W dniach 22-27 lipca 2012 r. odbyło się w Krakowie, w gmachu Collegium Novum Uniwersytetu Jagiellońskiego, 9. Międzynarodowe Sympozjum „Zwalczanie Wybuchów Przemysłowych” (9th International Symposium on Hazard Prevention and Mitgation of Industrial Explosions). Sympozjum, powstałe z połączenia w 1996 roku dwóch oddzielnych konferencji międzynarodowych poświęconych wybuchom gazów i pyłów, odbywa się w odstępach dwuletnich i ma na celu przedstawienie najnowszych wyników badań w zakresie rozpoznania zagrożeń, zapobiegania i minimalizacji ich skutków.
    Inicjatywa organizacji takich międzynarodowych spotkań wyszła w latach 80. ubiegłego wieku z Polski, z Politechniki Warszawskiej, personalnie ze strony profesora Piotra Wolańskiego, przy współudziale Głównego Instytutu Górnictwa. Tegoroczne 9. sympozjum było wyjątkowe ze względu na udział po raz pierwszy reprezentantów wszystkich kontynentów, a przede wszystkim na zaprezentowanie oryginalnych pionierskich kierunków badań. Ogółem przedstawiono 81 referatów, w tym 5 referatów plenarnych obejmujących szeroki przegląd najnowszych wyników badań i opisów katastrof (w tym wydarzeń w Japonii w dniu 11 marca 2011). Podczas sympozjum zostało poruszonych wiele oryginalnych tematów, o których można przeczytać w dalszej części artykułu.
    Do grona aktualnych kierunków badawczych w zakresie wybuchów przemysłowych należą: wybuchowość nanocząstek, analizy zaistniałych katastrof i antyterroryzm, nowe rozwiązania zabezpieczeń przeciwwybuchowych, właściwości nowych materiałów oraz bezpieczeństwo użytkowania wodoru jako paliwa.

Rys. 1. Zasięg trzęsienia ziemi w Japonii w dniu 11 marca 2011 r.; zaznaczone intensywności drgań; czerwony krzyżyk oznacza lokalizację ogniska trzęsienia [3]

Wybuchowość nanocząstek
    Wraz z rosnącymi nadziejami na szerokie zastosowanie nanocząstek w technice, powstaniem nowej dziedziny techniki – nanotechnologii, rodzi się problem ich bezpiecznego stosowania. Jeszcze w 2009 r. trwały spekulacje na temat wyjątkowej reaktywności materiałów w rozdrobnieniu „nano” – nie wykluczano palności i wybuchowości nanocząstek złota. Rzeczywisty problem został przedstawiony w referatach R.K. Eckhoffa (University of Bergen – Norwegia) [1} i S. Boilarda (Dalhousie University, Halifax, Canada).[2] Według Komisji Europejskiej nanocząstki muszą mieć powierzchnię właściwą 60 m2/cm³, co odpowiada monodyspersyjnym cząstkom o średnicy mniejszej od 100 nm. Z wielu doświadczeń wynika, że czym mniejsze są rozmiary cząstek pyłu, tym mniejsza energia zapłonu, a większa wartość Kst, czyli dla nanocząstek minimalna energia zapłonu (MEZ) powinna być ekstremalnie mała, a wartość Kst ekstremalnie wielka. Jednak nie zawsze tak jest i to z dwóch powodów:
• Utworzenie obłoku osiadłych nanocząstek jest bardzo trudne w normalnych warunkach badawczych i przemysłowych z powodu bardzo silnej kohezji międzycząsteczkowej.
• Jeżeli dochodzi do rozproszenia cząstek i powstania obłoku, to w wyniku bardzo szybkiej koagulacji (łączenia się); w ciągu ułamków sekund powstają większe aglomeraty.
    Istotną rolę odgrywa czas między utworzeniem obłoku a zapłonem, który w warunkach laboratoryjnych wynosi 20-60 ms, gdy koagulacja jest w fazie początkowej. W warunkach przemysłowych czas ten jest dłuższy, wyniki badań laboratoryjnych dają więc zawyżone oceny wrażliwości na zapłon i gwałtowność wybuchu. Dla wielu materiałów wartości MEZ są mniejsze od 1 mJ, co sprzyja zapłonowi od iskier elektrostatycznych, a dla cząstek metalowych od iskier tarciowych.
    Wpływ turbulencji w obłoku na wartości MEZ i Kst jest złożony. Prędkość koagulacji cząstek rośnie z turbulencją, co powinno powodować wzrost MEZ ze względu na samą turbulencję, jak i na wzrost średnic cząstek. Mniej jednoznaczny jest wpływ turbulencji na wartość Kst. Turbulencja zwiększa prędkość spalania, a powstawanie aglomeratów ją zmniejsza.
    Wyniki badań laboratoryjnych nie stwierdzają znaczącego wzrostu wartości Kst dla nanocząstek, co oznacza, że zabezpieczenia przeciwwybuchowe stosowane dla mikrocząstek powinny wystarczać dla nanocząstek.
    Dla niektórych materiałów wartości MEZ mogą być znacząco niższe od wartości dla cząstek mikronowych. Możliwym wyjaśnieniem jest utrzymywanie się pierwotnych nanocząstek (lub rozpad aglomeratów na części składowe) w obszarze plazmowej, wysokotemperaturowej otoczki iskry zapalającej. Cząstki w tym obszarze mogą się zapalić przy bardzo małej energii, dając początek zapłonowi całości obłoku.

Fot. 1. Tsunami atakuje elektrownię nuklearną Fukushima Dai Ichi (blok 1) [3]

    S. Boilard [2] z zespołem wykonał badania zapalności i wybuchowości nano- i mikrocząstek tytanu (średnice cząstek poniżej 150 μm, 45 μm, 20 μm, 150 nm, 60-80 nm, 40-60 nm), wykonując standardowe oznaczenia MEXZ, Kst, minimalnej temperatury zapłonu. Wykazano znaczący wzrost gwałtowności wybuchu mikrocząstek ze spadkiem ich rozmiaru. Nanocząstki tytanu wykazały bardzo silne skłonności do samozapłonu, często uniemożliwiające wykonanie standardowych badań w komorze 20-litrowej. Skłonności do zapłonu można było obniżyć przez dodanie tlenku tytanu. Szczególną uwagę zwrócono na warunki bezpieczeństwa pracy z nanocząstkami, stosując wydajną wentylację ssącą, ochrony indywidualne w postaci masek, rękawic, płaszczy laboratoryjnych. Dla uniknięcia zbyt dużych ilości nanocząstek zamawiano je u producenta w paczkach 100-gramowych, dla uniknięcia samozapłonu układ dyspersyjny pracował na azocie zamiast powietrza, natomiast niewykorzystane nanocząstki były dezaktywowane 0,1n kwasem azotowym.

Katastrofy i antyterroryzm
    Profesor University of Tokyo R. Dobashi [3] zrelacjonował skutki trzęsienia ziemi o magnitudzie 9,0 i spowodowanym trzęsieniem tsunami w Japonii w dniu 11 marca 2011 r. o godzinie 14.46. Zasięg i intensywności drgań gruntu w poszczególnych częściach kraju zaznaczono na rysunku 1. Było to jedno z 5 najsilniejszych trzęsień ziemi od 1900 roku. Wysokość fali tsunami przekraczała 20 m, znacznie więcej niż wynosiła wysokość zapór zabezpieczających, maksymalnie do 15 m. Oceniono, że tsunami w takiej skali zdarza się raz na 1000 lat.
    Straty spowodowane trzęsieniem: 15867 ofiar śmiertelnych (92,5% przez utopienie, 1,1% w pożarach, 4,4% przysypanych, zmiażdżonych) 6107 rannych, 2909 zaginionych. Zarejestrowano 287 pożarów, wybuchy wodoru w Elektrowni Nuklearnej Fukushima, liczne awarie BLEVE w stacjach paliw i zbiornikach LPG i w pojazdach samochodowych.

Fot. 2. Skutki przestrzelenia beczki wypełnionej wodą pociskiem sferycznym[4]

    Prace badawcze nad zapobieganiem terroryzmowi i jego skutkom zazwyczaj nie są publicznie eksponowane, poza badaniami podstawowymi. Szczególny przypadek został przedstawiony w referacie L. Munier [4] z francuskiego Komisariatu Energii Atomowej i Energii Alternatywnych. Wykonano badania ruchu i rozkładu odłamków metalowych pojemników wypełnionych cieczą (w tym przypadku wodą) przy ich przestrzeliwaniu pociskami sferycznymi o średnicach do 30 mm, z prędkościami do 1500 m/s. Fot. 2 przedstawia przebieg jednego z doświadczeń. Pocisk pada z lewej strony na beczkę o pojemności 60 litrów, wypełnioną wodą; beczka doznaje poważnych odkształceń po stronie wyjścia pocisku. Chwilowe ciśnienia wewnątrz beczki przekraczają 100 bar, a zasięg odłamków wynosi kilkadziesiąt metrów.
    Wyniki serii doświadczeń mają posłużyć do opracowania kodu komputerowego dla symulacji bardziej złożonych przypadków.

Bezpieczeństwo urządzeń i instalacji
    B. Arntzen z University of Bergen zaprezentował wyniki badań wpływu uszkodzeń powierzchni bezpiecznej szczeliny (MESG – Maximal Experimental Safety Gap) w elektrycznych urządzeniach ognioszczelnych na bezpieczeństwo tych urządzeń. Badania wykonano dla gazów grup wybuchowości IIB (etylen, siarkowodór) i IIC (wodór, acetylen). Według normy IEC60079-1-1 szczelina ma długość 25 mm, a jej prześwit ma być doświadczalnie dobrany, tak aby wybuch wewnątrz urządzenia nie przenosił się na zewnątrz. Chropowatość powierzchni prześwitu nie powinna być większa od 6,3 μm, a w razie poważniejszych uszkodzeń winna być doprowadzona do stanu oryginalnego. Nie ma jednak wskazań pozwalających uznać uszkodzenia za poważne, co oznacza, że najmniejsze zauważalne uszkodzenie ma prowadzić do naprawy lub wymiany obudowy ognioszczelnej. Zespół z Bergen wykonał badania w specjalnie wykonanej dwudzielnej komorze, której części były połączone badaną szczeliną. Wykonano badania ze szczeliną z zardzewiałymi i rowkowanymi powierzchniami prześwitu. Skuteczność bezpiecznej szczeliny określano odległością źródła zapłonu w komorze wewnętrznej, przy której następowało przeniesienie płomienia na zewnątrz. Stwierdzono, że uszkodzenie mechaniczne w postaci 7 równoległych rowków szerokości 2 mm i różnych głębokości nie powoduje zmniejszenia skuteczności szczeliny dla wybuchu wodoru, a przypadku etylenu nawet ją polepsza. Polepszenie skuteczności szczeliny obserwuje się w przypadku pokrycia powierzchni prześwitu rdzą zarówno dla wodoru, jak i etylenu.

Fot. 3. Działanie klasycznego otworu dekompresyjnego – płomień wydostaje się na zewnątrz [6]

    Problem łagodzenia skutków wybuchu przez otwory dekompresyjne był przedstawiony w pracy J. Chao i S. Dorofeeva z FM Global (USA). Nowe rozwiązanie otworów dekompresyjnych, opracowane w firmie Fike, łączy membranowe otwory dekompresyjne z specjalnie skonstruowanym przerywaczem płomienia w postaci systemu siatek. Działanie systemu jest przedstawione na fot. 3 i 4.
    Fot. 3 przedstawia kolejne fazy zerwania membrany klasycznego otworu dekompresyjnego w wybuchu skrobi kukurydzianej w zbiorniku o pojemności 8 m³, średnicy 2 m i wysokości 2,9 m. Wyraźnie jest widoczny płomień w obłokach skrobi, wydostający się ze zbiornika poprzez zerwaną membranę. Nowe rozwiązanie stanowi bezpłomieniowy otwór dekompresyjny, będący kombinacją otworu membranowego z przerywaczem płomienia. Jego działanie jest pokazane na fot. 4.
    Praca J. Chao i S. Dorofeeva przedstawia metody badań takiego sposobu dekompresji. Konstrukcja tego typu ochrony przeciwwybuchowej jest znormalizowana w EN16009:2011:Flameless explosion venting devices.

Problematyka mało zbadana
    Omówienie wybranych referatów sympozjum pokazuje kierunki współczesnych badań w zakresie bezpieczeństwa wybuchowego. W przyszłości należy się spodziewać rozszerzenia problematyki palności i wybuchowości nanocząstek – wciąż mało zbadanej, zwiększenia wysiłków badawczych w zwalczaniu i zapobieganiu skutkom zamachów terrorystycznych i katastrof naturalnych. Będą się też rozwijać zagadnienia skuteczniejszych zabezpieczeń przeciwwybuchowych.
    Większość referatów sympozjum, w tym wszystkie wymienione poniżej, będzie publikowana w Journal of Loss Prevention in the Process Industries. Niektóre są dostępne na stronie www.ishpmie.gig.eu

Fot. 4. Działanie bezpłomieniowego otworu dekompresyjnego – z otworu wydostają się tylko obłoki niespalonej skrobi [6

Literatura
1. Eckhoff R. K., Influence of dispersibility and coagulation on the dust explosion risk presented by powders consisting of nm-particles.
2. Boilard S., Amyotte P.R., I. Khan F.I., Dastidar A., Eckhoff R.K., Explosibility of Micron- and Nano-Size Titanium Powders.
3. Dobashi R., Short Report of the Great East Japan Earthquake and Fire & Explosion Disasters.
4. Munier L., Experimental study of high velocity impact on a liquid storage.
5. Arntzeb B.J, Ringdal L., Steiner M., B. Larsen E.B, Eckhoff R.K., Effects of mechanical damage and rusting of flame gap surfaces in flameproof electrical apparatus for IIB and IIC gasses.
6. Chao J., Dorofeev S,B., A Methodology to Evaluate the Efficiency of a Flameless Explosion Venting Device.
 

 

 

Autor: Kazimierz Lebecki – Główny Instytut Górnictwa, Katowice

Artykuł został opublikowany w magazynie "Chemia Przemysłowa" nr 5/2012