Основи охорони праці - Запорожець О.І. - 14.2. Показники пожежовибухонебезпеки речовин та матеріалів

Розглянемо механізм і фази горіння для більш кращого розуміння утворення пожежовибухонебезпечних середовищ і оцінки пожежовибухонебезпеки технологічних процесів.

Горіння - це комплекс фізико-хімічних перетворень, що супроводжуються виділенням тепла і в більшості випадків випромінюванням світла. До горіння належать:

- реакція сполучення з киснем речовин, що містять в основному водень і вуглець;

- реакції розкладання (наприклад, ацетилену);

- реакції сполучення речовин з хлором, бромом, парами сірки і т. п. Умовами горіння речовин є:

- наявності горючої речовини;

- наявності кисню (окислювача) в повітрі або кисню в чистому вигляді;

- наявності джерела запалювання.

Горіння речовини виникне тоді, коли горюча речовина і кисень (реагуючі речовини) будуть нагріті до температури, при якій швидкість теплоутворення від реакції окислення буде вищою за швидкість тепловіддачі у довкілля.

Для запалення джерело повинно розвивати певну температуру і мати запас тепла. Джерелами запалення можуть бути: відкрите полум'я; електрична іскра; іскра, що утворюється при ударах одна об одну металевих деталей і предметів; розряд статичної або атмосферної електрики; тепло від розжарених тіл і екзотермічних реакцій; тепло, що виникає при адіабатичному стисненні, терті тощо.

Джерелом запалення у процесі горіння є зона горіння, де, власне, протікає реакція окислення з виділенням тепла. Горіння виникає і продовжується, якщо горюча речовина і кисень в повітрі знаходяться в певному співвідношенні. Із зменшенням концентрації кисню в повітрі, зменшується швидкість горіння, а при вмісті нижче 14-15 % горіння більшості горючих речовин припиняється.

Процес горіння, що зумовлює розвиток пожежі, є надзвичайно складним. Він залежить від різних чинників. До них належать: умови утворення горючих сумішей, відведення продуктів горіння та інш. Умови розвитку процесу горіння визначають різноманітність видів горіння.

Горіння залежно від властивостей горючої суміші розрізнюють -гомогенне і гетерогенне. Гомогенним горіння буде тоді, коли початкові речовини знаходяться в однаковому агрегатному стані, наприклад, при горінні газів. Гетерогенне горіння спостерігається у рідких і твердих горючих речовинах, хоча, зазвичай, реакція окислення, що зумовлює виникнення і розвиток процесу горіння, проходить в газовій фазі.

Горіння розрізняють за швидкістю поширення полум'я і залежно від цього воно може бути дефлаграційним (швидкість - декілька метрів в секунду), вибухом (десятки метрів в секунду) і детонаційним (тисячі метрів в секунду). Більшості пожеж властиве дефлаграційне горіння.

Пожежа - це горіння, що розвивається у часі та просторі і перестає бути контрольованим.

На об'єктах складів паливно-мастильних матеріалів оцінка пожежовибухонебезпеки проводиться з урахуванням об'єму виробничого приміщення (об'єм не враховує обладнання), продуктивності припливно-витяжної вентиляції або кратності повітрообміну в приміщенні, горючих властивостей рідин та їх парів (нижні концентраційна і температурна межі вибуховості, температура самозаймання), часу аварійного стану витоку горючої рідини.

Для рідин встановлені показники пожежовибухонебезпеки і методи визначення.

1. Горючість - це здатність речовини або матеріалу до горіння. За горючістю речовини і матеріали поділяють на три групи:

негорючі (вогнетривкі) - речовини і матеріали, нездатні до горіння в повітрі (матеріали мінерального походження і виготовлені на їх основі червона цегла, силікатна цегла, бетон, каміння, азбест, мінеральна вата, азбоцемент та інші матеріали, а також більшість металів).

Негорючі речовини можуть бути пожежонебезпечними, наприклад речовини, що виділяють горючі продукти при взаємодії з водою;

- важкогорючі (важкозаймисті) речовини і матеріали, здатні займатися в повітрі від джерела запалювання, але не здатні самостійно горіти після його віддалення (матеріали, що містять спалимі і вогнетривкі компоненти, наприклад, деревина при глибокому просоченні антипіренами, фіброліт тощо;

- горючі (спалимі) речовини і матеріали, здатні самозайматися, а також займатися від джерела запалювання і самостійно горіти після його видалення.

В групі горючих речовин і матеріалів вирізняють легкозаймисті речовини і матеріали. Легкозаймисті речовини - це речовини і матеріали, здатні зайнятися від короткочасного - до 30 хвилин - впливу джерела запалювання низької енергії. Легкозаймисті рідини (ЛЗР) це такі рідини, у яких температура спалаху не більша 61 °С в закритому тиглі і не більша 66 °С у відкритому.

2. Температура спалаху. Спалах - швидке згорання горючої суміші, що не супроводжується утворенням стислих газів.

Температура спалаху - найнижча температура горючої речовини, при якій за умов спеціальних випробувань над її поверхнею утворяться пари або гази, здатні зайнятися від джерела запалювання, але швидкість їх утворення ще не достатня для стійкого полум'яного горіння. Якщо рідину підігріти до більш високої температури, ніж температура спалаху, швидкість утворення пари може досягнути значень, достатніх для підтримки стійкого горіння суміші пари з повітрям.

Як показник, температура спалаху використовується під час класифікації рідин за ступенем пожежонебезпеки, при визначенні категорії щодо вибухової, вибухопожежної і пожежної небезпеки, а також класів вибухонебезпеки і пожежонебезпеки зон.

3. Температура запалення - це найменша температура речовини, при якій за умов спеціальних випробувань речовина виділяє горючі пари і гази з такою швидкістю, що після їхнього запалювання виникає стійке полум 'яне горіння.

Температури спалаху і запалення ЛЗР відрізняються на 1-5°С, і чим нижча температура спалаху рідини, тим меншою є різниця, і отже, тим більш пожежонебезпечною є ця рідина. Температура запалення використовується при визначенні групи горючості речовин, оцінці пожежної небезпеки устаткування і технологічних процесів, пов'язаних з переробкою горючих речовин.

4. Температура самозаймання - це найнижча температура речовини, при якій за умов спеціальних випробувань відбувається різке збільшення швидкості екзотермічних реакцій, що закінчуються полум 'яним горінням.

Температура самозаймання речовини залежить від ряду чинників і змінюється в широких межах.

Найбільше температура самозаймання залежить від об'єму і форми горючої суміші. Із збільшенням об'єму горючої суміші при незмінній її формі температура самозаймання знижується, тому що зменшується площа тепловіддачі на одиницю об'єму речовини і створюються більш сприятливі умови для накопичення тепла в реагуючій горючій суміші. При зменшенні об'єму горючої суміші температура запалення її підвищується.

У кожної горючої суміші існує критичний об'єм, в якому самозаймання не відбувається внаслідок того, що площа тепловіддачі, котра припадає на одиницю об'єму, настільки велика, що швидкість теплоутворення за рахунок реакції окислення навіть при дуже високих температурах не може перевищити швидкість тепловідведення. Ця властивість горючих сумішей використана у вогнезагороджува-чах, що перешкоджають поширенню полум'я. Як вогнезагороджу-вач застосовують металеву сітку спеціального плетіння. Така сітка розміщується на шляху можливого поширення полум'я. Сітка розбиває горючу суміш на дрібні об'єми (менш критичні), в яких самозаймання є неможливим. Такі вогнезагороджувачі використовуються в дихальних клапанах резервуарів легкозаймистих рідин і вентиляційних трубах бензосховищ (рис. 14.1).

Щілинний вогнезагороджувач працює за таким принципом у вибухобезпечних світильниках і електромоторах. Вибухонебезпечна суміш, проникаючи через зазори між фланцями всередину світильника, може вибухнути і горіти в, крайньому випадку, тільки в ємкості світильника. Полум'я (горіння) з ємкості світильника не може перекинутися назовні і викликати вибух у виробничому приміщенні, тому що в зазорі між фланцями завдяки великій площі тепловіддачі горюча суміш не самозапалюється. Вибухобезпечні світильники застосовуються на об'єктах, в яких використовуються вибухонебезпечні суміші.

Температура самозаймання змінюється при зміні об'єму і форми і спостерігається також у твердих і рідких горючих речовинах. Температура самозаймання суміші горючих газів і рідин нижча від середньої арифметичної температури окремих газів і рідин. Температура самозаймання горючої суміші залежить від співвідношення між компонентом і повітрям. Найменшу температуру самозаймання мають суміші, близькі за складом до стехіометричної (29,5 %).

З підвищенням тиску, від якого температура самозаймання також залежить, вона знижується. Наприклад, при атмосферному тиску температура гасу, бензину, бензолу відповідно становить 460, 480 і 680 °С, а при тиску 490 кПа - 330, 350 і 620 °С.

Каталізатори також впливають на температуру самозаймання. Каталізаторами можуть стати навіть стінки ємкостей, в яких зберігаються рідини. Наприклад, температура самозаймання бензину в кварцових ємкостях на 100 °С нижча, ніж у залізних. Тетраетилс-винець, пентакарбоніл заліза та інші антидетонатори в невеликих кількостях підвищують температуру самозаймання на 100 °С і більше.

Самозагоряння - процес самонагрівання речовини, внаслідок якого вона самозапалюється. Самозаймання і самозагоряння це один і той же процес, тільки перший характерний для горючих речовин, що мають температуру самозаймання значно вищу від кімнатної, а другий - для горючих речовин, самозаймистих при кімнатній температурі і нижче (табл.14.1).

Накопичення тепла - процес (самонагрівання) у самозаймистих речовин залежить від їхнього агрегатного стану, умов, окислювального процесу, що сприяє інтенсивності, а також метеорологічних умов. Самозагоряння речовин часто є причиною пожеж. Пожежонебезпека самозаймистих речовин тим вища, чим нижчою є температура, при якій вони самозаймаються.

Слід знати, що до самозаймистих речовин належать: рослинні масла і жири, сульфіди заліза, продукти рослинного походження, вугілля, торф, хімічні речовини.

Найбільшу небезпеку виникнення пожеж становлять спецодяги і дрантя, на яких є сліди масел та жирів. Тому будь-який промаслений спецодяг і дрантя потрібно винести з виробничих приміщень і зберігати в розвішеному стані, забезпечуючи велику поверхню тепловіддачі. Зберігання в згорнутому, зім'ятому стані може призвести до самозагоряння і пожежі.

Таблиця 14.1

Температурні та концентраційні межі поширення полум'я

Особливу небезпеку виникнення вибуху і пожежі на промислових об'єктах, де зберігаються паливно мастильні матеріали (цистерни, резервуари, танкери) становлять самозаймисті сульфіди заліза Ге₂Б, ГеБ і Ге₂Б₃ так звані пірофорні речовини. Сульфіди утворюються при взаємодії сірководню, що міститься в нафтопродуктах, з продуктами корозії стальних ємкостей, трубопроводів, апаратури.

Пірофорне залізо має вигляд чорного осаду, що покриває внутрішні стінки ємкостей і апаратури. Зіткнення сульфідів заліза, що нагромадилися під шаром нафтопродукту, з повітрям зумовлює вибух і пожежу нафтопродуктів, оскільки окислення сульфідів протікає з більшою швидкістю і вони нагріваються до 600-700 °С. Таке само-загоряння відбувається частіше за все при повному зливі нафтопродуктів з ємкостей, резервуарів, танкерів.

5. Нижня і верхня концентраційні межі поширення полум я (запалення) - це відповідно мінімальний (максимальний) вміст пального в суміші "горюча речовина - окислювальне середовище", при якому можливе поширення полум'я по суміші на будь-яку відстань від джерел запалювання.

Область поширення полум'я - запалення або вибуху це інтервал концентрацій між нижньою і верхньою межами вибуху. Діапазон вибуховості є найважливішою характеристикою вибухобезпеки парів і газів горючих речовин. У табл. 14.1 наведені межі запалення і вибуховості деяких речовин при атмосферному тиску і кімнатній температурі.

Концентраційні межі запалення горючих сумішей нижня (НП) і верхня ( ВП) такі

в промилях:

де: N - число грам-атомів кисню, необхідне для згоряння одного моля горючого газу (речовини); М - маса одного моля горючої речовини в суміші, г; у. - об'єм 1 моля газу при початковій температурі суміші, л.

Приклад 14.1. Розрахувати концентраційні межі запалення або вибуху суміші пар ацетону з повітрям.

Розв'язок. Кількість грам-атомів кисню, необхідне для згоряння одного моля ацетону, визначимо з рівняння реакції

Від температури горючої рідини залежить концентрація насичених парів, тобто, при певній температурі рідини над її поверхнею може знаходитися тільки певна пружність парів. Концентраційну межу нижню поширення полум'я (запалення) використовують для класифікації виробництв з пожежовибухонебезпеки. Вона застосовується при розрахунку вибухобезпечних концентрацій газів і парів всередині насосів палив, трубопроводів, при проектуванні вентиляційних систем насосних станцій, складів зберігання паливномастильних матеріалів в тарі, лабораторіях, а також при розрахунку граничнодопустимих вибухонебезпечних концентрацій газів і парів в резервуарах під час їх зачистки, в насосних станціях, лабораторіях з потенційними джерелами запалювання.

Наприклад, при зливі-наливі відбувається розлив горючої рідини. Необхідно визначити, які горючі рідини, протягом якого часу, з якої поверхні і в якій кількості при випаровуванні можуть утворити вибухонебезпечні концентрації парів в повітрі.

Приклад 14.2. Випадково на бетонну підлогу розлили 3 л бензину Б-70 при температурі +25 °С і атмосферному тиску р_о=9,81-10⁴Па утворилася калюжа бензину діаметром 1,5 м.

Визначити швидкість випаровування бензину, об'ємну концентрацію його через одну годину після проливу і час, за який в приміщенні об'ємом 15 м³ утвориться концентрація парів бензину, що дорівнює верхній концентраційній межі поширення полум'я ВП = 5,76 %.

Розв'язок. Визначимо швидкість випаровування бензину

Концентраційна верхня межа вибуховості бензину Б-70 буде досягнута за ґ = ВП%/С% = 5,76/0,11 = 52,3 год

Приклад 14.3. Бензин Б-95/130 100 м³ перекачали з резервуара об'ємом 500 м³. Залишок зберігався при температурі 25°С і тиску р_о=9,8110⁴ Па невизначено довго, а при пожежі в сусідньому резервуарі його перекачали в безпечне сховище. Слід визначити, чи була концентрація бензину в резервуарі вибухонебезпечна до і після перекачування з нього бензину?

Молярна маса бензину М=120-10~³ кг/моль; р_н - тиск насиченої пари бензину Б-95/130 приймемо 1,95-10⁴ Па; V - молярний об'єм парів бензину 2410^-3 м³/моль. У процесі перекачування випаровуванням нехтуємо.

Розв'язок. Вагова концентрація парів бензину

Така об'ємна концентрація не є вибухонебезпечною, тому що вона вища за верхню межу поширення полум'я, яка для бензину Б-95/130 становить 5,48 %о.(табл.14.1).

Після перекачки бензину його пари заповнили об'єм в п'ять раз більший, і концентрація становила 20:5 = 4 %%. Така концентрація парів бензину є вибухонебезпечною, тому що вона знаходиться в діапазоні вибуховості бензину Б-95/130 0,98<4,0<5,48 %%.

6. Нижня і верхня температурні межі поширення полум'я запалення. Це відповідно такі температури речовини, при яких її насичені пари утворюють в конкретному окисному середовищі концентрації, що дорівнюють нижній і верхній концентраційним межам поширення полум'я. За температурними межами поширення полум'я запалення горючих речовин можна визначити концентраційні межі поширення полум'я запалення в %:

де: р_н і р_в - тиск насичених парів при температурах, що відповідають нижній і верхній температурним межам, Па; р_атм - атмосферний тиск, що становить 9,8-10⁴ Па.

Приклад 14.4. Розрахувати концентраційні межі поширення полум'я палива ТС-1 за значеннями температурних меж.

Розв'язок. Тиск насиченої пари палива ТС-1 при 28 °С становить 0,11-10⁴ Па, при 57° С - 0,68-10⁴ Па.

Приклад 14.5. У ємкості зберігається бензин "Галоша" . Чи є концентрація його парів вибуховою в ємкості - влітку при температурі повітря +30 °С і - взимку при -15 °С?

Розв'язок. Згідно з температурними межами, поширення полум'я (запалення) бензину "Галоша" (табл.14.1) визначимо, що в літній час при +30 °С концентрація парів у ємності є вищою за верхню межу (поширення полум'я) і тому не становить небезпеки вибуху, а взимку при -15 °С концентрація парів знаходиться в області вибуховості і тому вона є вибухонебезпечною.

Концентраційні межі поширення полум'я (запалення) суміші декількох парів і газів можуть бути визначені в проміле за формулами Ле-Шательє:

де: НП_см і ВП_см - відповідно нижня і верхня концентраційні межі запалення (вибуху) суміші декількох газів і парів, %%; С₁, С₂, С_п - концентрація окремих компонентів суміші, %%; при цьому С+4+...+С, = 100%; НП₁, НП₂, НП_п; ВП₂, ВП_п - відповідно нижні і верхні межі запалення (вибуху) окремих компонентів суміші, %.

Приклад 14.6. Визначити верхню концентраційну межу поширення полум'я (вибуховості) суміші, що складається з 30 % палива ТС-1 і 70 % повітря, до якої додали 3 % етиленгліколя. Верхня межа поширення полум'я ТС-1 ВП=7,1%о, етиленгліколя ВП=6,35% (табл.14.1).

Суміш палива з повітрям і етиленгліколем стала вибуховою, тому що концентрація палива ТС-1 (7,05%) знаходиться в зоні вибуховості.

Температурні межі запалення використовують при розрахунку пожеховибухонебезпечних режимів роботи технологічного обладнання, при оцінці аварійних ситуацій, пов'язаних з розливом горючих рідин, а також для розрахунку концентраційних меж запалення.

7. Мінімальна енергія запалювання. Найменше значення енергії електричного розряду, здатної запалити найбільш легкозаймисту суміш газу, пари або пилу з повітрям. Показник застосовують для оцінки електростатичної іскробезпеки від розрядів статичної електрики, що виникає під час прийому, зберігання і відпускання нафтопродуктів, а також для забезпечення пожежовибухобезпечних умов переробки горючих речовин.

8. Здатність вибухати і горіти при взаємодії з водою, киснем повітря та іншими речовинами (взаємний контакт речовин). Це якісний показник, що характеризує особливу пожежну небезпеку деяких речовин. Дані про небезпеку взаємного контакту речовин використовують під час класифікації виробництв за рівнем пожежовибухонебезпеки, виборі безпечних умов проведення технологічних процесів і умов спільного зберігання речовин.

Наприклад, при зберіганні кисневих балонів, що використовуються для зварювання, необхідно запобігати попаданню масел і жирів на їхні штуцери, редуктори і шланги.

9. Нормальна швидкість поширення полум'я. Це швидкість переміщення фронту полум'я відносно неспаленого газу в напрямку, перпендикулярному до його поверхні. Цей показник потрібно застосовувати при розрахунках швидкості наростання вибухового тиску газу, пароповітряних сумішей, а також при розробці заходів і

засобів, що забезпечують пожежовибухобезпечність технологічних процесів під час застосування ПММ.

10. Швидкість вигоряння. Це кількість горючої речовини, що згоряє за одиницю часу з одиниці площі. Швидкість вигоряння використовують при розрахунках тривалості пожежі в резервуарах, інтенсивності тепловиділення і температурного режиму пожежі.

11. Мінімальний вибухонебезпечний вміст кисню. Це така концентрація кисню в горючій суміші, нижче за яку запалення і горіння суміші стають неможливими при будь-якій концентрації пального в суміші, розбавленій даним флегматизатором. Цей показник використовують під час:

- розрахунків пожежовибухобезпечних режимів роботи технологічного обладнання з перекачування авіапалива при прийомі, зберіганні і відпусканні;

- вибору режимів роботи систем "азотного дихання", розробки систем і установок вибухостримування і гасіння пожеж. Мінімальний вибухонебезпечний вміст кисню залежить від виду флегматизатора.

12. Мінімальна флегматизуюча концентрація флегмати-затора. Це найменша концентрація флегматизатора в суміші з пальним і окисним середовищем, при якій суміш стає нездатною до поширення полум'я при будь-якому співвідношенні пального і окисного середовища. Цей показник використовується при розрахунках безпечних складів газових сумішей. Флегматизуюча об'ємна концентрація флегматизатора дорівнює:

13. Мінімальний тиск вибуху. Це - найбільший тиск, що виникає при дефлаграційному вибуху газо-, паро- або пилоповітряної суміші в замкненій ємкості при початковому тиску суміші 101,3 кПа.

Максимальний тиск вибуху використовується при розрахунках обладнання і конструкцій на вибухонепроникність, вибухостійкість, а також при розрахунку запобіжних мембран.

14. Швидкість наростання тиску при вибуху. Це похідна тиску вибуху від часу на зростаючій ділянці залежності тиску вибуху газо-, паро-, пилоповітряної суміші в замкненій ємкості від часу. Швидкість наростання тиску використовується при розрахунках запобіжних пристроїв і в системах вибухоподавлення.