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本质安全型手动工具的防爆性

文档作者：高工刘海亮文档来源：国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心		点击数：	更新时间： 2021年11月15日
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质量与安全
本质安全型手动工具的防爆性
国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心 高工 刘海亮

-引言
在爆炸危险场所使用的手动工具应采用非钢 材制成 以避免钢或钢与水泥地面、岩石碰撞、摩 擦等原因产生火花而引起周围可燃性物质的燃烧 和爆炸。这类采用非钢材制成的、用于爆炸危险场 所的手动工具，称为防爆工具
防爆工具自80年代起才在我国开始有规模 地生产，并得到比较广泛的应用。在此之前，在爆 议由澳大利亚的电子标准化协会召集，参加会议 (晚餐会)的有美国、新西兰、澳大利亚、加拿大、日 本、韩国和中國 会上，澳大利亚介绍了协调会的 宗旨和运作方法 主要目的是加强亚太地区国家 在标准方面的协调，以便象欧共体国家那样在 IECTC31会议上协调观点。协调会是松散型组 织，利用电子通讯以及IEC会议的机会进行联络 和协调。
我们在会上未发言在尔后IEC TC会议上， APC成员间在发表意见方面有协调，但国家利益 仍是第一位的 例如，在表决“n”型标准时，开始 澳、美、新等国是反对意见，后来澳方的IEC Ex 秘书提出澳在进行Ex认证要用该标准,澳方的 标准代表就改变态度，支持“n”型标准时；我们虽 然参加APC的协调会，但在IEC工作中，国家利 益是第一位的。
2这次会议之前，我们列席了 IECEx(Ex 安全认证)体系的EXTAG和EXM C的会议，对 在IEC组织下进行防爆电气产品安全认证的工 作有了进一步的了解。中国也是Ex体系的参加 国，在l(b 15年的过渡期间，中国的防爆标准要 逐步等同IEC相应标准，这对国内的标准化匚作 提岀了新的课题
3.会议期间参观了澳大利亚两个安全方面 的实验室和认证机构一SAFETY AND TEST- ING和SIMTAS,前者是从事劳动保护安全和防 爆检验的国家实验室，后者是从事煤矿安全研究 和防爆检验的国家实验室澳大利亚在实验室建 炸危险场所里工人在使用工具进行操作时，常常 采用在钢制工具与被接触部件的相互表面涂抹黄 汕或在操作部位浇冷水的办法冒险作业为此，一 些大企业和有色金属生产厂、铸造加工厂曾制造 了一些有色金属材料的工具，但大多数工具的机 械性能不理想，防爆性能也不可靠有些企业在钢 制工具上镀一层有色金属,但因工作部位易磨损， 如果发生碰撞，均可暴露出钢材表面，故防爆性能 并不可靠 我国的一些引进工程和大型企业常因 设方而走在世界前列，实验的管理、工作程序、记 录和报告等方面的经验值得我们学习。
四、体会和建议
1.这次会议共讨论了 15个标准的有关内 容，其中 IEC60079- 1 6()079- 2 6(X)79- 7 60()79- 15等标准是利用率很高的标准通过参 加讨论有关问题，了解在该领域世界上技术发展 的方向，学习到不少新的知识同时，积极参与标 准意见的讨论和表决，进一步树立中国在参与国 际技术活动中的良好形象
2	IEC60079系列标准中的60079- 0和
6007 9- 11分别在1998年和1999年出版了修订 版,这次又修订和制订了 15个标准,IEC60079系 列标准的普遍修订,对国内的标准化工作有很大 影咆相应的国家标准要加快制修订步伐,等同或 等效采用国际标准
3.由于中国已经参加IEC Ex认证体系，对 我国的标准化工作有很大影咆由于IECEx体 系要求参加的国家标准在10~ 15年内要与 IEC60079标准等同,这就要求标准的制修订工作 要加快采标的步傥另一方面，也要求我国以积极 的姿态参加IEC60079的标准工作。以前,可以客 观的态度对待IEC60079标准，因为国标是否采 用相应的IEC标准,主动权还掌握在自己手中。 今后这种局面改变了，过渡期之后,IEC60079标 准就是自己的国标，因此我们要象对待国标那样 对待IEC60079标准的制修订工作。
没有防爆工具而不能开工不得不动用外汇向国 外购买。但更多的情况是在爆炸危险场所工作的 许多人，还没有认识到钢制工具在操作时会产生 火花而引燃引爆，认为多年来使用普通工具操作 也没有发生事故 但是，在爆炸危险场所作业中， 未使用防爆工具而导致的爆炸事故屡有发生如：
天津某化学厂曾因用普通钢制锤子敲击作业 引起硝化棉爆炸事故，当场死亡13人
西南某化工厂在罐装汽汕时，工人用钢制扳 手开桶盖，产生火花引起爆炸事故，造成7人死 亡，3人受伤
二、摩擦碰撞火花的类型和引燃 性能
当两种固体的表面互相摩擦时，会在有限的 接触点上产生一系列微小的热点。若接触压力增 加，则不仅热点温度增加，还能将一部分接触点磨 损，并产生新的接触点。因摩擦而产生的温度,一 般不会超过其中较易熔化的物质的熔点 对于两 个物体的正面碰撞,也就是其撞击力没有切线方 向成分时,就不发生摩擦，至多是硬度较髙的一种 物体压瘪另一种物体此时因变形产生的热量全 部消散在该变形物体的体积中，因而其表面温度 并不会增加很多。但对于大多数非正面的碰撞情 况来说，则同时还发生摩擦，可以出现较高的局部 表面温度试验表明，垂直下落的物体在碰撞时, 摩擦热能的最大值将岀现在被碰撞物体的表面与 水平成5(f左右时。发生引燃火花所需的冲击力 量随着条件不同而不同，因此试验结果也不尽相 同。其中有试验认为对于镁的合金铝的合金或碳 钢依次需要有大于245 343 J和627 J的能量才能 引燃石油气体
各种不同的物质由于其物化性质的活泼程 度、熔点和氧化温度高低等因素的不同，将会在摩 擦碰撞时产生许多复杂的情况 当两物体紧密摩 擦时,不仅发生表而磨损和温度增加，还可以发生 一种物体的颗粒脱落卜•来,涂覆在另一种物体上 当摩擦碰撞的速度较快时,其碎粒溅向周围空气 中的现象，就是一般被人理解的摩擦火花从防爆 安全的角度来考虑,摩擦火花大体上可以分为以 下三种类型
1.通常如钢铁间摩擦碰撞产生的火花，实际 上是从表面飞溅岀来的高温金属颗粒，如用砂轮 磨削铁件时产生的火星 这种火星在髙速运动中 很易冷81我们曾在砂轮下方放置一个深约10cm 的茶怀，其中放入少量汽汕，使砂轮产生的大量密 集火星垂直射向杯中，历时30s而多次均未引燃。 有试验表明，只有在被摩擦金属自身的温度升得 很高，或者溅出的颗粒非常密集、成为连续的粒子 流时,才有可能引燃石油气
2对于一些在髙温下容易在空气中发生氧 化的金属颗粒，当溅出通过空气时其温度可以进 一步增力3此类金属主要有锯镁、钛、肺以及某些 重金属饴和钳等 若铝和镁及其合金的粉粒在带 锈(氧化铁)的钢铁表面上略有粘附，则在受到硬 物甚至硬的橡胶或塑料的打击，就可能发生一种 剧烈放热的“铝热反应”。钢铁管道外涂有含铝的 漆层,在受到敲击时就可能出现多种容易引燃的 铝热高温火花，其温度甚至可高达3(XXJ(；对于 镁,则不仅与铁锈而且与硅也能发生上述反应，所 以危险性更大些
3.对于一些含有硅或石英成分的材料，包括 砂石、花岗石、粘土砖和水泥等，在受到外力撞击 时，往往可以因岩石的晶体被破碎而产生髙能电 火花此时不论撞击物是钢铁或是铜镰合金、紫铜 等都有引燃的可能一般来说，在岩石中石英含量 愈多,或其颗粒愈大愈易引燃据煤矿方面对现场 岩石的试验结果表明，在可能发生碰撞引燃的岩 石中，粒径大于l(Fm的石英颗粒总含量的体积 比通常大于3% ,且其颗粒往往大于70xm而当 体积比小于2%或颗粒小于2臬m时未见到引 燃。对于最小引燃能量比甲烷更小的气体或蒸气 来说，其引燃危险就更大了。
三、防爆工具的防爆机理
通常由钢铁材料制成的钎、镐、锤、钳、扳手、 吊具等工具在其激烈动作或失手跌落时发生的摩 擦、撞击火花是引爆火源，所以这些工具不能在爆 炸危险场所中使用。在爆炸危险场所中使用的工 具必须由不发生摩擦、撞击火花，真至不能产生炽 热高温表面的特种材料制成的防爆工具
钢铁材料具有较高的强度和硬度，适合于制 造工具，而且钢材的强度和硬度随着含碳量的增 加而提高 然而对钢铁材料摩擦火花产生机理的 研究结果表明，恰恰是钢材中所含的碳元素是产 生摩擦火花的根源
为了消除工具的摩擦撞击火花，人们把选材 方向转到了铜林 用铜材做防爆工具，与铜材比 较有两个显著的不同点：第一，不含碳元素，不会 出现氧一妇碳反应链，所以不出现火花第二, 铜材的强度和硬度都比较低，导热性乂比钢材髙, 发生摩擦或撞击时,局部摩擦点会发生塑性变形 而避免摩擦能量集中在个别接触点上，加上材料 的高导热性，摩擦产生的热量迅速分散到基体，而 减少摩擦撞击点岀现炽热高温的危险。以上两点 就是铜材（铜合金）工具的防爆机理
然尔，纯铜的强度和硬度太低,不能直接用做 工具，需要添加适当的元素如镀锯钛線镁等 熔炼成铜基合金，以提高其强度和硬度但当强度 和硬度提高后，前述铜材在防爆工具上的第二个 特点就有削弱或消失的危险。于是,人们又进一步 探讨“两全其美”的技术途径这就是要求所配制 的铜基合金在室温下具有高的强度和硬度，一旦 受到摩擦、撞击，温度上升到一定程度时,铜基合 金的金相组织就发生相变而转化为低强度，并岀 现塑性变形甚至磨损剥离 这时，局部摩擦面上的 金属摩擦抗力卜降，摩擦、撞击的最髙温度就被限 制在合金相变温度之f，成为不能点燃爆炸性混 合物的防爆合金，国外称为非危险火花金属 现 在，工业上已有钺青麻铝青铜等儿种铜基合金, 被成功地用作防爆工具的制造材料
四、不同材质防爆工具的适用场 所
1.披青铜
皱青铜是以披为基本合金元素的铜基合金, 其含披量为％〜2%。同时含有微量钻、镁铁 以及其他微量元素。它的物理性能导电率、电阻 系数热导率与纯铜相比较虽有降低，但与钢相比 较则是钢的许多倍。
由于固体表面一般都有细微的凹凸，因此两 个固体表现的接触仅仅在最高突起部位的顶点 上,实际接触面积很小。所以在摩擦时澤擦能变 为热能集中在接触点上，使接触点上的固体表面 局部达到极高的温度
在各种金属中，假设其荷重及摩擦速度都相 同，导热率越小，接触点的温度就越高。
披青铜在高速冲击或高速摩擦时，其机械能 在作用到物体表面时被转换成热能，表而温度突 然升高。但由于其材料有较高的导电性能和导热 率，工作表面的热量被迅速传递到工件的其他部 位.工作表面的热量剧烈减尖 一些在冲击或摩 擦作用下脱离工件的微粒,其温度也达不到点火 源的温度
皱青铜金属间的化合物均较稳定，且熔点高, 不易剧烈氧化，在髙速冲击或摩擦时，被作用表面 或者一些脱离下来的微粒的温度虽有所升高，但 都不能与氧气及其他可燃气体发生剧烈的氧化反 应,形不成点火源
钺青铜这一特性已被防爆工具的不燃性试验 所验证 值得注意的一点是,披青铜除具备这一重 要特性外坯有一个很重要的特点,就是经过处理 后的皱青铜,其抗拉强度和硬度比其他铜合金都 要高得篡由于该材料具备这两个特点，而被广泛 用于一些特殊场所下的重要零部件和防爆工具的 制造上
2铝青铜
常用铝青铜有两种：一是当含铝量小于 9.侥时，金相为树枝状单a相固溶体（铝在铜中 的固溶体）;二是当含铝量为1.	9.妮时，其
组织为a+ M+少量的a+ 72
在二元铝青铜中，铝含量大于9.馄且加入 大于％的银时，其组织为：
«+ 3»+ （少量的a+乃片K 式中« 	 A1在Cu中的固溶体
Pi	Cu3 Al
li	Cu9 Ak
K	 Cu- Ni-	Al
从以上可以看出各元素均已生成金属间化合 物。这些化合物均较稳定，且熔点高，不易剧烈氧 化而单独存在的元素是少量的。
元素的氧化即与氧结合，主要取决元素与氧 的亲和能力。
我们知道，纯金属在85/C时,对氧的亲和能 力顺序如下：
Ca Mg Al Ti Si. V Mn CF Zn Fe Ni Cu,对氧的亲和能力依次减弱
金属材料的髙温氧化性能主要取决于氧化物 的保护性能＞ 假如氧化物的分子体积比生成氧化 物所消耗的原子体积大，氧化物则会将金属的整 个表面盖住，阻止金属继续氧化这种氧化物可称 为保护性膜.
可以看岀，铝是铝青铜中最易氧化的，生成物 为Ab（）3,该物质一是熔点高（200（凭）；二是很致 密，形成一层保护膜,使铝不再氧化 大量的五颜 六色的电化铝制品正是人为的在铝制品表面生成 一层较厚的Ab()3膜，从而使软而易氧化的铝得 到保护，延长使用寿命。
其次是铁，高速撞击或摩擦时产生的粒尘中 含有极少量的铁，且2FCF 02= 2Fe0+ Q为放热 反应 可使微粒温度继续升嵐 使未参加反应的 铁氧化 但一是微粒中含铁量很少,反应生成热能 有限;二是大部分热被微粒所吸收而散掉，故不足 以点燃可燃气体-空气混合物而引起爆:m这一点 已由铝青铜系列防爆工具按《防爆工具》国家标准 GB10686- 10693- 89进行防爆性能测试结果所 证实
至于银和铜,一是与氧亲和能力差，与氧反应 时产生的热量少，因而发生反应乃至剧烈反应则 需要猛烈的撞击和更高的温度 这是一般的撞击 不可能达到的。二是银和铜生成的固溶体,导热、 散热能力较好，撞击下碎块的温度是不高的(经用 782热相仪测量，铝青铜磨削出颗粒温度为36.7 土 3C),不会发生剧烈氧化
在铝青铜中加入铁后，含碳量极低(仅万分之 儿)且大部分已合金化,极少量分散的铁不足以发 生类似钢中CO或其他气体产生的现象
通过以上分析，可以得出下述4点结论：
(1)	在铝青铜中，各元素基本上已合金化，这 些合金性能稳定,不易剧烈氧化
(2)	铝在一定温度下被氧化,生成的A12()3 是一层极好的保护层，处在它保护下的铝不再氧 化
(3)	在铝青铜中，含碳量很低，仅万分之儿， 不会产生类钢铁中的碳生成大量的(：()而从基 体中逸出呈爆花状
(4)	铝青铜的基体是铜尽管已合金化，它的 导热性仍然很好，在与其他物体摩擦碰撞时所产 生的热，大部分被工具所吸收而散去。磨削下的微 粒所具有的热量较低，不会引起空气与可燃物质 混合物的爆炸。
3. J892铜合金
(1)	防爆性能:按GB10686- 8%铜合金工具 防爆性能试验方法》对J8 92铜合金材料分别选择 II类(:级代表气体氢气(浓度为21.吐2.	'
II类B级代表气体乙烯(浓度为7. St 0. % > II 类A级代表气体丙烷(浓度为5.吐0.观〉I类 代表气体甲烷(浓度为6. 5t 0. % )进行落锤摩 擦和高速冲击试验,按国家标准中规定的试验步 骤和方法进行，均未发生引爆，试验合格，证明 J892铜合金防爆工具适用于各类各级爆炸性气 体场合使用。
鉴于乙烘气体场合使用的铜合金含铜量需 7瞬以卜•的要求，同时考虑乙块气的引燃温度比 氢气要低 虽然J892铜合金已做过II类C级代表 气体氢气的防爆性能试验为慎重起见，按国家标 准规定的试验方法，又选择了乙烘气(浓度为T/o 〜1(% )进行了落锤、摩擦和高速冲击试验，也未 发生引爆，试验合格 同时,在密闭的爆炸槽内放 置了 J892铜合金材料和试验样件,进行了 J892 铜合金和乙烘气混存后的引爆试验 经混存20天 后仍按国家标准规定的试验方法进行了落锤 摩 擦和高速冲击试验,也未发生引爆，试验合格 证 明J892铜合金防爆工具适于乙烘场合使甩
(2)	机械性能：防爆工具产品国家标准 (GB10687- 10693- 89)中规定，采用彼青铜材料 制造的防爆工具产品硬度不低于HRC35采用铝 青铜材料制造的防爆工具产品硬度不低于
HRC25 J892铜合金产品可满足彼青铜产品硬度 的要求一般生产中，J892铜合金材料处理后硬 度比钺青铜材料还要偏髙,更接近于钢制工具产 品的硬度
按防爆工具国家标准对J892铜合金工具进 行扭矩实验，呆板手可承受标准(GB10687- 89) 中d系列所规定的扭矩，梅花板手可承受标准 (GB 10691- 89)中b系列所规定的扭矩,桶盖板 手各板口或桦头均能承受标准(GB10690- 89)中 规定的196N。m的扭矩
(3)	适用场所:对J892铜合金材料的防爆性 能试验表明：J892铜合金防爆工具可适用于各类 各级爆炸性气体场所。由于其含铜量在7%以 下，更适用于乙烘气体场所。J892铜合金防爆工 具的产品硬度、试验扭矩都能达到国家标准中对 铁青铜防爆工具的要求
目前J892铜合金的韧性还不能达到钢制工 具的水平因此在使用中对J892铜合金防爆工具 不能做超载荷使用，更不能对扳手加套管以延长 力臂或在柄部用锤作敲击作业
J892铜合金的防锈性能优于皴青铜,但不能 将J892铜合金防爆工具与酸、碱等腐蚀性物品混 放，以防腐蚀
(未完待续)

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