ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ С НАЛИЧИЕМ ГОРЮЧИХ ПАРОВ, ПЫЛЕЙ И ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ (ЛВЖ)

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

     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.

Главная Следующая polovneg.ru