ОПИСАНИЕ СЛУЧАЕВ АВАРИЙ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ВЗРЫВЫ КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА

12.2. ВЗРЫВЫ ПЫЛИ

Пылевой взрыв - объект интенсивного изучения, которому посвящены многочисленные работы и отдельные монографии. Его можно рассматривать в двух отличающихся друг от друга аспектах: взрывы пыли в штольнях и взрывы пыли в оборудовании и внутри зданий. Первые характеризуются ударной волной, распространяющейся вдоль' штольни, длина которой может достигать нескольких километров. Хотя описание взрывов пыли на угольных рудниках не соответствует основной теме данной работы, вкратце они все же будут рассмотрены.

12.2.2. ВЗРЫВЫ ПЫЛИ НА УГОЛЬНЫХ РУДНИКАХ

Роль, которую играет угольная пыль в авариях на рудниках, признается все более важной, как отмечается в работе [Вгуап,1975], автор которой указал, что впервые она была осознана в Великобритании после взрыва, происшедшего на угольной шахте в Нортумберленде (Уэльс) в 1803 г. Однако понимание этой роли в то время было еще несовершенно. В результате последовавшей в 1844 г. аварии на шахтах в Дареме, принадлежавших компании Haswell, погибло 95 чел.; для ведения расследования был приглашен известный ученый Майкл Фарадей. И хотя в докладе об аварии отмечалось, что не рудничный газ (метан) являлся ее причиной, однако лишь спустя более 50 лет профессор горного дела университета в Кардиффе Галлоуэй определил, что причиной как этого, так и более серьезных взрывов была главным образом угольная пыль.

Механизм явления в настоящее время известен. Он заключается в том, что относительно слабый взрыв метана может вызвать турбулентность воздушных потоков, достаточную для того, чтобы образовать облако угольной пыли в штольне. Воспламенение пыли, в свою очередь, генерирует ударную волну, поднимающую еще большее количество угольной пыли, что в конце концов приводит к разрушительном взрыву. В работе [Galloway,1898] определено, что большинство из 645 аналогичных случаев аварий на угольных шахтах, происшедших только в Великобритании с 1835 по 1850 г., вызвано взрывами пыли. Цибульски [Cybulski.1975] отмечает, что число случаев аварий на угольных шахтах во всем мире с числом жертв не менее 50 составило за период с 1900 по 1951 г. 135, или в среднем 151 чел. за одну аварию. В соответствии с тем же источником по причине взрывов на шахтах США среднее количество людских потерь за период с 1931 по 1955 г. составило 117 чел. в год.

Для того чтобы предотвратить взрывы пыли на угольных шахтах или в итоге уменьшить их последствия, необходимо следующее: а) не допускать инициирующих взрывов за счет отвода метана и исключения возможных источников воспламенения; б) ограничить по-возможности количество пыли, находящейся в штольне; в) увлажнить угольную пыль; г) использовать инертный порошок. Таким инертным порошком является несодержащая силикатов пыль, обычно известковая. Порошок загружают в желоб, подвешенный к потолку штольни, что предпочтительнее по сравнению с простым смешиванием его с угольной пылью, как поступали раньше. Когда происходит взрыв, желоб раскачивается и инертный порошок разбрасывается, перемешиваясь в воздухе с угольной пылью. Известь поглощает тепло, выделяющееся при горении, и, таким образом, скорость распространения пламени уменьшается. К тому же известь участвует в реакции эндотермического разложения, что охлаждает газ. На рис. 12.1 представлена диаграмма распределения по годам числа жертв от аварий в шахтах, происшедших в Великобритании (учитывались аварии с числом жертв не менее 20). Нетрудно заметить, что наиболее крупные аварии произошли в далеком прошлом.

Рис. 12.1. Ежегодное количество жертв от аварий на шахтах Великобритании. Включены данные по авариям, приведшим к двадцати или более смертельным исходам.

Однако необходимо иметь в виду, что объемы добычи угля и использование рабочей силы благодаря росту производительности труда значительно уменьшились. Таким образом, доля серьезных аварий, включающих взрывы пыли, заметно снизилась.
12.2.3. ВЗРЫВЫ ПЫЛИ ВНУТРИ ЗДАНИЙ И В ОБОРУДОВАНИИ

12.2.3.1. ВВЕДЕНИЕ

Предмет изучения данного раздела находится ближе к теме, которой посвящена вся книга, однако только часть случаев взрывов пыли в оборудовании имеет отношение к химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Так, например, к наиболее серьезным авариям относятся случаи взрывов на зерновых элеваторах и на мукомольном производстве. Однако основные причины, механизм развития и уроки аварий не зависят от того, где они происходили - при обращении с зерном или порошкообразным красителем.

12.2.3.2. ИСТОРИЧЕСКИЙ И ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Первое упоминание о взрыве пыли, происшедшем 14 декабря 1785 г. на мучном складе в Турине (Италия), обнаружено в работе [Morozzo,1785]. Ссылаясь на нее, Филд [Field.1982] отмечает, что Мороццо уже тогда указал основные особенности взрыва пыли, хотя общее понимание этого явления пришло более чем через сто лет. Основным источником, охватывающим весь исторический период изучения взрывов пыли, можно считать [NFPA,1957]. В данном обзоре рассмотрены взрывы пыли, происшедшие в США и Канаде за период 1860 -1956 гг., причем подробно описано 75 взрывов, случившихся в 1932 -1956 гг. Работа содержит ссылки на 1120 взрывов, из которых в 391 случае имелись жертвы. Всего погибло 676 чел. и 1770 чел. получили ранения в основном за период 1900 -1956 гг. (К данным случаям взрывов не относятся аварии на угольных шахтах и взрывы, произведенные в военных целях.) Из 1120 взрывов 540 случаев имели место при обращении с зерном, мукой, сахаром и другими продуктами, 80 - с металлами, 63 -с угольной пылью (в основном на установках дробления топлива), 33 - с серой и 61 - при обращении с продуктами химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Две серьезные аварии со взрывами пыли, происшедшие в США в декабре 1977 г., послужили причиной написания доклада [Hall, 1978], в котором автор остановился на 220 случаях взрывов, имевших место на зерновых элеваторах США в период 1958 -1977 гг., в результате которых погибли 48 чел. и 500 чел. получили ранения. В докладе, по-видимому, отсутствуют описания аварии 27 декабря 1977 г. в Галвестоне (шт. Техас, США), где погибло 18 чел., и аварии 22 января 1977 г. в Уэстуэго (шт. Луизиана, США), где погибло 36 чел., поскольку общее число погибших в этих авариях составляет 54 чел.

Наиболее обширным обзором по проблемам, связанным с обращением с зерном в США, является [Verkade.1978]. По данным страховых компаний в ФРГ и соседних странах в среднем происходит один взрыв в день, как утверждается в сообщении [Bartnecht.1979]. Однако такая ссылка не содержит информации о числе жертв. В табл. 12.1 приведены данные о числе жертв основных аварий с взрывами пыли в Великобритании.

Для сравнения с данными табл. 12.1 можно указать, что за 18-летний период 1962 -1979 гг. в 1176 случаях аварий (не относятся к категории основных аварий), вызванных горением и взрывами пылевзвесей, погибли 15 чел. и 599 чел. получили ранения; из них в 474 случаях был взрыв, а в остальных горение. Соотношение погибших и раненых в результате данных аварий невелико. Так, например, за этот же период в результате всех аварий в Великобритании погибло 25 чел. (10 из них - в результате двух аварий) и 633 чел. получили ранения.

ТАБЛИЦА 12.1. Основные аварии с взрывами пыли в Великобритании

Год	Место происшествия	Внутри помещений		Вне помещений
		убито	раненоа	убито	paнeнoa
1911 1911 1911 1913 1930 1941 1964 1965	Глазго Ливерпуль Манчестер " Ливерпуль " Пейсли Лондон	2 37 3 3 11 6 5 5	3 100 5 5 32 40 2 32	3 2 - - - - - -	5 1 - - - - - -
Всего		72	219	5	6

а) В период 1906 -1937 гг. считалось обязательным отчитываться перед окружным фабричным инспектором по любым производственным происшествиям, имеющим достаточно серьезные последствия и травмирующим служащих, работающих на данном производстве не менее семи дней. В 1937 г. этот квалификационный период был уменьшен до трех дней, каковым и оставался до 1982 г.

Данная область исследований представлена двумя значительными монографиями: [Palmer,1973; Field.1982], которые содержат исчерпывающую информацию о причинах, предупреждении и исследовании данной группы аварий.* Во второй из них представлено 247 ссылок на случаи аварий; в работах [Stull.1977; Bodurtha,1980; Baker,1983] также имеются разделы, посвященные данной теме.

*Из литературы на русском языке, посвященной взрывам пылей, следует упомянуть работы [Годжелло,1952; Таубкины.1976; Корольченко.1986]. - Прим. ред.

12.2.3.3.СПЕЦИФИКАПРОБЛЕМ, СВЯЗАННЫХ С ЗЕРНОВЫМИ ЭЛЕВАТОРАМИ

Зерновые элеваторы представляют собой наиболее серьезную опасность единичных взрывов пыли в США и Канаде. При обсуждении данного вопроса необходимо хотя бы кратко внести ясность в понимание термина "элеватор" (elevator). Он имеет двойственное толкование в американском варианте английского языка. В Великобритании данное слово может обозначать часть механизма, предназначенного для подъема измельченных твердых веществ, однако в США толкование термина таково: "Здание, предназначенное для хранения и разгрузки зерна" [Merriam-Webster.1958]. Такое здание обычно представляет собой несколько шахт, снабженных оборудованием для подъема зерна, привезенного по железной дороге, на автомобилях или суднах. Зерно поступает в шахты с помощью ленточного конвейера; существует такая же конвейерная система для выгрузки зерна из шахты в целях последующей транспортировки по железной дороге, автодороге и по воде или в ряде случаев для транспортировки в другую шахту. Будучи убранным в сыром виде, зерно, в частности, способно в последующем легко образовывать пыль в результате трения, возникающего при его перемещении.*

Элеваторы в США намного больше по размерам, чем что-либо сходное по назначению, имеющееся в Великобритании. В книге рекордов Гиннесса [Guinness,1971] отмечено, что самый крупный элеватор находится в Уичита (шт. Канзас, США) и принадлежит компании C.G.F.Grain. Он состоит из 246 шахт, выстроенных в три параллельных ряда, занимая территорию около 825 м в длину и 30 м в ширину. Высота каждой шахты около 35м, а внутренний диаметр около 9 м. Суммарная вместимость хранилища составляет около 700 тыс. м3. Производительность механизма для подъема и перемещения зерна в каждой шахте составляет 2 тыс. т/ч [S&IE.1977]. Соответствующие хранилища в Великобритании значительно меньше по размерам. Так, например, вместимость зернохранилища №2 Манчестерского судоходного канала составляет около 40 тыс. м3 [ЕВ,1951]. В ссылке о данном зернохранилище отмечается, что зерно, поступающее в Великобританию, значительно очищается от пыли в процессе перемещения. Таким образом, длительность транспортировки и большие емкости североамериканских элеваторов могут способствовать возникновению взрывов.

Вообще говоря, в процессе горения определенного объема аэровзвеси твердых горючих веществ (пылевзвесей) происходит выделение некоторого количества энергии, которое сравнимо с энергией, выделяемой в процессе горения паровоздушной смеси. Однако мощность процесса горения (количество энергии, выделяемой в единицу времени) может быть меньшей. Для заданного объема пылевзвеси ограничивающим фактором будет являться не количество (масса) твердых частиц пыли, а количество (масса) кислорода. В том случае, если количество пыли стехиометрически эквивалентно количеству кислорода или превышает его, энергия, выделяющаяся при горении пылевзвеси органических веществ, будет примерно равна энергии, выделяющейся в результате горения аэровзвеси паров органических веществ. Однако вне зависимости от количества твердой фазы, участвующей в процессе горения, наличие достаточно мелких частиц пыли может вызвать ее взрыв. Так, например, наличие взвеси металлических частиц алюминия или частиц мелкодисперсной элементной серы может привести к взрыву.

Мощность взрыва (скорость высвобождения энергии) связана с таким важным параметром, как скорость роста давления. В отличие от взрыва парового облака процесс горения (окисления) твердых частиц пыли происходит на границе твердое вещество/газ и при прочих равных условиях чем мельче твердые частицы пылевзвеси, тем быстрее горение.

Вообще говоря, взрыв пыли произойдет в том случае, когда частицы вещества, составляющего твердую фазу пылевзвеси, имеют размер, достаточный для прохождения через стандартное сито, т. е. менее 76 мкм [BS,1958]. Как отмечается в работе [Baker.1983], для того чтобы облако взорвалось, необходима достаточно высокая концентрация пыли, непереносимая человеком; такие облака в сущности непрозрачны. И хотя такие облака могут сохраняться внутри оборудования (внутри элеватора и механизмов дробления и размола зерна), они не могут существовать в течение длительного промежутка времени внутри зданий.

На практике механизм наиболее разрушительных взрывов аналогичен взрывам на угольных шахтах: первоначальный инициирующий взрыв способствует возмущению пыли, что приводит к последующему более мощному взрыву. В книге [Palmer, 1973] рассматривается скорость распространения процесса горения и делается вывод о том, что случаи взрывов на производстве скорее являются случаями дефлаграции, а не детонации, и в редких случаях скорость распространения пламени достигает скорости звука. Детонация может произойти в штольне угольной шахты, но длина штольни в этом случае может достигать нескольких сотен метров. Детонация может произойти также на зернохранилищах США, где конвейерные линии и элеваторы имеют почти такую же длину. В некоторых случаях в лабораторных экспериментах можно достичь уровня давления порядка 0,8 МПа. Аналогичные эксперименты имели место с порошкообразными пищевыми продуктами, такими, как кукурузная, рисовая, пшеничная или дрожжевая мука. Максимальный уровень давления взрыва для многих веществ, перечисленных в книгах [Palmer,1973; Field,1982], достигает 0,5 МПа. Из утверждения Палмера о том, что реально достижимая величина максимального давления почти аналогична давлению, соответствующему адиабатическому состоянию, следует, что адиабатический температурный максимум также достижим. Данное положение было подтверждено в работе [Cashdollar.1983], 1983], авторы которой считают, что максимальная температура взрыва пыли сравнима с температурой взрыва паров углеводорода.
_______________________________________________________________________________________

*Хранение сырого зерна может сопровождаться также образованием метана и водорода, смеси которых с воздухом являются взрывоопасными. - Прим. ред.

В книге [Field,1982] (разд. 3.3.6.) показано, что значение максимального давления и максимальной скорости роста давления взрыва пылевзвеси конкретного вещества можно определить, используя камеру Хартманна, в которой происходит распыление вещества. Значение давления в начальный момент взрыва в камере Хартманна немного превышает атмосферное давление - инициирующий импульс сжатого воздуха предназначен для рассеивания частиц пыли. Если давление в начальный момент времени Т1 составляет Р1, то максимальное давление взрыва к моменту Т2 составит

а среднее значение скорости возрастания давления будет равно

Значение максимума скорости роста давления dP/dt можно получить путем изучения соответствующего графика, определяя его пиковое значение. Некоторые характеристики подобных графиков, представленные в табл. 12.2, взяты из книги [Field,1982]; они содержат также информацию о значениях минимальной температуры зажигания (воспламенения) частиц пыли данного материала.

Работа, проводимая в данном направлении в Базеле (Швейцария) под руководством Бартнехта, подытожена в публикации [Field, 1982]. Ранее многочисленные эксперименты проводились с камерой Хартманна вместимостью 1,2л. Бартнехт и его сотрудники сравнили полученные результаты с данными экспериментов с более крупными емкостями, вместимость которых достигает 60 м3. Бартнехт сделал вывод о том, что сферический резервуар вместимостью 20л (0,02м3) является наименьшей емкостью, достаточной для достижения желаемого результата, к тому же такой вариант наиболее доступен. В подобной установке резервуар частично разрежается до давления 0,04 МПа перед тем, как определенное количество сжатого воздуха выпускают для рассеивания частиц пыли. Это количество таково, чтобы начальное давление достигло 0,1 МПа. Частицы пыли поджигают с помощью химического детонатора с энергией 104 Дж.

Бартнехт вывел следующий закон для емкостей аналогичной формы:

V - объем резервуара, м3; KSt, - параметр взрываемости пылевзвеси,

МПа ∙ м/с.

Данные табл. 12.2 представляют результаты экспериментов с пылевзвесями различных веществ, средний размер частиц которых не превышает 75мкм. Классификация пылевзвесей приведена в книге [Bartnecht,1979].

12.2.3.5. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ВЗРЫВОВ ПЫЛИ

Из сказанного в предыдущем разделе можно сделать вывод: хотя разрушительная сила взрывов пыли, происходящих в оборудовании, достаточно велика, однако вторичные взрывы, охватывающие целые здания, могут быть гораздо опаснее.

Первейшая необходимость - избежать накопления облака пыли, быстрые превращения которого могут привести к возникновению вторичных взрывов. Реальное применение такой стратегии осложнено в случаях с зерновыми элеваторами, силосными, зерновыми и прочими башнями, опасность взрыва в которых тем больше, чем меньше они загружены, поскольку масштаб разрушения от взрыва, по всей вероятности, является функцией, зависящей от степени заполнения объема. Меры предосторожности обсуждаются в работах [Palmer,1973; Field,1982; Bartnecht.,1979; Baker.1983]. Главные меры предосторожности таковы: соблюдение основных норм проектирования здания; правильное ведение хозяйства; сведение к минимуму объема, в котором может произойти взрыв; устранение источников воспламенения; вентиляция; обеспечение инертности среды; использование средств взрывоподавления; использование эффективных методов борьбы с огнем.

Соблюдение основных норм проектирования здания должно уменьшить накопление пыли. Так, например, необходимо избегать сквозных стропильных ферм крыши, позволяющих достаточно большим количествам пыли накапливаться на поверхностях внутри помещений. Регулярность уборки заводских помещений, хотя она и зависит в некоторой степени от планировкизавода, должна выдерживаться. Уменьшение объема обеспечивается разделением всего объема на отдельные части, что реализуется, например, в зернохранилищах с большим количеством силосных башен путем изолирования каждой отдельной башни.

Вопрос, связанный с устранением источников воспламенения, достаточно обширен, чтобы детально его рассмотреть, однако можно сконцентрировать внимание на некоторых отдельных моментах. Электрическое оборудование должно быть пыленепроницаемым, и особое внимание необходимо уделить устранению опасностей, связанных с выделяемой данным оборудованием тепловой энергией. Двигатели, воздушные отверстия охлаждения которых забиваются пылью, могут перегреться. Колбы электрических ламп покрываются пылью, в результате чего они также могут перегреться. Так, например, один из случаев взрыва произошел из-за запыления ручного электрического фонаря. Многие взрывы, описанные в обзоре [Verkade,1978], были вызваны трением ремней шкивов и конвейеров. В процессе дробления и размалывания трение металлических частей может привести к искрению и перегреву.

Стандартный метод уменьшения взрывного эффекта заключается в изменении формы фронта взрывной волны за счет нежестких панелей (и наличия отверстий), устанавливаемых в оборудовании или внутри здания. В первом приближении необходимо попытаться определить отношение площади отверстий (м2) к объему здания или оборудования (м3); однако Палмер [Palmer,1973] показал, что данное соотношение зависит и от взрывоопасности пыли. Он предложил следующие соотношения: 1 : 20 для низкой взрываемости и 1:10 для высокой взрываемости. Филд [Field, 1982] рекомендовал использовать следующее соотношение:

где f1 и f2 - коэффициенты вентилирования, необходимые для защиты от взрывов в соответствующих объемах V1 и V2, или

где А2 и А1 - площади отверстий для объемов V2 и V1 соответственно.

Таким образом, зная площадь отверстий для защищаемого объема конкретной пылевзвеси, можно определить необходимую площадь отверстий для произвольного объема. В работе [Field, 1982] представлены номограммы для различных пылевзвесей и источников воспламенения.

В разд. 12.2.2 уже упоминался способ подавления взрыва угольной пылевзвеси при помощи инертного порошка. Такой способ редко используется в промышленном производстве. Однако применение инертных газов может оказаться полезным для подавления взрывов в технологическом оборудовании, но, очевидно, не внутри рабочих помещений. Чистый азот не содержит нежелательных примесей, но достаточно дорог. Инертный газ, производимый промышленным способом, намного дешевле, и хотя каминные газы еще более дешевы, они значительно загрязнены и содержат влагу. Однако все инертные газы несут опасность удушья для операторов, особенно во время эксплуатационных работ или при осуществлении блокировки. На практике для подавления используют аппаратуру, 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. Осуществление эффективных методов борьбы с огнем должно проводиться с особой осторожностью в запыленных зданиях, поскольку удар водяной струи может привести к рассеиванию пыли и образованию пылевого облака, что усиливает взрыв. Следовательно, предпочтительнее производить распыление воды. Однако применительно к пылевзвесям таких металлов, как магний или алюминий, распыление воды очень опасно.

12.2.4. СЛУЧАИ ВЗРЫВОВ ПЫЛИ

12.2.4.1. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

Случаи пылевых взрывов описаны в ряде работ. Новые публикации, как правило, содержат мало оригинальных сведений, поскольку основная часть информации по действительным случаям аварий со взрывами пылей черпается из предшествующих исследований. В табл. 12.4 сведены использованные автором печатные труды.

ТАБЛИЦА 12.4. Некоторые источники информации об авариях с взрывами пылевых облаков

12.2.5. ВЗРЫВЫ ПЫЛЕВЫХ ОБЛАКОВ КАК ОСНОВНАЯ ОПАСНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ И НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Из приведенных выше рассуждений очевидно, что взрывы пыли - достаточно частые события для промышленных установок и имеют иногда серьезные последствия. Однако взрывы, вызвавшие наиболее серьезные последствия, произошли не в химической или перерабатывающей промышленности, а в зернохранилищах, на мукомольных мельницах и при производстве пищевых продуктов для людей и животных. Одна из характерных особенностей промышленности, связанной с переработкой зерна, состоит в том, что путем истирания производится нетоксичный порошок, обладающий достаточно низкой стоимостью, поэтому неэкономично его накапливать для продажи или повторной переработки. Производимые химической промышленностью порошки, напротив, вредны для человека или достаточно дороги, или то и другое одновременно, и либо благодаря требованиям профессионального здравоохранения, либо из экономических интересов возникает потребность в хранении большого количества содержимого. Другое отличие зерноперерабатывающей промышленности (традиционной по технологии отрасли, по сути части сельского хозяйства) от химической промышленности состоит в том, что последняя органически включает в себя технику использования инертных газов, совершенную контрольно - измерительную технологию. Более того, инженеры-химики располагают богатым арсеналом знаний в области порошковых технологий, в том числе и вопросов двухфазных потоков смесей "газ - твердое тело" и газовой фильтрации. В силу двух отмеченных обстоятельств взрывы пыли в химической и нефтеперерабатывающей промышленности в значительно меньшей степени способны служить источником разрушительных вторичных взрывов (чем в зерноперерабатывающей промышленности. - Ред.).

По нашему мнению взрывы пыли в химической и перерабатывающей промышленности относятся к группе аварий, достаточно близкой к основным опасностям производства. Поэтому инженеры химической промышленности должны постоянно осознавать угрозу серьезных последствий такой аварии. Однако, по-видимому, не было предпосылок для учреждения специальных мер законодательного регулирования в отличие от областей, в которых достаточно осознана необходимость уменьшения риска. Данное мнение выражено в [АСМН.1979].