Способы и устройства защиты от непреднамеренных взрывов на производстве Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

/42 Civil SecurityTechnology, Vol. 14, 2017, No. 3 (53) УДК 614.833

Способы и устройства защиты от непреднамеренных взрывов на производстве

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2017

М.М. Федосеев, Т.А. Лебская

Аннотация

Рассмютрены основные причины, приводящие к непреднамеренным взрывам на производстве, и принципы повышения взрывобезопасности зданий. Проанализированы существующие виды предохранительных конструкций. Выбрано конструктивное решение защиты для уменьшения разрушений при взрыве.

Ключевые слова: взрывозащита; взрывчатое вещество; газовоздушная смесь (ГВС); предохранительная конструкция (ПК).

The Methods and Devices of Protection from Inadvertent Industrial Explosions

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2017

M. Fedoseev, T. Lebskaya

Abstract

Explores main reasons leading to accidents inadvertent industrial explosions. Proposed methods of increase workplace's explosion-proof and on the basis of the analysis of existing types of safety structures chosen a constructive protection solution to reduce explosion damage.

Key words: explosion protection; explosive; gas-air mixture, explosion-relief valve, safety structures.

Эксплуатация любого производственного объекта повышенной опасности всегда может привести к возникновению серьезных чрезвычайных ситуаций (далее —ЧС), аварий, а также несчастных случаев, в том числе со смертельным исходом.

В результате аварии на производстве возможны взрывы и пожары, а также их последствия: разрушения и повреждения зданий, сооружений, техники и оборудования, затопление территории, выход из строя линии связи, энергетических и коммунальных сетей и т. д.

Ежегодно происходят многочисленные взрывы на промышленных объектах. Только за 2016 год по данным МЧС России в Российской Федерации было зафиксировано 5 взрывов, в результате которых погибли 10 человек и пострадал 61 человек. На ликвидацию последствий тратятся большие силы и средства, в том числе МЧС России. Поэтому особую актуальность приобретает разработка специальных аварийных защитных мер от взрывов на промышленных объектах персонала и материальных ценностей. Следовательно вопросы обеспечения высокого уровня надежности и безопасности объектов, связанных с использованием взрывоопасных веществ, — это одно из основных направлений деятельности МЧС России.

Целью данного исследования является предложение специальных аварийных защитных мер для предотвращения взрывов на промышленных объектах и защиты персонала и материальных ценностей. В связи с указанными обстоятельствами, на основании перебора существующих предохранительных конструкций, автором выбрана защитная конструкция, которая позволит снизить разрушения в цехе при взрыве.

Согласно ГОСТ Р 22.0.08-96 (Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Техногенные чрезвычайные ситуации. Взрывы. Термины и определения), взрыв — процесс выделения энергии за короткий промежуток времени, связанный с мгновенным физико-химическим изменением состояния вещества, приводящим к возникновению скачка давления или ударной волны, сопровождающийся образованием сжатых газов или паров, способных повредить (разрушить) технику и оборудование, вызвать поражения (травмы) людей.

Чаще всего взрывы происходят там, где в больших количествах применяются углеводородные газы (метан, этан, пропан). Взрываются котлы в котельных, газовая аппаратура, продукция и полуфабрикаты химических заводов, пары бензина и других компонентов, мука на мельницах, пыль на элеваторах, сахарная пудра на сахарных заводах, древесная пыль на деревообрабатывающих предприятиях.

Непреднамеренными взрывами в промышленных условиях называют взрывы, не предусмотренные технологическим процессом и происшедшие вопреки воле и намерениям персонала.

Наиболее часто в производственных помещениях бывают взрывы смесей углеводородных веществ

с воздухом, которые составляют до 90% от числа всех взрывов. До 16% составляют взрывы смесей воздуха и паров легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), возникающие при разгерметизации оборудования, разливе, при проведении окрасочных работ с испаряющимися растворителями [1].

Кроме углеводородных веществ среди непреднамеренных взрывов большое место занимают взрывы пылевоздушных смесей.

Места в зданиях, где возможно образование взрывоопасных горючих смесей, называют помещениями взрывоопасных производств. Разрушения оборудования и зданий приводят к значительным материальным потерям, а вторичные факторы взрывов (осколки оборудования, обломки ограждающих конструкций) могут стать причиной увечья (гибели) персонала. Решение проблемы защищенности взрывоопасных зданий имеет важное не только экономическое, но и социальное значение.

Задача повышения безопасности зданий взрывоопасных производств решается в два этапа. На первом этапе определяются возможные параметры взрыва горючих смесей, а на втором этапе выбираются технические решения, позволяющие ограничить значения избыточного давления внутри помещения до безопасного уровня [2].

Применение технических мероприятий связано с материальными затратами на создание технических устройств и конструкций (систем защит и блокировок, световой и звуковой сигнализации, опасности, сигнализации и автоматического тушения пожара, аварийной вентиляции, контроля и автоматического регулирования технологического процесса) по предупреждению пожаров, проведению испытаний систем безопасности и ликвидации аварий.

К устройствам взрывозащиты относятся гидрозатворы, огнепреградители, системы подачи инертных газов, азота или пара, аварийная вентиляция, арматура аварийного сброса давления (предохранительные клапаны и мембраны, шаровые краны и т.д.).

Причинами разрушения или разгерметизации технологического оборудования могут быть: внешние антропогенные воздействия, коррозия и износ; качество монтажных работ; нарушение технологического режима; проектные ошибки; низкое качество материалов; эксплуатационные факторы (повышение температуры окружающей среды; неисправности регулирующих и предохранительных устройств; ошибки обслуживающего персонала и т.д.) и др.

Взрывозащита систем высокого давления достигается комплексом организационных и технических мероприятий. К организационным мероприятиям можно отнести оформление лицензии на вид деятельности по эксплуатации объекта, экспертизу и декларирование безопасности опасного производственного объекта, разработку планов ликвидации возможных аварий, разработку инструкций по безопасности, издание приказов по пожарной и промышленной безопасности, организацию обучения персонала в области пожарной и промышленной безопасности,

/44 См! SecurityTechnology, Vol. 14, 2017, N0. 3 (53)

контроль выполнения правил безопасности. Технические мероприятия представляют собой перенос источников аварийных взрывов, реконструкцию зданий или сооружений объекта, разрушение которых приводит к последствиям, оказывающим влияние на системы и элементы объекта, важные для безопасности, и на безопасность объекта в целом.

Также в целях предотвращения взрывов и/или защиты от них могут быть принятыследующиеспециаль-ные аварийные защитные меры (ГОСТ 31438.2-2011 (ЕШ127-2:2002) Взрывоопасные среды. Взрывоза-щита и предотвращение взрыва), например:

аварийное отключение всего производственного оборудования или его частей;

аварийное опорожнение частей производственного оборудования;

прерывание потоков транспортируемых материалов между частями производственного оборудования;

заполнение частей производственного оборудования негорючими веществами (например азотом, водой).

Повышения взрывобезопасности зданий можно добиться разными способами [2, 3, 4]. В научной и отраслевой литературе сформулированы следующие принципы решения данной проблемы.

Первый—изоляция центров опасности технологического процесса.

Для обеспечения этого принципа технические решения разрабатываются в двух направлениях—изо-ляция источников опасности и изоляция источников воспламенения.

Источники опасности (газы, ЛВЖ, пыль) изолируют путем возведения прочных оболочек, выдерживающих повышенное давление. Используют как герметические кожухи, препятствующие выходу газа, так и защитные кожухи с повышенным давлением азота или другого инертного газа. Применение инертных газов может оказаться полезным для подавления взрывов в технологическом оборудовании, но не внутри рабочих помещений. На практике для подавления используется аппаратура, соответствующий преобразователь которой благодаря срабатыванию детектора повышения давления или детектора инфракрасного излучения активизирует систему, мгновенно выпускающую инертный газ, такой, как СО2, или другой флегматизатор, причем в ту часть оборудования, где ситуация соответствует начальной стадии взрыва.

Изоляция источников воспламенения осуществляется с использованием непроницаемых оболочек и герметичных кожухов с обеспечением повышенного давления внутри, а также с применением способов защиты погружением в масло и защитой песком и теплоизоляционным материалом. Эффективным способом уменьшения энергии взрыва является сведение к минимуму объема, в котором может произойти взрыв.

Системы вентиляции (дыхания) резервуаров для горючих жидкостей защищают от соприкосновения с источниками воспламенения дыхательными

клапанами, обеспечивающими охлаждение воздуха (огнепреграждение) и периодичность дыхания резервуаров (только тогда, когда имеется небольшой заданный перепад давлений на впуске или выпуске дыхательного клапана).

Если та или иная степень вероятности взрыва сохраняется, снижение динамической нагрузки обеспечивается строительными мероприятиями, в частности повышением прочности и устойчивости конструкций зданий. Основной целью таких мероприятий является снижение давления при горении ГВС до безопасного уровня. Это давление принято называть допустимым и обозначать АРдоп. На рис. 1 представлен характер изменения давления АР от времени т при горении горючих смесей внутри помещения.

*-**-*

т :

4-»

Рис. 1. Характер изменения давления от времени горения

ГВС внутри помещения ^ — время, за которое давление достигнет своего максимального значения;

^—время, за которое давление с максимального значения снизится до изначального; т — время фазы сжатия (т ~ 5у;

---график изменения давления для помещений без

проемов;

-----график изменения давления в помещении с проемами;

—— — график изменения давления для помещений с предохранительной конструкцией;

АРдоп — безопасный уровень давления для людей в помещении;

АРвск—давление, при котором отрываются, перемещаются или разрушаются предохранительные конструкции.

Значение АРдоп определяется назначением и конструктивными особенностями здания и в большинстве случаев составляет 3...5 кПа. Оно более чем в 100 раз меньше избыточного давления ДР [5].

Второй принцип повышения взрывобезопасности зданий —уменьшение массы ГВС при аварийной ситуации и отвод энергии в процессе горения ГВС за пределы помещения.

Для снижения взрывопожароопасности помещений применяют аварийную вентиляцию. Причем наибольший эффект снижения опасности можно получить при аварийной ситуации, связанной с разливом жидкости. Аварийная вентиляция включается по сигналу специально установленных детекторов.

На практике для отвода энергии в процессе горения широко используются предохранительные конструкции. Для этого необходимо в нарушенных

ограждающих конструкциях зданий иметь такое количество отверстий, которые смогли бы обеспечить пропуск требуемого количества как сгоревшего, так и холодного газа. Эти отверстия принято называть сбросными, а конструкции, их ограждающие,—пре-дохранительными конструкциями (ПК). Предохранительные конструкции вскрываются при сравнительно небольшом избыточном давлении и тем самым обеспечивают возможность интенсивного истечения газа (продуктов горения и непрореагировавшей части ГС) через образовавшиеся проемы из помещения в наружную атмосферу. Истечение газа в атмосферу приводит к снижению избыточного давления в помещении. Степень снижения давления зависит от площади ПК, закономерностей их вскрытия, вида ГС, характера загазованности помещения, его объемно-планировочного решения и других факторов.

Были рассмотрены технические решения основных видов ПК [4].

Весьма интересное применение в качестве ПК получили стекла, остекления помещений.

Стекла, используемые в качестве ПК, могут устанавливаться как в стенах здания (в виде застекленных оконных переплетов), так и в фонарях (фонарных надстройках), монтируемых на покрытии сооружения. В последнем случае может использоваться не только вертикальное остекление, но и наклонное и горизонтальное остекления. Образование проемов в застекленных оконных переплетах и фонарях (фонарных надстройках) происходит в результате разрушения стекол под действием избыточного давления, возникающего в помещении при взрывном горении ГС. Закономерности вскрытия остекления в значительной степени зависят от размеров стекол, их толщины, условий закрепления и вида остекления (одинарное, двойное или тройное).

Имеются решения ПК в виде легкосбрасываемых стеновых панелей. Эти панели крепятся к каркасу здания таким образом, чтобы при сравнительно небольшом избыточном давлении, возникающем в помещении при взрывном горении ГС, обеспечивалось разрушение креплений и отделение панелей от каркаса. В результате сброса стеновых панелей ликвидируется определенная часть наружного ограждения помещения. В покрытиях сооружения ПК могут устраиваться в виде облегченных плит, перекрывающих заранее предусмотренные проемы. Освобождение этих проемов осуществляется в результате подъема плит под действием нагрузки, возникающей при взрывном горении ГС.

Перечисленные выше ПК относятся к разрушающимся конструкциям. Основным недостатком таких предохранительных конструкций является слабая теплоизоляция и потеря материала при разрушении (остекление). Легкосбрасываемые панели, несмотря на то, что хорошо сохраняют тепло, представляют большую опасность, при воздействии нагрузки, для персонала, оборудования и рядом стоящих зданий. Достоинством же данного типа предохранительных конструкций является дешевизна изготовления и дешевизна монтажа.

Рассматриваемые виды ПК далеко не охватывают всех возможных их конструктивных решений, которые могут приниматься в тех или иных конкретных условиях. Имеются неразрушающиеся ПК, вскрытие которых происходит в результате срабатывания специальных крепежных устройств. Неразрушающиеся ПК, в свою очередь, могут быть разделены на 2 вида—вращающиеся (рис. 2), если образование проема в наружном ограждении помещения происходит в результате поворота предохранительной конструкции, и смещающиеся (рис. 3), если образование проема в наружном ограждении помещения происходит в результате поступательного движения предохранительной конструкции. Начало движения неразрушающихся ПК обусловливается срабатыванием (которое не исключает и разрушения) специальных крепежных устройств, с помощью которых предохранительная конструкция находится в закрытом положении. Закономерности вскрытия неразрушающихся ПК определяются характером их движения под действием нагрузки, возникающей при взрывном горении в помещении.

Рис. 2. Неразрушающиеся, вращающиеся предохранительные конструкции: с вертикальным и горизонтальным шарнирами: 1 — ограждение здания, 2 — проем в ограждении, 3 — ПК, 4—шарнир

Рис. 3. Смещающиеся предохранительные конструкции: при установке в горизонтальном и вертикальном ограждениях: 1 — ограждение здания, 2 — проем в ограждении, 3 — ПК

Недостатком такого вида предохранительных конструкций является сложность и большие затраты при монтаже, так как такая конструкция уже является механизмом. К достоинству можно отнести то, что эти конструкции хорошо сохраняют тепло, сохраняются после вскрытия и, как следствие, имеют более долгий срок службы. Если в цехе много оконных проемов, то применение такого вида предохранительных конструкций экономически выгодно. Например, в виде неразрушаемых предохранительных конструкций могут быть выполнены оконные переплеты с открываемыми створками.

Исходя из роли массы в закономерностях вскрытия, ПК могут быть условно разделены на

/46 Civil SecurityTechnology, Vol. 14, 2017, No. 3 (53)

инерционные и безынерционные ПК. К инерционным относятся такие ПК, масса которых влияет на процесс их вскрытия. Если влияние массы на закономерности вскрытия ПК настолько незначительно, что ею можно пренебречь, то такие ПК считаются безынерционными.

На закономерности вскрытия инерционных ПК может существенно влиять их положение в ограждающих конструкциях по отношению к поверхности земли. В связи с этим, следует различать вертикальные, наклонные и горизонтальные ПК.

Учитывая достоинства и недостатки вышеописанных предохранительных конструкций, учитывая конструкционные особенности и материальные затраты, автором предложена неразрушающаяся инерционная предохранительная конструкция с вертикальным шарниром, которая позволяет в большей степени повысить взрывобезопасность зданий и уменьшить последствия аварийной ситуации.

Схема такой предохранительной конструкции приведена на рис. 4.

Рис. 4. Вращающаяся предохранительная конструкция. 1 — ограждения, 2 — предохранительная конструкция, 3 — шарнир, 4 — проем в ограждении, ф — угол поворота предохранительной конструкции

Расчет предохранительной конструкции в цехе проводится следующим образом.

Рассчитывается площадь предохранительных конструкций:

4• 3К-а-К ^р-(е-1)

F =

[м2;

3АРдоп

где АРдоп—допустимое давление в помещении, кПа; У0—свободный объем помещения, м3; а—коэффициент интенсификации горения; wн—нормальная скорость распространения пламени в смеси стехиометрического состава, м/с;

р—плотность газов, истекающих из проемов, кг/м3;

е—степень теплового расширения продуктов сгорания.

Определяется необходимая площадь проемов для предохранительных конструкций:

F = F—Fn [м2],

пк 0 ь ^

где F0—общая площадь оконных и дверных проемов, [м2].

В соответствии с нормами пожарной безопасности выбирается категория производства, на котором следует предусматривать ПК.

Определяются основные характеристики ПК. Выбирается материал и размеры. Плотность материала:

Y =

Q'16^ [кг/м3]

где т0—время горения:

Т = [с].

а-е- wн

Рассчитывается масса створки: М = у-1 ■ Ь [кг],

где Ь — размер в направлении шарнира, м; I—длина листа, м. Определяется толщина листа:

х м Г 1

О = ^- Гм].

b ■ l ■ ц

Количество створок:

п = ^ [шт].

Таким образом, на основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1. Основной вклад в непреднамеренные взрывы на промышленных объектах вносят углеводородные газы и пылевоздушные смеси.

2. В целях предотвращения взрывов используются следующие специальные аварийные защитные меры, такие как аварийное отключение, опорожнение всего производственного оборудования или его частей; прерывание потоков транспортируемых материалов между частями производственного оборудования; заполнение частей производственного оборудования негорючими веществами.

3. Использование принципа изоляции центров опасности и принципа уменьшения массы ГВС при аварийной ситуации и отвод энергии в процессе горения ГВС за пределы помещения позволят добиться снижения количества непреднамеренных взрывов на производстве.

4. Рассмотренная предохранительная конструкция позволит в большей степени повысить взрыво-безопасность зданий, уменьшит последствия аварийной ситуации и тем самым снизит остроту проблемы для МЧС России.

Литература

1. Отчеты о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (годовые). http:// www.gosnadzor.ru/.

2. Акатьев В. А. Основы взрывопожаробезопасности: Учеб. по-соб. М.: Изд-во РГСУ, 2008. 552 с.: ил.

3. Пособие по обследованию и проектированию зданий и сооружений, подверженных воздействию взрывных нагрузок. М.: ЦНИИПромзданий, 2000.

4. Пилюгин Л. П. Обеспечение взрывоустойчивости зданий с помощью предохранительных конструкций. М.: Пожнаука, 2000.

5. Иванов Е. Н. Расчет и проектирование систем противопожарной защиты. М.: Химия, 1990. 384 с.

Сведения об авторах

Федосеев Михаил Михайлович: студент МГТУ им. Н. Э. Баумана, лаборант-исследователь научно-ис-след. центра ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. е-таН: Mihaf08@rambler.ru

Лебская Татьяна Алексеевна: студентка МГТУ им. Н. Э. Баумана, лаборант-исследователь научно-ис-след. центра ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. е-таН: tutiana95@mal.ru

Information about authors

Fedoseev Mihail M.: a student of the Bauman Moscow State Technical University, research assistant at Research Center, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: Mihaf08@rambler.ru

Lebskaya Tatiana A.: student of the Bauman Moscow State Technical University, research assistant at Research Center, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: tutiana95@mal.ru

Издания ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)

Авторы, название URL

Акимов В.А. и др. ВНИИ ГОЧС: комплексные решения проблем безопасности (40-летию института посвящается). В 4 т. Т. 3. Научные статьи http://elibrary.ru/item.asp?id=27408646

Акимов В.А. и др. ВНИИ ГОЧС: комплексные решения проблем безопасности (40-летию института посвящается). В 4 т. Т 4. Фотолетопись http://elibrary.ru/item.asp?id=27336750

Фалеев М.И. и др. Основы стратегического планирования в области гражданской обороны и защиты населения. Научно-методический труд http://elibrary.ru/item.asp?id=26571679

Акимов В.А. и др. Наземно-космический мониторинг чрезвычайных ситуаций http://elibrary.ru/item.asp?id=27268186

Воронов С.И. и др. Проблемы безопасности жизнедеятельности (в сфере образования). I Научно-практическая конференция. Москва, 20 октября 2016 г. Материалы конференции http://elibrary.ru/item.asp?id=27562600

Качанов С.А. и др. Стратегия развития системы-112 в Российской Федерации. Монография. 2-е изд., перераб. и доп. http://elibrary.ru/item.asp?id=27408544

Акимов В.А. и др. Глобальные и национальные приоритеты снижения риска бедствий и катастроф. Монография http://elibrary.ru/item.asp?id=27562706

Историческое и культурное наследие в системе МЧС России. Памятники архитектуры и мемориальные ценности https://elibrary.ru/item.asp?id=29103188

Аюбов Э.Н. и др. МЧС России в борьбе с чрезвычайными ситуациями http://elibrary.ru/item.asp?id=27613062

Аюбов Э.Н. и др. Природные угрозы http://elibrary.ru/item.asp?id=27613013

Аюбов Э.Н. и др. Техногенные угрозы. Гидродинамические и транспортные аварии http://elibrary.ru/item.asp?id=27612998

Аюбов Э.Н. и др. Техногенные угрозы. Радиационные и химические аварии http://elibrary.ru/item.asp?id=27612987

Аюбов Э.Н. и др. Социальные угрозы http://elibrary.ru/item.asp?id=27613407

Аюбов Э.Н. и др. Терроризм и криминогенные угрозы http://elibrary.ru/item.asp?id=27613403

Аюбов Э.Н. и др. Пожары и взрывы http://elibrary.ru/item.asp?id=27613397

Аюбов Э.Н. и др. Опасности в горах http://elibrary.ru/item.asp?id=27613393

Аюбов Э.Н. и др. Первая помощь http://elibrary.ru/item.asp?id=27613377

Аюбов Э.Н. и др. Действия в экстремальных ситуациях (самозащита) http://elibrary.ru/item.asp?id=27613376

Овсяник А.И. и др. Глобальные тенденции рисков и приоритеты международного сотрудничества. Международная научно-практическая конференция. 22 сентября 2016 года, Астрахань, Россия. Сборник материалов http://elibrary.ru/item.asp?id=27562660