[UL 專題論壇] 爆炸是什麼？為產品植入防爆功能
爆炸，一直是各國政府在工業安全與職業場所安全的首要防災對象。眾所周知，火焰是由「能量」、「可燃物」與「助燃物」等三要件所形成。星星之火足以燎原，而瞬間發生的爆炸，往往更讓人措手不及，傷害亦更難以評估。因此國際間對於危險場所及相關防爆設備的認證要求相對嚴謹，UL 長期致力於危險場所設備的標準發展與測試認證，盡力去預防重大災害的發生。
從天而降的閃電，讓人類見識到短促集中的能量威力；除舊燃竹的爆裂，開啟我們對於爆炸強度的近身感受。爆炸物一直以來即與人類生活有著不解之緣，不管歷史上的火藥發明是加速工業革命的推手，抑或是被當作催動世界戰爭的侵略性武器。
伴隨著高溫大量熱源與全面快速傳遞的壓力波，爆炸的發生往往對於人體與物品的傷害更甚於火災，我們已經見證過諸如此類的意外災害所造成的重大生命財物損失。儘管時間走了很久，但無論是礦坑災變、或是廠房爆炸、又或是地底管線意外，那些不忍卒睹的災難畫面始終歷歷在目。
由於會產生引爆氣體的設備多屬於高價值器材，一旦爆炸產生，損失巨大。2007 年美國火災即造成 160 億美金的直接或間接損失；而根據安聯保險在 2009-2013 年間的記錄，爆炸案件的理賠金額名列全球第四位，僅次於人為操作不當、地震及火災。2013 年海力士廠區爆炸造成 10 億美元損失，亦成為中國最大保險理賠案件。
爆炸，一直是各國政府在工業安全與職業場所安全的首要防災對象。眾所周知，火焰是由「能量」、「可燃物」與「助燃物」等三要件所形成。星星之火足以燎原，而瞬間發生的爆炸，往往更讓人措手不及，傷害亦更難以評估。究竟既熟悉又陌生的爆炸如何形成？
從爆炸五芒星端看爆炸本質
有別於火焰的燃燒，爆炸的最大特徵之一就是聲音的產生 – 意即音爆。與高速揮舞長鞭及超音速飛機的道理相同，發出聲音物體的移動速度超過音速，因此先發出的音波會被後發的音波追上，造成音波的振幅不斷增加而產生極大且短促的聲響。空氣中的音速為 331 公尺/秒，故要炸開一公分開口僅需遠低於 3 萬分之一秒的時間！真是說時遲那時快！
根據「理想氣體方程式」：P (壓力) x V (體積) = n (莫耳數) x R (氣體常數) x T (絕對溫度)，造成急速膨脹的壓力來源，只有「質量的增加」與「溫度的上升」。質量增加多半是透過劇烈氧化反應所產生的二氧化碳與水，或者液體轉變為氣體這類的物質型態改變；溫度上升則亦可能來自劇烈化學反應的放熱，或者是電弧所產生的高熱。許多爆炸的產生即是同時結合上述兩因素。當高熱的氣體釋放時，也容易結合空氣中的氧與周圍的可燃物，因而促發火焰並產生更多的熱，最後形成惡性循環及導致連續反應的最終毀滅性結果。有別於相較更單純的火焰產生三要素，爆炸的形成要素另加上「侷限空間」與「可燃物的擴散」，成為如下圖所示的「五芒星」1。
國際將具爆炸危險的場所分類
由爆炸五芒星所示，其實產生爆炸的危險場所很多，礦坑為最早被定調的危險場所之一，其因此又促成防爆燈與其他防爆設備的生產與研發。1850 年起，美、德、英等國家率先提出防爆的作業規定，但直至 1920 年才有了第一本防爆標準的產生，該標準正是鎖定礦坑產業。至於防爆電器設備的標準使用，則是在 1945 年於美、德、英等國開展，日本為 1955 年始用，台灣則是 2011 年的六輕爆炸事件，才加強防爆電器產品的強制規範。
一般而言，觸發爆炸的關鍵為可爆炸的材料及存在濃度，因此找出環境的危險因子成為首要之務。國際慣用兩種系統將常用的危險場所分類：NEC (美國電工法規) 及 IEC (國際電工委員會)。NEC 的定義，危險場所依據爆燃物的存在情況分成兩級：1 級區 (Division 1) – 通常狀態下就會存在爆燃物的場所；2 級區 (Division 2) – 異常情況下才會存在爆燃物的場所。IEC 則分三區 (Zone)：0 區 – 永久存在爆燃危險物濃度的場所；1 區 – 通常存在爆燃危險物濃度的場所；2 區 – 異常情況下才會存在爆燃物的場所。換言之，NEC 的 Division 2 危險等級相當於 IEC 的 Zone 2，而 Division 1 包含了 Zone 0 與 Zone 1 的情況。以下為實務上常見的危險場所例舉，其多屬政府管制區域，而因應不同場所的危險性，所需進行的設備防護亦不盡相同；不過透過適當的區域規劃，將能降低爆炸產生的風險。
- 六類公共危險物品：包括加油站、發電廠、自來水廠及製冰廠等。民眾常忽略的自然水廠與製冰廠，亦是危險場所之一。自來水廠因為消毒過程中產生的氣體，易造成爆炸反應而成為危險場所；而製冰廠則是因為大量使用冰媒這類高壓氣體而被納入
- 可燃性高壓氣體，如瓦斯與天然氣的分裝與販賣場所
- 爆竹煙火的批發/零售商
- 軍方的軍火庫
續探爆炸的引信
除了理解會產生爆炸的物質與環境場所外，接著尚須了解重要的爆炸引信。事實上，在明顯的火焰之外，仍有許多引爆來源，其中最常見的為以下三種：
靜電火花──出乎意料的是，眼睛所見的亮火花溫度可以超過 2000°C，足以造成金屬的熔化，故引發化學反應輕而易舉。靜電火花實際上主要來自於「靜電積聚」，或是通電開關過程中因「電荷遷移」就會產生火花；過度乾燥的環境、時常摩擦的物體，都會產生靜電的累積；人體的運動也是產生靜電積聚的來源。不過此部份透過良好的接地可降低產生火花的風險。
高功率電氣設備──即使在沒有易燃氣體的存在下，也會有產生爆炸的風險，如電弧、電池本身能量蓄積都有可能產生爆炸。持續的高能電弧能夠產生超過 20000°C 的高熱，急速地汽化任何物體而產生分解性或者汽化性的爆炸性膨脹。即便周遭並無汽油桶等危險物品存在，也會造成爆炸。高功率電氣設備失效所產生的電弧，即被視為造成巨大的物理性爆炸傷害來源之一。
低電壓但直流電能量設備──多數人認為高電壓才會產生電弧其實是非常危險的謬誤。電弧的產生與導體間的距離與能量的持續有關，即使是電池產生的 10 伏特電壓，距離太小就會產生電弧。直流電又較交流電能夠持續供應電弧的能量，故可能使沒有良好絕緣的導體間產生可怕電弧而導致爆炸。
危險乍看無處不在，不過一旦能夠讓電壓電流與功率等關鍵因素管理良好，仍能降低風險。IEC 60079 系列是國際通用的危險場用所用電氣安全規範，亦是全世界勞安組織的統一採用標準，其清楚說明危險場所內不同分區的安全電壓電流與功率範圍，也列出了不少其他易被忽視的引爆危險來源，如熱氣與熱表面、正負電荷中和、高頻率的電磁波、高頻聲波、游離輻射、超音波、絕熱膨脹產生的震波，以及放熱化學反應。
為產品植入防爆功能
坊間五花八門的防爆措施中，最常見且簡便的方式正是運用防爆箱。透過密閉的箱體將點燃源與助燃物分離，風險確實能夠適當地降低，只是箱體因完全密閉，卻不見得是最佳的選擇。由於氣體爆炸壓力的大小並不容易估算，而不小心突破壓力極限後的爆炸餘威，仍可能傷害設備或人員，抑或壓力過大也會對內部的設備造成破壞；再者，為防護過大的壓力，箱體有可能因此設計上會過於笨重而難以使用。針對上述缺漏，透過卸壓閥的設計，可以在洩壓過程中耗散膨脹的能量，以提高防爆箱承受爆炸能量；也可透過加壓而達到吹滅火源的設計，以求降低爆炸的風險。
不過爆炸的危險種類何其繁雜，所帶來的傷害又何其巨大，故在安全規範上勢必得迥異於一般開放式的電氣安全標準。前述的 IEC 60079 定義了一些已知有效的防爆方法，以便產品設計者能夠有本依循而減少嘗試錯誤的時間、人力與風險成本，如耐壓/外殼防爆 (Flameproof)、本質安全 (Intrinsic Safety)、增安型防爆 (Enhanced Safety)、模鑄防爆 (Encapsulated)、油浸 (Immersion)、正壓 (Pressurized)、沙填 (Quartz & Sand)、無火花 (Non-sparking)、斷路包覆 (Enclosed break)、限制氣流 (Restricted Breathing)。〈表一〉詳列出國際通用三大標準系統的防護規定。
國際間對防爆設備的認證要求相對更加嚴謹，因此通過認證的防爆產品，在安全標示上即較一般性認證顯得複雜，其中的八大評估參數缺一不可，正如〈圖二〉所示。唯有適時適地的使用防爆產品，才能真正預防危險的產生。
防爆箱、防爆燈具、控制系統是三大利基市場
適用於危險場所的防爆產品市場日漸拓大，整體產值已破千億。與一般電子產業 3-4% 的毛利相較，即便在市場最艱困的時期，防爆產品仍有 30% 的高毛利。只是防爆市場商機既存，但該市場仍顯得封閉且神秘，往往令有興趣的廠商不得其門而入。根據市場調研機構2的防爆商機分析，顯示器、外殼、線材、隔絕材料、儀器、馬達、控制器正成為前幾大需求的防爆產品。單就 2005 年統計的全球總防爆設備市場規模就將近百億美金，而 2013 年的歐洲與中東市場則逼近七十億美金大關。其中防爆箱、防爆燈具跟控制系統的市場更有望成為防爆領域的三大新興利基市場。
無論正處於對市場觀望，抑或是正在積極進行產品計畫，甚至是已有防爆產品流通市場的企業，率先理解種種爆炸入門概念為進入防爆領域的敲門磚，而應用於各級危險場所的防爆設備符合構造規格，以及通過國際間安全規範，更是確保產品推入市場的重要基石。UL 長期致力於危險場所設備的測試與認證，早已廣受全球的尊重與認可。在防爆領域的安全歷程上，UL 的深度涉入可溯及 1930 年所發佈第一個危險場所專用標準。今日，UL 的國際團隊已可協助客戶全面性地提升產品安全，並加速產品上市時程。
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1 「爆炸五芒星」來源：http://cdn.powermag.com/wp-content/uploads/2011/05/520004ddbee2b-050111_Dust_Fig3.jpg
2 資料來源：IHS/Essential Information for Manufacturers and Suppliers of Hazardous Area Equipment/Hazardous Area Equipment – World – 2014