Znajomość zagadnień dotyczących ryzyka wybuchu oraz poprawny dobór procedur organizacyjnych są niezwykle istotnym elementem profilaktyki przeciwwybuchowej.
W nowoczesnym przemyśle mamy do czynienia z różnymi zagrożeniami, najczęściej wynikającymi z prowadzonych procesów produkcyjnych. Jednym z istotniejszych ryzyk, jeżeli weźmiemy pod uwagę potencjał szkodowy, jest zagrożenie wybuchem. Co warto o nim wiedzieć?
Historia bezpieczeństwa przeciwwybuchowego na świecie sięga XIX wieku, kiedy rozpoczęto badania nad parametrami gazów wybuchowych (prace Lehmanna i Wullnera, 1884-1886). W 1912 r. niemiecki VDE wydał normę nr VDE 0170 zawierającą przepisy budowy przeciwwybuchowej urządzeń dla kopalń metanowych. Wraz z rozwojem normalizacji powstaje w 1906 r. International Electrotechnical Commission (IEC). W Polsce w 1928 r. powstaje SEP, czyli Stowarzyszenie Elektryków Polskich, które staje się członkiem IEC. W 1929 r. SEP wydaje „Przepisy budowy i ruchu urządzeń elektrycznych w podziemiach kopalń”. W 1957 r. została wydana przez PKN pierwsza polska norma dotycząca urządzeń w wykonaniu przeciwwybuchowym: PN-57/E-08101 „Elektryczne urządzenia przeciwwybuchowe dla górnictwa węglowego. Przepisy konstrukcyjne”. Wytyczne w zakresie urządzeń w wykonaniu przeciwwybuchowym dla urządzeń pracujących na powierzchni (przemysł pozagórniczy) pojawiły się dopiero w latach powojennych. Pierwsza polska norma – PN-63/E-08102 „Elektryczne urządzenia przeciwwybuchowe dla przemysłu chemicznego i pokrewnych. Przepisy konstrukcyjne” – została z kolei wydana w 1963 r.
Na początek zdefiniujmy samo niebezpieczne zjawisko wybuchu. Wybuch to, najprościej mówiąc, reakcja gwałtownego spalania połączona z efektem dźwiękowo-świetlnym, skutkująca wydzielaniem się znacznych ilości ciepła oraz fali ciśnienia. Możliwość powstania zjawiska wybuchu jest uzależniona od równoczesnego zaistnienia następujących czynników: obecności paliwa, jego odpowiedniego wymieszania (rozdrobnienie), obecności powietrza lub innego utleniacza, ograniczenia przestrzennego oraz wystąpienia efektywnego źródła zapłonu. Jak widzimy, powstanie wybuchu wynika z większej liczby uwarunkowań niż ma to miejsce przy pożarze (wolne lub szybkie spalanie), do którego powstania potrzebujemy spełnienia tylko trzech z wcześniej wymienionych warunków: obecności paliwa, obecności powietrza oraz wystąpienia efektywnego źródła zapłonu. Najważniejszą jednak różnicą pomiędzy zjawiskami wybuchu i pożaru jest czas trwania każdego z nich. Pożar może trwać od kilku minut do wielu tygodni (np. zapalenie pól naftowych czy też pożary wyrobisk kopalnianych), natomiast pojedynczy wybuch jest zjawiskiem, które zaczyna się i kończy w czasie do 1 sekundy.
Podstawową normą dotyczącą zapobiegania wybuchom jest PN-EN 1127-1:2011, która w sposób ogólny definiuje główne pojęcia związane z tematem oraz informuje, jak zapobiegać i jak chronić się przed wybuchem. Z uwagi na szybkość przebiegu zjawiska oraz często jego wysoce destrukcyjny charakter niezwykle ważna jest profilaktyka dotycząca czynności zapobiegawczych i prewencyjnych, której celem jest przede wszystkim uniemożliwienie wystąpienia wybuchu.
Środki ochrony przed zagrożeniem wybuchem możemy podzielić na dwie kategorie:
Jeżeli chodzi o zapobieganie powstawaniu pyłowych atmosfer wybuchowych (zewnętrznych), kluczowym zagadnieniem jest odpowiednia szczelność instalacji technologicznych, która powinna uniemożliwiać wydostawanie się palnych pyłów na zewnątrz instalacji. Niekiedy jednak w procesach przemysłowych (szczególnie w układach transportu) nie jest możliwa hermetyzacja procesu w 100%, np. palny pył wydobywa się przez mikronieszczelności. W takich przypadkach istotne jest przygotowanie odpowiednich procedur sprzątania i oczyszczania instalacji z zalegających pyłów. Należy tutaj zaznaczyć, że akredytowane jednostki notyfikowane do oznaczania parametru T5mm, czyli minimalnej temperatury zapłonu warstwy pyłu do badań, przyjmują 5 mm warstwy palnego pyłu. Zdarzają się jednak podmioty, w których na instalacjach zalegają warstwy pyłu mierzone niekiedy nawet w centymetrach… Zalegające warstwy pyłu stwarzają również inne niebezpieczeństwo – w rezultacie oddziaływania np. wiatru bądź przeciągu może nastąpić uniesienie pyłu. Uniesiona warstwa pyłu palnego w momencie wymieszania się z powietrzem w stężeniu powyżej DGW (dolnej granicy wybuchowości) jest już z definicji atmosferą wybuchową. W takiej sytuacji wystarczy już tylko wystąpienie efektywnego źródła zapłonu i wybuch staje się nieunikniony. Jeżeli dodatkowo zalegające w dalszej części budynku warstwy palnych pyłów zostaną również wzburzone i uniesione, może dojść do tzw. wybuchów wtórnych. Skutki takiego przebiegu zjawiska mogą być katastrofalne dla całego zakładu (jak choćby w przypadku zdarzenia w Imperial Sugar Refinery).
Do ograniczania możliwości wydostawania się palnego pyłu na zewnątrz stosuje się również instalacje odpylania wnętrza instalacji technologicznych (redukcja pyłów wewnątrz) – pyły takie odciągane są do cyklonów, filtrów workowych. Proces odpylania nie eliminuje całkowicie możliwości powstawania atmosfer wybuchowych wewnątrz samych instalacji, ale oczywiście ogranicza prawdopodobieństwo wystąpienia zjawiska. Zapobieganie występowaniu pyłowych atmosfer wybuchowych wewnątrz instalacji to głównie takie metody, jak: dodatkowe doprowadzenie wilgoci lub czynnika inertyzującego (wypieranie powietrza) w postaci gazów (np. azot i dwutlenek węgla, spaliny) lub proszków (np. węglan wapnia). W przypadku inertyzacji palnych pyłów monitorowane w sposób ciągły powinno być graniczne stężenie tlenu – jest to parametr informujący o ilości tlenu w instalacji, powyżej którego może dojść do zapłonu i wybuchu danego pyłu.
Zapobieganie tworzeniu się atmosfer wybuchowych (zewnętrznych) przez palne gazy i pary cieczy opiera się najczęściej na ich rozrzedzeniu poniżej ich DGW za pomocą wentylacji (grawitacyjnej lub wymuszonej). System wentylacji powinien być odpowiednio zaprojektowany w odniesieniu do substancji stwarzającej zagrożenie (gęstość gazu lub par cieczy względem powietrza) oraz automatycznie uruchamiany z systemu detekcji stężeń. Kontrola stopnia rozrzedzenia atmosfery wybuchowej powinna być realizowana przez ciągły pomiar stężenia na poziomie procentowym DGW, zaś same urządzenia wentylacyjne powinny być w stanie możliwie szybko wyeliminować lub rozrzedzić do bezpiecznego poziomu tworzącą się atmosferę wybuchową. Zapobieganie występowaniu atmosfer wybuchowych gazowych wewnątrz instalacji procesowych polega z reguły na obniżeniu poziom tlenu (zastąpienie go gazem obojętnym) i kontroli stężenia samej substancji palnej na poziomie wyższym od GGW (górnej granicy wybuchowości). Niestety, w części procesów przemysłowych nie jesteśmy w stanie wyeliminować tworzenia się atmosfer wybuchowych zewnętrznych i wewnętrznych (wewnątrz instalacji technologicznych). W takim przypadku jedynym profilaktycznym środkiem ochronnym jest eliminacja źródeł zapłonu.
Zapobieganie występowaniu atmosfer wybuchowych gazowych wewnątrz instalacji procesowych polega z reguły na obniżeniu poziom tlenu (zastąpienie go gazem obojętnym) i kontroli stężenia samej substancji palnej na poziomie wyższym od GGW (górnej granicy wybuchowości).
Najważniejsze źródła zapłonu przywołuje norma PN-EN 1127-1:2011. Są to:
Urządzenia w wykonaniu EX
Kolejnym obligatoryjnie stosowanym środkiem ochronnym, oczywiście poza zachowaniem odpowiednich bezpiecznych parametrów prowadzenia procesu technologicznego, są urządzenia elektryczne o budowie i kategorii ochrony odpowiedniej do rodzaju wyznaczonej strefy zagrożenia wybuchem w obszarze, w którym dane urządzenie pracuje. Należy tutaj również podkreślić, że instalacje doprowadzające energię elektryczną do tych urządzeń w wykonaniu EX, a w szczególności elementy łączeniowe, osprzęt elektryczny (puszki, dławnice itp.), również muszą posiadać odpowiednią kategorię budowy EX. Warto zwrócić uwagę na fakt, że oznaczenie urządzeń EX dotyczy nie tylko urządzeń elektrycznych, ale również urządzeń nieelektrycznych. Urządzenia mechaniczne nieelektryczne podczas pracy nie mogą wytwarzać wewnętrznych źródeł zapłonu – reguluje to norma PN- EN 13463-1:2010, która określa wymagania stawiane takim urządzeniom.
Elektryczność statyczna
Następnym zagrożeniem, które powinniśmy uwzględnić, jest elektryczność statyczna. Ochrona przed elektrycznością statyczną to temat na osobny artykuł, niemniej jednak w dużym uproszczeniu możemy ją podzielić na dwa ogólne obszary: możliwość przeskoku iskry zapalającej z uwagi na różnicę potencjałów pomiędzy aparatami w instalacji oraz możliwość przeskoczenia iskry pomiędzy aparatami instalacji technologicznej a człowiekiem. W przypadku ochrony przed elektrycznością statyczną pomiędzy aparatami należy skupić się na eliminacji różnicy potencjałów pomiędzy nimi. Różnica ta może być wynikiem gromadzenia się ładunków elektrostatycznych na obudowie urządzenia, spowodowanego np. przesypywaniem lub przelewaniem surowca, jak również wystąpieniem prądów błądzących. Dlatego ważne jest odpowiednie uziemienie aparatów – służą do tego połączenia wyrównawcze, różnego rodzaju klamry uziemiające, zaciski, opaski. W przemyśle stosunkowo często stosowane są systemy uziemienia z kontrolą poprawności ich działania. Realizowane jest to odpowiednim alarmem optycznym, który daje informację o skutecznym uziemieniu. Bardziej zaawansowaną technicznie formą jest automatyczna kontrola uziemienia autocystern lub cystern kolejowych. Kontrola poprawności uziemienia jest sprzężona z układem sterowania, który blokuje możliwość pracy bez spełnienia warunku. W przypadku ochrony przed iskrą pochodzącą od jej przeskoku na człowieka lub z niego należy stosować odpowiednią odzież i obuwie w wykonaniu antystatycznym. Trzeba pamiętać, że aby istniała możliwość odprowadzenia ładunku lektrostatycznego, oprócz stosowania obuwia i odzieży antystatycznej istotne jest wykonanie posadzki przewodzącej. Ochronę antyelektrostatyczną regulują zapisy normy PN-E-05204 z 1994 r. Norma ta mówi, że ochronę przed elektrycznością statyczną należy stosować w przestrzeniach zagrożonych wybuchem i pożarem, w których występują media palne o MIE (minimalnej energii zapłonu) poniżej 500 mJ, a obowiązkowo, jeżeli MIE < 50 mJ w przypadku pyłów i 0,1 mJ w przypadku gazów. Oznacza to, że ochrona antyelektrostatyczna w przypadku niektórych palnych pyłów (np. pyłów węgla kamiennego i brunatnego), których minimalna energia zapłonu wynosi powyżej 1000 mJ, będzie niecelowa. Organizacyjnym środkiem ochronnym, łączącym środki opisane powyżej, są również szkolenia specjalistyczne z zakresu ochrony przeciwwybuchowej. Świadomość zagrożeń jest kluczowa dla zapewnienia bezpieczeństwa, tym bardziej że ryzyka bywają nieoczywiste, np. wybuchowe pyły mogą tworzyć się z produktów, takich jak mąka, cukier, mleko w proszku, kakao. Natomiast atmosfery wybuchowe gazowe (pary cieczy) mogą przy odpowiednich warunkach tworzyć się z cieczy niesklasyfikowanych jako niebezpieczne pożarowo (temperatura zapłonu > 55°C).
Zapobieganie tworzeniu się atmosfer wybuchowych (zewnętrznych) przez palne gazy i pary cieczy opiera się najczęściej na ich rozrzedzeniu poniżej ich DGW za pomocą wentylacji (grawitacyjnej lub wymuszonej).
W artykule starano się opisać w sposób ogólny istotne aspekty dotyczące zapobiegania możliwości tworzenia się atmosfer wybuchowych. Jest to pierwsza część cyklu, która koncentruje się na samym zjawisku wybuchu oraz na dostępnych rozwiązaniach, przede wszystkim organizacyjnych. Z uwagi na różnice zarówno w parametrach surowców i substancji mogących stworzyć zagrożenia wybuchem, jak i ilości różnorodnych procesów technologicznych, znajomość zagadnień dotyczących ryzyka wybuchu oraz poprawny dobór procedur organizacyjnych są niezwykle istotnym elementem profilaktyki przeciwwybuchowej.
