如何降低实验室火灾风险——电气分类与管理经验分享

化学实验室到底要不要进行电气设备分类管理呢？

事实上，由于化学实验室使用的易燃物量级普遍较小，因此很多时候被当做不分类区域。根据NFPA 45、NFPA 70、API- 500，实验室工作区、实验室单元和化学通风柜内部应被视为不分类的电气区域；但是，相关操作将创造危险环境的情况除外。（ 小编注：看这种要求的时候，通常要特别注意除外的情况。） 例如NFPA 45要求，如果相关区域可能形成可燃气氛，则应根据NFPA 70和API-500对这些区域进行电气分类。

化学实验人员都知道，使用可燃试剂的化学实验应该在通风橱内进行。 然而，尽管通风橱的高通风率足以稀释易燃气氛，但是化学实验室的通风橱每年都会发生大量的火灾和爆炸。 这些结果表明，单靠通风橱来稀释可燃气氛从而避免火灾的假设并不成立。

这时，电气分类就派上用场了。

那么，为了预防燃爆事故，实验室电气分类主要包括哪几方面呢？

实验区域的电气分类决定了区域内可以使用的电气设备类型。区域电气分类等级越高（即燃爆危险性越高），符合电气分类要求的商业设备就越少，相关设备的安装和维护成本也越高。因为这类设备能在可燃物存在的环境中安全使用，它们的设计方式使其无法点燃周围的易燃气体或液体，相应的零件与组件也更加昂贵。

如此，电气设备的分类是一件需要成本投入的事情。为了避免过渡管理，应参考相关实验区域特点、区域中涉及化学品、及设备的最高温度等信息综合决定：

（1） 首先，根据NFPA 70 National Electric Code，实验区域可根据可燃物浓度进行分级。

例如，I类区域空气中可能存在较高浓度的易燃蒸气或气体，容易产生爆炸性或可燃混合物。根据出现较高浓度可燃气体的频率，I类区域又可细分为2种：

在I-(1)区域，可燃物一般为敞口操作，因此该区域气氛超过燃爆标准的时长每年将累计超过几个小时；

在I-(2)区域，可燃物一般为封口操作（如试剂加盖及气瓶），此类区域气氛达每年超过燃爆标准的时长低于1小时。

与之对应的是不分类区域。由于这类区域出现易燃气氛的概率极低，区域的空气在一年中大约只有5分钟会超过燃爆标准，因此可不做分类。

（2） 其次，根据区域中使用的化学品，将工作气氛分为四类：A类含有乙炔；B类含有氢气（或同等危险的气体或蒸气）；C类含有较轻碳氢化合物；D类含有较重碳氢化合物。

（3） 最后，基于以上信息，并根据所用设备的最高温度，进一步将设备进行归类，从而确保相关设备的最高温度低于区域内化学品的自燃温度。

总之，电气分类的开展，需要结合实验区域的具体研究内容，通过开展风险评估，并根据电气分类的原则来进行。

虽然指导电气分类的文件很多（如美国的相关文件包括NFPA 497 、NFPA 30、API-500等），但是实际操作时，分类的边界可能存在模棱两可的地方，容易发生以下问题：

（1） 相关文件的起草主要是针对工业生产，其反应量级明显大于多数实验室研究的量级。例如，NFPA 497 将“小规模”定义为小于5000 gal （1 加仑约等于3.78升）、100 psig 和 100 GPM。虽然极少有实验室的研究规模接近该体积和流量的限制，但是许多研究使用的气体压力远高于100 psig。因此，基于相关文件对实验室进行电气分类的考量仍有待商榷。

（2） 相关文件中经常有“常规操作”或“通常不太可能存在的”等非定量的定义，这对于确定准确的分类造成困难，因此要求管理人员具备丰富经验。

（3） 最重要的一点，实验室或中试现场的大多数情况，无法在相关文件中找到具体的规定。

尽管以上问题的存在，使实验室的电气分类工作变得相对复杂，但是通过现场的分析和经验的积累将帮助我们逐渐学会如何应对这些问题。正确地开展电气分类管理，将有效地降低实验室的火灾和爆炸风险。

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接下来，作者针对I类区域中电气设备的设计与放置进行了一些具体的说明：

（1） 下图所示的 I 类区域中的一套反应系统，该系统在反应罐中设置了高液位报警器，并在收集容器的下方加装压差传感器。这些设置是为了预防易燃反应物的泄漏，并在发生泄漏时第一时间发出警报。

这些预防和预警设置（如高液位传感器、泄漏警报器等），是电气分类 I 类区域中设备的常见配置。

图1. 放置于I类区域的反应装置

（2） 当某个通风橱被划分为 I 类区域时，通风橱内的设备必须进行相应的升级，以符合电气分类标准。这可能是一件昂贵的事。

一个无需重新采购仪器的办法，是将相关设备放置到通风橱外面（因为只有通风橱内是分类区域）。虽然这听起来有点傻，但是确实是一个好办法。

例如，通风橱内的旧的油浴反应器可能不符合分类标准，但如果将能将油浴的加热单元置于通风橱外面，只将油浴导入通风橱中进行加热，就可以避免更换油浴设备。下面的两张照片都展示了油浴加热单元置于通风橱外部的设置

（注意：两图的油浴加热器下方都有托盘，用于预防油浴泄露）。

图2. 通风橱（I类区域）外部的油浴加热装置

图3. 通风橱为I类区域，外部放置油浴加热装置

（3） 对于I类区域中的烘箱、炉子等高温加热设备，完全置换成防燃爆的设备可能比较困难（即使存在这类设备，价格也可能高得惊人……）。针对这类设备，可以在加热部位（即容易发生燃爆的地方）加装一个惰性气氛舱，这样可以有效地防止可燃物质接触加热源和空气，引发燃爆。

图4和图5所示的就是I类区域的加热装置外部加装的惰性气氛舱。

图4. 两个不锈钢惰性气氛舱，用于防止内部小瓶（含易燃反应物）泄露接触空气引发的燃爆

图5. 为了使用加热套而设置的惰性气氛舱内（注意：该加热套不符合I类区域电气分类要求，本来不能直接使用。但是加装了惰性气氛舱后，该加热装置就可以安全使用了）

（4） 管线加热装置（小编注：也就是缠绕在气路周围的加热丝）也存在电气分类方面的问题。

实验室常见的加热丝（图6）并不适用于电气分类区域，因为它的外部没有保护，容易因刮碰导致变形；同时，由于结构不太坚固，它也更容易发生短路。

图6. 实验室常见的加热丝，不适用于电气分类区域

图7. 从装置上方穿过的自限性加热丝

图8. 包裹在管路外部的管式加热器（白色）及其上方用于监控温度的热电偶

图9. 置于通风橱外部的控制装置（通风橱左侧的电脑与控制器）

好了，以上内容就是 "Primer on Area Electrical Classification for Research Laboratories" 的简单提要，希望本文能帮助大家了解实验室电气分类的相关知识。需要了解详细内容的读者们，欢迎点击原文进行阅读！