книги из ГПНТБ / Иванов Б.А. Безопасность применения материалов в контакте с кислородом

специфические свойства материала (полимеризация с выделе­ нием тепла, самовозгорание, выделение кислорода при разложе­ нии, пирофорность и т. п.);

общая степень опасности процесса производства (возмож­ ность контроля и управления процессом, гашения обычными средствами и т. п.);

специальные опасности процесса производства (спецтребования к гашению, характер соседних производств, трудность кон­ троля и управления процессом и т. п.).

Первый фактор (материальный фактор) оценивают числами от 1 до 20 и присваивают материалам по их общей пожаро- и взрывоопасности. Например, материальный фактор негорючих материалов (вода, песок, углекислота) равен 1, а пирофорных материалов — 18—20. Материальный фактор, присваиваемый ма­ териалу на основании опыта работы с подобными веществами, меняется в зависимости от условий, в которых находится мате­ риал.

Специфические свойства материала, а также общая и спе­ циальная опасности процесса оцениваются в процентах (от 25 до 150%) от значения материального фактора. Таким образом, общая опасность производства конкретного материала опреде­ ляется всеми рассмотренными четырьмя факторами в виде суммы чисел от 1 до 110.

Опасности от 1 до 20, от 20 до 40, от 40 до 90 и выше 90 со­ ответственно определяют (категорируют) требования по технике безопасности, поскольку в данных интервалах, как показывает практика, могут происходить соответственно пожар, пожар и взрыв, взрыв с последующим пожаром, сильный взрыв.

Отметим, что в рассматриваемой работе [35] оценка опасности применения материала дается не только с учетом его параметров горения, но и с учетом общей и специальной опасности процесса, т. е. прямо (а не косвенно, как в некоторых других работах) указана необходимость рассмотрения последствий возникающего загорания.

Общим для рассмотренных выше методов оценки опасности, возникающей при применении .различных материалов в обору­ довании, является попытка оценить их взрывоопасность по ка­ кому-либо одному-двум параметрам горения и большая услов­ ность в делении материалов на группы, категории и т. и. Само деление, как нетрудно заметить, подсказано практикой безава­ рийной работы с теми или иными материалами в известных усло­ виях, а сами принципы оценки постулировались, а не доказы­ вались.

В изложенных методах оценки опасности также не расшифро­ вывалось' понятие «опасность», но уже возможность образования в оборудовании горючих систем являлась вполне достаточной для того, чтобы его рассматривать как опасное. Важно отметить, что конечные цели рассмотренных методов оценки также различны.

50

В одних работах [26—28] определяли комплекс необходимых требований не к самим материалам, а к оборудованию, в котором они используются, и к системам подавления горения. Таким образом, допускалась возможность образования взрывоопасной системы и определялись условия, при которых потенциальная опасность не может перейти в реальную. В другой работе [12] возможность или невозможность применения материалов в жид­ ком кислороде устанавливали на основании измерения только чувствительности материалов к удару, в отрыве от параметров кислорода и конструктивных особенностей применения материала в оборудовании.

Отметим также, что величины (параметры), которые учитыва­ лись при оценке опасности, сами в достаточной мере условны. Например, такие основные параметры, как температура само­ воспламенения, чувствительность к удару, не являются физико­ химической константой материалов, а зависят от способа опре­ деления и могут колебаться в широких пределах.

По-видимому, целесообразно разрабатывать такие методы

•оценки, которые позволят установить условия безопасного исполь­ зования материалов исходя из параметров, характеризующих материал (вид материала, геометрические размеры, форма, чи­ стота поверхности и т. п.) и кислород (давление, температура, концентрация, скорость потока и др.) и в минимальной степени зависящих от конструктивных особенностей оборудования. При этом объем исследований будет больше, чем в случае определе­ ния опасности материала в конкретной конструкции. Однако проведенные с учетом этих замечаний испытания позволят опре­ делить возможные границы применения материала в кислороде. Тогда условия безопасного применения материала в любой кон­ кретной конструкции смогут быть легко найдены как частное решение.

Прежде всего дадим определение, что следует понимать под термином опасность применения. Необходимо ясно представлять, что между понятиями возможность горения и опасность горения (опасность применения) имеется существенная разница и эти понятия нельзя отождествлять, как это сделано, например, в ра­ ботах [7, 29, 30].

Возможность горения есть необходимое, но недостаточное условие для вывода об опасности (невозможности применения материала). Решение о применении материала в заданных усло­ виях или не применении его может быть сделано из рассмотрения следующих двух положений.

Известно, что в данных условиях материал не способен к горению; следовательно, он используется без всяких ограничений

возможность или невозможность использования его определяется опасностью последствий, к которым приведет загорание материала.

подавления, ремонта или замены деталей, оснащения конструк­ ции вспомогательным оборудованием, а также материальных убытков (прямых и косвенных) от загорания, общей степени на­ дежности конструкции и ее долговечности.

Зная последствия загорания материала, т. е. вторую характе­ ристику, можно сделать следующие два заключения. Если по­ следствия загорания недопустимы (травматизм), то материал не может быть использован в данной системе или конструкции. Если последствия загорания допустимы, то чувствительность материала к воспламенению сопоставляется с возможными в дан­ ных условиях источниками зажигания, т. е. оценивается вероят­ ность загорания материала.

стикой, которая определяется следующими параметрами: тем­ пературой самовоспламенения; энергией зажигания; чувстви­ тельностью к удару; чувствительностью к трению; предельным тепловым потоком.

Предлагаемые для оценки опасности применения материала в кислороде три характеристики определяются достаточно боль­ шим числом параметров, которые в свою очередь могут зависеть от других. Например, энергия зажигания зависит от давления, предельное давление — от размеров материала, температуры и скорости потока кислорода и т. п. Поэтому эксперименты по измерению указанных параметров представляют большой ком­ плекс исследований. Если учесть, что конкретные условия применения материалов достаточно разнообразны и заранее не могут быть известны, то становится очевидной необходимость в выделении наиболее важных параметров и определении методов и последовательности их измерения. Именно в обоснованности выбора основных характеристик материала, а также параметров,

53

последствия также не рассматривали. Кроме того, данные ре­ комендации относятся только к оборудованию воздухораздели­ тельных установок.

В работах [26, 27], рассмотренных достаточно подробно выше, требования к используемым материалам также связывались только с конкретным видом оборудования.

Аналогичные рекомендации содержатся в противопожарных и противовзрьтвных нормах США, Франции, Англии и ФРГ [41—44]. Основными показателями пожароопасности материала в них приняты температура самовоспламенения, концентрацион­ ные пределы распространения пламени, максимальное давление при взрыве, скорость горения.

В исследованиях [9—12, 32—34] пожаро- и взрывоопасность материалов оценивают по параметрам, характеризующим склон­ ность материала к воспламенению в определенных (неизменных) условиях. Вывод о применении материала делают без учета ре­ альных условий его работы в конструкции (размеров, вида кон­ такта с кислородом и т. п.). Тип оборудования, в котором данный материал предполагалось использовать, его характерные при­ знаки также не принимают во внимание.

В работах [13, 14] классификация пожаро- и взрывоопас­ ности пылевоздушных смесей проведена по комплексному пара­ метру

J —J qJЖ

J 4 — индекс чувствительности к взрыву, представляющий отношение произведения температуры самовоспламенения, минимальной энергии зажигания, нижнего концентрационного предела распространения пламени питсбургских углей к произведению этих же величин для исследуемого вещества;

J ж — индекс жесткости взрыва, представляющий отношение произведения максимального давления взрыва и максимальной скорости нарастания давления для исследуемого вещества к аналогичным величинам для питсбургских углей.

Эта классификация является сравнительной и, естественно,- не может быть принята для других веществ, кроме пылей.

Интересная система оценки опасности производства различ­ ных веществ и материалов и их классификация предложены в ра­ боте [35]. Условия производства этих веществ и материалов рас­ смотрены с учетом последствий аварии при загорании или взрыве- (пожар, пожар с последующим взрывом, взрыв с последующим пожаром, сильный взрыв). Предложена классификация веществ и материалов, в которой для определенной опасности производ­ ства рекомендуется соответствующая система защитных меро­ приятий (противопожарных, противовзрывных).

Здесь мы сознательно не останавливаемся на работах [9—11, 30], в которых материалы и вещества предлагается классифици­

55-

предыдущем разделе, оценка опасности материалов и соответ­ ствующая их классификация по условиям безопасности примене­ ния не могут быть основаны только на определении небольшого числа произвольно выбранных параметров горения.

Основные недостатки рассмотренных классификаций — это отсутствие обоснованных принципов неприменимости материалов

вкислороде и узкая направленность рекомендаций.

Вработе [36] даны предложения по устранению этих недо­ статков. Возможность использования материала в конструкции кислородного оборудования устанавливают из оценки послед­ ствий загорания. При этом считается, что материал нельзя при-

vменять только в случае, если последствием его загорания будет травматизм обслуживающего персонала. Во всех остальных слу­ чаях возможность применения материала устанавливают сопо­ ставлением преимуществ и недостатков, которое дает использо­ вание того или иного материала.

На основании изложенного представляется, что классифици­ ровать материалы можно следующим образом. Для каждого материала в зависимости от его вида, размеров и формы, а также способа контакта с кислородом (например, для прокладочного

материала это толщина и тип уплотнения, для металла — форма и размеры, для смазки, клея, краски — толщина слоя) устана­ вливают максимально допустимые параметры кислорода (давление, температура, скорость), при которых возможно применение мате­ риала в оборудовании следующих двух групп:

Гр у п п а А — оборудование, в котором загорание мате­ риала обнаружить своевременно невозможно, а последствием загорания является травматизм обслуживающего персонала. На­ пример, арматура и редукторы с ручным управлении, трубопро­ воды дыхательных систем. К этой группе следует отнести также одежду людей, работающих в атмосфере кислорода.

Гр у п п а Б — оборудование, в котором последствием заго­ рания является выход из строя отдельных деталей или узлов. Например, компрессоры, вентили и задвижки дистанционного управления, кислородопроводы и др.

Ясно, что наиболее жесткие требования следует предъявлять

кусловиям применения материалов в оборудовании группы А. Для определения этих условий необходимо измерить параметры первой характеристики материала (способности к распростра­ нению горения) и использовать такие ее значения, чтобы горение материала было невозможным.

Воборудовании группы Б материалы работают в условиях,

когда их загорание принципиально возможно, хотя, естественно, принимаются все меры к его исключению.

Оценка вероятности загорания оборудования группы Б мо­ жет быть дана в результате измерения параметров, характеризу­ ющих способность материалов к самовоспламенению и к вос­ пламенению от внешних источников (третья характеристика

56

материала). Вероятность загорания оборудования определяется вероятностью появления в нем случайного источника зажигания с энергией, которая достаточна для воспламенения материалов, из которых изготовлено оборудование.

Таким образом, зная энергии зажигания материалов в ки­ слороде, можно разрабатывать оборудование, чувствительность которого к воздействию различных случайных источников энер­ гии известна заранее. Если же имеется вероятность появления в оборудовании источников с различной энергией Е, то вероятность загорания оборудования может быть оценена из сравнения энер­ гии зажигания Q3 материалов, из которых оно изготовлено, с энер­ гией случайного источника Е. При Q3 = Е вероятность загора­ ния материала практически равна вероятности появления источ­ ника с энергией Е.

Из опыта работы с горючими и взрывчатыми системами и ана­ лиза статистических сведений наблюдается следующее [45, 46]. На долю производства пластмасс приходится 20—40% всех происходящих взрывов и пожаров. Энергия зажигания большин­ ства пылей пластмасс колеблется в пределах от 1 до 10 мДж, а энергия разрядов статического электричества, с которыми связывают возникновение взрывов и пожаров, составляет 10~3— 10 мДж. Другие часто возникающие слабые источники зажига­ ния (искры трения, нагретые частицы в потоке газа и т. п.) имеют также энергию в пределах до 10 мДж. Таким образом, вероят­ ность загорания материалов, энергия зажигания которых ока­ зывается одного порядка с энергией имеющихся в оборудовании источников зажигания, достаточно высока.

Материалы в оборудовании группы Б должны быть рассчи­ таны на воздействие максимальных из наиболее распространенных и встречающихся на практике источников зажигания — неболь­ ших кратковременных пламен, электрических разрядов, горение мелких частиц в потоке кислорода, переплавление небольших металлических проволочек и т. п. Энергия таких источников обычно не превышает 5—10 Дж . Рабочая температура материа­ лов в оборудовании группы Б должна быть значительно ниже температуры их самовоспламенения и, кроме того, должна отсут­ ствовать возможность для бесконтрольного повышения рабочей температуры при нормальном режиме эксплуатации.

Главным в предлагаемой классификации является попытка нахождения условий безопасного применения материалов в ки­ слороде с позиций, которые используются при определении на­ дежности, качества, сортности машин, оборудования, материалов. Таким образом, предполагается рассматривать пожароили взрывоопасность оборудования как один из показателей его на­ дежности. В этом случае оборудование группы А должно предста­ влять абсолютно надежную (безопасную) против взрывов и пожа­ ров конструкцию, т. е. представлять оборудование высшего каче­ ства. Обеспечение безопасности эксплуатации такого оборудования

57

является решающим фактором при выборе конструкцион­ ных материалов и самого вида эксплуатации. Оборудование группы Б — это оборудование, изготовляемое с учетом повышен­ ных против взрывов и пожаров требований. При его конструиро­ вании факторы, определяющие безопасность эксплуатации, обя­ зательно учитываются наравне с другими эксплуатационными характеристиками.

Очевидно, что в зависимости от параметров кислорода (или материала) один и тот же материал может использоваться в обеих группах оборудования. Например, паронит толщиной 2 мм (про­ кладка) при давлениях кислорода до 55 кгс/см2 можно применять в оборудовании группы А (при этих условиях невозможно горе­ ние паронита), а при больших давлениях — в оборудовании группы Б .

Важным моментом в предлагаемой классификации материалов является определение группы оборудования. Вероятно, эту ра­ боту следует проводить конструкторско-технологическим служ­ бам на основании оценки как технологических особенностей работы оборудования, так и параметров горения материала, опре­ деляющих последствия его загорания (скорость горения, темпе­ ратура пламени, давление при взрыве и т. д.). Измерение этих параметров дает возможность оценить последствия загорания, а также рассчитать необходимую продолжительность работы раз­ личных противопожарных и противовзрывных устройств или систем.

Иногда решающим фактором для отнесения оборудования в определенную группу являются экономические оценки. Жела­ ние сделать оборудование более надежным не всегда экономически оправдано. Поэтому если оборудование можно изготавливать как оборудование группы А или Б, необходимо проведение эко­ номических оценок.

Критерием для изготовления оборудования из тех или иных материалов может явиться сравнение стоимости оборудования раз­ ных групп с возможными при загорании убытками. Если разница стоимостей оборудования, изготовленного по группе А и по группе Б, много больше, чем убытки от загорания, то оборудова­ ние следует изготавливать как оборудование группы Б. В общем случае оценку можно проводить по следующей схеме:

Определяем суммарные затраты на изготовление и эксплуата­ цию в течение времени Т оборудования групп А и Б:

У ,(А ) = СА+ аПА + аК + ЭА У; (Б )= С б -1-РСб + РК-(-Эб

где Сд и СБ — стоимость изготовления единицы оборудования соответ­ ственно по группе А и группе Б;

а и р — вероятность загорания единицы оборудования групп А п Б за время Т;

К— косвенные убытки от загорания;

Э— эксплуатационные затраты за время Т.

58

Изготавливать следует оборудование, которое по суммарным затратам более дешевое. При этом необходимо учитывать, что снижение надежности оборудования можно считать обоснованным, если имеется значительный экономический выигрыш.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.Г л и з м а н е н к о Д. Л. Получение кислорода. Изд. 5-е. М., «Хи­ мия», 1972. 752 с.

9.Британский стандарт BS 1559, Лондон, Британский институт стандартов, 1963, 15 р.

10.National fire codes 1971—1972 (USA), Boston, 1971.

11.Fire Protection Handbook, NFPA, USA, 1962.

26.Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Изд. 4-е, М.—Л., «Энер­ гия», 1966. 464 с.

27.Строительные нормы и правила (СНиП), часть II, раздел М, М., Гос­ строй, 1963. 112 с.

28.А л е к с е е в М. В. В кн.: Тезисы докладов IV совещания специали­ стов социалистических стран по вопросам охраны труда, техники безопас­ ности и противопожарной защиты в химической и нефтехимической промышленности. М., НИИТЭХИМ, 1962, с. 13—15.

29.Z e n n e r G. Н. In: Ргос. 1954 Cryogenic Eng. Conf., 1955, р. 216—220.

НИИТЭХИМ, 1962, с. 7—8.

59