爆発放散口とは

爆発放散口(エクスプロージョン・ベント)とは、内部で爆発する恐れのある機器、容器、配管に取り付け、可燃性粉じん、可燃性ガスおよび引火性液体のベーパーによる爆発から生じる異常な圧力を外部に放出することによって機器の破損を未然に防止できる爆発圧力の放散装置で、あらかじめ設定された破裂圧力において破裂開口します。

各装置や機器の爆発放散口は、特別行政法人の労働安全衛生総合研究所によって作成された爆発圧力放散設備技術指針(ガイドライン)に従って設計されます。

HI-CV-S型 一次側

HI-CV-S型 二次側

上図は、密閉状態において爆発放散口を取付けた場合と取付けない場合の、爆発圧力の時間変化を表したものです。爆発放散口を取付けない機器では、図の点線が示すように最大爆発圧力(Pmax)が機器設計圧力 (Pdes)を越え、装置の破壊につながります。もし同じ装置に適格な爆発放散口を取付けた場合、爆発放散口の作動により、放散圧力(Pred)が機器設計圧力(Pdes)を越えず、装置の破壊がないことがわかります。

特長

  • あらかじめ設定された破裂圧力で確実に作動(パッシブ・セーフティ)
  • ファイク独自のスリットパターンにより、瞬時にフルオープンする設計
  • 複数台の取り付けにより、制限のない放散面積を得ることができる
  • 各機器の運転条件に適合する最適な各種型式ラインナップ
  • アルミ板と異なり、二次災害の原因となる金属破片の飛散が無い
  • 産業安全研究所技術指針、NFPA68、EN(ATEX)に適合
  • 主に屋外にて使用されるため腐食、気象条件に耐える丈夫な設計
  • 爆発消炎ベントと組合せて使用可能

爆発放散口の取付け例

クーリングタワーへの取り付け例

配管への取付け例

※爆発放散口を配管へ取付ける場合、配管径の断面積以上とし、流速や爆発指数に応じて放散口の最大許容間隔を求め、それに従って取付ける。

サイロへの取り付け例

※爆発放散口をサイロ等に取付ける場合は、粉体が貯留されない位置に取付けなければならない。従って装置の上部に取付けるのが一般的。

集じん機への取付け例

※爆発放散口を集じん機に取付ける場合、フィルターの位置を考慮する必要ある。フィルターに重ならない位置に放散口を取り付け可能であれば、フィルターの容積を差し引いて、放散面積の計算が可能となるので放散面積を小さくできる。

ホッパーへの取付け例

用語説明

爆発圧力放散設備技術指針
労働安全衛生総合研究所により発行された爆発圧力放散設備の技術指針。主として全米防火協会(National Fire Protection Association)のNFPA 68を参考として作成された。
L/D
爆発放散の対象となる容器を有する装置で、容積の中心軸(主軸)に沿って装置形状が変化しない場合、容積の最長の寸法(高さに等しい場合もある)を装置の長さL[m]として、内径D[m]に対する装置の長さL[m]の比をいう。なお、LとDは、装置の形状にかかわらずL≧Dの関係にあるものとし、円筒形以外の装置形状の内径は相当径DEを使用する。
開口
装置の一部であって、大気に直接開放された部分、又は、爆発によって大気に開放される部分をいう。
可燃性ガス・蒸気
可燃性のガスと引火性の液体の蒸気をいう。
可燃性粉じん
飛散して空気中に浮遊したり、施設、設備等の壁面・床面等に付着・堆積している状態の可燃性粉体をいう。
危険等級
可燃性粉じんの爆発危険性を、Kst値に基づいて3つの等級(St1,St2,St3)に分類する評価法で、粉じんの爆発危険性(爆発の激しさ)の相対的な比較の尺度として用いる。なお、Kst値をもとに分類される粉じんの爆発の激しさを表す危険等級を表1に示す。

(表1)

爆発指数
Kst (×10²kPa-m/s)
最大爆発圧力
Pmax (×10²kPa)
危険等級 内容
0~200 ≦10 St 1 爆発の激しさが弱い粉じん
201~300 ≦10 St 2 爆発の激しい粉じん
300を超える場合 ≦12 St 3 爆発の激しさが特に大きい粉じん

(注)Kst値は最大800まで適用できる。これらの特性値の測定方法はJIS Z 8817:2002に記載されている。

Kg値、Kst値あるいは爆発指数[×10²kPa-m/s]
最大圧力上昇速度に基づいて定義される指数であり、ガス爆発あるいは粉じん爆発の相対的な激しさを示す尺度となる。可燃性ガスの場合にはKg、粉じんの場合にはKstと記して区別するが、本質的な意味は同じである。
最大圧力上昇速度(dP/dt)max[×10²kPa/s]
可燃物と空気との混合組成を変えた場合において、耐圧密閉容器中の爆発により発生する圧力の最大値をいう。また、最大爆発圧力を与える可燃物‐空気混合物について、爆発放散口を設けようとする装置を密閉した場合に発生すると予測される最大圧力上昇速度をいうことがある。通常は、初期圧力が標準大気圧のときの値をいう。
最大爆発圧力Pmax[×10²kPaG]
可燃物と空気との混合組成を変えた場合において、耐圧密閉容器中の爆発により発生する圧力の最大値をいう。また、最大爆発圧力を与える可燃物‐空気混合物について、爆発放散口を設けようとする装置を密閉した場合に発生すると予測される爆発圧力の最大値をいうことがある。通常は、初期圧力が標準大気圧のときの発生圧力をいい、特に断らない限り初期圧力との差で示す。
消炎装置
爆発圧力の放散に際して開口から噴出する火炎や高温の燃焼生成物を、消炎あるいは冷却するために設けるものをいう。消炎装置を設ける場合には、その構造・機能は実験などにより確認されたものでなければならない。消炎装置は、圧力の放散を阻害する因子になる。尚、ファイクでは爆発消炎ベントと呼び、実証試験により放散効率を明確にしている。
静的作動圧力Pstat[×10²kPa]
静的な圧力によって放散口が作動して開口が生ずるときの圧力をいう。
装置
内部で爆発を生ずるおそれのある装置、容器、ダクトなどをいう。本ホームページでは機器という名称で統一している。
装置耐圧(Pdes)
爆発放散口の設計の基礎となる装置の強度をいう。爆発放散口の設計には、装置が耐え得る圧力の値が必要であり、技術指針では装置の耐圧力の最低値は0.1×10²kPaとしている。
相当径DE[m]
装置の断面形状が円以外の場合、放散面積を算出する際に装置の代表(内)寸法として相当径を用いる。装置が容器の場合、装置の中心軸(主軸)に垂直な断面形状の面積から算出する。相当径は幾何学的な関係により、次式より算出する。 DE=2(A/π)1/2 ここで、A=装置の断面積[㎡]、π=円周率
燃焼
可燃物が空気中の酸素と発熱的に反応する現象をいう。
燃焼速度Su[cm³/cm²/s][cm/s]
可燃性ガス・蒸気と可燃性粉じんの混合物をいう。それぞれの濃度が爆発下限濃度(下限界)未満であっても、混合すると爆発濃度範囲(爆発限界)に入って爆発可能な濃度になる場合がある。
爆発
装置内における燃焼による発熱が急速であるために、装置内の気体の膨張により圧力が急激に上昇する現象をいう。
放散圧力Pred[×10²kPaG]
爆発放散口が作動して圧力を放散した際に装置に加わる圧力の最大値をいう。装置は少なくともこの圧力に耐える強度を有することが必要である。
放散面積Av[m²]
爆発圧力放散のための開口面積(設計値)をいう。なお、爆発により薄板などが破れて開口を生ずる方式の爆発放散口にあっては、放散面積は、爆発により生ずる開口の実質的な寸法から算出される面積(有効面積)をいう。
放散用ダクト
爆発放散口が直接外気に面していない場合に、爆発圧力放散のための開口と外気とをつないで、圧力を外気中に放散させるためのダクトをいう。一般に放散用ダクトは圧力の放散を阻害する因子となる。

爆発放散口の要求事項

ファイクの爆発放散口は以下の要求事項すべてに適合していますので、安心して使用できます。

産業安全研究所技術指針、NFPA68の最新規格に適合した破裂板式爆発放散口であること
上記の各規格で採用されている爆発放散面積の算出計算式および算出法は、破裂板式爆発放散口を使用した場合の実証試験によるデータ分析から作成されている。破裂板式以外の爆発放散口を使用する場合は、各規格規定の方法をそのまま使用することはできず、爆発放散の実証試験を個別に実施して爆発放散効率の減少率を求め、算出計算式、算出法に反映しなくてはならない。現実的にはユーザーがこの作業を実施することは困難なため、メーカーの製造する破裂板式爆発放散口を採用することが必要となる。
あらかじめ設定された破裂圧力で確実に作動すること
掛け金式放散口等は、機構部を持つため、錆び、よごれ等の要因により開口セット圧を恒久的に保持することが難しい。これらの問題を解決するためには、機構部のない破裂板式爆発放散口を使用することが必要となる。
瞬時に確実な全開(フルオ-プン)が得られるように開口パターンをコントロールすること
開口パターンがコントロールされていない金属板等の板は使用禁止である。これらのものは、瞬時に全開することができないため、爆発放散に必要な放散面積を得るタイミングが遅れ、爆発放散に失敗するためである。たとえば、アルミニウム板、プラスチック板、ガラス板などが、これに該当する。
カウンターウェイトを使用しないこと
カウンターウェイト式の放散口は過去に多く使用されていた放散装置であるが、多くの事故を経て現在は使用が禁止されている。カウンターウェイトによる慣性質量は放散口の作動速度を大幅に遅らせるため、爆発による圧力上昇に追従することはできない。以下の「可動部の質量制限」項より、カウンターウェイトを使用することは明確に禁止される。 また、スプリングを使用した安全弁等の装置もカウンターウェイト式放散口と同じく急激な圧力上昇に追従することができないため使用すべきでない。
慣性質量に影響されずに動作させるため、可動部の質量制限に適合していること
イナーシャを発生させる慣性質量は放散口の作動速度を大幅に遅らせるため、爆発による圧力上昇に追従することはできない。産業安全研究所技術指針では、放散口はなるべく軽量に作り、単位面積あたりの質量として12.2kg/m² 以下(危険等級St1の粉じんおよびメタン等の燃焼速度の小さいガスの場合は、39kg/m²以下)と規定している。
二次災害の原因となる金属破片などの危険な飛散物がないこと
開口時に金属破片等の硬質で質量のある物質が飛散する場合、大きなエネルギーで飛散するため、強い破壊力を持ち大変危険となる。
使用条件に合致した寿命の長い丈夫な設計であること
強度がない金属で製作された放散口は、屋外に設置された際に、荒天等により破損する恐れがある。
製造ロット毎に破裂試験(開口セット圧チェック)を行うこと
爆発放散口は製造ロット毎に開口セット圧のチェックを実施し、性能を確認することが重要である。
メーカーにより破裂圧力、破裂公差が保証されていること
爆発放散口は製造ロット毎に開口セット圧のチェックを実施することにより性能を確認し、ユーザーにその性能を保証するすることが重要である。
破裂圧力が爆発放散口と成績書に明記されていること
ユーザーは設置されている爆発放散口の開口セット圧を、常に把握できる状態であることが重要である。
破裂試験温度と使用温度との差異による影響が考慮されていること
爆発放散口は材料の強度特性により開口セット圧をコントロールしているため、温度による影響を受ける。この影響を反映した製作が必要である。
爆発放散の実証試験を行っていること

失敗例

まず初めに機器内で爆発が起き、内部の圧力上昇により放散口が静的作動圧力に達して破裂開口し、その後、火炎が放散される。機器設計耐圧に達する前に圧力と火炎を放散しているので機器を破損から防ぐことが出来る。