6.7. Пожаро- и взрывоопасные объекты

В литературе за период 1970-1989 гг. описано 150 случаев аварий в промышленности, сопровождавшихся взрывами. Из этого числа взрывов 42,5% приходилось на горючие углеводородные газы; 18,0% - на взрывы, связанные с водородом; 15,5% - на взрывы паров легковоспламеняющихся жидкостей; 12,0% - на взрывы конденсированных нестабильных химических соединений; 5,3% - на взрывы пылей органических продуктов. Остальные были вызваны другими разнообразными причинами.

Все отмеченные взрывы привели не только к разрушению технологического оборудования и зданий, т. е. к значительному материальному ущербу, но и к поражению обслуживающего персонала, а в ряде случаев и населения вблизи промышленных предприятий.

Из общего числа упомянутых крупномасштабных случаев аварий взрывы в технологической аппаратуре произошли в 84 случаях и 66 - в атмосфере. В 73 случаях имело место серьезное разрушение промышленных зданий, строительных конструкций и коммуникаций.

В 30-ти упомянутых случаях взрывов имели место выброс в атмосферу значительных количеств токсичных продуктов – хлора, аммиака, азота, оксидов углерода и др.

Как показывает многочисленные исследования, к наиболее тяжелым последствиям приводят аварии со взрывом больших масс паров газов в сочетании с возникающими при этом парами.

Так, из общего числа аварий 35% приходится только на взрывы; в 23% случаев взрывы сочетались с пожарами и в 34% аварии заканчивались только пожарами.

6.7.1. Классификация взрыво-, пожароопасных объектов

Вероятность возникновения взрыва практически любом промышленном производстве определяется, в первую очередь, наличием или образованием взрывоопасных или нестабильных веществ, склонных к самоускоряющимся превращениям.

Склонность к взрыву могут проявить и относительно стабильные продукты в условиях высоких температур и давлений, имеющих место или возникающих в производстве.

По результатам многочисленных исследований аварийных ситуаций промышленных производств можно определить три, следующих друг за другом, фазы развития чрезвычайной ситуации, приводящей к взрыву.

Первая фаза – возникновение аварийной ситуации в пределах одного технологического блока (участка или процесса). В этой фазе наблюдаются опасные отклонения некоторых параметров от их регламентированных значений. Эти отклонения могут повлечь за собой незначительные взрывные процессы в аппаратуре, небольшие локальные механические нарушения герметичности технологического участка.

Угрозы цепного развития реакции пока нет.

Вторая фаза – возникает угроза цепного развития аварии с выходом за пределы локального участка в результате обширного вскрытия (разгерметизации) всей системы. Появляется возможность вовлечения в аварийный процесс всего технологического объекта (цеха, установки или производства).

Третья фаза – цепное развитие аварии на уровне технологического объекта с возможным (или вероятным) разрушением зданий и сооружений, в которых сосредоточены большие запасы энергоносителей и токсичных продуктов.

Возможные масштабы повреждений и поражений людей выходят за пределы промышленного предприятия.

Несмотря на общность фазового деления аварийной ситуации, в каждом конкретном случае возможны только присущие этой фазе особенности.

Под термином «взрыв» понимается физическое явление, сопровождающееся выделением энергии в виде разрушений и разброса элементов конструкций, как следствие расширения образовавшихся газообразных и парообразных продуктов, породивших, в свою очередь, воздушную ударную волну.

Это может быть:

• результатом быстрого сгорания легковоспламеняющегося облака газа (пара);

• в результате внезапного механического разрушения сосуда (баллона) со сжатым и сжиженным газом или с перегретой жидкостью;

• вследствие смешивания расплавов с холодными жидкостями (быстрое смешивание) и целый ряд возможных других причин.

По своей физической природе взрыв может быть следствием быстропротекающей экзотермической химической реакции или термического разложения нестабильных соединений; следствием внезапного (мгновенного) механического разрушения (или смешивания резко отличающихся по температуре продуктов).

Основными энергоносителями химических взрывов могут быть газообразные и парообразные вещества, жидкости и твердые вещества, а также аэровзвеси горючих веществ в окислительной (в воздухе) среде.

Вероятность образования взрывоопасной среды в технологическом аппарате и её инициирование определяется возможными и характерными отклонениями от регламентированного технологического процесса.

В технологическом аппарате возможно наличие постоянных источников воспламенения, к числу которых могут быть отнесены: открытый огонь, раскаленные стенки аппарата, перегретый катализатор, удары и трения металлических деталей в насосах и компрессорах; твердые нагретые частицы, взвешенные в движущемся газовом потоке.

Наряду с постоянными источниками воспламенения в ходе технологического процесса возможно появление случайных источников в результате тех или иных нарушений и отклонений от регламентированных показателей. К числу таких случайных источников воспламенения может быть отнесено: не предусмотренный регламентом перерыв, образование нестабильных побочных продуктов и развитие непредусмотренных реакций.

Появление случайных источников воспламенения при разработке технологического регламента, как правило, должно учитываться.

В этой связи стабильность технологического процесса при его отработке оценивается отношением регламентированного значения какого-либо параметра к его возможному критическому значению, при котором возможна критическая ситуация.

Величина этого отношения является показателем безопасности технологического процесса и должна быть, как правило, меньше единицы. Чем больше возможных опасных параметров имеет технологический процесс и больше числовые показатели безопасности, тем более взрывоопасным является весь процесс в целом.

Исключить возможность аварийной ситуации, приводящей к появлению взрыва, возможно, в первую очередь, правильным выбором основных параметров технологического процесса (температуры, давления, скорости потока реагентов и др.) и, что не менее важно, четкостью и стабильностью их регулирования в регламентированных пределах.

Большинство взрывоопасных технологических процессов предполагает четкое фиксирование параметров исходного сырья и полупродуктов, его агрегатный и химический состав. Так, внезапное изменение или нарушение количественного состава газовой фазы (наличие горючего и окислителя) во многих случаях может привести к взрыву в аппаратуре. Изменение состава жидкого сырья, отличного от регламентированного, также чревато аварийной ситуацией.

Особую роль в возможном создании аварийной ситуации могут играть различные катализаторы, ингибиторы и ряд других, используемых в технологическом процессе добавок. В этой связи при разработке технологического регламента (основного документа, регламентирующего весь технологический процесс) особое внимание уделяется качественному составу исходных сырьевых материалов, катализаторов и других добавок. В каждом конкретном случае весь процесс оценивается так называемым «показателем взрывоопасности», который учитывает не только собственно сырье, но и наличие в нем возможных примесей.

Кроме качественного состава исходного сырьевого материала на возможную взрывоопасность процесса существенное влияние может оказать дозировка и скорость дозирования этих материалов в определенных регламентированных пределах.

Сверхрегламентированное повышение давления в ходе технологического процесса часто может приводить и к повышению температуры, что, в свою очередь, ведет к непредусмотренному росту скорости процесса.

В технологическом процессе могут использоваться различные по агрегатному состоянию вещества: твердые, жидкие, газообразные.

По отношению к способности гореть и взрываться Институтом пожарной обороны МВД (МЧС) России предложена следующая классификация веществ и материалов:

• негорючие (несгораемые) вещества и материалы, не способные к горению на воздухе;

• трудногорючие (трудносгораемые) вещества и материалы, способные возгораться в воздухе от внешнего источника воспламенения, но при его удалении самостоятельное их

горение прекращается;

• горючие (сгораемые) вещества и материалы, способные возгораться от внешнего источника и в дальнейшем самостоятельно гореть.

Из группы горючих веществ и материалов в особую подгруппу выделены легковоспламеняющиеся вещества и материалы, т. е. такие, которые способны воспламенить от кратковременного (до 30 с) низкоэнергетического источника воспламенения (искра, пламя спички, тлеющие материалы и пр.).

Качественной характеристикой легковоспламеняющихся веществ и материалов служит температура вспышки, т. е. такая самая низкая температура вещества или материала, при которой над их поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхнуть от внешнего источника зажигания. Устойчивого горения при этом не происходит, но при этой температуре вещество или материал уже представляют собой пожарную опасность. Величина температуры вспышки учитывается при классификации жидкостей по степени пожарной опасности, при определении категорий производств по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности; при оценке взрывоопасных и пожароопасных зон; при разработке мероприятий по обеспечению пожаро- и взрывобезопасности в соответствии со СНиП и ПУЭ (правила установки электрооборудования).

Согласно общегосударственным нормам технологического проектирования производственные помещения и здания по их степени пожаро-, взрывобезопасности подразделяются на пять категорий:

Категория А - взрывопожароопасная. К ней относятся следующие вещества: горючие газы; легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28 С в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышающее 5 кПа. Вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или одно с другим в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа.

Категория Б – взрывопожароопасная. К ней относятся следующие вещества: горючие пыли или волокна; легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки более 28 С; горючие жидкости в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление в помещении, превышающее 5 кПа;

Категории В1 – В4 (пожароопасные). Эти категории включают: легковоспламеняющиеся, горючие и трудногорючие жидкости; твердые горючие и трудногорючие вещества и материалы; вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или одно с другим только гореть при условии, что помещения, в которых они находятся или образуются, не относятся к категориям А или Б.

Категории Г относятся помещения, в которых обращаются или хранятся вещества: негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкость и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива.

К категории Д относятся помещения, в которых обращаются или хранятся: негорючие вещества и материалы в холодном состоянии.

По предложенной классификации категорируются не производства, а здания и сооружения, в которых размещено то или иное производство с веществами и материалами, попадающими под ту или иную категорию. Подобная классификация достаточно общая и, в принципе, приемлема для любого производства.

При определении категории помещения оцениваются не только качественные характеристики веществ, но и их количество, поступающее в помещение, которое может образовывать взрывоопасные газо- или паровоздушные смеси.

Для подобной оценки принимаются следующие основные предпосылки:

• происходит расчетная наиболее неблагоприятная авария одного из аппаратов;

• все содержимое аварийного аппарата поступает в помещение;

• одновременно происходит утечка вещества из трубопровода питающего аппарат как по прямому, так и по обратному потоку в течение всего того времени, которое требуется для отключения трубопровода.

При этих предпосылках для дальнейшей оценки принимаются:

▪ произошла авария наиболее крупной единицы технологического оборудования;

▪ утечка горючего (взрывоопасного) из подводящих трубопроводов продолжается в течение всего времени до их расчетного отключения.

При аварийном проливе горючих жидкостей категории А и Б определяются исходя из времени и старения жидкости, создающие взрывоопасную паровоздушную среду.

Расчетное (возможное) избыточное давление взрыва ( Р) для индивидуальных горючих (взрывоопасных) веществ может быть определенно по полуэмпирической зависимости:

,

где - максимальное давление взрыва стехиометрической смеси в замкнутом объеме, кПа;

- начальное давление, кПа;

- масса горючего, вышедшего в помещение в результате аварии (расчетной), кг;

- коэффициент участия горючего во взрыве;

- свободный объем помещения, м ;

- плотность горючего, кг/м ;

- стехиометрическая концентрация, об. %;

- коэффициент, учитывающий негерметичность помещения, и, как правило,

принимается равным 3.

Свободный объем помещения (V ) определяется как разность между полным объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием. В том случае, когда это не представляется возможным, объем свободного помещения условно принимается равным 80% геометрического помещения всего помещения.

Категория промышленного здания определяется на основании размеров площадей, находящихся в нем помещений различной категории.

Так, промышленное здание может быть отнесено к категории А, если суммарная площадь помещений в этом здании, отнесенных к категории А, превышает 5% площади всех помещений или составляет 200 м .

Промышленное здание может быть отнесено к категории Б, если одновременно наблюдаются следующие условия:

• здание не относится к категории А;

• суммарная площадь помещений, отнесенных к категории А и Б, превышает 5% общей площади всех помещений или равна 200 м .

Здание относится к категории В при выполнении одновременно двух условий:

• здание не относится к категориям А и Б;

• суммарная площадь, отнесенных к категории А, Б и В, превышает 5% (или 10% в том случае, когда отсутствуют помещения категорий А и Б) общей площади всех помещений.

Здание относится к категории Г при соблюдении двух условий:

• промышленное здание не относится к категориям А, Б или В;

• суммарная площадь производственных помещений, отнесенных к категории А, Б, В или Г, превышает 5% общей площади всех помещений.

Промышленное здание может быть отнесено к категории Д, если оно не попадает под категории А, Б, В или Г.

Данное категорирование промышленных зданий и помещений с точки зрения их взрыво-,

пожароопасности является основной для определения комплекса требований к ним в отношении планировки и застройки, этажности, производственных площадей, конструктивных решений и инженерного оборудования, обеспечивающих их сохранность в условиях возможных пожаров и взрывов.

Основные мероприятия по обеспечению безопасности кроме категорирования помещений и зданий, предполагают учет основных пожаро-, взрывоопасных свойств и количеств конкретных веществ и материалов.

Это обстоятельство требует классификации производственных помещений и наружных установок по взрыво-, пожароопасным зонам.

Взрывоопасная зона – помещение или ограниченное пространство в помещении или наружной установке, в которой имеются или могут образовываться взрывоопасные смеси.

Пожароопасная зона – пространство внутри и вне помещения, в пределах которого постоянно или периодически применяются горючие вещества, и в котором они могут находиться при нормальном технологическом процессе или при его нарушении.

При определении взрывоопасных зон принимается, что она занимает весь объем помещения при условии, что объем взрывоопасной смеси превышает 5% свободного объема помещения.

Взрывоопасной считается также зона в пределах до 5 м по горизонтали и вертикали от технологического аппарата, из которого возможно выделение горючих газов или паров, а объем взрывоопасной газо- или паровоздушной смеси равен или менее 5% свободного объема помещения.

За пределами взрывоопасной зоны считается невзрывоопасным (при отсутствии возможных других факторов, создающих взрывоопасность).

В качестве примера рассмотрим характеристику некоторых зон.

З о н ы к л а с с о в В-1.

Зоны, расположенные в помещениях, в которых выделяются горючие газы или пары в таком количестве и с такими свойствами, что они могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси при нормальных режимах работы (т. е. образовывать смеси с воздухом, оказывающиеся по концентрации взрывоопасного компонента в пределах взрывоопасной области – выше нижнего или ниже верхнего пределов взрываемости).

В свою очередь, этот класс (В-1) подразделяется на подклассы: В-1а; В-1б; В-1г.

Подкласс В-1а - зоны, расположенные в помещениях, в которых при нормальной эксплуатации производственного оборудования взрывоопасные смеси могут образовываться только в результате возникших неисправностей или аварии.

Подкласс В-1б - зоны, расположенные в помещениях, в которых паро-, газовоздушные смеси в условиях нормальной эксплуатации оборудования не образуется, а возможное их образование в условиях аварийной ситуации характеризуется следующими основными особенностями:

• горючие газы имеют высокий нижний концентрационный предел взрываемости (более

15% об.);

• горючие газы обладают резким запахом;

• помещения, в которых присутствует газообразный водород и в которых по условием технологического процесса практически исключено образование взрывоопасной смеси в объеме, превышающем 5% свободного объема помещения.

К этому подклассу относятся зоны лабораторных и других помещений, в которых горючих веществ недостаточно для создания взрывоопасной смеси, превышающей 5% свободного объема помещения.

Зона подкласса В-1г - пространства у наружных установок с горючими веществами; надземные и подземные резервуары (газгольдеры); эстакады для слива и налива горючих жидкостей (например, бензинов); открытые нефтеловушки и пр.

З о н а к л а с с а В-II представляют зоны, расположенные в помещениях, в которых выделяются переходящие во взвешенное состояние горючие пыли или волокна в таком количестве и с такими свойствами, что они способны образовывать взрывоопасные смеси с воздухом при нормальных режимах работы технологического оборудования.

Зоны, расположенные в помещениях, в которых опасное состояние может возникнуть только в результате аварии или неисправного оборудования, относятся к зонам подкласса В-IIа.

Помещения и установки, в которых производятся или хранятся жидкости с температурой вспышки более 61 С или пыли, нижний концентрационный предел взрываемости которых выше 65 г/м , относятся к пожароопасным.

Зона класса П-1 - помещения, в которых содержатся горючие жидкости.

Зона класса П-II - помещения, в которых содержатся твердые горючие вещества, не способные переходить во взвешенное состояние.

Установки класса П-III - это наружные установки, в которых содержатся жидкости с температурой вспышки более 61 С или твердые горючие вещества.

Пожароопасная классификация производственных помещений регламентирует комплекс требований мероприятиям пожарной профилактики и к системам противопожарной защиты. Вероятность воздействия на человека опасных факторов пожара, превышающих предельно допустимые значения, не должна превышать в год.

Для проведения необходимых оценок используется следующее аналитическое выражение:

,

где - вероятность достижения предельных значений;

- вероятность возникновения пожара или взрыва;

- вероятностная эффективность профилактических мер;

- вероятностная эффективность активных мер противопожарной защиты.

В свою очередь, вероятность возникновения пожара или взрыва ( ) может быть определена по формуле:

,

где - вероятность возникновения пожара или взрыва в том помещении

производственного здания в год;

- число помещений в здании.

Основу подобной вероятностной оценки возникновения пожара или взрыва в производственном помещении составляет вероятность образования горючей (взрывоопасной) паро-, газовоздушной среды и появления в ней источника вынужденного зажигания (воспламенения). Наряду с общегосударственными законодательными документами вопросы пожаро-, взрывобезопасности регламентируются министерскими и ведомственными нормативными документами.