3.3. Безпека ПіД час експлуатаЦії установок

КРіОГЕННОї ТЕХНіКИ

Кріо…(від грецького kruos. холод, мороз, лід) частина складних

слів, що означає зв'язок з льодом, низькими температурами (напри1

клад, кріобіологія, кріогенез, кріогенна техніка тощо). Основні про1

блеми, що вирішуються кріогенною технікою – зрідження газів (азоту,

кисню, гелію та ін.), їх зберігання та транспортування у рідкому стані,

конструювання кріорефрежераторів – холодильних машин, що ство1

рюють і підтримують температуру 0–120oК, охолодження та термо1

статування при кріогенних температурах надпровідних матеріалів та

електротехнічних пристроїв, електронних приладів, біологічних

об’єктів тощо.

Під кріогенними продуктами розуміють речовини або суміш

речовин, що знаходяться при кріогенних температурах 0–120oК

(ГОСТ 21957176). До основних кріогенних продуктів відносять про1

дукти низькотемпературного розділення повітря: азот, кисень,

аргон, неон, криптон, ксенон, озон, а також фтор, метан, водень,

гелій.

Небезпечні та шкідливі виробничі фактори, що виникають при

експлуатації установок кріогенної техніки і при роботі з кріогенними

продуктами, ділять на загальні та специфічні, характерні для конкрет1

них кріогенних продуктів.

Загальними небезпечними та шкідливими виробничими факто_

рами є: винятково низька температура конструктивних елементів

установок кріогенної техніки та кріогенних продуктів; самовільне

підвищення тиску як газоподібних, так і рідких кріогенних продуктів

під час їх зберігання й транспортування.

Вплив загальних небезпечних і шкідливих факторів на людину та

обладнання викликає небезпеку:

опіків у результаті попадання кріогенних рідин на відкриті ділян1

ки шкіри та очі, доторкання до предметів, що мають кріогенну темпе1

ратуру (стінки резервуарів, труб), при попаданні низькотемператур1

ної пари кріогенних продуктів у легені;

296

297

обмороження у результаті глибокого охолодження ділянок тіла

при контакті з кріогенними продуктами;

руйнування обладнання внаслідок термічних деформацій та

холодоламкості матеріалів;

вплив на персонал витоків кріогенних продуктів (і вторинних

проявів витоків) у результаті розгерметизації обладнання через нео1

днакові термічні деформації деталей;

вибухового руйнування через підвищення тиску у результаті

закипання або випаровування кріогенних рідин у замкнутих об’ємах

при зміні режимів роботи або за рахунок природних теплоприпливів;

конденсації повітря на неізольованих поверхнях кріогенного

обладнання, наприклад водневого, азотного: рідке повітря накопичу1

ється на поверхні обладнання і стікає, випаровується, збагачується

киснем, контактує з різними матеріалами та речовинами, при цьому

можуть виникати усі види вказаних вище небезпек.

Специфічні небезпечні та шкідливі виробничі фактори при

роботі з кріогенними продуктами залежать від індивідуальних осо1

бливостей та фізико1хімічних властивостей кріогенного продукту.

Так, специфічна небезпека під час роботи з киснем — можливість

загорянь і вибухів конструкційних, ізоляційних та інших матеріалів

обладнання й приміщень при контакті з киснем або збагаченими кис1

нем середовищами. Іншою специфічною небезпекою під час роботи з

киснем є його певна токсичність. Вдихання чистого кисню за нор1

мального тиску протягом 5 год призводить до отруєння. При тиску 0,2

МПа отруєння настає через 3 год, при 0,3 МПа через 1 год, при 0,5

МПа через кілька хвилин. Чистий кисень можна використовувати для

дихання тільки при зниженому тиску.

Специфічною небезпекою роботи з воднем є небезпека виникнен1

ня горіння або вибуху суміші водню з повітрям, киснем та кисневміс1

ними газами, а також небезпека вибуху систем; рідкий водень — твер1

дий кисень, рідкий водень — тверде, збагачене киснем повітря. У сумі1

ші з повітрям та киснем водень утворює горючі системи та системи,

що мають небезпеку детонації. Концентраційні межі горіння водню у

повітрі складають 4–75 об. %, а у кисні 4,1–96 об. %. Межі детонації у

повітрі дорівнюють 1 8,2–59 об. %, а в кисні — 1 5,5–93 об. %.

Мінімальна енергія, необхідна для запалювання суміші водню з

повітрям стехіометричного складу при атмосферному тиску, складає

близько 0,02 мДж, аналогічна величина для суміші водню із киснем —

0,00 1 мДж.

В цілому специфічні небезпеки і шкідливості, пов’язані з власти1

востями конкретних кріогенних продуктів, зводяться переважно до

можливого недопустимого забруднення повітря робочої зони, до від1

хилення його стану від природно1фізіологічних норм для людини, до

загорань, пожеж, вибухів тощо. Захист працюючих від перерахованих

можливих проявів небезпек і шкідливостей, пов’язаних з індивідуаль1

ними властивостями кріогенних продуктів, є предметом фізіології,

гігієни праці, виробничої санітарії та пожежної безпеки (див. розділ 2

і 4 підручника) і тому тут більш детально не розглядається.

Захист від опіків та обморожень. Під час роботи з кріогенними

рідинами й газами мають бути вжиті заходи, що виключають контакт

обслуговуючого персоналу з кріогенними продуктами, а також з

поверхнями, що перебувають при низьких температурах. З цією метою

застосовують герметизацію, теплоізоляцію, огородження обладнання,

попереджувальні написи та фарбування за ГОСТ 12.2.052–81. Не

дозволяється проводити будь1які ремонтні роботи, підтяжку ущіль1

нень тощо під час роботи обладнання.

Роботи з рідкими кріогенними продуктами, пов’язані з відкритим

зливанням чи переливанням, коли можливе розбризкування крапель

рідини, потрібно проводити у заправлених під рукави захисних рука1

вицях та захисних окулярах з бічними щитками. Верхній одяг пови1

нен бути наглухо закритим, а брюки — прикривати взуття (навипуск).

Особи, постійно зайняті на зливанні або наливанні рідких продуктів,

мають бути вдягнені у брезентовий костюм з брюками навипуск.

При переливанні рідких кріогенних продуктів із посудин Д’юара

потрібно користуватися підставкою, що нахиляється, у якій посуди1

наповинна міцно закріплятися. При переливанні у резервуари з вузь1

кою горловиною необхідно користуватися лійками, що полегшують

вихід газу з наповнюваного резервуару.

Захист від впливу термічних деформацій. При охолодженні до кріо1

генних температур деталі обладнання внаслідок термічного стискання

можуть зазнавати величезних напружень, що призводить у ряді

випадків до їх поломки, розгерметизації тощо. Наприклад, охоло1

дження трубопроводу з алюмінію від 293oК до 77oК супроводжується

зміною його довжини на» 4 мм на кожний метр труби. Для захисту від

термічних деформацій використовують різні компенсатори (сильфон1

ні, кутові та ін.), «плаваючі» закріплення, застосовують матеріали з

однаковими коефіцієнтами лінійного розширення. Особливо небез1

печні різкі нагрівання та охолодження, коли виникають значні нерів1

номірності температурного поля у матеріалі.

Захист від перевищення тиску під час випаровування та нагрівання

кріогенних продуктів. У результаті закипання або випаровування

кріогенних рідин при зміні режимів роботи або за рахунок природних

298

299

теплоприпливів у замкнутих об’ємах можливе підвищення тиску,

величина якого в десятки і сотні разів перевищує робочий. Великі

маси газу можуть виділятися при закипанні так званої «перегрітої

рідини», коли температура рідини виявляється вищою за температуру

кипіння за даного тиску (наприклад, тоді, коли струшують рідину або

у резервуарі відбувається розгерметизація).

Для розрахунку тиску Р при нагріванні та випаровуванні кріоген1

ної рідини у загальному випадку необхідно користуватися спеціаль1

ними термодинамічними таблицями стану речовини. Орієнтовний

розрахунок (без урахування стискування) може бути проведений за

рівнянням стану РV = RT або Р = RT/V, де V — питомий об’єм речо1

вини у резервуарі в початковому стані, м3/кг; R — густина речовини у

резервуарі в початковому (кінцевому) стані, кг/м3; Т — температура

нагрівання, оК.

Це рівняння може бути використане для практичних оцінок,

оскільки температура навколишнього середовища (300оК) завжди

значно перевищує як температури кипіння кріогенних речовин, так і

критичні температури. Наприклад, якщо замкнутий резервуар, напо1

ловину заповнений рідким киснем (r = 1140 кг/м3), нагріти до 300оК,

то тиск у ньому складе 40 МПа. Ще більше (у тисячу разів і більше)

підвищення тиску може мати місце при нагріванні рідини у повністю

заповнених резервуарах. Для захисту від перевищення тиску внаслі1

док нагрівання та розширення кріогенної рідини у замкнутих об’ємах

правилами встановлені спеціальні норми заповнення резервуарів

кріогенними рідинами (табл. 3.1).

Таблиця 3.1

Норми заповнення резервуарів кріогенними рідинами

Рідина Мaса рідини на 1 л ємності, кг,

не більше

Місткість резервуара

на 1 кг рідини, л, не менше

Азот 0,77 1,3

Аміак 0,57 1,76

Водень 0,065 15

Гелій 0,11 9

Кисень 1,08 0,926

Крім того, на резервуарах, а також на трубопроводах із кріогенни1

ми рідинами, які з двох боків обмежені запірною арматурою, повинні

бути встановлені запобіжні пристрої (запобіжні клапани, розривні

мембрани). Загальна перепускна здатність запобіжних пристроїв

повинна забезпечувати скинення всієї кількості газу, що надходить до

апарата і утворюється в апараті, без підвищення тиску більше допу1

стимих величин. Перепускна здатність запобіжних клапанів, що вста1

новлені на трубопроводах та апаратах, які відсікаються і у яких може

залишитися рідина при їх відключенні арматурою, повинна забезпе1

чити викид п’ятикратної кількості пари, що може утворитися від при1

родного припливу теплоти.

Захист від конденсації повітря на неізольованих поверхнях кріоген$

ного обладнання. Конденсація атмосферного повітря при тиску близь1

кому до 0,1 МПа, можлива при температурах нижче 79оК. Такі темпе1

ратури найбільш часто бувають під час роботи з рідким азотом, вод1

нем, гелієм. Місцем конденсації звичайно можуть бути ділянки кріо1

генних трубопроводів або апаратів, на яких пошкоджена теплоізоля1

ція. Припинення конденсації досягається шляхом відновлення ізоля1

ції на пошкодженій ділянці. Як тимчасовий захід може бути рекомен1

доване обдування оголеної ділянки азотом.

Вимоги до очищення систем перед заповненням кріогенними продук$

тами. Перед заповненням обладнання піддають спеціальному очи1

щенню. Призначення очищення, а також спосіб його здійснення зал1

ежать від виду кріогенного продукту.

Обладнання для роботи з рідким та газоподібним киснем, як пра1

вило, знежирюють з метою виключення утворення вибухонебезпечної

системи «масло (або інші речовини органічного походження) —

кисень». Знежирювання — очищення поверхонь кріогенного облад1

нання від масла та жиру проводять під час його виготовлення, а також

після монтажу та в процесі експлуатації. Знежирювання потрібно

виконувати, якщо вміст масла на поверхні обладнання перевищує

норми, передбачені ОСТ 2610412159179 та ОСТ 2610411362175.

Для знежирювання застосовують різні органічні розчинники (хла1

дон 11 3, трихлоретилен, тетрахлоретилен, бензин, дихлоретан, чоти1

рихлористий вуглець) та водяні миючі розчини. До складу останніх

входять електроліти (їдкий натр, рідке скло, тринатрій фосфат) та

поверхнево1активні речовини (емульгатори).

Технологія знежирювання, матеріали для знежирювання та їх вла1

стивості регламентовані ОСТ 261021312171. Якість знежирювання

перевіряють шляхом контрольних обмивань поверхні чистим розчин1

ником або протиранням серветкою із склотканини, змоченою розчин1

300

301

ником, з наступним визначенням складу масла на серветці та перера1

хунком на відповідну поверхню. Можна використовувати також

огляд поверхні за допомогою люмінесцентних приладів, контрольних

заливань чистого розчинника (після заливання вміст масла в розчин1

нику не повинен перевищувати 20 мг/дм3).

Очищення від газоподібних домішок. Очищення обладнання (резер1

вуарів, трубопроводів, арматури та ін.) від газоподібних домішок

перед його заповненням кріогенним продуктом здійснюється поло1

сканням, продуванням, вакуумуванням.

Метою цієї операції є виключення утворення систем «водень – по1

вітря», «рідкий водень – тверде повітря» тощо.

Вакуумування — найефективніший спосіб очищення — забезпечує

необхідний ступінь очищення за один технологічний прийом, дозво1

ляє очищувати глухі ділянки, не вимагає застосування спеціальних

газів для очищення. Після вакуумування обладнання можна зразу

заповняти робочим газом або рідиною. Але при очищенні вакуумуван1

ням необхідно використовувати складне додаткове обладнання —

вакуумні насоси, а система, що очищається, повинна конструктивно

забезпечувати можливість виконання відкачування.

У тих випадках, коли система не має глухих об’ємів (наприклад,

труби), зручним способом очищення є продування. Для продування

використовують азот, водень, гелій. Відомо, що при цьому способі

досягається зменшення початкової концентрації домішки приблизно

у 10 разів при продуванні двома з половиною об’ємами, у 102 разів при

продуванні п’ятьма об’ємами, у 104 разів при продуванні десятьма

об’ємами чистого газу (що не містить домішок, або містить домішки у

кількості менше 0,1 від тієї, що вимагається після продування).

При наявності у системі глухих об’ємів потрібно використовувати

для очищення метод полоскань — заповнення обладнання чистим

газом до заданого тиску та викидання його. Операцію повторюють

кілька разів залежно від концентрації домішки у зоні очищення та

величини тиску, який створюють в обладнанні.

Зневоднення. Певну небезпеку для кріогенних систем може мати

невидалена з них волога. Наявність вологи у вакуумних порожнинах

призводить до значного збільшення часу їх відкачування до заданого

тиску. Волога, що залишається у трубопроводах, вентилях, запобіж1

них клапанах, під час відкачування може замерзнути, що призводить

до закупорювання комунікацій, розриву труб, примерзання рухомих

елементів обладнання (наприклад, штоки вентилів, запірні елементи),

тобто створює небезпеку експлуатації обладнання. Тому кріогенне

обладнання, у якому може бути волога, висушують продуванням,

нагріванням, відкачуванням або досягають зневоднення заливанням

або протиранням спиртом.

Зневоднення, звичайно, виконують двома методами: протиранням

поверхні змоченим у спирті матеріалом або заливанням спиртом

частини обладнання та полосканням (обмиванням) поверхні спиртом.

Застосовується етиловий спирт концентрацією 96 об. %. При зневод1

ненні вода легко розчиняється у спирті і окремі краплі, плівки води

замінюються краплями та плівкою розчину води та спирту, у якому

концентрація води не перевищує 4,5–5 об. %. Кількість води після

одноразового зневоднення зменшується приблизно у 20 разів.

Основними вимогами до одягу працюючих з горючими та небез1

печними під час пожежі кріогенними продуктами є нездатність його

до електризації та до іскроутворення. Одяг персоналу обслуговування

необхідно виготовляти з брезенту, бавовняних та азбестових тканин.

Якщо застосовують тканини, що містять домішки штучних волокон,

то необхідна їх антистатична обробка. Забороняється використання

одягу із синтетичних та шовкових тканин, які легко електризуються

під час тертя. Найбільшою небезпекою при роботі у збагаченій киснем

атмосфері є поєднання в одязі бавовняних тканин і тканин із штучних

волокон. Для виготовлення одягу найпридатніші тканини із густого,

гладкого штучного волокна, які піддали антистатичній обробці.

Останнім часом створено ряд спеціальних киснестійких тканин на

основі скловолокна (бета1тканина), поліамідного волокна (дюрет),

вітчизняна тканина «Лола» тощо.

Після роботи в атмосфері, насиченій парами горючих кріогенних

продуктів, наприклад у випадку проливання, одяг треба зняти і прові1

трити протягом 30 хв. Забороняється носити взуття із сталевими

гвіздками, які можуть спричинити появу іскри при ході.

Зріджені рідини зберігають і перевозять у стаціонарних та транс1

портних резервуарах (цистернах), обладнаних високоефективною

тепловою ізоляцією (ГОСТ 16024–79 Е).

Для транспортування та зберігання відносно невеликих кількостей

кріогенних речовин (від кількох літрів до кількох десятків літрів)

використовують посудини Дьюара.

Під час роботи із посудинами Дьюара потрібно враховувати, що вибу1

хи посудин Дьюара відбуваються внаслідок щільно зачиненої горловини

посудини: закупорювання горловини льодом, порушення вакуумної ізо1

ляції посудини та різкого підвищення температури усередині посудини,

розширення поглинутих адсорбентом газів при обігріванні посудин.

Забороняється перевозити посудини Дьюара у пасажирському

ліфті, дозволяти присутність сторонніх осіб на площадці, де розміще1

302

303

ні посудини Дьюара під час заповнення рідкими газами, лишати на

відігрівання посудини Дьюара, що втратили вакуум, там, де можуть

перебувати люди, палити у місцях знаходження посудин Дьюара,

користуватися відкритим вогнем, зберігати горючі матеріали та речо1

вини. Забороняється також ремонтувати невідігріті посудини та посу1

дини, що містять кріогенні продукти.