CC BY
193
st. asp. Krzysztof SIWICKI1
Dowodca zmiany JRG 2, Katowice - Piotrowice dr Tomasz W^SIERSKI2
Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej, Warszawa
PROBLEMY UZYTKOWANIA PODSTAWOWYCH POMP UZYTKOWANYCH W RATOWNICTWIE CHEMICZNYM
The basic problems of pumps used in chemical rescue
Streszczenie
Niewlasciwe uzytkowanie pompy podczas przepompowywania, tloczenia, zbierania substancji niebezpiecznej moze doprowadzic do jej niekontrolowanego uwolnienia oraz stworzenia zagrozenia toksykologicznego, palnego lub tez wybuchowego w zaleznosci od medium poddanemu procesowi. Szczegolnie niebezpiecznym aspektem jest stworzenie stanu naglego przejscia fazowego cieczy w par§ na skutek wytworzenia zbyt duzej wartosci podcisnienia. Niniejszy artykul pokrotce definiuje problemy jakie mog^. wynikn^c podczas uzytkowania pomp standardowo wykorzystywanych podczas zdarzen z udzialem substancji niebezpiecznych.
Summary
Improper use of the chemical pump during the pumping, pressing, picking up of hazardous substances can lead to the uncontrolled release, and the creation of toxicological, flammable or explosive danger, depending on the medium subjected to the process. A particularly dangerous is possibility of a sudden phase conversion of liquid to steam as a result of a too high value of underpressure. This article briefly defines the problems that may arise when in time of using chemical pumps during events involving hazardous substances.
Slowa kluczowe: Pompy chemiczne, awarie pomp, ratownictwo chemiczne, uwolnienie si? substancji niebezpiecznych;
Keywords: Chemical pumps, pump failure, chemical rescue, release of hazardous materials;
Pompy chemiczne w zaleznosci od ich przeznaczenia i armatury uzupelniaj^cej mozemy wykorzystac zarowno do pompowania cieczy palnych, agresywnych chemicznie (zr^cych) jak i zanieczyszczonej wody czy tez w celu wytwarzania warunkow podcisnienia
1 Wklad merytoryczny w powstanie artykulu - 50%
2 Wklad merytoryczny w powstanie artykulu - 50%
lub nadcisnienia. Warunki wykorzystania pompy w ukladzie wytwarzania podcisnienia(wraz ze zbiornikiem podcisnieniowym)/nadcisnienia s^. najbardziej optymalne ze wzgl?du na brak bezposredniego kontaktu medium z pomp^. W zaleznosci od budowy pompy kazda z nich posiada zakres ograniczaj^cy jej bezpieczne stosowanie, co tyczy si? przede wszystkim sytuacji bezposredniego kontaktu medium z pomp^. Najcz?sciej wyst?puj^.ce problemy uzytkowania pomp dotycz^. zrywania slupa cieczy, przegrzewania si? pomp, zmniejszonej wydajnosci, utrudnien podczas zasysania czy tez wad systemu przenoszenia nap?du.
Jednym z najbardziej niebezpiecznych zjawisk, z jakim mozemy miec do czynienia, jest niekontrolowane przejscie fazowe ze stanu cieklego w stan gazowy. Jest to tym latwiejsze, im mniejsza jest wartosc temperatury wrzenia cieczy. Dla przykladu w temperaturze 20oC mogloby dojsc do wrzenia cieczy w ukladzie dla wody praktycznie wymagane jest wytworzenie oporu na w?zu ssawnym przy ssaniu z gl?bokosci okolo 8-ego metra, dla etyliny rz?du 5-tego metra natomiast dla acetonu ta wartosc wynosi zaledwie
0,5 metra. Taki stan rzeczy wymusza by pomp? w ukladzie jej bezposredniego kontaktu z medium stosowac w taki sposob, aby zminimalizowac do minimum wysokosc ssania. A zatem pomp? nalezy usytuowac co najmniej w plaszczyznie pompowania lub tez w miar? mozliwosci powyzej tak, aby maksymalnie zmniejszyc opory jej pracy, a zatem i wytwarzane podcisnienie konieczne do przeprowadzenia pompowania medium. Aby wyobrazic sobie ryzyko zwi^zane z przejsciem fazowym przeanalizujmy to na przykladzie acetonu. Aceton
o masie molowej M=58 g/mol i g?stosci w temperaturze 200C d20=0,79 g/cm3 jest wstanie z jednego litra cieczy przejsc w 327 dm3 pary. Bior^c pod uwag? doln^. granic? wybuchowosci DGW = 2,1% 1 litr acetonu generuje mieszanin? paln^ w obj?tosci 15,6 m3. Zwazywszy na fakt, iz g?stosc par acetonu jest dwukrotnie wi?ksza od g?stosci powietrza mozemy si? dodatkowo spodziewac gromadzenia si? ich przy powierzchni, co pot?guje niebezpieczenstwo.
Wydostanie si? par wrz^cej cieczy palnej poza pomp? powoduje, iz urz^dzenie automatycznie znajdzie si? w strefie „0”, co moze byc przyczyn^. zaplonu i efektu ci^gu zdarzen katastroficznych podczas trwania akcji. Z zagrozenia zwi^zanego z przejsciem fazowym niestety cz?sto nie zdajemy sobie sprawy. W jednostkach ratowniczych, maj^cych rzadko do czynienia ze zdarzeniami chemicznymi oraz podczas systemu szkolen wszelkiego szczebla, medium wykorzystywanym do cwiczen jest woda, ktora jest cieczy o stosunkowo wysokiej temperaturze wrzenia. Zatem trudno jest zaobserwowac takie zjawisko praktycznie podczas cwiczen z jej udzialem, nie wspominaj^c juz o mozliwosci powstania zaplonu.
Taktyk? wykorzystania pomp powinno si? zatem uzaleznic od rodzaju substancji, z jak^ ma si? do czynienia oraz od mozliwosci polozenia pompy wzgl?dem instalacji.
Idealnym rozwi^zaniem dla cieczy niskowrz^cych, takich jak aceton, byloby wykorzystanie pompy w ukladzie, jako elementu wytwarzaj^cego nadcisnienie (rys. 1). Zalet^. takiego rozwi^zania jest mi?dzy innymi:
• uniemozliwienie wrzenia cieczy w ukladzie na skutek dzialania nadcisnienia;
• brak bezposredniego kontaktu medium z pomp^ (a zatem jej mniejsza awaryjnosc
i zuzywanie si? jej elementow wewn?trznych);
• wi?ksza elastycznosc przy sytuowaniu polozenia pompy (brak uzaleznienia od wysokosci ssania).
W ukladzie przedstawionym na rys. 1 wykorzystuje si? popularn^ pomp? perystaltyczn^. typu DEPA ELRO GP 20/10 Ex. Nie jest natomiast mozliwe wykorzystanie pomp tupu MAST GUP 3-1,5 oraz MUST TUB 3-1,5 E ze wzgl?du na fakt pompy wirnikowe przystosowane s^. do pracy w trybie „mokrym” i nie s^. w stanie wytworzyc stosownej wartosci nadcisnienia podczas trybu pracy na „sucho”.
Ryc. 1. Uklad wytwarzania nadcisnienia z wykorzystaniem pompy typu DEPA ELRO GP 20/10 Ex. A) Pompa typu DEPA ELRO wytwarzaj^ca nadcisnienie strumieniem powietrza B) wywrocona cysterna posiadaj^ca szczelnosc umozliwiaj^c^. przeprowadzenie pompowania nadcisnieniowego C) cysterna zapasowa D) drabina podtrzymuj^ca i stabilizuj^ca w^z
Fig. 1. Overpressure generation system using a DEPA ELRO GP 20/10 Ex. pump A) DEPA ELRO pump producing an overpressure B) capsized tank capsized possessed tightness enable overpressure pumping C) reserve tank D) hose supporting and stabilizing ladder
W przypadku wirnika, podstawowego elementu pomp wirnikowych MAST TUP/MAST GUP, dodatkowym elementem destrukcyjnym jest proces kawitacji powstaj^cy na skutek generowania podcisnienia przez pracuj^ce lopatki wirnika. Lokalny spadek cisnienia statycznego moze prowadzic do wrzenia cieczy i tworzenia si? miejscowych ubytkow. Po opuszczeniu przez ciecz obszaru szybkiego przeplywu nast?puje ponowny wzrost cisnienia statycznego, a takze gwaltowny proces „zapadania” si? oraz implozji, co generuje fale uderzeniow^. uszkadzaj^c^ wirnik.
Podczas pracy pomp wirnikowych zasilanych pr^dem zmiennym trojfazowym, niebezpiecznym elementem jest zmiana kierunku faz. Niewlasciwy ruch lopatek wirnika powoduje spadek wydajnosci pompy o okolo 60%. Zmiana kierunku obrotu moze spowodowac rowniez w niektorych modelach pomp MAST TUP/MAST GUP odkr?cenie si? wirnika, co moze byc przyczyn^. zniszczenia kierownicy przeplywu cieczy.
Zwazywszy na fakt, iz pompy wirnikowe nie maj^ mozliwosci pracy bez zalania wn?trza urz^dzenia medium. W celu ulatwienia pracy pompy typu MUST GUP zawieraj^. wbudowan^. pomp? r?czn^. sluz^c^. do zasysania cieczy. Jest to niestety dosc awaryjny element urz^dzenia ulegaj^cy rozszczelnieniu, zwlaszcza w obecnosci substancji
o charakterze kwasnym. Warto tez pami?tac, iz uszkodzeniu cz?sto ulega sruba mocuj^ca r^czk? do pompowania. Samo uszczelnienie wirnika pompy jest teflonowe, wi?c pompa zachowuje szczelnosc. Wskazane jednak jest, aby pompami tego rodzaju nie tloczyc kwasu solnego oraz chlorowcopochodnych organicznych. Znane s^. przypadki uszkodzenia pomp wlasnie podczas pompowania HCl (JRG 6, Warszawa, uszkodzenie az dwoch pomp MAST GUP). Nie ma natomiast przeciwwskazan co do pompowania chlorowcopochodnych nieorganicznych nie hydrolizuj^cych kwasno takich jak np. roztwor podchlorynu sodowego.
Pompa DEPA ELRO zaadoptowana dla przemyslu spozywczego stwarza mozliwosc przepompowywania mas g?stych. Tryb pracy pompy zawieraj^cej w^z perystaltyczny powoduje jednak wytworzenie uderzen hydraulicznych. Powstaj^ce dzi?ki temu drzenie w?za powoduje, iz w czasie kilkugodzinnej pracy ulega on przetarciu mimo zalozonego antypulsatora. Zamkni?cie zaworu po stronie tlocznej pompy lub zbyt duze wytworzone podcisnienie moze spowodowac zamkni?cie swiatla w?za wewn?trznego lub jego
uszkodzenie poprzez wyrwanie go z pol^czen. St^d tez stanowi to dodatkowy element wskazuj^cy na potrzeb? sytuowania pompy w taki sposob by wysokosc ssania byla jak najmniejsza.
Wazne jest, aby w przypadku pompy DEPA ELRO stosowac zbiornik posredni. Wynika to z mozliwosci uszkodzenia wn?trza w?za perystaltycznego przez przedmioty stale takie jak gwozdzie czy blachowkr?ty. Czasami element staly moze zablokowac rotor
i uszkodzic przepon?, co powoduje utrat? szczelnosci pompy i niemozliwosc wytworzenia odpowiedniego podcisnienia uniemozliwiaj^c ssanie. W momencie zablokowania rotora przy slabym naci^gu paska moze nast^pic tarcie i poslizg na kole pasowym, powoduj^c zniszczenie paska klinowego przez wysok^. temperatur? powstal^. na skutek tarcia. Chocby ze wzgl?du na t? sytuacj? wyklucza si? mozliwosc stosowania pompy DEPA ELRO w strefie „0”. Tarcie rotora posiadaj^cego sztywne walki samo z siebie powoduje nagrzewanie si? elementow pompowych, czego nie zaobserwujemy podczas cwiczen z udzialem wody. Tarcie to wzrasta wraz ze wzrostem temperatury pot?guj^c efekt. Wzrost temperatury elementow pompy moze spowodowac wrzenie cieczy, a zatem doprowadzic do uszkodzen i zagrozen wspomnianych we wczesniejszej cz?sci artykulu. Jest to dodatkowy argument przemawiaj^cy za mozliwie cz?stym stosowaniem pompy DEPA ELRO jako elementu wytwarzaj^cego nadcisnienie w przypadku pompowania cieczy niskowrz^cych.
Oddzialywanie niektorych substancji chemicznych moze spowodowac wydluzanie si? w?za perystaltycznego, co automatycznie powoduje zablokowanie si? rotora. Zdarzenie takie mialo miejsce chocby podczas pompowania ropopochodnych (prawdopodobnie zanieczyszczonych H2SO4 ) przez JRG z Cz?stochowy. Zdarzaj^ si? rowniez uszkodzenia pompy DEPA ELRO podczas pompowania umiarkowanie st?zonych kwasow, takich jak H2SO4 (JRG 6 Warszawa) czy HNO3 (JRG 6, Krakow) [1]. W takie sytuacji najcz?sciej dochodzi do przedostania si? medium do komory z w?zem perystaltycznym, rolkami i olejem silikonowym. W przypadku zdarzenia z HNO3 (JRG 6, Krakow) zaobserwowano, iz olej po otwarciu komory byl koloru czarnego oraz doszlo do uszkodzenia w?za perystaltycznego, a takze tzw. „biezni” [1].
W przypadku pompowania kwasow bardzo dobrym rozwi^zaniem jest zastosowanie pompy zanurzeniowej. Ograniczenia w jej stosowaniu wynikaj^. z gabarytow i trudnosci^. umieszczania jej w zbiorniku. Mozemy j^. zastosowac w przypadku cystern posiadaj^cych odpowiedni^. srednic? wlazu lub tez pompuj^c z utworzonego przy cysternie basenu posredniego. Zalet^. tej pompy jest stosunkowo wysoka bezawaryjnosc, plynnosc pracy oraz
brak koniecznosci stosowania dodatkowej armatury w postaci zbiornika posredniego czy tez w?zy na cz?sci ssawnej.
Podsumowanie
Podczas akcji z udzialem substancji niebezpiecznych niezwykle wazne jest bezawaryjne wykorzystanie pomp chemicznych. Szczegolne zagrozenie zwi^zane jest mozliwosci^. przejscia fazowego medium pompowanego, co moze spowodowac, iz pompa znajdzie si? bezposrednio w strefie „0” zagrozenia wybuchem w przypadku pompowania substancji palnych. Uszkodzenie elementow pompy powoduje rowniez opoznienie w dzialaniach ratowniczych a zatem dluzsze oddzialywanie medium na srodowisko oraz zwi?kszaj^c koszty sil i srodkow zwi^zanych z organizaj akcji. Mankamenty pomp obecnie wykorzystywanych w ratownictwie sugeruj^. poszukiwania innych rozwi^zan technicznych b?d^.cych mniej awaryjnymi w uzytkowaniu. Warto byloby zwrocic uwag? na mozliwosc wykorzystania odpowiednio przystosowanych pomp nap?dzanych silnikami modulacyjnymi daj^cymi nam mozliwosc regulacji podcisnienia. W chwili obecnej stosowane s^. w przemysle miedzy innymi pompy bezuszczelnieniowe o sprz?zeniu magnetycznym. Wykorzystywane s^. do pompowania cieczy zr^cych, abrazyjnych, zawieraj3.ce cz^stki stale czy tez cieczy o wlasciwosciach palnych lub wybuchowych. Zwazywszy na fakt iz s^. to pompy bezuszczelnieniowe wyraznie spada ryzyko awarii urz^dzenia. Badania wskazuj^, iz okolo 80% awarii tradycyjnych pomp spowodowanych jest wlasnie utrat^ szczelnosci [2]. W przypadku pomp magnetycznych magnesy rozdzielane s^. przez wewn?trzny korpus pompy, co powoduje, iz nie istnieje zadne mechaniczne pol^czenie sekcji pompy i silnika. St^d tez nie ma potrzeby uszczelnienia osi, ktore cz?sto s^. przyczyn^. wyciekow pomp konwencjonalnych. Hermetyczna konstrukcja zapewnia mozliwosc pompowania rowniez cieczy krystalizuj^cych w zetkni?ciu z powietrzem. Dodatkowy zalet^. jest niewrazliwosc tych pomp na kierunek obrotow na co trzeba szczegolnie zwracac uwag? podczas stosowania obecnych rozwi^zan konstrukcyjnych stosowanych w ratownictwie chemicznym
Literatura
1. Kielin A., Ratownictwo chemiczno-ekologiczne. Akcja przy ulicy powstancdw, Bezpieczenstwo i Technika Pozarnicza 01 (23) 2012, 107 - 112;
2. http://www.pompychemiczne.com.pl/chemiczne_pompy_magnetyczne.htm.
asp. szt. Krzysztof Siwicki
W strukturach Panstwowej Strazy Pozarnej od 1989 roku. Szkol? Aspirantow PSP w Krakowie ukonczyl w 1997 r. Obecnie pelni sluzb? jako dowodca zmiany w Jednostce Ratowniczo-Gasniczej nr 2 w Katowicach-Piotrowicach.
dr Tomasz Wgsierski, absolwent studiow magisterskich i doktoranckich na Wydziale Chemii UAM w Poznaniu. W strukturach PSP od 2008 roku. Obecnie pelni sluzb? jako adiunkt w Zakladzie Ratownictwa Chemiczno-Ekologicznego SGSP.
Recenzenci
dr inz. Stefan Wilczkowski Zbignev Karpovic, PhD
