CC BY
39Экология и системы жизнеобеспечения
УДК 537.24
Taisia. K. Sharafutdinova, Andrey S. Mazur, Ivan G. Jankovski, Tatiana V. Ukraintseva, Antonina M. Smirnova,
ANALYSIS OF STATIC ELECTRIC HAZARD IN PRODUCTION OF INFLAMMABLE AND EXPLOSIVE MATERIALS
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: sharafutdinova.taya@yandex.ru
This paper is concerned investigation of the problematic appearance of static electric charge build-up in technological processes in industrial production. The authors provide a statistical analysis of accidents occurring on Russian territory from 1970 to the present time. Based on the statistical results, the authors identify causes for the occurrence of industrial accidents linked to the discharge of the static electricity. The event trees show possible scenarios in the development of catastrophic situations. From the statistical data, the frequency of catastrophic situations resulting from eflagration and detonation is determined.
Key words: static electricity, hazard, industrial production, detonation, deflagration, inflammable materials , explosive materials, dielectric, accidents, risk analysis.
Образование зарядов статического электричества (СЭ) в технологических процессах (ТП) промышленных производств представляет большую опасность вследствие возможности образования искрового разряда в среде пожаро- и взрывоопасных материалов. Аварии от разрядов СЭ происходят в горно-рудной и угольной промышленности (в частности при заряжании скважин промышленными взрывчатыми веществами (ПВВ)); на зернообрабатывающих, мукомольных и комбикормовых заводах; интенсивные процессы образования СЭ также характерны для текстильной, фармацевтической и деревообрабатывающей промышленности, т.е. для любых процессов, в которых имеется смесь горючих материалов с окислителем (кислородом воздуха). Наиболее опасными ТП на таких производствах являются: пневмотранспортирование, пневмосмешение, сушка, диспергирование и пр., а именно такие процессы,
Т.К. Шарафутдинова1, А.С. Мазур2, И.Г. Янковский3, Т.В. Украинцева4, А. М. Смирнова5
АНАЛИЗ ОПАСНОСТИ СТАТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВАХ ПО ПОЛУЧЕНИЮ И ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЖАРО-ВЗРЫВООПАСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., д. 26, 190013, Санкт-Петербург, Россия. e-mail: sharafutdinova.taya@yandex.ru
В работе произведено исследования интенсивности возникновения зарядов статического электричества в технологических процессах промышленных производств. Проведен анализ статистки аварий, произошедших на территории России с 1970 г. по настоящее время. На ее основе авторами выявлены основные причины возникновения аварийных ситуаций, связанных с разрядами статического электричества. На основании дерева событий показаны возможные варианты развития аварийных ситуаций. По выявленным статистическим данным определена частота реализации сценариев аварий, связанных с развитием аварии в режимах дефлаграции и детонации пожа-ровзрывоопасных переработанных материалов.
Ключевые слова: анализ риска, взрыв, диэлектрические материалы, промышленные производства, статическое электричество, пожаровзрывоопасность, искровой разряд.
где возможно интенсивное заряжание веществ вследствие контактного механизма электризации, при котором процессы накопления заряда преобладают над процессами его релаксации. Поскольку такие процессы характеризуются наличием диспергированных и пылевых фракций пожаровзрывоопасных материалов (ПВВ, мука, зерно, древесная стружка, лекарства и пр.), образование зарядов СЭ может привести к авариям с тяжелыми последствиями.
Обзор известных исследований [1-8] по опасности СЭ в промышленности подтверждает высказанное выше, и, в целом, подтверждает актуальность рассматриваемой проблемы. Вместе с тем подробная статистика аварий, произошедших вследствие искровых разрядов СЭ, отсутствует. В связи с этим авторами проведен анализ аварийных ситуаций, вызванных искровыми разрядами СЭ (таблица).
1 Шарафутдинова Таисия Константиновна аспирант каф. химической энергетики, e-mail: sharafutdinova.taya@yandex.ru Taisia. K. Sharafutdinova, post-graduate student, department of chemical power
2 Мазур Андрей Семенович, д-р техн. наук, заведующий каф. химической энергетики, e-mail: Mazuras@mail.ru Andrey S. Mazur, Dr Sci (Eng), Professor, heat of department of chemical power
3 Янковский Иван Григорьевич, канд. техн. наук, эксперт высшей категории, доцент каф. химической энергетики Ivan G. Jankovski, PhD (Eng), associate professor, expert of highest category, department of chemical power
4 Украинцева Татьяна Васильевна, канд. техн. наук, доцент каф. химической энергетики, e-mail: t.ukraintseva@mail.ru Tatiana V. Ukraintseva, PhD (Eng), associate professor, department of chemical power
5 Смирнова Антонина Михайловна, аспирант каф. химической энергетики, e-mail: saterezia@yandex.ru Antonina M. Smirnova, post-graduate student, department of chemical power
Дата поступления - 12 апреля 2016 года
Таблица. Перечень аварий, произошедших от разрядов СЭ.
№ Год и место аварии Вид аварии (неполадки) Описание аварии и основные причины Число пострадавших, ущерб Источник информации
1. Док судостроительного завода, Благовещенск, 2012 Взрыв при проведении покрасочных работ в моторном отсеке теплохода Возгорание образовавшейся пожароопасной смеси от искр СЭ. Один человек погиб, двое получили ожоги. [9]
2. Цех по производству полистирола (Омская область), 2011 Возгорание в цехе по производству полистирола. Возгорание произошло в цехе, позже огонь перекинулся на склад с пиломатериалами. Причина аварии: разряд СЭ с одежды рабочего. - [10]
3. Полигон Ашулук (Астраханская область), 2011 Взрыв при разгрузке боеприпасов. При разгрузке боеприпасов на полигоне имел место непроизвольный подрыв ракетного снаряда установки типа «Град». Причина аварии: самопроизвольное срабатывание двигателя боеприпаса. Инициатором включения двигателя послужила искра СЭ. Погибли шесть и были ранены двенадцать человек. [11]
4. Мебельный цех, Благовещенск, 2011 Пожар на складе цеха по производству мебели. Пожар возник из-за возгорания горючих материалов от разрядов СЭ с одежды рабочего. Жертв нет [12]
5. Пороховой завод, Казань, 2008 Взрыв во время выгрузки в производственном здании на участке сушки. Причина аварии:СЭ, которое накопилось либо на самой продукции завода, либо на одежде рабочих. Четыре человека погибли, пятеро получили ранения. [13]
6. Рудник «Расвум-чорр» ОАО «Апатит», 2008 Взрыв ВВ в бункере зарядной машины Загрузка ВВ в бункер зарядной машины осуществлялась вручную, произошел несанкционированный взрыв ВВ в бункере зарядной машины. Причина аварии - _искровой разряд СЭ.. Были смертельно травмированы шесть человек. [14]
7. Завод «Агроспец-монтаж», Екатеринбург, 2007 Пожар на мебельной фабрике. Пожар начался из-за разряда СЭ. Искра возникла при переливании лаков. Пламя перекинулось на тюки тканей, мебель и поролонЗатем пожар распространился по всему цеху. Погибло двенадцать человек. [15]
8. Склад химикатов, Уфа, 2003. Взрыв с последующим возгоранием на складе химикатов. Причина пожара искра СЭ, возникшая при перемещении химикатов. Сильных повреждений нет, поврежден один из ангаров. [16]
9. Пороховой завод, Тамбовская область, 2002. Взрыв в цехе по производству пороха. После взрыва начался пожар. Причина аварии: взрыв произошел от искры, вызванной накоплением СЭ. Погибли три человека, один ранен. [17]
10. АО «Ригель», Санкт-Петербург, 2002. Пожар в одном из производственных помещений АО, занимающегося производством аккумуляторов Пожар начался с взрыва паров ацетона в цехе. Пары ацетона воспламенились в результате разряда СЭ. Пострадавших нет, ущерб незначителен. [18]
11. Рудник «Заполярный» ОАО ГМК «Норильский никель», 2001. Взрыв в бункере зарядной машины. Взрыв в бункере зарядной машины с передачей детонации на размещенное рядом ВВ общей массой около 20 т. Заряд СЭ возник в слое промасленной алюминиевой пудры , налипшей на внутренней стенке зарядного трубопровода. Были смертельно травмированы четыре человек [19]
12. Газопровод, Самарская область, 2000 Взрыв газопровода на участке Мокроус-Сама-ра-Тольятти В газопроводе появилась трещина, возникшая из-за деформации, вызванной проседанием грунта. Причина взрыва : искра СЭ. Пострадавших нет [20]
13. Заготовительный элеватор ЛСВ-4х175 Взрыв при загорании в зерносушилке Причина взрыва - воспламенение аэровзвеси зерновой пыли, образовавшейся в свободном объеме теплообменника. Источником зажигания аэровзвеси стали очаги горения зерна, появившиеся в результате разряда СЭ. - [21]
14. Шахта «Эксплуатационная» Запорожского железорудного комбината, 1987. Взрыв в скважине при заряжании. При заряжании глубоких скважин с помощью машины УЗДМ-1 произошел преждевременный взрыв граммонита 79/21 в одной из скважин. Разряд СЭ произошел в полиэтиленовом шланге при заряжании скважин. Травмированы рабочие, находящиеся в зоне действия ударной волны. [4]
15. Рудник «Но-во-Ежовский» Кировоградского комбината, 1981. Взрыв ВВ в зарядной машине ЭМБС-2А. В результате неправильных действий электрослесаря при работе с зарядной машиной произошел взрыв. Разряд СЭ произошел в результате неправильнойэксплуатации машины. - [4]
16. Нурекская ГЭС, 1970 Взрыва в шланге пневмоза-рядчика УЗС-6000 Разряд СЭ явился причиной взрыва в шланге пневмозарядчи-ка при продувке шланга после окончания заряжания. Причина взрыва - наличие в воздухе взвешенной алюминиевой пыли. - [4]
17. Шахта «Прогресс», ПО «Торезантра-цит» Взрыв шпурового заряда Произошел взрыв одного из шпуровых зарядов во время проверки проходчиком исправности взрывной цепи. Электродетонатор сработал от разряда СЭ, накопленного на теле проходчика. Погиб один человек [22]
18. Лениногорский рудник Взрыв при заряжании скважин гранулитом АС-8 При возобновлении пневмозарядки после установки боевика произошел взрыв. Причина: воздействие разрядов СЭ. Были смертельно травмированы два человека [5]
19. Шаклинский карьер Взрыв в скважине при уплотнении забоечного материала. Заряжание производили высыпанием пороха из пластмассового ведра. Причина аварии: разряд СЭ. Было травмировано два человека [5]
Анализ причин аварий, приведенных в таблице, произошедших на производствах угледобывающей, горнорудной, зернообрабатывающей, легкой промышленности позволяет выделить основные причины появления разрядов СЭ:
Нарушение технологических режимов:
- при пневмотранспортировании / при заполнении бункера зарядной машины - 38 %;
- при распылении - 5 %;
- при сушке - 10 %;
Ошибки персонала:
- несоблюдение инструкций - 21 %.
- разряд с одежды -21 %;
- электризация при неправильном обращении со специальными изделиями -5 %.
В преобладающем числе случаев причиной образования инициирующего импульса - искрового разряда СЭ являются: ошибки персонала; несоблюдение технологических режимов эксплуатации оборудования, его износы и т.п.
Возможность образования электростатического разряда и его мощность (способность воспламенять по-жаровзрывоопасные материалы) определяет величина приобретаемого перерабатываемыми материалами электростатического заряда. Наиболее интенсивно электростатические заряды образуются в процессах, связанных с перемещением материалов (пневмотранспорт, различные способы пересыпания, заряжания скважин), их перемешиванием, сушкой, измельчением и др, т.е. при реализации контактного механизма.
Для развития процесса горения парогазопыле-воздушной смеси и перехода его в детонацию, необходимо кроме источника зажигания (искры) наличие горючей среды, т.е. газо-, паро- и пылевоздушных смесей при обеспечении содержания опасных веществ в диапазоне между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени.
Как показывает анализ выявленных данных преобладающим способом электростатического заряжения для процессов химической технологии переработки дисперсных материалов является контактный механизм за-ряжения[23]. Контактный механизм обуславливает электростатическое заряжение при контакте твердых тел, проводимость которых носит электронный и дырочный характер. При контакте двух разнородных твердых тел вследствие разности работ выхода электронов происходит переход носителей зарядов с одной поверхности на другую. Так возникают двойной электрический слой (ДЭС) и контактная разность потенциалов. ДЭС образуется на площади контакта твердых тел из проводящих, полупроводящих и диэлектрических материалов. Схема строения ДЭС показана на рисунке 1.
Помимо контактного механизма существуют другие механизмы заряжения: электролитический механизм заряжения, адсорбционный механизм заряжения, пьезоэлектрический эффект, заряжение по индукции, однако для рассматриваемых ТП их влияние на конечную величину заряда представляется незначительным.
Как следует из последовательности анализируемых событий, условием образования искрового электростатического разряда является величина заряда СЭ, которая в свою очередь обеспечивает необходимое значение напряженности электростатического поля, и мощность самого разряда, которая должна превышать энергию воспламенения соответствующей газо-паро-пылевоздушной смеси. На рисунке 2 приведен анализ аварийных ситуаций на основе причинно-следственных связей.
Рисунок 1. Двойной электрический слой: 5 - толщина адсорбционного
слоя, Л - толщина диффузного слоя, фо - начальный потенциал, ф5- - толщина диффузного слоя, £ - электрокинетический потенциал.
Рисунок 2. Причинно-следственные связи аварий, связанных с возникновением СЭ, в производствах по получению и переработке пожаровзрывоопасных материалов; где Фнкпр - нижний концентрационный предел распространения пламени, Фвкпр - верхний концентрационный предел распространения пламени, Тист - температура источника, Твосп - температура воспламенения, Тинд - время индукции, тВосП - время воспламенения, Шз - энергия зажигания, Штп - минимальная энергия зажигания.
Одной из характеристик, определяющих безопасность эксплуатации производств, является частота возникновения аварийных ситуаций. С целью ее определения в отношении аварий, связанных с искровыми разрядами СЭ были рассмотрены данные по эксплуатации двухсот установок по производству и переработке пожаровзрывоопасных материалов, на которых за 46 лет эксплуатации произошло 19 аварий. Расчет частоты проводился по известным зависимостям [24]. Частота исходного события (аварии, связанной с возникновением СЭ) составит:
(1)
где п - число аварий за исследованный промежуток времени, N - число исследованных объектов, Т - временной промежуток.
Р =
19
200-46
= 2,1
1(Г3 —
год
(2)
Возможные сценарии развития аварийных ситуаций представлена на рисунке 3 с учетом относительных вероятностей реализации ветвей логического дерева событий и перехода аварийной ситуации в ту или иную стадию развития. Частоты сценарии связанные с детонацией и дефлограцией газо-паро-пылевоздушных смесей для каждого конечного события (аварийной ситуации) рассчитывались умножением частоты основного события (исходного события) на все условные вероятности ветвей, приводящих к реализации конкретного (конечного) сценария развития аварии.
- частота сценария С1 (дефлаграция с воздействием ударной волны на персонал и оборудование):
P(Ci) = 2 ■ 1(Г3 ■ 0,5 ■ 0,2 ■ 0,8 ■ 0,6 ■ 0,6 = 5,8 ■ 10~5 —
(3)
- частота сценария С2 (детонация с воздействием ударной волны на персонал и оборудование):
Р (С2) = 2 • 10"3 • 0,5 • 0,2 • 0,8 • 0,4 • 0,7 = 4,5 • 10"5 — (4)
год
Численные условные вероятности установлены на основе статистических данных и в соответствии с методикой определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах [25].
Воздействие ударной волны на персонал и
оборудование_С1=5,8-1(Г5
1/год
Образование
искровых
разрядов
Р=2.1-10"3
1/год
Дефлаграция 0,6 1
Возгорание 0,6 Без последствий 0,4 Воздействие ударной
Появление источника cW*CT>Wm,n;Ul<tBocn; Тист>Твосп 0,8 Детонация волны на персонал и оборудование , 0,7 1
Наличие горючей среды с концентрацией (р™р<ф<фвкпр 0,2 Без последствий 0,4 Без последствий 0,3
0,5 Без последствий 0,2
0,8 Наличие горючей смеси с концентрацией фнкпр><р; (р>факпр Без последствии
- 02=4,5 • ю-1/год
Рисунок 3. Дерево событий аварийных ситуаций, связанных с возникновением СЭ, в производствах по получению и переработке пожаровзрывоопасных материалов.
Выводы
1. Проведенный анализ аварий, связанных с искровыми разрядами СЭ, показал, что наиболее вероятной причиной их возникновения является нарушение технологических режимов промышленных производств.
2. На основании анализа причинно-следственных связей, обуславливающих возникновение аварий выявлены условия, последовательность и сочетание которых способны привести к возникновению поражающих факторов, связанных с пожаром и/или взрывом на опасных производствах.
3. Предложенный вариант построения деревьев событий аварийных ситуаций при возникновении искрового разряда СЭ. Полученные значения конечных частот реализации аварийных ситуаций могут быть использованы для оценки техногенного риска и разработки документации.
Литература
1. Гаврилов Н.И. Об аварии с групповым несчастным случаем на руднике «Заполярный» ОАО «ГМК Норильский никель» // Безопасность труда в пром-сти. 2001. № 6. С. 15-16.
2. Катков Н.Н. Анализ напряженного состояния в разделительных массивах на рудниках норильска. // Горный информационно-аналитический бюллетень 2002. №5. http://cyberleninka.ru/journal/n/gornyy-informatsionno-analiticheskiy-byulleten-nauchno-tehnicheskiy-zhurnal
3. Кармазинов Н.М., Кулепов В.Ф. Феномен статического электричества Н. Новгород: НГТУ, 2013. 195 с.
4. Кутузов Б.Н. Безопасность взрывных работ в горном деле и промышленности: уч. пособие. М.: Горная книга Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2009. 670 с.
5. Кутузов Б.Н. Фадеев В.Ю., Игошев А.В. О необходимости единой методики оценки электропроводности зарядных трубопроводов // Безопасность труда в пром-сти. 2013. № 5. С. 42-47.
6. Годовые отчеты о деятельности федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору М.: Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. 2005-2015. http:// www.gosnadzor.ru/public/annual_reports/
7. Овчаренко А.Г. Раско С.Л. Электростатическая безопасность пожаро- и взрывоопасных производств. Бийск: Алтайский гос. техн. ун-т, 2006. 155 с.
8. Семенов Л.И., Теслер Л.А. Взрывобезопас-ность элеваторов, мукомольных и комбикормовых заводов. М.: Агропроиздат, 1991. 367 с.
9. Александрова Т. Названа причина взрыва на судостроительном заводе Благовещенска // Российская газета 12.08.2012.- http://www.rg.ru/2012/08/12/reg-dfo/ prichina-anons.html/
10. Причиной пожара стал разряд статического электричества //Singlenews. Новостной портал. 29.08.2011. http://www.singlenews.ru/news/493158/
11. Кисин С. Попали под «Град» //Российская газета № 5563 (187) - 25.08.2011. http://www.rg.ru/2011/08/24/ reg-jugrossii/ashuluk.html
12. В Благовещенске горел мебельный комбинат // Амур.Инфо. - Новостной портал. 17.01.2011. http://www. amur.info/news/2011/01/17/1710
13. Брайловская С. Следствие: трагедия на казанском пороховом заводе произошла из-за разряда статического электричества. [ресурс] // Российская газета 10.02.2009. http://rg.ru/2009/02/10/reg-volga-ural/razryad-anons.html
14. Кукиб В.Н. Кутузов Б.Н. О возможных причинах аварий при производстве и применении взрывчатых смесей, содержащих алюминий // Безопасность труда в пром-сти. 2009. № 9. С. 28-31.
15. Пожар в здании завода «Агроспецмон-таж» произошел в результате поджога. Версия руководства мебельной фабрики. //Екатеринбург Он-Лайн Информационный портал. 09.02.2007. http://www.vremya. ru/2007/22/46/171215.html
16. На складе химикатов в Уфе прогремел взрыв. // Вести. Интернет канал. 17.06.2003. http://www.vesti.ru/ doc.html?id=27317
17. Порох подвел пороховщиков. // Вести. Интернет канал. 07.08.2002. http://www.vesti.ru/doc.html?id=8210
18. Пожарные спасли аккумуляторный завод. // Коммерсант. 22.01.2002. Режим доступа: http://www. kommersant.ru/doc/565207
19. Гаврилов Н.И. Об аварии с групповым несчастным случаем на руднике «Заполярный» ОАО «ГМК Норильский никель» // Безопасность труда в пром-сти. 2001. № 6. С. 15-16.
20. В Самарской области произошел взрыв газопровода. // Lenta.ru. Интернет газета. 14.04.2000. http:// lenta.ru/russia/2000/04/14/samara/
21. Семенов Л.И., Теслер Л.А. Взрывобезопас-ность элеваторов, мукомольных и комбикормовых заводов. М. Агропроиздат, 1991. 367 с.
22. Залесский П.С. Ихно С.А. Защита горно-шахтного оборудования от статического электричества. М.: Недра, 1989. 135 с.
23. Попов Б.Г. Веревкин В.Н., Бондарь В.А., Горшков В.И. Статическое электричество в химической промышленности. Л.: Химия. 1971. С. 208.
24. Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере М.: Издательский центр «Академия», 2003. 512 с.
25. Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (с изменениями на 14 декабря 2010 года) Приказ от 10 июля 2009 г. №404 // Консультант-Плюс 2016.
26. Об утверждении Руководства по безопасности «Методические основы по проведению анализа опасностей и оценки риска аварий на опасных производственных объектах»: Приказ от 13 мая 2015 г. № 188// Положения о Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору. 2015.
27. Голик В.И., Шелехов П.Ю. Электризация в транспортируемом потоке взрывчатых веществ и условия возникновения электростатических разрядов // Изв.
вузов. Сев.-Кавказ. регион. Техн. науки. Приложение. 2006. № 6. С. 58-61.
28. Гурин А.А. [и др.]. О некоторых закономерностях электризации при заряжании скважин и шпуров гранулярными взрывчатыми веществами // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2012. Т. 5, № 5(59).
29. Малинин С.Е., Кармазинов Н.М. Статическое электричество во взрывоопасных производствах // Успехи в специальной химии и химической технологии : тр. Все-рос. науч.-техн. конф., посвящ. 75-летию основания Инж. химико-технол. фак. РХТУ им. Д.И. Менделеева. М., 2010. С. 603-607.
30. Удилов Т.В. Кузнецов К.Л. Исследование зажигательной способности разрядов статического электричества с человека // Вестн. Вост.-Сиб. ин-та М-ва внутренних дел России. 2012. № 2. С. 43-50.
31. Шамсеев Р.Р. Современные направления взрывобезопасности производств по хранению и переработке зерна. // Безопасность труда в промышленности 1998, № 10. С. 58-59.
