microbik.ru
1 2 ... 4 5
АКАДЕМИЯ ТРУДА И СОЦИАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ
ОТКРЫТЫЙ ИНСТИТУТ ОХРАНЫ ТРУДА, ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭКОЛОГИИ

И.В.БАБАЙЦЕВ
ВЗРЫВОПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
МОСКВА

2007


Раздел 1. Взрывоопасные ситуации на производстве

Рассматриваются причины и обстоятельства возникновения взрывоопасных систем на производстве, дается классификация источников энергии взрыва, анализируются опасные факторы взрыва и пожара и дается описание методики оценки вероятности воздействия этих факторов на персонал.

1.1. Причины возникновения взрывоопасных ситуаций на производстве
Развитие промышленного производства сопровождается постоянным увеличением риска возникновения аварий и катастроф и возрастанием масштабов их последствий. Это связано с увеличением количества энерго­носителей, обращающихся в производстве (например, только в сфере энергетики добывается, хранится и перерабатывается около 10 млн. т условного топлива, способного гореть и взрываться с выделением энергии, превышающей потенциал накопленного ядерного оружия за все время его существования), с повышением концентрации производства и расположением предприятий вблизи густона­селенных районов (вступает в действие фактор распространения пожаров и взрывов от одного объекта к другому — "принцип домино"), увеличением емкости отдельных агрегатов и хранилищ, расширением производства и транспортировки взрывоопасных материалов.

Зачастую взрывные процессы сопровождаются выбросом токсичных веществ и загрязнением окружающей среды. В г. Бхопале (Индия) в результате выброса 43 т метилизоцианата и продуктов его разложения была заражена территория в 10 км2, погибли 3150 человек и пострадали от интоксикации около 200 тыс. человек. Авария возникла в результате попадания воды в резервуар с метилизоцианатом с последующей экзотермической реакцией, бурным парообразованием и выбросом вещества через предохранительный клапан. При этом не работала ни одна из трех систем защиты (системы охлаждения, сигнализации о достижении предельно допустимой температуры и факельного сжигания паров были отключены или демонтированы).

Крупнейшая авария на хранилище сжиженных газов произошла в пригороде г. Мехико (Мексика). Авария началась с утечки пропанбутана, формирования облака смеси его с воздухом и последующего воспламенения и взрыва. Распространение пожара вызвало взрыв других емкостей со сжиженным газом с последующим вовлечением в пожар и взрыв новых источников (всего отмечено девять последовательных взрывов). В результате произошли тяжелые разрушения в радиусе 300 м, погибли 300 человек, серьезно ранены 7 тыс. и эвакуированы - 200 тыс. человек. Обломками разлетающихся емкостей разрушены жилые здания на расстоянии до 700 м от эпицентра взрыва.

Страшная трагедия произошла на железной дороге под Уфой в результате разрушения продуктопровода для перекачки под давлением ~3,5 МПа смеси сжиженных углеводородов с последу­ющим истечением газа и взрывом газовоздушной смеси, скопившейся в ложбине, которую пересекала насыпь железнодорожного пути. В результате взрыва потерпели аварию два встречных пассажирских поезда, воздушной ударной волной были сброшены с пути 11 вагонов, погибли или получили тяжелые повреждения 1224 из 1284 пассажиров поездов, воздействие ударной волны (выбиты стекла, иногда с поражением людей) наблюдалось на расстоянии до 15 км от эпицентра взрыва. Отметим, что при увеличении времени от начала истечения вещества до взрыва, происшедшего по некоторым данным в момент прохождения поездов через 6 мин после разрушения продуктопровода, масса газовоздушной смеси и, следовательно, число жертв могли бы существенно возрасти, так как в зоне воздействия взрыва находилось 10 населенных пунктов. В этом случае количество погибших исчислялось тысячами.

Вопрос о возможности возникновения опасной ситуации на данном предприятии может быть рассмотрен в двух аспектах. Во-первых, каждое предприятие (и его персонал) может быть объектом воздействия внешних факторов, возникших в результате стихийных бедствий, катастроф на соседних предприятиях или по другим причинам. Последствия поражения в этом случае возрастают при наличии на объекте пожаро-взрывоопасных, токсичных, радиоактивных материалов, аппаратов и емкостей со сжиженным или сжатым газом и другого опасного оборудования (в том числе агрегатов с расплавленным металлом). Во-вторых, предприятие само может быть источником и местом возникновения опасной ситуации. В этом случае важно решить вопрос о возможности последствий аварий или катастроф на предприятии для соседних промышленных объектов и жилых районов.

Последствия, которые можно охарактеризовать как чрезвычайную ситуацию, имел взрыв на Ульбинском металлургическом заводе (г. Усть-Каменогорск). В результате существенных недостатков при проектировании общеобменной и местной вытяжной вентиляции в цехе приготовления порошков бериллия в горизонтальном воздуховоде под зданием цеха скопилось большое количество бериллия (по оценке, проведенной после очистки воздухопровода после взрыва, — до 6 т). Часть порошка была увлажнена. При проведении сварочных работ в цехе загорелся влажный порошок и при израсходовании кислорода воздуха в объеме воздухопровода горел с образованием водорода, причем горячая водородоазотная смесь из зоны горения поступала по вертикальным воздуховодам в помещения, расположенные на четырех этажах здания, с последующим воспламенением и взрывом при смешении с воздухом в объеме отдельных помещений, имею­щих вентиляцию. Жертв при аварии и ее ликвидации не было, но поступление высокотоксичных продуктов горения в окружающую среду вызвало превышение ПДК на территории завода и в жилых районах в 600—890 раз. По расчетам в горении и взрыве участвовало < 250 кг бериллия, таким образом, при вовлечении в процесс остальной части имевшегося в воздухопроводе материала масштабы экологической катастрофы могли быть значительно больше.

Большинство опасных событий, связанных со взрывами, пожарами или выбросами в атмосферу токсичных веществ, по существующей терминологии следовало бы оценивать как аварии или катастрофы. Под аварией понимают внезапную остановку работы или нарушение процесса производства на промышленном предприятии, приводящее к повреждению или уничтожению материальных ценностей, а под катастрофой — событие, сопровождающееся разрушением зданий и сооружений и гибелью людей.

Однако, учитывая возможность возникновения всех этих опасных событий под воздействием внешних факторов, возможность существенного расширения зон поражения при вовлечении в процесс, возникающий на самом объекте, большого количества материала, а также опасные последствия аварий и катастроф для персонала и жителей близлежащих районов, мероприятия по обеспечению пожаровзрывобезопасности производства, предотвращению или сокращению выбросов опасных веществ могут рассматриваться как меры подготовки к возникновению взрывоопасных ситуаций и к ограничению и ликвидации их последствий.

1.2. Источники возникновения взрывов на производстве

При оценке потенциальной взрывоопасности производства следует учитывать ряд его специфических особенностей: использование большого количества газообразного, жидкого и твердого дисперсного топлива, широкое распространение высокотемпературных технологических процессов, наличие значительного количества расплавленного металла, образование взрывоопасных газов в ходе технологических процессов, использование различных взрывоопасных материалов, приготовляемых на этих предприятиях. Расширение использования взрывоопасных материалов, повышение их химической активности, внедрение ряда новых технологий, связанных с их применением, увеличивает вероятность возникновения и масштабы возможных последствий взрыва.

Теория горения и взрыва основывается на ряде фундаменталь­ных разработок: теории теплового самовоспламенения, теории горения, теории детонации, теории ударных волн, теории возник­новения взрыва при механических воздействиях и др. В их развитие существенный вклад внесли выдающиеся ученые: Н.Н.Семенов, Я.Б.Зельдович, Ю.Б. Харитон, Д.А. Франк-Каменецкий, К.К. Андреев, А.Ф. Беляев и многие другие. Одной из основных задач является использование теоретических разработок для прогнозирования и предотвращения взрывов на производстве.

В наиболее общем и простом для понимания виде понятие о взрыве формулируется следующим образом: взрывом называется физическое или химическое превращение вещества, сопровождающееся мгновенным переходом его внутренней энергии в энергию сжатия и движения исходного вещества, продуктов его превращения и окружающей среды. Это определение указывает на основное условие возникновения взрыва — наличие потенциальной энергии в системе, а также выделяет две основные стадии взрыва: превращение потенциальной энергии в энергию сжатия с соответствующим повышением давления и расширение сжатого вещества, при котором оно и среда приходят в движение с последующим разрушением.

Принципиально ко взрыву может привести такое превращение любого вида энергии. Известны взрывы с участием электрической энергии ("взрывающиеся проволочки" или искровой разряд под водой), атомной, кинетической (взрыв метеорита при ударе о землю), тепловой (паровые котлы, сосуды, работающие под давлением), химической (взрывчатые материалы), энергии упругого сжатия (затвердевание воды в замкнутом объеме).

Однако на производстве в подавляющем большинстве случаев ко взрыву приводят превращения химической и тепловой энергий. Взрывы с участием тепловой энергии сжатых газов или паров возникают при неправильной эксплуатации компрессоров, автоклавов, трубопроводов, баллонов и других видов оборудования, работающего под давлением. Проблема выявления потенциальной взрывоопасности такого оборудования и оценка условий ее проявления в этом случае не представляет особенной трудности, а вопросы обеспечения безопасности разработаны в достаточной степени.

Значительно сложнее выявить все системы, потенциально взрывоопасные при превращении внутренней химической энергии, определить свойства этих систем и критические условия, при которых начинается и развивается их превращение.

Обращающиеся на производстве пожаровзрывоопасные материалы можно условно разделить на четыре группы: смеси горючих газов с кислородом, воздухом или другими окислителями; смеси паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ) с воздухом или другими газообразными окислителями; аэровзвеси или взвеси в какой-либо окислительной среде дисперсных горючих материалов; конденсированные (целиком жидкие или твердые) взрывчатые системы.

Из взрывоопасных газов чаще всего используются водород, метан, оксид углерода, пропан, ацетилен. Водород применяется в качестве восстановителя в процессах порошковой металлургии и полупроводниковой технологии, при получении гидридов металлов; возможно также его образование при взаимодействии активных металлов с водой. Метан используется в качестве топлива, а в ряде технологических процессов — в качестве восстановительной среды.

Взрывоопасные смеси паров ЛВЖ и ГЖ с воздухом образуются при использовании, хранении и транспортировке жидких топлив, при использовании горючих растворителей в разных технологических операциях или при окрасочных работах.

Способностью образовывать взрывоопасные аэровзвеси при относительно невысоких концентрациях обладают порошки активных металлов: алюминия, магния, циркония, титана, бора, марганца, кремния и др., а также комплексные сплавы, содержащие эти металлы и щелочноземельные компоненты. При приготовлении и применении порошковых материалов наибольшее количество пожа­ров и взрывов происходит в установках дробления, измельчения, рассева, а также в пневмотранспортных и пылеулавливающих устройствах. В ряде случаев взрывы возникают в вентиляторах. Как правило, наблюдается распространение взрыва по технологической цепочке, связывающей отдельные аппараты, или по воздуховодам вентиляционных систем. Взрывы порошковых материалов зачастую выходят за пределы технологического оборудования, вовлекая во взрывной процесс осевшую на его поверхности и строительных конструкциях пыль. Отмечены также взрывы неметаллических дисперсных горючих материалов: угольных пылей, муки, сахара и т.д.

В группу конденсированных взрывчатых систем попадают материалы самых разных составов. Ограничимся лишь некоторыми примерами. Это промышленные взрывчатые вещества, используемые при горных и строительных работах, а также в технологических процессах. Например, при обработке металлов давлением, разделке негабаритов и разрушении кладки печей. В сталеплавильном и литейном производстве используют шлакообразующие и утепляющие экзотермические смеси, включающие порошки металлов и твердый окислитель (чаще всего нитрат натрия), которые по некоторым свойствам (например, по способности давать локальные взрывы при ударе и трении) напоминают взрывчатые вещества. Отметим, что все эти смеси, впрочем, так же, как и взрывчатые вещества и влажные активные металлы, способны гореть без доступа кислорода воздуха. Принципиальная возможность образования жидких взрывчатых систем имеется при смешении горючих жидкостей с сильными окислителями (например, с концентрированной азотной кислотой).

Специфическим источником возникновения взрывов является взаимодействие расплавленного металла или шлака с водой, возникающее при аварийных выходах расплавов из металлургических агрегатов или при попадании в них воды (например, с влажной шихтой).

1.3. Опасные и вредные факторы взрыва

В соответствии с нормативом — ГОСТ 12.1.010—76 опасными и вредными факторами, воздействующими на людей при взрыве, являются: ударная волна, давление на фронте которой превышает допустимое; пламя и пожар; обрушение оборудования, коммуникаций, конструкций зданий и сооружений и разлет их осколков; образование при взрыве и (или) выход из поврежденных аппаратов содержащихся в них вредных веществ и содержание этих веществ в воздухе в количествах > ПДК.

Ударная волна — область мгновенного сжатия среды, которая распространяется во все стороны от места взрыва. Давление во фронте ударной волны (ΔРф) и скорость ее распространения умень­шаются по мере удаления от эпицентра взрыва, и в конечном счете она превращается в обычную акустическую волну. Характер изменения давления в данной точке при прохождении через нее ударной волны показан на рис. 5.1. На фазе сжатия (время t+) давление падает после прохождения переднего фронта, затем возникает фаза разрежения (t_ ). В большинстве случаев поражающее и разрушающее действия ударной волны определяются параметрами фазы сжатия, однако, при взрыве сосудов со сжатыми газами и протяженном источнике взрыва параметры фазы разряжения достигают высоких значений.



Рис. 1.1. Изменение давления в данной плоскости при прохождении ударной волны.

Воздействие ударной волны на человека определяется и импульсом фазы сжатия



где атмосферное давление.

При взаимодействии ударной волны с неразрушающейся преградой возникает отраженная волна. Если преграда расположена перпендикулярно направлению распространения волны, то давление в плоскости отражения

ΔРотр = 2ΔРф + 6ΔРф2 / (ΔРф + 7Ро).

При ΔРф > 100 кПа происходят смертельные травмы или тяжелые контузии с разрывом внутренних органов, переломами костей, внутренними кровотечениями, сотрясением мозга.

При избыточных давлениях 60—100 кПа человек получает тяжелые травмы, при 40—60 кПа — травмы средней тяжести, при 20—40 кПа — легкие поражения. Наиболее чувствительны к воздействию ударной волны внутренние органы, заполненные газом и жидкостью (легкие), а также органы слуха. Помимо прямого поражающего действия возможны вторичные и третичные эффекты. К вторичным относят поражение осколками оборудования или разру­шающимися строительными конструкциями, к третичным — перенос тела ударной волной и последующий тормозящий удар.

Поражение легких зависит от ΔРф, времени воздействия волны и массы тела человека (mч). Влияние последних двух факторов характеризуется приведенным импульсом




Вероятность летального исхода при поражении осколками зависит от их массы и скорости движения. Возможность осколочного действия или поражения разрушающимися конструкциями заметно расширяет радиус опасной зоны, так как поражение возможно, например, от осколков оконного стекла, которое разрушается уже при ΔРф= 2-7 кПа.

1.4. Опасные и вредные факторы пожара

Согласно ГОСТ 12.1.004-91 опасными факторами пожара являются: пламя и искры; повышенная температура окружающей среды; токсичные продукты горения и термического разложения; дым; пониженная концентрация кислорода. Вторичные проявления опасных факторов пожара: осколки, части разрушившихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций; радиоактивные и токсичные вещества и материалы, вышедшие из разрушенных аппаратов и установок; электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения на токопроводящие части конструкций, аппаратов, агрегатов; опасные факторы взрыва по ГОСТ 12.1.010— 76, происшедшего в результате пожара; огнетушащие вещества.

Интенсивность воздействия огня на кожу человека характеризуется величиной теплового потока. При соблюдении необходимого времени эвакуации опасной является поверхностная плотность теплового потока Е> 0,3 кВт/м2. Допустимое время воздействия на человека теплового потока можно оценить по формуле:

t = 0,013Е-1,61,

где t время воздействия, ч.

Повышенная температура окружающей среды является причиной ожоговых поражений дыхательных путей и кожи. Для физически здоровых людей допустимо 10-мин воздействие темпе­ратур 80—100 ºС.

При расчете времени эвакуации исходят из допустимости температуры 60 ºС. Разогрев кожи выше 45 ºС вызывает болевые ощущения. Время нагрева до этой температуры может быть оценено по формуле:

t = (35 / E)1,33 ,

где t — время нагрева, с.

Нагрев кожи до 77 ºС вызывает ее мгновенное разрушение, а при температуре газа 149 ºС происходит практически мгновенный ожог дыхательных путей.

Статистические исследования показывают, что > 70% людей при пожарах погибают от отравления продуктами горения. Наиболее распространенными токсичными продуктами горения являются СО2 и СО. Предельно допустимое содержание СО2 ≤ 6 %. При концен­трации 10—12% в течение нескольких минут наступает смерть. Предельно допустимое содержание СО — 0,1 %.

Пониженное содержание кислорода может приводить к гибели людей даже при отсутствии токсичных газов. За предельно допус­тимый уровень при эвакуации принимается объемная доля кисло­рода 17 %, при которой уже наблюдается некоторая потеря координации движения и учащенное дыхание. При объемной доле кислорода 9% происходит потеря сознания, а при 6 % — смерть. Натурные испытания показывают, что содержание кислорода в помещениях при пожарах снижается в начальный период до 16%, а в период развитого пожара — до 1—2 %.

Характеристики токсичности огнетушащих веществ приведены в технических условиях на эти материалы. Отметим, что одним из наиболее распространенных средств тушения горения ЛВЖ (напри­мер, на станах и в маслоподвалах прокатных цехов) является СО2. Попадание людей в зону выброса этого газа при автоматическом срабатывании средств тушения приводило в ряде случаев к смертельным поражениям. Поэтому при использовании этого газа необ­ходимо оценить возможную концентрацию СО2 в воздухе рабочей зоны и разработать меры оповещения и обеспечения безопасности персонала.
1.5. Оценка вероятности возникновения взрывоопасных ситуаций
Оценка вероятности наступлений опасных со­бытий (пожара и взрыва) является в настоящее время уже норма­тивным требованием, так как ГОСТ 12.1.010—76 требует, чтобы вероятность возникновения взрыва на любом объекте не превышала в течение года 10-6 или (при технической нецелесообразности достижения этого параметра) чтобы вероятность воздействия опас­ных факторов пожара на персонал не превышала этого значения. Согласно ГОСТ 12.1.004—91 уровень предотвращения воздействий опасных факторов пожара на людей должен быть ≥ 0,999999, а допустимый уровень воздействия опасных факторов, превышающих предельно допустимые значения, ≤10-6 на каждого человека в год.

Вероятность воздействия опасных факторов пожара на человека

Qв= Qп ( 1- Pэ ) ( 1- Pп.з ) ,

где Qв вероятность воздействия опасных факторов на человека;

Qп— вероятность возникновения пожара; Pэ вероятность эвакуации людей; Pп.звероятность эффективной работы техни­ческих решений противопожарной защиты.

Pэ рассчитывается с учетом расчетного времени эвакуации людей и времени до блокирования эвакуационных путей в результате превышения опасными факторами пожара допустимых значений

Pп.з= 1- ∏ ( 1- Ri ) ,

где n— число технических решений противопожарной защиты в здании; Ri вероятность эффективного срабатывания i-того технического решения.

Для эксплуатируемых зданий вероятность воздействия опасных факторов на людей проверяется по формуле:

Qв = mMж / ( TN0 ) ,

где m коэффициент, учитывающий число пострадавших людей;

T рассматриваемый период эксплуатации однотипных зданий, год; Mж число жертв пожара в группе зданий за период T; N0 общее число людей, находящихся в здании.

Метод расчета вероятности возникновения пожара или взрыва в пожаровзрывоопасном объекте приведен в ГОСТ 12.1.004—91. При этом учитывается вероятность возникновения взрыва во всех помещениях здания при инициировании его как в самом поме­щении, так и в любом из расположенных в нем технологических аппаратов. В свою очередь эта вероятность связана с возможностью образования в объеме помещения или в любом технологическом объекте горючей среды, т.е. одновременным наличием горючего и окислителя, и возможностью появления источника зажигания. Методика позволяет учесть вероятность всех известных из опыта практики причин образования пожаровзрывоопасных смесей и источников зажигания, включает обязательную схему сбора статистических сведений, необходимых для проведения расчета.

Контрольные вопросы:

1. Почему с развитием промышленного производства увеличивается потенциальная опасность возникновения взрывов и пожаров?

2. Какое явление называется взрывом?

3. Какие взрывоопасные системы могут образоваться в производственных условиях?

4. Какие взрывоопасные газы наиболее широко используются в промышленности?

5. Какие опасные и вредные факторы воздействуют на персонал при возникновении взрыва?

6. Как проявляется и от чего зависит поражающее действие ударной волны?

7. Какие опасные и вредные факторы пожара относятся к первичным?

8. С чем связано проявление вторичных опасных и вредных факторов пожара?

9. Как оценить допустимое время воздействия на человека теплового излучения при пожаре?

10. Каково допустимое время воздействия на человека повышенных температур при возникновении пожара?

11. Укажите границы опасных условий воздействия на человека токсичных продуктов горения?

12. При каких условиях недостаток кислорода в воздухе при пожаре становится опасным для человека?

13. Как можно оценить допустимое время эвакуации персонала при пожаре?

14. Как оценивается вероятность воздействия опасных и вредных факторов пожара на персонал?

15. На каких принципах основывается методика оценки вероятности возникновения пожара или взрыва на промышленном объекте?



следующая страница >>