Potencjalne skutki wybuchu pyłu, gazu lub pary cieczy możemy szacować przede wszystkim na bazie maksymalnego ciśnienia wybuchu Pmax, jakie jest w stanie wygenerować konkretna substancja. Często jednak mamy problem z określeniem czy dana wartość ciśnienia wybuchu jest już niebezpieczna, czy też nie. Podobna sytuacja dotyczy stałej wybuchowości K, która mówi nam, jak szybko będzie narastać ciśnienie wybuchu. W niniejszym artykule postaramy się rozwiać wątpliwości w kontekście tych dwóch parametrów.
Parametry opisujące skutki wybuchu
Wybuchy różnych pyłów mają odmienny przebieg. Aby móc oszacować skutki potencjalnego wybuchu, a także dobrać skuteczne zabezpieczenia przeciwwybuchowe musimy określić następujące parametry pyłu, gazu, czy pary:
- maksymalne ciśnienie wybuchu,
- współczynnik wybuchowości Kst dla pyłów oraz Kg dla gazów i par cieczy.
Tu należy dodać, że w procesie doboru zabezpieczeń należy uwzględnić także szereg innych aspektów, jak choćby kształt i objętość chronionego aparatu, jego wytrzymałość konstrukcyjną i lokalizację względem pozostałej infrastruktury, a także aspekt finansowy — to jednak wątek na oddzielny artykuł.
Wróćmy zatem do clue głównego tematu.
Maksymalne ciśnienie wybuchu
Maksymalne ciśnienie wybuchu to podstawowy parametr, który należy wziąć pod uwagę przy zabezpieczeniu instalacji. Jeśli dochodzi do wybuchu wewnątrz aparatu, to ciśnienie zaczyna przyrastać, aż osiągnie swój maksymalny poziom lub rozerwie urządzenie. Doświadczenie pokazuje, że wartość ta dla zdecydowanej większości palnych substancji mieści się w zakresie od 2 do 10 bar. Istnieje jednak wąska grupa pyłów, w przypadku których maksymalne ciśnienie wybuchu może znacznie przekroczyć 10 bar – są to głównie pyły metali.
Tab.: maksymalne ciśnienie wybuchu dla gazów i pyłów.
UWAGA: w przypadku gazów maksymalne ciśnienie wybuchu jest wartością stałą. Sytuacja wygląda zupełnie inaczej w przypadku pyłów. Tu jego wartość zależy głównie od uziarnienia (im drobniejszy pył, tym wyższe ciśnienie wybuchu) oraz wilgotności (im wyższa wilgotność, tym niższe ciśnienie wybuchu). Z tego względu w przypadku pyłów należy bardzo ostrożnie posługiwać się danymi literaturowymi. A w przypadku szacowania ryzyka wybuchu czy doboru zabezpieczeń zaleca się wykonanie testów parametrów wybuchowości dla konkretnego pyłu pochodzącego z przedmiotowej instalacji procesowej.
Jaka wartość maksymalnego ciśnienia wybuchu jest niebezpieczna?
O odpowiedź na to pytanie poprosiliśmy Zbigniewa Wolffa — osobę, która z ramienia GRUPY WOLFF brała udział w zabezpieczeniu przed wybuchem setek urządzeń. Jak tłumaczy Wolff praktyka pokazuje, że typowa odporność konstrukcyjna większości urządzeń mieści się w granicach 0,2 – 0,4 bar. Natomiast ciśnienie wybuchu zdecydowanej większości pyłów mieści się w granicach 2 – 10 bar, czyli co najmniej 5 razy więcej.
Zatem aby oszacować potencjalne skutki wybuchu w niezabezpieczonym aparacie, musimy odnieść maksymalne ciśnienie wybuchu, jakie może w nim wystąpić do jego odporności konstrukcyjnej.
Co gdy ciśnienie wybuchu jest poniżej wytrzymałości urządzenia
Jeśli znajdujemy się poniżej odporności konstrukcyjnej, to urządzenie nie zostanie rozerwane. Możemy się jednak liczyć, że na jego obudowie pojawiają się odkształcenia, a w skrajnym przypadku zostanie on rozdęty podobnie jak balon. Innymi słowy — w takiej sytuacji może dojść do uszkodzenia urządzenia, ale ryzyko, że ktoś ucierpi w wypadku, jest bardzo małe.
Co gdy ciśnienie wybuchu jest powyżej wytrzymałości urządzenia
Jeśli natomiast maksymalne ciśnienie wybuchu przekracza wytrzymałość konstrukcyjną urządzenia, to z bardzo dużą dozą prawdopodobieństwa dojedzie do jego rozerwania. W efekcie do otoczenia zostaną uwolnione skutki wybuchu w postaci wysokiego ciśnienia, płomieni oraz gorących gazów. Musimy się także liczyć z możliwością oderwania elementów urządzenia i wyrzuceniem ich z dużą siłą.
Wybuch w niezabezpieczonym urządzeniu może skutkować:
- pożarem,
- zranieniem znajdujących się w pobliżu ludzi (poparzenia oraz obrażenia od odłamków),
- zniszczeniem przez ciśnienie pobliskiej infrastruktury,
- wzbiciem w powietrze zalegającego pyłu, który również ulegnie zapłonowi (wybuch wtórny).
Maksymalna szybkość narastania ciśnienia
Każda substancja nie tylko charakteryzuje się tym, jakie maksymalne ciśnienie wybuchu osiąga, ale również jak szybko to ciśnienie przyrasta. Są bowiem substancje, dla których przyrost ciśnienia jest bardzo gwałtowny, ale występują też takie, dla których przyrost ciśnienia patrząc na poniższy wykres, wydaje się być łagodny. Część osób wyciąga na tej podstawie błędny wniosek, że pyły o niskim Kst są mniej groźne.
Szybkość narastania ciśnienia w czasie wyraża się poprzez stałą wybuchowości K [m*bar/s]. Dla gazów stała K przyjmuje postać Kg, natomiast dla pyłów Kst. Przykładowe wartości stałej Kst dla pyłów możemy zobaczyć w tabeli poniżej. Jak widać jej wartość dla różnych pyłów może się znacząco różnić.
Dla ułatwienia doboru zabezpieczeń przeciwwybuchowych, pyły na podstawie parametru Kst zostały podzielone na trzy klasy wybuchowości. W ten sposób możliwy jest dobór zabezpieczenia przeciwwybuchowego nie dla konkretnego Kst, a dla jednej z trzech klas wybuchowości. To znacznie uprościło proces doborowy, niemniej z czasem pojawił się jeden znaczący problem. Opisaliśmy go w żółtej ramce poniżej.
| Klasa wybuchowości pyłu | Kst [bar*m/s] |
|---|---|
| St1 | Poniżej 200 |
| St2 | 200 - 300 |
| St3 | Powyżej 300 |
UWAGA: w materiałach nt. bezpieczeństwa wybuchowego często przy klasie St1 stawia się zwrot “słabo wybuchowy” lub “mało wybuchowy”. Sugeruje to, że pyły te są niewybuchowe, czy też bezpieczne. Usypia to czujność użytkowników instalacji, co może mieć tragiczne skutki.
Z taką sytuacją mieliśmy do czynienia w jednej z oczyszczalni ścieków, w której doszło do wybuchu. W raporcie z badań wybuchowości pyłu, jaki przeprowadziła jednostka notyfikowana, zostało wskazane, że badany pył należy do klasy St1 i jest mało wybuchowy. Był to jeden z czynników, który spowodował, że finalnie zaniechano w tym zakładzie działań. W innych zakładach spotykaliśmy się z sytuacją, w której do ochrony urządzeń zagrożonych wybuchem stosowano systemy przeciwpożarowe, czyli rozwiązania, które z zasady są kilka tysięcy raz wolniejsze, niż wymaga tego wybuch.
Ze względu na powyższe podkreślamy bardzo mocno — współczynnik Kst czy też klasa wybuchowości St mówi nam, jak szybko będzie przyrastać ciśnienie wybuchu. Czas ten jest jednak mierzony w milisekundach. Jakie więc ma znaczenie, czy aparat zostanie rozerwany w czasie jednego, czy dwóch mrugnięć okiem?
Parametr Kst jest istotny tylko i wyłącznie z punktu widzenia doboru zabezpieczeń przeciwwybuchowych. Ma on wpływ na wymaganą szybkość ich zadziałania oraz rozmieszczenie.
Aby porównać prędkość rozwoju wybuchu dla różnych klas wybuchowości pyłów, warto obejrzeć poniższy film. Jak można zauważyć, nawet pyły należące do klasy St1, które błędnie są określane mianem mało wybuchowych, prowadzą do powstania silnej i gwałtownej eksplozji.
Na filmie przedstawiliśmy wybuchy przestrzenne. Gdyby doszło do nich w zamkniętym urządzeniu ciśnienie w jego wnętrzu rosłoby do osiągnięcia maksymalnej wartości lub do rozerwania jego obudowy. Co więcej, nie ma żadnej korelacji między szybkością narastania wybuchu z maksymalnym ciśnieniem wybuchu. Oznacza to, że pył o niskim lub bardzo niskim Kst może osiągać wysokie maksymalne ciśnienie wybuchu. Przykładem może tu być kakao, którego klasa wybuchowości, to St1. Mimo to jego maksymalne ciśnienie wybuchu może wynieść nawet 9 bar nadciśnienia.
UWAGA: powyższy film stanowi fragment darmowego warsztatu online pt. Ochrona urządzeń i aparatów przed skutkami wybuchu pyłu – ograniczenia rożnych typów zabezpieczeń oraz błędy w stosowaniu i ich konsekwencje – warsztat wsparty blisko 30 unikalnymi firmami. Jeśli chcesz w nim wziąć udział kliknij w poniższy link:
https://www.hazex.eu/2warsztaty-online-ochrona-urzadzen-i-aparatow-przed-skutkami-wybuchu-pylow/
