光辐射是光传播的一种形式,光子以光速前进,并且光本身也在振动,光子的能量E=hv,或E=hc/λ(h为普朗克常数,v为光的频率,c为光速,λ为波长)。从式中,我们可以发现,光波长越小,光子能量越大,当光被吸收后,吸收体所获得的能量越多。
理想情况下,光辐射的能量,被表面吸收后,都转换为被照射物体的内能,宏观体现就是温度升高,但不同波长的光作用在吸收体上时,表现形式是有区别的。波长小的光辐射,由于光子能量大,被照射表面能迅速获得大量的能量,来不及向照射点附近传递,温度迅速上升,因此主要作用在表面,当波长靠近紫光部分时,高能量的光子甚至能将分子结构破坏,宏观上往往伴有光解效果。波长大的光辐射,光子能量小,主要体现为温度升高,被照射表面获得能量速度相对慢,产生的热量有较多的时间通过热传导的方式扩散到被照射部位周围,因此,往往需要更高的光辐射能量才能达到相同的升温效果,在标准中,相关数据也证明了这一点(不过在的表中,氢和乙烯两种气体的值是例外,由于数据来自两个机构,无法判断可靠性,建议实验室进行针对性的验证)。
在和中,首次将光辐射能量作为点燃源,并对其进行了相应的限制与要求。而在更新版本的GB/(MODIEC60079-28:2006)和IEC60079-28:2015中,对光辐射点燃的风险有了更详细的要求。
光辐射作为一种能量形式,其点燃的机理主要有四种:
a)表面或颗粒吸收光辐射后,温度升高,在某些条件下,会达到点燃周围爆炸性环境的温度。
b)当波长与气体的吸收波段匹配时,一定量的可燃性气体发生热点燃。
c)紫外线波长范围内的辐射使氧分子光解,形成光化学点燃。
d)强光束聚焦处激光直接导致气体分解,产生等离子和冲击波,二者最终成为点燃源。接近分解点的固体材料会加剧这个过程。
其中,最主要的是第一种方式,在有些情况下,第四种方式也有可能。由于适用于波长范围为380nm~10μm的光辐射(可见光的波长范围通常认为是380nm~780nm,不同版本的资料中有不同的数值,但相差不大。波长小于380nm的被称为紫外光,波长大于780nm的被称为红外光),所以第二、第三种方式的点燃风险可以排除。
图1光谱图
激光的发散小、波长集中,因此能量集中,使得其对被照射表面的作用效果远比普通光显著,点燃风险高。在标准中,主要对激光对的光辐射点燃风险进行了规范。
目前工业上常用的激光器为半导体激光器,每种激光器的波长是固定的,例如Nd:YAG激光器其波长为1064nm,但可以通过倍频分离系统得其他波长的激光,例如用二倍频系统得到532nm激光,用三倍频系统得到355nm激光。
当激光通过光纤传输时,相同功率的激光源,传输的光纤越细,单位面积上的功率越高,因此,最小点燃功率也就越低。
光辐射的防点燃措施
当光辐射需要在爆炸危险场所使用时,应当对其点燃风险进行评估,其流程在IEC60079-28:2018的附录C中。当评估的结果是存在光辐射点燃风险时,需要对光辐射采取必要的防爆措施,避免其点燃爆炸性环境。
图2光辐射点燃风险评定流程图
这些措施包括:在正常或特定故障条件下无法产生足够能量以点燃特定爆炸性环境的可见或红外辐射(opis);在正常结构或具有额外机械保护的结构下,限制在光纤或其他传输介质内的可见或红外辐射,假设辐射不会从限制中逸出(oppr);将可见光或红外辐射限制在光纤或其他传输介质内的系统,提供联锁切断装置,以在限制失效和辐射变得无限制的情况下,在规定的时间内将无限制光束强度可靠地降低到安全水平(opsh)。
当采取opis型式时,需要考虑正常或特定故障条件下光源产生的最大光辐射能量。当光辐射为连续辐射时,考虑其功率或单位面积的功率;当光辐射为脉冲辐射时,考虑其单个脉冲的能量。当光辐射源的参数不满足标准要求时,需要进行点燃试验以验证其安全性。
当采取oppr型式时,通常对光纤进行必要的保护,例如铠装、导管、电缆桥架、电缆管道等额外的保护措施;当光辐射源是在外壳内部时,可将外壳设计为符合隔爆外壳“d”、正压外壳“P”、限制呼吸外壳“nR”等,避免光辐射源引起的点燃传播到外壳外部,或光辐射与爆炸性物质接触;在IEC60079-28:2015中,增加了IP6X的外壳。
当采取opsh型式时,当辐射源不安全(具有点燃能力)时,应当在达到点燃延迟时间或者对人员造成伤害前,切断辐射源。不过由于点燃延迟时间非常短,例如,在2倍安全系数时,0.4W的点燃延迟时间仅为0.1S,很难保证措施的有效性,从个人角度,非常不建议采用这一措施。
当光辐射能够通过外壳进入爆炸危险场所时,仍需要考虑其点燃风险。如果辐射源为相对发散的,可采用另一种方法评估其点燃能力。
对发散的光源,在不考虑传播过程中的衰减时(一般情况下,光辐射在空气中衰减可忽略不计),同一锥形角度内的总辐射量是不变的,但距离光源越远,对应的面积也就越大,其关系为
,单位面积上的光辐射强度(总辐射量/被照射面积)越小,相同被照射面积上所吸收的辐射量就越少。
图3发射光源示意图
在IEC60079-28:2015中,当光源是安装在保护外壳内部时,可在给定的距离处进行相关试验,而不是在光源处,这种方法在保证安全的前提下,合理地放宽了要求,有利于提高产品的使用性能。
另外,需要注意的是,IECEx在2019年发布了IEC60079-28:2015/ISH1:2019,对标准的适用范围进行了明确,相关的机构和实验室在使用改标准时,应注意避免标准的过分泛用,减轻产品制造企业的负担,降低实验室的工作量。