CC BY
7
�ия аэровзвеси пыли графита (далее — АПГ) при демонтаже вышедших из эксплуатации ядерных реакторов, что с необходимостью требует ясного ответа на вопрос о взрывоопасности АПГ. В то же время данные о взрывоопасности АПГ имеют противоречивый характер из-за существенного различия результатов тестирования данной пыли в разномасштабных камерах и несогласованности количественного критерия взрывоопасности пыли между национальными нормами. В частности, избыточное давление взрыва АПГ при стандартном исследовании в 20-литровой взрывной камере может превысить 500 кПа [1—4], а во взрывной камере объемом 1 м3 избыточное давление взрыва АПГ не поднимается выше 50 кПа1, 2 [5]. Согласно классификации [6], АПГ демонстрирует принадлежность к аэровзвесям с низкой взрыво-опасностью, которым в последнее время стали уделять повышенное внимание [7-10].
Всестороннему изучению горючести и взрыво-опасности графита посвящен многолетний цикл работ исследователей из различных стран, выводы которых обобщены в отчете [11]. Некоторые из этих выводов проанализированы в [12], где предлагается для объективной оценки взрывоопасности АПГ использовать результаты испытаний в 1-м3 камере. По-
1 Graphite decommissioning: Options for graphite treatment, recycling, or disposal, including a discussion of safety-related issues. EPRI, Palo Alto, CA, 2006. P. 1013091.
2 GESTIS-DUST-EX: compiled by IFA (Institut fuer Arbeitsschutz
der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung), as of 2021. URL: http://staubex.ifa.dguv.de/explosuche.aspx
следнее объясняется завышением взрывоопасности АПГ в маломасштабной камере из-за энергоемкого источника зажигания (эффектом «overdrive») [13, 14].
Основной вывод авторов [11, 12] сводится к выражению «АПГ либо взрывобезопасна, либо взрывоопасность АПГ слабо выражена». Предположение о слабовыраженной взрывоопасности АПГ основывается на результатах стандартного исследования АПГ в 1-м3 камере и определении взрывоопасности аэровзвеси по Европейским нормам EN 14034-3:2006+A1:2011. Согласно этому определению, аэровзвесь взрывоопасна, если избыточное давление продуктов горения в 1-м3 камере превышает критическое значение Pcr = 30 кПа, что имеет место для АПГ. Сомнения авторов [11, 12] можно понять, если принять во внимание требование американского стандарта ASTM E1226-2012a, согласно которому Pcr = 100 кПа и АПГ следует признать взрывобезопасной.
С целью получения дополнительных аргументов для вывода о взрывобезопасности АПГ, исследованной в 1-м3 камере, в настоящей работе приводится более тщательный анализ информации о результате данного исследования, изложенном в [11]. Для этого проводится сопоставление случая максимального проявления взрывоопасности АПГ со случаем срабатывания источника зажигания в отсутствие аэровзвеси.
Выбранный результат исследования [13]
В [11] представлена информация о тестировании взрывоопасности АПГ в квазисферической камере объемом 1,138 м3. Исследовался свежий (не подвергавшийся облучению нейтронами) графит. Фракция графита с размером частиц менее 10 мкм составляла 90 % (масс.), средний размер частиц равнялся 5 мкм. В качестве источника зажигания использовался пи-
ротехнический заряд фирмы Fr. Sobbe GmbH [6] с запасом энергии 10 кДж (далее — «ЗоЬЬе 10 кДж»). Скачок давления от срабатывания такого источника зажигания в отсутствие пыли составлял APjg = = 2,7 кПа.
Ниже будут рассматриваться сглаженные графики эволюции абсолютного давления Р(0 и производной (аРЛ) для случая концентрации пыли 0,45 кг/м3, при которой в стандартном испытании достигалось максимальное значение Р = 147 кПа (рисунок). Присутствие пульсаций на реальных графиках с периодом около 3,5 мс позволяет с хорошей точностью определять моменты событий, характеризующих процесс в камере.
Согласно данным рисунка, начало выгорания источника зажигания отвечает моменту времени 0,8 с, начиная с которого происходит резкий рост как давления Р в камере, так и его производной ЛР/Л. Для простоты: данный момент будет являться началом отсчета времени наступления последующих событий, а отвечающее этому моменту давление в камере (97 кПа) будет являться началом отсчета изменения давления АР, вызванного горением источника зажигания и графитовой пыли.
Для выбранных отсчетов времени t и изменения давления АР получим следующую информацию о процессе в камере. Максимальное значение (аР/Л)тах = 3,8 бар/с достигается через 20 мс и удерживается до 40 мс, после чего монотонно уменьшается до нуля к моменту 400 мс, когда достигается наибольшее значение скачка давления. Изменение давления АР в камере для выделенных выше момен-
P, кПа P, kPa 150
140
130
120
110
100
90
80
0 0,2 0,4 0,6 0
dP/dt, 100 кПа/c dP/dt, 100, bar/s
6
5
4
3
2
1
0
1,0 1,2 1,4 1,6
t, c / t, s
Сглаженные зависимости абсолютного давления P и его производной dP/dt от времени t для концентрации графита 450 г/м3 и энергии источника зажигания 10 кДж во взрывной камере объемом 1,138 м3 (1 бар = 100 кПа) [11] Smoothed dependences of absolute pressure P and its derivative dP/dt on time t for the graphite concentration of 450 g/m3 and the ignition source energy of 10 kJ (1 bar = 100 kPa) in a 1.138 m3 explosion chamber [11]
тов времени 20, 40 и 400 мс составляет соответственно 3, 8 и 46 кПа.
Интерпретация результата исследования [13]
Для интерпретации перечисленных характеристик тестирования АПГ необходимы сведения об эволюции давления в камере Р^(0 для случая срабатывания <^оЬЬе 10 кДж» в отсутствие горючей пыли: продолжительность выгорания источника зажигания т^ и максимальное значение (оР^/Л)тах. Поскольку такая информация в [11, 12] отсутствовала, воспользуемся сведениями из [15]. В этой работе исследована зависимость Р^(0 в 1-м3 камере с источником зажигания <^оЬЬе 10 кДж» и получены следующие результаты: т^ ~ 20 мс, (аР^/Л)тах ~ И 2АРф1г.
Возвращаясь к интерпретации приведенных выше результатов тестирования АПГ в камере объемом 1,138 м3, имеем возможность утверждать, что первые 20 мс изменения АР обусловлены в основном горением источника зажигания. Характерные значения АР = 3 кПа и ЛР/Л = 3,8 бар/с близки к показателям горения <^оЬЬе 10 кДж» в отсутствие АПГ: АР^ = 2,7 кПа и 2,7 бар/с соответственно.
Изменение АР за время с 20 до 40 мс обусловлено распространением горения по АПГ с затухающей скоростью. Вывод о снижении скорости на этом промежутке времени основан на имеющем место постоянстве параметра (аР/Л) и 3,8 бар/с. Действительно, на начальном этапе распространение сферического пламени с постоянной скоростью в замкнутом объеме должно приводить к быстрому росту (аРЛ) ж ^ [16], что не наблюдается.
По аналогии с объяснением из предыдущего абзаца изменение АР за время с 40 до 400 мс также обусловлено распространением горения по АПГ с быстро затухающей скоростью ввиду резкого снижения параметра (аР/Л) с 3,8 бар/с до 0.
Таким образом, общий скачок давления в камере (47 кПа) обусловлен выгоранием АПГ с монотонно затухающей скоростью распространения пламени, что свидетельствует о негорючести АПГ. Первоначально возникшее пламя в АПГ затухает, не достигнув (ввиду малого скачка давления) стенки камеры. Последнее подтверждают оценки положения границы пламени в предположении сферической симметрии распространения и дополнительные опыты [11] по слежению за положением пламени с помощью гребенки термопар.
Поскольку затухание пламени наблюдалось уже при незначительном подъеме давления в камере (3-8 кПа), разумно предполагать негорючесть АПГ при нормальных условиях (давлении 100 кПа, температуре 25 °С). Последнее подтверж-
дают неудачные попытки реализовать горение АПГ в полуоткрытой трубе, предпринимавшиеся в [11].
Обсуждение полученных результатов
Согласно изложенной выше интерпретации результата тестирования АПГ в камере объемом 1,138 м3 с источником зажигания «Sobbe 10 кДж», АПГ не распространяет горение при нормальных условиях. Данный факт может показаться неудивительным, поскольку химический состав графита близок к химическому составу углей с низким содержанием летучих (антрацитов), взрывобезопасность которых в условиях подземной добычи хорошо известна3. Удивляет, однако, многократное (в 6 раз) отличие максимального значения скачка давления APcp = (APmax - APig) продуктов горения графита и продуктов горения антрацита, также исследованного в крупномасштабной камере (см. таблицу).
Высокие (порядка 50 кПа) значения APcp, не связанные с характерной для аэровзвесей макроскопической неоднородностью распределения частиц горючего в пылевоздушном облаке (вблизи концентрационного предела распространения пламени), не являются частыми событиями в крупномасштабных испытаниях. Такое иногда случается вблизи границы «взрывается/не взрывается» по какому-либо влиятельному параметру испытаний. В частности, значения APcp ~ 50 кПа наблюдались в 1-м3 взрывной камере при исследовании взрывоопасности пыли испанского лигнита, когда содержание кислорода в аэровзвеси оказалось на 0,5 % (об.) ниже значения показателя «минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК)» [18].
3 Graphite decommissioning: Options for graphite treatment, recycling, or disposal, including a discussion of safety-related issues. EPRI, Palo Alto, CA, 2006. P. 1013091.
В случае графита параметром, характеризующим приближение/удаление от упомянутой выше границы, может выступить размер частиц. Следуя [19], разумно полагать, что для любого горючего дисперсного материала существует масштаб измельчения (вплоть до размеров, сопоставимых с молекулярными), начиная с которого аэровзвесь такого материала становится взрывоопасной. Авторы [11] на основании исследований продуктов горения образцов графита с различным распределением частиц по размерам высказали предположение, что частицы графита с размером более 5...6 мкм не участвуют в процессе распространения пламени. Данное предположение не противоречит результатам настоящей работы.
Выводы
Выполнен анализ известных результатов тестирования взрывоопасности аэровзвеси пыли ядерного графита [11] в квазисферической камере объемом 1,138 м3. В рамках данного анализа использовались записи зависимостей давления и скорости его нарастания от времени. На основе таких записей проводилось сопоставление случая максимального проявления взрывоопасности пыли ядерного графита со случаем срабатывания 10 кДж источника зажигания в отсутствие аэровзвеси.
Показано, что инициированное источником зажигания горение графита происходит в режиме распространения пламени с монотонно убывающей скоростью. В связи с этим исследованную аэровзвесь ядерного графита с размером частиц, в основном, от 2 до 10 мкм следует считать взрыво-безопасной при нормальных атмосферных условиях (давлении 100 кПа, температуре 25 °С).
Разумно полагать, что размер взрывоопасных частиц графита (т.е. способных распространять пламя в состоянии аэровзвеси при нормальных атмосферных условиях) меньше 5 мкм.
Параметры тестирования графита [11] и антрацита [17] Test parameters for graphite [11] and anthracite [17]
Дисперсный материал Средний размер частиц, мкм Концентрация пыли кг/м3 Объем взрывной камеры, м3 Энергия источника зажигания кДж APcp, кПа
Dispersed material Average particle size, ^m Dust concentration, kg/m3 Explosion chamber dimensions, m3 Ignition source energy, kJ APaV, kPa
Графит Graphite 5 0,435 1,138 10 44
Антрацит Anthracite 40 1,0 1 10 7
Антрацит Anthracite 40 1,0 1 30 20
Данная работа показывает, что графики эволюции давления продуктов горения и скорости его нарастания являются наиболее информативны-
ми сведениями о горении аэровзвеси во взрывных камерах, особенно в случае низкой взрывоопасности пыли.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. TurkevichL.A., DastidarA.G., Hachmeister Z., LimM. Potential explosion hazard of carbonaceous nanoparticles: Explosion parameters of selected materials // Journal of Hazardous Materials. 2015. Vol. 295. Pp. 97-103. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2015.03.069
2. Turkevich L.A., Fernback J., Dastidar A.G., Osterberg P. Potential explosion hazard of carbonaceous nanoparticles: screening of allotropes // Combustion and Flame. 2016. Vol. 167. Pp. 218-227. DOI: 10.1016/j.combustflame.2016.02.010
3. Sha D., Li Yu., Zhou X., Zhang J., Zhang H., Yu J. Influence of volatile content on the explosion characteristics of coal dust // ACS Omega. 2021. Vol. 6. Issue 41. Pp. 27150-2715. DOI: 10.1021/ acsomega.1c03803
4. Santandrea A., Pacault S., Perrin L., Vignes A., Dufaud O. Nanopowders explosion: Influence of the dispersion characteristics // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. P. 103942. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103942
5. Scholl E.W., Reeh D., Wiemann W. et al. Brenn- und Explosions — Kenngrößen von Stäuben // SFTReport. 1979. No. 2.2. 100 s.
6. Полетаев Н.Л. О проблеме экспериментального обоснования низкой взрывоопасности горючей пыли в 20-л камере // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2017. Т. 26. № 6. С. 5-20. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.06.5-20
7. Addo A., Dastidar A.G., Taveau J.R., Morrison L.S., Khan F.I., Amyotte P.R. Niacin, lycopodium and polyethylene powder explosibility in 20-L and 1 m3 test chambers // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. P. 103937. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103937
8. ClouthierM.P., Taveau J.R., Dastidar A.G., Morrison L.S., Zalosh R.G., Ripley R.C., Amyotte P.R. Iron and aluminum powder explosibility in 20-L and 1 m3 chambers // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. P. 103927. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103927
9. Полетаев Н.Л. О взрывоопасности аэровзвеси меламина // Пожаровзрывобезопасность/ Fire and Explosion Safety. 2017. Т. 26. № 9. С. 15-28. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.09.15-28
10. Taveau J.R., Lemkowitz S.M., Hochgreb S., Roekaerts D.J.E.M. Metal dusts explosion hazards and protection // Chemical Engineering Transactions. 2019. Vol. 77. Pp. 7-12. DOI: 10.3303/ CET1977002
11. Graphite dust deflagration: A review of international data with particular reference to the decommissioning of graphite moderated reactors. EPRI, Palo Alto, CA, 2007. P. 1014797.
12. Phylaktou H.N., Andrews G.E., MkpadiM., Willacy S., WickhamA.J. The explosibility of graphite powder; the effects of ignition energy, graphite concentration and graphite age // 16th International Nuclear Graphite Specialists Meeting, 13-17 Sept 2015, Nottingham. 2015. URL: https://www. researchgate.net/publication/281862384
13. Mintz K.J. Problems in experimental measurements of dust explosions // Journal of Hazardous Materials. 1995. Vol. 42. Issue 2. Pp. 177-186. DOI: 10.1016/0304-3894(95)00011-i
14. Proust Ch., Accorsi A., Dupont L. Measuring the violence of dust explosions with the "20 l sphere" and with the standard «ISO 1m3 vessel». Systematic comparison and analysis of the discrepancies // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2007. Vol. 20. Pp. 599-606. DOI: 10.1016/J.JLP.2007.04.032
15. Zhen G., Leuckel W. Effects of ignitors and turbulence on dust explosions // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 1997. Vol. 10. Issue 5-6. Pp. 317-324. DOI: 10.1016/S0950-4230(97)00021-1
16. Pu Y.K., Jia F., Wang S.F., Skjold T. Determination of the maximum effective burning velocity of dust-air mixtures in constant volume combustion // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2007. Vol. 20. Issue 4-6. Pp. 462-469. DOI: 10.1016/j.jlp.2007.04.036
17. Cashdollar K.L., Chatrathi K. Minimum explosible dust concentrations measured in 20-L and 1-m3 chambers // Combustion Science and Technology. 1993. Vol. 87. Issue 1-6. Pp. 157-171. DOI: 10.1080/00102209208947213
18. Полетаев Н.Л. Расчетно-экспериментальная оценка максимального размера частиц взрывоопасной монодисперсной аэровзвеси // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2014. Т. 23. № 9. С. 15-26. DOI: 10.18322/PVB.2014.23.09.15-26
19. Wilen C., Moilanen A., Rautalin A., Torrent J., Conde E., Lödel R. et al. Safe handling of renewable fuels and fuel mixtures // VTT Technical Research Centre of Finland. ESPOO Publ., 1999. Vol. 394. 125 p. URL: http://www.vtt.fi/inf/pdf/publications/1999/P394.pdf
REFERENCES
1. Turkevich L.A., Dastidar A.G., Hachmeister Z., Lim M. Potential explosion hazard of carbonaceous nanoparticles: Explosion parameters of selected materials. Journal of Hazardous Materials. 2015; 295:97-103. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2015.03.069
2. Turkevich L.A., Fernback J., Dastidar A.G., Osterberg P. Potential explosion hazard of carbonaceous nanoparticles: screening of allotropes. Combustion and Flame. 2016; 167:218-227. DOI: 10.1016/j. combustflame.2016.02.010
3. Sha D., Li Yu., Zhou X., Zhang J., Zhang H., Yu J. Influence of volatile content on the explosion characteristics of coal dust. ACS Omega. 2021; 6(41):27150-2715. DOI: 10.1021/acsomega.1c03803
4. Santandrea A., Pacault S., Perrin L., Vignes A., Dufaud O. Nanopowders explosion: Influence of the dispersion characteristics. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019; 62:103942. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103942
5. Scholl E.W., Reeh D., Wiemann W. et al. Brenn- und Explosions — Kenngrößen von Stäuben. SFTReport. 1979; 2.2:100. (ger).
6. Poletaev N.L. On the problem of experimental justification of low explosibility for dust/air mixture in the 20-l chamber. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2017; 26(6):5-20. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.06.5-20 (rus).
7. Addo A., Dastidar A.G., Taveau J.R., Morrison L.S., Khan F.I., Amyotte P.R. Niacin, lycopodium and polyethylene powder explosibility in 20-L and 1 m3 test chambers. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019; 62:103937. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103937
8. Clouthier M.P., Taveau J.R., Dastidar A.G., Morrison L.S., Zalosh R.G., Ripley R.C., Amyotte P.R. Iron and aluminum powder explosibility in 20-L and 1 m3 chambers. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019; 62:103927. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103927
9. Poletaev N.L. On explosibility of melamine dust/air mixture. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2017; 26(9):15-28. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.09.15-28 (rus).
10. Taveau J.R., Lemkowitz S.M., Hochgreb S., Roekaerts D.J.E.M. Metal dusts explosion hazards and protection. Chemical Engineering Transactions. 2019; 77:7-12. DOI: 10.3303/CET1977002
11. Graphite dust deflagration: A review of international data with particular reference to the decommissioning of graphite moderated reactors. EPRI, Palo Alto, CA, 2007; 1014797.
12. Phylaktou H.N., Andrews G.E., Mkpadi M., Willacy S., Wickham A.J. The explosibility of graphite powder; the effects of ignition energy, graphite concentration and graphite age. 16th International Nuclear Graphite Specialists Meeting, 13-17 Sept 2015, Nottingham. 2015. URL: https://www.re-searchgate.net/publication/281862384
13. Mintz K.J. Problems in experimental measurements of dust explosions. Journal of Hazardous Materials. 1995; 42(2):177-186. DOI: 10.1016/0304-3894(95)00011-i
14. Proust Ch., Accorsi A., Dupont L. Measuring the violence of dust explosions with the "20 l sphere" and with the standard "ISO 1m3 vessel". Systematic comparison and analysis of the discrepancies. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2007; 20:599-606. DOI: 10.1016/J.JLP.2007.04.032
15. Zhen G., Leuckel W. Effects of ignitors and turbulence on dust explosions. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 1997; 10(5-6):317-324. DOI: 10.1016/S0950-4230(97)00021-1
16. Pu Y.K., Jia F., Wang S.F., Skjold T. Determination of the maximum effective burning velocity of dustair mixtures in constant volume combustion. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2007; 20(4-6):462-469. DOI: 10.1016/j.jlp.2007.04.036
17. Cashdollar K.L., Chatrathi K. Minimum explosible dust concentrations measured in 20-L and 1-m3 chambers. Combustion Science and Technology. 1993; 87(1-6):157-171. DOI: 10.1080/00102209208947213
18. Poletaev N.L. Experiment-calculated estimating of the maximum particle size of explosive monodisperse dust-air mixture. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2014; 23(9):15-26. DOI: 10.18322/PVB.2014.23.09.15-26 (rus).
19. Wilen C., Moilanen A., Rautalin A., Torrent J., Conde E., Lodel R. et al. Safe handling of renewable fuels and fuel mixtures. VTT Technical Research Centre of Finland. ESPOO Publ., 1999; 394:125. URL: http://www.vtt.fi/inf/pdf/publications/1999/P394.pdf
Поступила 16.02.2022, после доработки 14.03.2022;
принята к публикации 29.03.2022 Received February 16, 2022; Received in revised form March 14, 2022;
Accepted March 29, 2022
Информация об авторе
ПОЛЕТАЕВ Николай Львович, д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник, Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, Россия, 143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12; РИНЦ ID: 1093620; ORCID: 0000-0003-2586-8597; e-mail: [email protected]
Information about the author
Nikolay L. POLETAEV, Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters, VNIIPO, 12, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russian Federation; ID RISC:1093620; ORCID: 0000-0003-2586-8597; e-mail: [email protected]
