной степени демпфирования баллистического материала. Защитная фольга из алюминия также может иметь различную плотность, что влияет на степень демпфирования материала в целом.
Баллистический материал в виде воздушно-пузырчатой пленки создают из полиэтилена высокого давления. Воздушно-пузырчатая пленка покрыта пузырьками, которые наполнены сухим воздухом. Технология создания пузырькового покрытия заключается в приваривании к подложке (плоской пленке) слоя из полиэтилена, который получают формованием разогретого полиэтилена в виде пузырьков на экструзионной технологической линии. Такой способ обеспечивает прочность соединения каждого пузырька с подложкой, при этом пузырьки находятся на определенном расстоянии друг от друга. Структура пленки позволяет сохранить общие демпфирующие свойства покрытия даже при повреждении некоторых пузырьков.
Значение допустимого давления и нагрузки на материал определяется грамматурой, показателем измеряемым в граммах. Грамматура - это количество пленки, необходимое для производства квадратного метра пузырьковой пленки. Чем выше показатель грамматуры, а следовательно, и показатель плотности, тем прочнее материал.
В состав воздушно-пузырчатой пленки может входить модификатор-антифог, устраняющий конденсат, который образуется на внутренней поверхности пленки.
Воздушно-пузырчатой пленке можно придать антистатические свойства. В составе такой специализированной антистатической пленки вводят модификаторы, предотвращающие накопление статического электричества.
При добавлении в первичное сырье присадки, способной гасить пламя, получается слабогорючий баллистический материал. К добавкам, используемым для получения необходимых свойств, также относят антиокислитель. Такая добавка защищает металлические изделия от процесса окисления кислородом, что актуально для применения баллистического материала внутри металлических корпусов.
Во взрывонепроницаемую оболочку может быть установлено как электрооборудование 2, так и неэлектрическое оборудование (пневматика, механические приводы и пр.). Способ и взрывонепроницаемая оболочка предпочтительно могут быть использованы в условиях, где существует повышенная взрывоопасность, например в подземных выработках шахт, рудников и в их наземных строениях, опасных по рудничному газу и/или горючей пыли для взрывозащищенного электрооборудования. При этом взрывозащищенное электрооборудование согласно ГОСТам подразделяется на следующие группы:
I - рудничное взрывозащищенное электрооборудование, предназначенное для применения в подземных выработках шахт, рудников и в их наземных строениях, опасных по рудничному газу и/или горючей пыли;
II - взрывозащищенное электрооборудование для внутренней и наружной установки, предназначенное для потенциально взрывоопасных сред, кроме подземных выработок шахт и рудников и их наземных строений, опасных по рудничному газу и/или пыли.
Распределение взрывоопасных смесей по категориям и группам, в которых могут быть использованы способ ограничения взрывных воздействий и взрывонепроницаемая оболочка приведено в таблице 1
Таблица 1
Категория смеси
Группа смеси
Вещества, образующие с воздухом взрывоопасную смесь
I
Т1
Метан (рудничный)*
IIA
Т1
Аммиак, аллил хлоридный, ацетон, ацетонитрил, бензол, бензотрифторид, винил хлористый, винилиден хлористый, 1,2-дихлорпропан, дихлорэтан, диэтиламин, диизопропиловый эфир, доменный газ, изобутилен, изобутан, изопропилбензол, кислота уксусная, ксилол, метан (промышленный)**, метилацетат, а-метилстирол, метил хлористый, метилизоцианат, метил-хлорформиат, метилциклопропил-кетон, метилэтилкетон, окись углерода, пропан, пиридин, растворители Р-4, Р-5 и РС-1, разбавитель РЭ-1, сольвент нефтяной, стирол, спирт диацетоновый, толуол, трифторхлорпропан, трифторпропен, трифторэтан, трифторхлорэтилен, триэтиламин, хлорбензол, циклопентадиен, этан, этил хлористый.
Т2
Алкилбензол, амилацетат, ангидрид уксусный, ацетилацетон, ацетил хлористый, ацетопропилхлорид, бензин Б95/130, бутан, бутилацетат, бутилпропионат, винилацетат, винилиден фтористый, диатол, диизопропиламин, диметиламин, диметилформамид, изопентан, изопрен, изопропиламин, изооктан, кислота пропионовая, метиламин, метилизобутилкетон, метилметакрилат, метилмеркаптан, метилтрихлорсилан, 2-метилтиофен, метилфуран, моноизобутиламин, метилхлорметилдихлорсилан, окись мезитила, пентадиен-1,3, пропиламин, пропилен. Растворители: №646, 647, 648, 649, PC-2, БЭФ и АЭ. Разбавители: РДВ, РКБ-1, РКБ-2. Спирты: бутиловый нормальный, бутиловый третичный, изоамиловый, изобутиловый, изопропиловый, метиловый, этиловый. Трифторпропилметилдихлорсилан, трифторэтилен, трихлорэтилен, изобутил хлористый, этиламин, этилацетат, этилбутират, этилендиамин, этиленхлоргидрин, этилизобутират, этилбензол, циклогексанол, циклогексанон.
IIA
T3
Бензины: А-66, А-72, А-76, "галоша", Б-70, экстракционный по ТУ 38.101.303-72, экстракционный по МРТУ12Н-20-63. Бутилметакрилат, гексан, гептан, диизобутиламин, дипропиламин, альдегид изовалериановый, изооктилен, камфен, керосин, морфолин, нефть, эфир петролейный, полиэфир ТГМ-3, пентан, растворитель №651, скипидар, спирт амиловый, триметиламин, топливо Т-1 и ТС-1, уайт-спирит, циклогексан, циклогексиламин, этилдихлортиофосфат, этилмеркаптан.
IIA
T4
Ацетальдегид, альдегид изомасляный, альдегид масляный, альдегид пропионовый, декан, тетраметилдиаминометан, 1,1,3-триэтоксибутан
T5
-
T6
-
IIB
T1
Коксовый газ, синильная кислота
T2
Цивинил, 4,4-диметилдиоксан, диметилдихлорсилан, диоксан, диэтилдихлорсилан, камфорное масло, кислота акриловая, метилакрилат, метилвинилдихлорсилан, нитрил акриловой кислоты, нитроциклогексан, окись пропилена, окись-2-метилбутена-2, окись этилена, растворители АМР-3 и АКР, триметилхлорсилан, формальдегид, фуран, фурфурол, эпихлоргидрин, этилтрихлорсилан, этилен.
IIB
T3
Акролеин, винилтрихлорсилан, сероводород, тетрагидрофуран, тетраэтоксилан, триэтоксисилан, топливо дизельное, формальгликоль, этилдихлорсилан, этилцеллозольв.
T4
Дибутиловый эфир, диэтиловый эфир, диэтиловый эфир этиленгликоля
Т5
-
Т6
-
IIC
T1
Водород, водяной газ, светильный газ, водород 75%+азот 25%
Т2
Ацетилен, метилдихлорсилан
Т3
Трихлорсилан
Т4
-
Т5
Сероуглерод
Т6
-
В процессе эксплуатации при взрыве смеси, возникшем вследствие искрообразования, на стенки корпуса 1 взрывонепроницаемой оболочки действует давление, значение которого в зависимости от геометрических параметров оболочки лежит в пределах от 5 до 20 атм. Такое давление может привести к нарушению целостности корпуса 1, крышек, люков и распространению взрыва за пределы взрывонепроницаемой оболочки. При нанесении баллистического слоя 3 часть энергии взрыва поглощается, что позволяет значительно снизить давление внутри взрывонепроницаемой оболочки.
При установке взрывозащищенного оборудования в зоне с рабочей температурой ниже -20°С происходит повышение давления. Так, например, согласно ГОСТу
- при -20°С≥t≥ -30°С давление увеличивается на 37%;
- при -30°С≥t≥ -40°С давление увеличивается на 45%;
- при -40°С≥t≥ -50°С давление увеличивается на 53%;
- при -50°С≥t≥ -60°С давление увеличивается на 62%.
Для производства корпуса взрывонепроницаемой оболочки используется технология литья под давлением. После отливки корпус очищается от отливов, обрабатываются его поверхности.
После сверления отверстий на внутреннюю поверхность корпуса и крышки наносят предварительно подготовленный, выполненный с демпфирующими слоями баллистический материал. После полного завершения процесса его нанесения, включающего отверждение материала и высыхание клея, в баллистическом материале производят разрезы для отверстий под кабели и кабельные вводы. Затем в корпус 1 взрывонепроницаемой оболочки устанавливают монтажную панель, если это необходимо, а на нее крепят, например, электрооборудование 2, которое может быть как искробезопасным с высокой степенью защиты, так и с частями, искрящими при нормальной работе. В просверленные во взрывонепроницаемой оболочке отверстия устанавливают элементы управления, такие как кнопки, ручки, автоматы и пр., и кабельные или трубные вводы. После установки оборудования 2 во внутреннюю полость взрывонепроницаемой оболочки производятся все подсоединения электрических проводов к разъемам, зажимам и клеммам и прокладка их через герметизированные вводы/выводы, снабженные уплотняющими элементами. Далее крышки и люки, также снабженные уплотняющими устройствами, закрываются и стягиваются болтами с корпусом 1.
Снижение взрывных воздействий, в частности определение давления взрыва внутри взрывонепроницаемой оболочки с помощью заявляемого изобретения, иллюстрируется следующими экспериментальными испытаниями. Экспериментальные испытания заключались в воспламенении искровым разрядом напряжением 24В и током 0,5А взрывоопасных смесей - водород (IIC) и этилен (IIB), внутри взрывонепроницаемой оболочки при атмосферном давлении и температуре окружающей среды, и в последующем измерении давления, возникающего при взрыве. Ширина взрывонепроницаемых щелей выбиралась в пределах допусков, при этом длина щели составляла 12,5 мм, а максимальный зазор - 0,15 мм.
Горючие газы, применяемые для получения взрывоопасных смесей в экспериментальных испытаниях, их содержание в смеси с воздухом и соответствующее число экспериментов указаны в таблице 2. Эксперименты проводились с группами (подгруппами) электрооборудования, установленных соответствующими ГОСТами.
Таблица 2
Группа или подгруппа электрооборудования
Определение давления взрыва
Число опытов
Горючий газ и его содержание во взрывоопасной смеси
I
3
Метан (9,8±0,5)%
IIA
3
Пропан (4,6±0,3)%
IIB
3
Этилен (8,0±0,5)%
IIC
5
Водород (31,0±1,0)%
5
Ацетилен (14,0±1,0)%
Взрывоопасная смесь внутри оболочки воспламенялась посредством одной или более высоковольтных запальных свеч или посредством других низкоэнергетических источников зажигания.
Давление взрыва измерялось и регистрировалось в процессе каждого испытания, результаты испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3
Горючий газ и его содержание во взрывоопасной смеси
Номер опыта
Давление взрыва, бар
Температура окружающей среды, °С
Атмосферное давление
Водород (31,0±1,0)%
1
3,61
+21°С
743 мм рт.ст
2
3,3
3
3,35
Этилен (8,0±0,5)%
4
3,33
5
3,31
6
3,28
Давление взрыва без баллистического материала
7,9 бар
Как видно из результатов испытаний, применение баллистического материала снижает давление взрыва более чем в 2 раза.
Местоположение свечи или свечей зажигания и прибора или приборов для измерения давления определялось испытательной организацией. В качестве расчетного давления взрыва принималось максимальное значение, установленное с помощью датчиков давления, расположенных в нескольких местах корпуса. Для проведения испытаний использовали образцы из типовой партии оборудования. Если внутренний объем оболочки был заполнен электрооборудованием менее чем на 30%, то в этом случае корпус взрывонепроницаемой оболочки полностью освобождался от внутреннего наполнения (электрооборудования). Если же внутренний объем взрывонепроницаемой оболочки был заполнен электрооборудованием на 30% и более, то тогда проводились испытания вместе с установленным в ней электрооборудованием, так как процесс образования взрыва и ударной волны в этом случае носит иной характер. Локализация взрыва в оболочке с плотно установленным в ней электрооборудованием не всегда предсказуемо, и возможно наложение возникающих и отражающихся от стенок корпуса взрывонепроницаемой оболочки ударных волн и возникновение резонансных явлений в волнообразовании, вследствие чего воздействие давления взрыва на стенки оболочки увеличивалось.
Использование заявляемой группы изобретений позволяет создать взрывонепроницаемую оболочку, обладающую высокой надежностью, улучшенными массогабаритными показателями и возможностью использования установленного внутри нее оборудования при пониженной температуре.