Принципы и методы обеспечения взрывобезопасности

Принципы и методы обеспечения взрывобезопасности. Развитие взрыва в газо,-паро,- пылевоздушных средах. Информация об основных нормативных документах, направленных на обеспечение взрывобезопасности.

Ссылка на первоисточник.

1. Детонация (Д) - одна из двух разновидностей волнового распространения химической реакции (горения) по веществу, когда скорость движения пламени превышает скорость распространения звука в данном веществе. Ко второй разновидности волнового горения с относительно малыми (дозвуковыми) скоростями движения пламени относят дефлаграцию.

Передний фронт детонационной волны образует ударная волна. Резкое повышение давления и температуры в ударной волне инициирует химическую реакцию, которая чрезвычайно быстро протекает в очень тонком слое, непосредственно прилегающем к переднему фронту детонационной волны. Д. - самоподдерживающийся процесс, поскольку энергия, освобождающаяся в зоне химической реакции, обеспечивает высокое давление в ударной волне.

В однородном веществе Д. обычно распространяется с постоянной скоростью, которая из всех возможных скоростей распространения детонации является минимальной и принимается в качестве характеристики взрывоопасной смеси или взрывчатого вещества. Характерные значения скорости Д. составляют от одной до нескольких тысяч метров в секунду. Например, для гремучей смеси (газообразной смеси водорода с кислородом стехиометрического состава) при атмосферном давлении скорость Д. составляет 2820 м/с, для твердого гексогена - 8850 м/с, для взвесей угольной пыли в воздухе - от 1200 до 2500 м/с. Д. в газах и аэровзвесях приводит к давлению, превышающему начальное не менее, чем в десять раз, при Д. в жидкостях и твердых телах возникает существенно большее давление (до сотен тысяч атмосфер).

Возбуждение Д. осуществляется интенсивным механическим или тепловым воздействием. Интенсивность воздействия должна превышать определенное пороговое значение, которое зависит от химической природы вещества. К механическому воздействию чувствительны так называемые инициирующие взрывчатые вещества (гремучая ртуть, азид свинца ...), которые обычно входят в состав капсюлей-детонаторов, используемых для Д. вторичных (менее чувствительных ) веществ. Наряду с минимальной энергией возбуждения Д. существует минимальный критический размер слоя вещества по которому возможно распространение детонационной волны. Этот размер пропорционален ширине зоны химической реакции.

Распространение Д. в газовых смесях возможно в определенном интервале концентраций горючего, границы которого имеют название нижнего и верхнего концентрационного предела Д. В отличии от концентрационных пределов дефлаграционного горения пределы Д. в газовых взрывоопасных смесях зависят от размера емкости, содержащей данную смесь. При приближении к пределу с изменением концентрации, температуры или давления волна Д. становится пульсирующей. Вблизи предела возникает режим спиновой Д., когда фронт детонационной волны вращается по винтовой линии.

В практике обеспечения пожаровзрывобезопасности явление Д. рассматривается относительно редко. Это обусловлено ограниченным количеством производств с использованием взрывчатых веществ или легкодетонирующих горючих газопаро- или пылевоздушных смесей. Кроме того, далеко не в каждой горючей смеси можно возбудить процесс Д., а способные к Д. смеси зачастую сгорают в режиме дефлаграции (в последнем случае при определенных условиях, способствующих интенсификации процесса химического превращения, возможен переход дефлаграционного горения в Д.). Тем не менее, расчетные параметры возможного детонационного процесса используют для оценок (с определенным запасом надежности) аварийных взрывных нагрузок. Представления о тротиловом эквиваленте энергетического потенциала отдельных участков производства (с последующими выводами о расчетных значениях взрывных нагрузок при аварии) используются в правилах по обеспечению взрывобезопасности химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.

2. Взрыв (В)- процесс быстрого преобразования большого количества локализованной в веществе энергии (химической, ядерной, упругой и т.д.) в энергию движения самого вещества и окружающей среды. В практике обеспечения пожарной безопасности объектов понятие В. ассоциируется в основном с процессом горения веществ, при котором внутри объекта или окружающей объект газовой среде возникает избыточное давление превышающее 5 кПа. В этом случае рассматриваемый объект относят к взрывопожароопасным. В частности, необходимым и достаточным условием отнесения помещения, где обращается горючий газ, жидкость или пыль, к взрывопожароопасной категории является следующее: расчетное избыточное давление В. в помещении при аварийном горении газо-, паро- или пылевоздушной смеси превышает 5 кПа.

Горение вещества сопровождается выделением тепла, что приводит к нагреву и расширению окружающего вещество газа и, следовательно, локальному росту давления. Поскольку при свободном расширении газа происходит релаксация избыточного давления, условия для В. возникают лишь при большой скорости тепловыделения и достаточно высокой герметичности окружающей область горения оболочки. Из практики исследования процессов горения следует, что необходимая для осуществления В. скорость тепловыделения реализуется при детонации веществ и в ряде случаев дефлаграционного горения газо-, паро- и взвешенного пылеобразного горючего в смеси с газообразным окислителем. Примером наиболее распространенного окислителя является воздух. К упомянутым случаям следует причислить также вещества, распространение пламени по которым связано с экзотермической реакцией разложения (например, ацетилен) и вещества, являющиеся унитарными топливами (то есть содержащими в своем составе топливо и окислитель как, например, порох), для дефлаграционного горения которых присутствие в смеси газообразного окислителя не является необходимым.

Чем ниже скорость тепловыделения при горении, тем более герметичной должна быть вовлеченная в процесс область пространства для аккумуляции избыточного давления. Опыт показывает, что в условиях открытого (незагроможденного) пространства значительные давления В. возникают в случае горения веществ в режиме детонации, либо дефлаграционного горения горючей смеси с размером более 10-30 м, достаточным для интенсификации горения вследствии самотурбулизации пламени.

Для реализации В. маломасштабной горючей смеси размером в несколько метров и менее требуется значительная герметизация зоны горения, либо интенсификация горения путем турбулизации горючей смеси (например, при обтекании расположенных на пути пламени препятствий).

В частности, первоначально спокойное (ламинарное) горение горючей смеси газа или пыли с воздухом может турбулизоваться в условиях загроможденного пространства и, как следствие, интенсифицироваться. Последнее с необходимостью приводит к увеличению скорости тепловыделения и, соответственно, увеличению взрывных нагрузок.

При диффузионном горении твердых и жидких материалов, встречающемся при пожарах, условия для В., как правило, не реализуются. Исключением может оказаться процесс, именуемый "общей вспышкой", которому предшествует накопление в объеме помещения (или оборудования) способной к быстрому выгоранию смеси газообразных продуктов термической деструкции с воздухом. В настоящее время отсутствуют достоверные сведения о появлении значительных избыточных давлений среды при "общей вспышке" в условиях помещения. Однако установлено, что причиной многих катастрофических взрывов загруженных растительным сырьем силосов на элеваторах являлось скопление смесей горючих продуктов пиролиза (водорода, метана, окиси углерода и др.) с воздухом в полостях, образующихся в процессе медленного развития очагов самовозгорания.

Отметим, что взрывоопасность дисперсных материалов проявляется только в случае их взвешенного состояния (состояния пылевоздушного облака). Отложения пыли в виде слоя на поверхности пола или технологического оборудования не взрывоопасны, пока не будут приведены во взвешенное состояния воздушным потоком. В качестве примера участия пылевых отложений во взрывном горении приведем следующий. Взрыв газовоздушной смеси (первичный взрыв) с необходимостью порождает импульсное движение окружающего воздуха, которое при наличии пылевых отложений способно привести к взвихрению последних. Образующееся при этом процессе пылевоздушное облако может воспламениться от соприкосновения с пламенем первичного взрыва, что приведет к дальнейшему распространению взрывного горения (в форме так называемого вторичного взрыва) В условиях пожара реализуется возможность В. резервуаров, содержащих сжатый (не обязательно горючий) или сжиженный газ, либо перегретую жидкость. В результате нагрева резервуара давление газа поднимается и превышает предел прочности оболочки, отчего последняя разрушается. Известно, что баллоны, содержащие азот при начальном давлении около 100 ати, после разрушения горловины сосуда от термического воздействия пламени способны приобрести под действием реактивной струи истекающего газа скорость свыше 100 км/ч, достаточную для преодоления железобетонных перегородок и перекрытий.

О некоторых нормативных понятиях, касающихся взрывоопасности.

Взрывоопасная смесь - смесь с воздухом горючих газов, паров или взвешенных пылей, по которой возможно распространение пламени. Взрывоопасные смеси на основе горючих газов и паров подразделяются на пять категорий в зависимости от величины безопасного экспериментального максимального зазора размера (БЭМЗ) и шесть групп в зависимости от величины температуры самовоспламенения. БЭМЗ - максимальный зазор между фланцами оболочки, через который не проходит передача пламени из оболочки в окружающую среду при любой концентрации смеси в воздухе.

Таблица 1

Категория взрывоопасных смесей газов и паров с воздухом

Категория смеси	Наименование горючих компонентов смеси	БЭМЗ, мм
I	Рудничный металл	Более 1,0
II	Промышленные газы и пары	-
IIA	-//-	Более 0,9
IIB	-//-	Более 0,5 до 0,9
IIC	-//-	До 0,5

Таблица 2

Группы взрывоопасных смесей газов и паров с воздухом по температуре самовоспламенения

Группа	Температура самовоспламенения смеси, °С	Группа	Температура самовоспламенения смеси, °С
Т1	Выше 450	Т4	Выше 135 до 200
Т2	Выше 300 до 450	Т5	Выше 100 до 135
Т3	Выше 200 до 300	Т6	Выше 85 до 100

Индекс взрывоопасности (Kst) - косвенная характеристика скорости распространения пламени по пылевоздушной смеси. Численно определяется соотношением Kst = (dP/dt)max V1/3, где (dP/dt)max - максимальная скорость нарастания давления взрыва пылевоздушной смеси в герметичном сосуде (МПа/с), V - объем сосуда (м3). Работами группы В.Барткнехта в 1970-1980 установлено, что величина индекса взрывоопасности не зависит от объема взрывной камеры в диапазоне 0,02 - 250 м3.

Различают четыре класса пылевоздушных смесей (St0, St1, St2, St3) в зависимости от величины индекса взрывоопасности.

Класс пылевоздушной смеси	Величина индекса взрывоопасности, МПа•м/с
St0	Kst = 0
St1	0 < Kst< 20
St2	20 < Kst< 30
St3	30 < Kst

В соответствии с действующими в индустриально развитых странах нормами класс пылевоздушной смеси определяет требования к В. оборудования и производственных помещений, где возможно образование аэровзвесей, методом разгерметизации.

Минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК) - содержание кислорода в смеси горючее (газ, пар или пыль) - воздух - газообразный флегматизатор, ниже которого смесь не распространяет горение при любой концентрации горючего.

Для горючих органического происхождения типичные значения МВСК при разбавлении смеси азотом или двуокисью углерода находятся в диапазоне 10 - 14 % об. Вместе с тем имеются исключения, к которым, в частности, следует отнести пылевидный параформальдегид, газообразные водород и окись углерода, значения МВСК для которых при разбавлении азотом составляют соответственно 6, 5 и 5,6 % об.

Для пылей металлов величина МВСК может снижаться до 2% об. (алюминий, торий). При выборе газа флегматизатора следует учитывать возможность горения некоторых металлов в атмосфере азота (алюмо-магниевый сплав, цирконий) и углекислого газа (магний, титан).

Максимальная скорость нарастания давления взрыва (МСНДВ) - максимальное значение производной (dP/dt) зависимости давления продуктов горения P взрывоопасной смеси от времени t при зажигании в герметичной камере. Хотя МСНДВ может оцениваться для смеси любых горючих (газа, пара или пыли) с газообразным окислителем, наибольшее практическое использование параметра связано с пылевоздушными смесями. Последнее обусловлено тем, что в отличии от гомогенных смесей динамику движения пламени по аэровзвеси не характеризуют нормальной скоростью распространения пламени. Величина МСНДВ зависит от объема взрывной камеры V. При V>16 л для пылей и при V>1 л для газов МСНДВ ~ V1/3 (так называемый кубический закон).

В камере объемом 1 м3 величина МСНДВ для пылей при нормальных начальных значениях параметров (давление - 100 кПА, температура - 20°С) может изменяться в пределах от 0,1 МПа/с (аэровзвесь меламина) до 800 МПа/с (аэровзвесь алюминиевой пудры).

Максимальное давление взрыва (МДВ) - максимальное значение давления продуктов горения взрывоопасной смеси при зажигании в герметичной камере. Величина МДВ зависит от параметров начального состояния горючей смеси. Величина МДВ растет пропорционально начальному давлению газовой фазы смеси (при постоянной начальной температуре) и уменьшается с увеличением начальной температуры (при постоянном начальном давлении). Величина МДВ слабо зависит от объема взрывной камеры, если последний превышает 16 л для пылей и 1 л для газов.

Для камеры объемом 1 м3 величина МДВ пылей при нормальных начальных значениях параметров (давление - 100 кПА, температура - 20°С) может изменяться в пределах от 0,1 МПа (аэровзвесь меламина) до 1,7 МПа (аэровзвесь алюминиевой пудры). Типичные значения параметра для аэровзвесей находятся в диапазоне 0,8 - 0,9 МПа.

3. Взрывозащита (Вз)- снижение разрушительных последствий взрыва горючих смесей, обращающихся внутри технологического оборудования или помещений, специальными методами. Различают несколько методов Вз.

Метод упрочнения оболочки предполагает использование таких конструкций корпуса оборудования или ограждений помещения, которые выдерживают давление взрыва без повреждения (пассивные методы защиты). Поскольку давление взрыва (при нормальных начальных условиях) горючих газо-, паро- и пылевоздушных смесей составляет 800 - 1000 кПа, практическое использование данного метода сопряжено с применением материалоемких технологий и, как правило, ограничено оборудованием с относительно малым объемом.

В подавляющем большинстве случаев стены производственных помещений и корпуса оборудования выдерживают допустимое внутреннее избыточное давление, величина которого не превышает 10 и 50 кПа соответственно. Поэтому более употребимым методом Вз является аварийная разгерметизация. Данный метод предполагает использование на корпусе оборудования или ограждении помещения ослабленных элементов (вышибных проемов, предохранительных клапанов, разрывных мембран и т.п.), которые при взрыве вскрываются или разрушаются, создавая проемы, обеспечивающие достаточно высокие скорости выхода продуктов горения, чтобы ограничить рост давления внутри защищаемого объема допустимыми значениями. Метод является наиболее распространенным по своей эффективности и стоимости реализации. Оценку избыточного давления взрыва P (ат) при горении пылевоздушной смеси, характеризующейся индексом взрывоопасности Kst•(ат•м/с), в помещении или технологическом аппарате объемом V (м3), имеющем в своей жесткой оболочке открытые участки с общей площадью S (м2) можно произвести по формуле: P = 0,000016•V0,97•Kst1,42•S-1,45. Основной недостаток рассматриваемого метода Вз состоит в следующем. Подавляющее большинство продуктов горения содержит токсические газы, выброс которых в объем производственного помещения запрещается действующим законодательством. В этих случаях необходимо отводить продукты сгорания специальным сбросным газоходом за пределы производственного помещения в атмосферу. Если имеется запрет на загрязнение атмосферы продуктами сгорания, сбросной газоход должен вести к буферной емкости, объем которой значительно превосходит объем исходного аппарата. Обеспечение безопасности тракта газохода и буферной емкости (которые конструируются с учетом возможности проникновения пламени) становится достаточно сложной инженерной задачей.

Суть метода взрывоподавления состоит в том, что на ранней стадии развития взрыва, которая фиксируется детекторами, автоматически срабатывают устройства, выбрасывающиее в защищаемый объем огнетушащее вещество. Его действие предупреждает дальнейшее горение и рост давления. В настоящее время известны случаи защиты методом взрывоподавления объемов до 1000 м3.

Метод взрывоподавления относится к активным методам взрывозащиты. Естественно, что решение по обеспечению взрывобезопасности конкретного объекта принимается с учетом всего арсенала средств, как активных, так и пассивных, а также профилактических (флегматизации горючей среды и т.п.).

4. Основные нормативные документы, направленные на обеспечение взрывобезопасности:

Основными нормативными документами, направленными на обеспечение взрывобезопасности, являются:

- ПБ 09-170-97. Общие правила взрывобезопасности на взрыво- и пожароопасных производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Данные правила являются наиболее ценным пособием по выявлению взрывоопасных ситуаций на конкретных объектах и решению вопросов по их предупреждению.

- НПБ 105-03 Категорирование производственных помещений и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.

- ГОСТ 12.03.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования.

В этом документе к теме имеет отношение приложение, посвященное методам расчета параметров мембран для взрыворазряжения.

- ГОСТ 12.1.010-76* Взрывобезопасность. Общие требования.

Отметим, что данный ГОСТ, как и другие из перечисленных документов не распространяется на объекты, связанные с производством и использованием взрывчатых веществ в связи с рядом особенностей последних. В частности, требование обеспечения безопасности с вероятностью инцидента на уровне 10-6 в год/человека экономически невозможно.

- ПУЭ. Правила устройства электроустановок.

К теме относится не весь документ, а только глава, где рассматриваются взрывоопасные зоны