8 Взрывоопасность производств и взрывозащита

Потенциальная опасность взрывов в металлургических цехах существует постоянно и только благодаря надежным преду­предительным мероприятиям взрывы здесь — редкое явление.

Причинами взрыва могут быть нарушения нормальной экс­плуатации оборудования, работающего под давлением; воспла­менение газов, паров и пыли, образующихся при проведении металлургических процессов; контакт воды с расплавленным металлом и шлаком.

Причиной взрыва, например, парового котла может явиться нарушение целости стенок его из-за низкого качества металла, чрезмерного давления пара, понижения уровня воды в котле (что приведет к перегреву стенок котла) и т. д. При разрыве стенки котла про­исходит мгновенное испарение находившейся в нем под давле­нием нагретой воды и образование громадного количества пара, расширяющегося с большой силой.

В работающих под давлением сосудах, воздушно-компрес­сорных установках и воздухопроводах могут образоваться взры­воопасные смеси паров масла и воздуха. На внутренней поверх­ности воздухопроводов может образоваться окисная пленка масла. Образование перекисных соединений грозит взрывом при нагреве до 60°С, ударе или сотрясении. Поэтому для смазки употребляют незагрязненные масла с температурой вспышки не ниже 240° С. Все сосуды компрессорных установок часто про­дувают, периодически очищают воздухосборники от масла и наслоений. Воздух тщательно отфильтровывают от масла. Тем­пература сжатого воздуха должна быть не выше 140°С. Во вся­ком случае разница между температурой сжатого воздуха и температурой вспышки масла не должна быть меньше 75°С.

Вопросы безопасности работы указанного оборудования рассматриваются в соответствующих специальных курсах.

В различных газовых устройствах металлургических цехов в результате подсоса воздуха могут образоваться взрывоопасные смеси. Причинами подсоса воздуха являются недостатки конст­рукции (сравнительно редко), нарушения при эксплуатации металлургических печей, газопроводов и других устройств, в осо­бенности при ремонтах и неполадках. Взрывоопасные смеси могут образоваться также из-за неполного сгорания топлива. Кроме того, взрывоопасная смесь может образоваться и вне газовых устройств в результате просачивания газа в окружаю­щее пространство и образования «мешков».

Воспламенение взрывоопасной смеси может произойти от от­крытого огня, электрической искры, трения, заряда статическо­го электричества, нагрева или сжатия смеси.

8.1 Взрывоопасность газов, паров, пыли

Взрыв — внезапное изменение физического или химического состояния вещества, сопровождающееся крайне быстрым выде­лением энергии, которое приводит к разогреву, движению и сжатию продуктов взрыва и окружающей воздушной (газовой) среды, возникновению интенсивного скачка давления и разру­шениям.

В окружающей среде образуется и распространяется особо­го рода возмущение — ударная волна.

При взрыве газовых и пыле-воздушных смесей выделяется химическая энергия, происходит крайне быстрое химическое пре­вращение с выделением тепла и образованием нагретых сжатых газов.

Наиболее общее свойство горения — возможность при изве­стных условиях прогрессивного самоускорения химического превращения — воспламенения, связанного с накоплением в реа­гирующей системе тепла или активных продуктов цепной ре­акции.

Для начала горения необходим тот или иной начальный энергетический импульс, чаще всего нагрев горючего. Различа­ют два способа воспламенения: самовоспламенение и вынуж­денное воспламенение, или зажигание. Самовоспламенение про­исходит при нагревании всего объема смеси или стенок заклю­чающего ее сосуда до температуры самовоспламенения, при которой выделяющееся количество тепла больше, чем рассеи­вающееся в окружающую среду. Вынужденное воспламенение происходит в результате зажигания смеси в одной точке каким-либо высокотемпературным источником тепла — пламенем, на­каленным телом, электрической искрой и т. д. Из-за большей, чем при самовоспламенении, теплоотдачи температура источни­ка зажигания должна быть больше, чем температура самовос­пламенения.

Воспламенение смесей горючих газов или паров с воздухом или кислородом может быть достигнуто путем подогрева смеси, также путем местного ее зажигания (например, электриче­ской искрой).

При подогреве химическая реакция протекает одновременно во всем объеме заключенной в сосуде смеси. При местном за­жигании в точке зажигания возникает пламя, распространяю­щееся по исходной смеси.

Пламя представляет собой тонкий слой, отделяющий еще не реагировавшую исходную смесь от продуктов реакции, в которых химическая энергия перешла в тепловую.

Причиной распространения пламени является передача теп­лоты от продуктов горения несгоревшей смеси.

В результате выделения теплоты реакции и теплопроводно­сти возникает определенное распределение температур в газовой смеси (рис. 8.1).

Рисунок 8.2 - Распределение температур в горящей газовой смеси

Зона горения начинается при температуре воспламенения (Т_в), близкой к температуре горения смеси (Т_г). В зоне между температурами Т_в и Т_о (начальной температурой исходной смеси) происходит медленный прогрев.

Скорость распространения пламени при горении всегда, и притом во много раз, меньше скорости звука. Это объясняется тем, что скорость передачи энергии в газе путем теплопровод­ности невелика по сравнению со скоростью распространения в нем упругих колебаний.

Концентрация реагирующего вещества во франте пламени меняется не только вследствие протекания самой реакции, но и в результате диффузии.

Равномерное распространение пламени с постоянной скоро­стью осуществляется лишь при зажигании газовой смеси у от­крытого конца трубы. При горении в закрытых трубах пламя распространяется с непрерывно возрастающей скоростью.

В результате расширения продуктов горения позади фронта пламени впереди него в исходной смеси возникают волны сжа­тия, которые, подобно поршню, приводят газ в движение. Каждая последующая волна сжатия, распространяясь в более плот­ной среде, догоняет предыдущую, и в результате наложения та­ких элементарных волн постепенно возникает достаточно крутой перепад давления, характерный для ударной волны. По мере распространения пламени интенсивность ударной волны возрастает, а вместе с ней возрастает и скорость движения газа (до сотен м/сек), в то время как в условиях нормального горе­ния скорость распространения пламени относительно неподвиж­ной смеси не превышает 10 м/сек даже в самых быстро горя­щих смесях.

Таким образом, пламя распространяется в сжатом и движу­щемся газе, благодаря чему оно ускоряется. По мере ускорения распространения пламени растет и амплитуда ударной волны, обусловливая последующее его ускорение, и т. д. Когда интен­сивность ударной волны достигнет некоторого критического значения, происходит детонация.

Детонация — распространение горения с равномерной, впол­не определенной для каждой горючей смеси, сверхзвуковой ско­ростью порядка 1000—3500 м/сек. При нормальном горении скорость распространения пламени определяется процессами теплопроводности и диффузии; для газов эта скорость не пре­вышает нескольких метров в секунду. При детонации химическое превращение возбуждается ударной волной, которая при своем распространении сжимает и нагревает вещество.

Большая скорость химического превращения, сопровождаю­щегося выделением тепла и образованием продуктов горения, приводит к тому, что при детонации в газовых смесях развива­ются высокие давления, достигающие 5 • 10⁵ н/м².

При горении в газо-воздушной смеси создается определенное распределение давлений (рис. 8.2).

По мере увеличения скорости распространения пламени уменьшается различие между ней и скоростью движения удар­ной волны и, наконец при скорости, равной скорости детона­ции, они совпадут.

Рисунок 8.3 - Распределение давления в горящей газовой смеси

Когда давление на фронте ударной волны достигает своего критического значения, при котором скорость волны станет рав­ной скорости детонации, происходит самовоспламенение сжатого газа.

При движении сжатого газа впереди фронта пламени при­легающие к стенке трубы слои газа тормозятся, соответственно ускоряется движение газа в центре трубы, в результате чего возникает турбулизация газа. Распределение скорости по се­чению становится неравномерным, что приводит к перестройке профиля фронта пламени и увеличению поверхности горения; пропорционально этому увеличивается количество вещества, сгорающего в единицу времени; возрастание скорости сгорания в свою очередь вызывает увеличение скорости движения газа и т. д.

В большинстве случаев причиной возникновения взрыва яв­ляется разогрев смеси, но при известных условиях медленная реакция может самоускориться не вследствие разогрева, а в ре­зультате накопления в системе активных промежуточных про­дуктов реакции, создающих благоприятные условия для разви­тия и разветвления цепей. В этом случае разогрев смеси не при­чина, а следствие взрыва.

Давление при взрыве газо-воздушных смесей определяется по формуле

где Т_о и Т_взр — начальная температура смеси и температура взрыва, °К;

Р_о и Р_взр — начальное и взрывное давление смеси, н/м²;

М — число молекул продуктов горения;

N — число молекул исходной смеси.

Тонкоизмельченные частицы твердого вещества благодаря развитой поверхности обладают значительной химической актив­ностью, адсорбируют газы, электризуются, и в результате этого многие вещества, которые с трудом горят, в виде пыли легко взрываются.

Давление, возникающее при взрыве пыли вследствие быст­рого образования газообразных веществ и расширения воздуха, может оказаться весьма значительным. Так, при взрыве 1г мел­кодисперсной сахарной пыли, распределенной в 4 л воздуха, благодаря теплоте реакции, способной нагреть продукты реак­ции до 4300° С, в постоянном объеме создается давление в 1,5 раза больше, чем при взрыве того же объема смеси метана с воздухом.

Так как горение пыли протекает медленнее, чем горение га­зов, зона горения оказывается несколько более широкой.

Скорость распространения пламени в аэрозоле зависит от величины пылинок; с увеличением крупности пылинок уменьша­ется скорость распространения пламени, а при определенной крупности пламя распространяться не может.

При горении прогрев горючей жидкости на большую глуби­ну в случае наличия в жидкости или на дне резервуара воды вызывает парообразование 'и связанное с ним повышение дав­ления, которое приведет к вскипанию и выбрасыванию горящей жидкости из резервуара.