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光輻射是光傳播的一種形式,光子以光速前進,並且光本身也在振動,光子的能量E=hv,或E=hc/λ(h為普朗克常數,v為光的頻率,c為光速,λ為波長)。從式中,我們可以發現,光波長越小,光子能量越大,當光被吸收後,吸收體所獲得的能量越多。

理想情況下,光輻射的能量,被表面吸收後,都轉換為被照射物體的內能,宏觀體現就是溫度升高,但不同波長的光作用在吸收體上時,表現形式是有區別的。波長小的光輻射,由於光子能量大,被照射表面能迅速獲得大量的能量,來不及向照射點附近傳遞,溫度迅速上升,因此主要作用在表面,當波長靠近紫光部分時,高能量的光子甚至能將分子結構破壞,宏觀上往往伴有光解效果。波長大的光輻射,光子能量小,主要體現為溫度升高,被照射表面獲得能量速度相對慢,產生的熱量有較多的時間透過熱傳導的方式擴散到被照射部位周圍,因此,往往需要更高的光輻射能量才能達到相同的升溫效果,在標準中,相關資料也證明了這一點(不過在GB3836.22的表B.1中,氫和乙烯兩種氣體的值是例外,由於資料來自兩個機構,無法判斷可靠性,建議實驗室進行針對性的驗證)。

在GB3836.1-2010和GB25285.1-2010中,首次將光輻射能量作為點燃源,並對其進行了相應的限制與要求。而在更新版本的GB/T3836.22-2017(MOD IEC60079-28:2006)和IEC60079-28:2015中,對光輻射點燃的風險有了更詳細的要求。

光輻射作為一種能量形式,其點燃的機理主要有四種:

a)表面或顆粒吸收光輻射後,溫度升高,在某些條件下,會達到點燃周圍爆炸性環境的溫度。

b)當波長與氣體的吸收波段匹配時,一定量的可燃性氣體發生熱點燃。

c)紫外線波長範圍內的輻射使氧分子光解,形成光化學點燃。

d)強光束聚焦處鐳射直接導致氣體分解,產生等離子和衝擊波,二者最終成為點燃源。接近分解點的固體材料會加劇這個過程。

其中,最主要的是第一種方式,在有些情況下,第四種方式也有可能。由於GB3836.22適用於波長範圍為380nm~10μm的光輻射(可見光的波長範圍通常認為是380nm~780nm,不同版本的資料中有不同的數值,但相差不大。波長小於380nm的被稱為紫外光,波長大於780nm的被稱為紅外光),所以第二、第三種方式的點燃風險可以排除。

圖1 光譜圖

鐳射的發散小、波長集中,因此能量集中,使得其對被照射表面的作用效果遠比普通光顯著,點燃風險高。在標準中,主要對鐳射對的光輻射點燃風險進行了規範。

目前工業上常用的鐳射器為半導體鐳射器,每種鐳射器的波長是固定的,例如Nd:YAG鐳射器其波長為1064nm,但可以透過倍頻分離系統得其他波長的鐳射,例如用二倍頻系統得到532nm鐳射,用三倍頻系統得到355nm鐳射。

當鐳射透過光纖傳輸時,相同功率的鐳射源,傳輸的光纖越細,單位面積上的功率越高,因此,最小點燃功率也就越低。

光輻射的防點燃措施

當光輻射需要在爆炸危險場所使用時,應當對其點燃風險進行評估,其流程在IEC60079-28:2018的附錄C中。當評估的結果是存在光輻射點燃風險時,需要對光輻射採取必要的防爆措施,避免其點燃爆炸性環境。

圖2 光輻射點燃風險評定流程圖

這些措施包括:在正常或特定故障條件下無法產生足夠能量以點燃特定爆炸性環境的可見或紅外輻射(op is);在正常結構或具有額外機械保護的結構下,限制在光纖或其他傳輸介質內的可見或紅外輻射,假設輻射不會從限制中逸出(op pr);將可見光或紅外輻射限制在光纖或其他傳輸介質內的系統,提供聯鎖切斷裝置,以在限制失效和輻射變得無限制的情況下,在規定的時間內將無限制光束強度可靠地降低到安全水平(op sh)。

當採取op is型式時,需要考慮正常或特定故障條件下光源產生的最大光輻射能量。當光輻射為連續輻射時,考慮其功率或單位面積的功率;當光輻射為脈衝輻射時,考慮其單個脈衝的能量。當光輻射源的引數不滿足標準要求時,需要進行點燃試驗以驗證其安全性。

當採取op pr型式時,通常對光纖進行必要的保護,例如鎧裝、導管、電纜橋架、電纜管道等額外的保護措施;當光輻射源是在外殼內部時,可將外殼設計為符合隔爆外殼“d”、正壓外殼“P”、限制呼吸外殼“nR”等,避免光輻射源引起的點燃傳播到外殼外部,或光輻射與爆炸性物質接觸;在IEC60079-28:2015中,增加了IP6X的外殼。

當採取op sh型式時,當輻射源不安全(具有點燃能力)時,應當在達到點燃延遲時間或者對人員造成傷害前,切斷輻射源。不過由於點燃延遲時間非常短,例如,在2倍安全係數時,0.4W的點燃延遲時間僅為0.1S,很難保證措施的有效性,從個人角度,非常不建議採用這一措施。

當光輻射能夠透過外殼進入爆炸危險場所時,仍需要考慮其點燃風險。如果輻射源為相對發散的,可採用另一種方法評估其點燃能力。

對發散的光源,在不考慮傳播過程中的衰減時(一般情況下,光輻射在空氣中衰減可忽略不計),同一錐形角度內的總輻射量是不變的,但距離光源越遠,對應的面積也就越大,其關係為

,單位面積上的光輻射強度(總輻射量/被照射面積)越小,相同被照射面積上所吸收的輻射量就越少。

圖3 發射光源示意圖

在IEC60079-28:2015中,當光源是安裝在保護外殼內部時,可在給定的距離處進行相關試驗,而不是在光源處,這種方法在保證安全的前提下,合理地放寬了要求,有利於提高產品的使用效能。

另外,需要注意的是,IECEx在2019年釋出了IEC60079-28:2015/ISH1:2019,對標準的適用範圍進行了明確,相關的機構和實驗室在使用改標準時,應注意避免標準的過分泛用,減輕產品製造企業的負擔,降低實驗室的工作量。

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