3.3. Безпека під час експлуатації установок кріогенної техніки

Êð³î(в³д грецького kruos  холод, мороз, л³д) частина складних сл³в, що означаº зв’язок з льодом, низькими температурами (наприклад, кр³об³олог³я, кр³огенез, кр³огенна техн³ка тощо). Основн³ проблеми, що вир³шуються кр³огенною техн³кою — зр³дження газ³в (азоту, кисню, гел³ю та ³н.), ¿х збер³гання та транспортування у р³дкому стан³, конструювання кр³орефрежератор³в — холодильних машин, що створюють ³ п³дтримують температуру 0—120 К, охолодження та термостатування при кр³огенних температурах надпров³дних матеріалів та електротехн³чних пристро¿в, електронних прилад³в, б³олог³чних об’ºкт³в тощо.

Під кріогенними продуктами розуміють речовини або суміш речовин, що знаходяться при кріогенних температурах 0 – 120 К (ГОСТ 21957–76). До основних кріогенних продуктів відносять продукти низькотемпературного розділення повітря: азот, кисень, аргон, неон, криптон, ксенон, озон, а також фтор, метан, водень, гелій.

Небезпечн³ та шк³длив³ виробнич³ фактори, що виникають при експлуатації установок кріогенної техніки і при робот³ з кр³огенними продуктами, д³лять на загальн³ та специф³чн³, характерн³ для конкретних кр³огенних продукт³в.

Загальними небезпечними та шкідливими виробничими факторами º: винятково низька температура конструктивних елементів установок кріогенної техніки та кр³огенних продукт³в; самов³льне п³двищення тиску як газопод³бних, так ³ р³дких кр³огенних продукт³в під час ¿х збер³гання й транспортування.

Вплив загальних небезпечних і шк³дливих фактор³в на людину та обладнання викликаº небезпеку:

• оп³к³в у результат³ попадання кр³огенних р³дин на в³дкрит³ д³лянки шк³ри та оч³, доторкання до предмет³в, що мають кр³огенну температуру (ст³нки резервуар³в, труб), при попаданн³ низькотемпературно¿ пари кр³огенних продукт³в у леген³;

• обмороження у результат³ глибокого охолодження д³лянок т³ла при контакт³ з кр³огенними продуктами;

• руйнування обладнання внасл³док терм³чних деформац³й та холодоламкост³ матер³ал³в;

• вплив на персонал виток³в кріогенних продуктів (³ вторинних прояв³в виток³в) у результат³ розгерметизац³¿ обладнання через неоднаков³ терм³чн³ деформац³¿ деталей;

• вибухового руйнування через п³двищення тиску у результат³ закипання або випаровування кр³огенних р³дин у замкнутих об’ºмах при зм³н³ режим³в роботи або за рахунок природних теплоприплив³в;

• конденсації повітря на неізольованих поверхнях кріогенного обладнання, наприклад водневого, азотного: рідке повітря накопичується на поверхні обладнання і стікає, випаровується, збагачується киснем, контактує з різними матеріалами та речовинами, при цьому можуть виникати усі види вказаних вище небезпек.

Специф³чн³ небезпечн³ та шк³длив³ виробнич³ фактори при робот³ з кр³огенними продуктами залежать в³д ³ндив³дуальних особливостей та ф³зико-х³м³чних властивостей кр³огенного продукту.

Так, специф³чна небезпека при робот³ з киснем — можлив³сть загорянь і вибух³в конструкц³йних, ³золяц³йних та ³нших матер³ал³в обладнання й прим³щень при контакт³ з киснем або збагаченими киснем середовищами. ²ншою специф³чною небезпекою при робот³ з киснем º його певна токсичн³сть. Вдихання чистого кисню за нормального тиску протягом 5 год призводить до отруºння. При тиску 0,2 МПа отруºння настаº через 3 год, при 0,3 МПа через 1 год, при 0,5 МПа через к³лька хвилин. Чистий кисень можна використовувати для дихання т³льки при зниженому тиску.

Специф³чною небезпекою роботи з воднем º небезпека виникнення гор³ння або вибуху сум³ш³ водню з пов³трям, киснем та кисневм³сними газами, а також небезпека вибуху систем; р³дкий водень — твердий кисень, р³дкий водень – тверде, збагачене киснем пов³тря. У сум³ш³ з пов³трям та киснем водень утворюº горюч³ системи та системи, що мають небезпеку детонац³¿. Концентрац³йн³ меж³ гор³ння водню у пов³тр³ складають 4 – 75 об. %, а у кисн³ 4,1 – 96 об. %. Меж³ детонац³¿ у пов³тр³ дор³внюють 18,2 – 59 об. %, а в кисн³ – 15,5 – 93 об. %.

М³н³мальна енерг³я, необх³дна для запалювання сум³ш³ водню з пов³трям стех³ометричного складу при атмосферному тиску, складаº близько 0,02 мДж, аналог³чна величина для сум³ш³ водню ³з киснем — 0,001 мДж.

В цілому специфічні небезпеки і шкідливості, пов’язані з властивостями конкретних кріогенних продуктів, зводяться переважно, до можливого недопустимого забруднення повітря робочої зони, до відхилення його стану від природно-фізіологічних норм для людини, до загорань, пожеж, вибухів тощо. Захист працюючих від перерахованих можливих проявів небезпек і шкідливостей, пов’язаних з індивідуальними 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 в³д оп³к³в та обморожування. Під час роботи з кр³огенними р³динами й газами мають бути прийнят³ заходи, що виключають контакт обслуговуючого персоналу з кр³огенними продук­тами, а також з поверхнями, що перебувають при низьких темпе­ратурах. З ц³ºю метою застосовують герметизац³ю, тепло³зо­ля­ц³ю, огородження обладнання, попереджувальн³ написи та фарбування за ГОСТ 12.2.052 – 81. Не дозволяºться проводити будь-як³ ремонтн³ роботи, п³дтяжку ущ³льнень тощо п³д час роботи обладнання.

Роботи з р³дкими кр³огенними продуктами, пов’язан³ з в³дкритим зливанням чи переливанням, коли можливе розбризкування крапель р³дини, потр³бно проводити у заправлених п³д рукави захисних рукавицях та захисних окулярах з б³чними щитками. Верхній одяг повинен бути наглухо закритим, а брюки  прикривати взуття (навипуск). Особи, пост³йно зайнят³ на зливанн³ або наливанн³ р³дких продукт³в, мають бути вдягнен³ у брезентовий костюм з брюками навипуск.

При переливанн³ р³дких кр³огенних продукт³в ³з посудин Д’юара потр³бно користуватися п³дставкою, що нахиляºться, у як³й посудина повинна м³цно закр³плятися. При переливанн³ у резервуари з вузькою горловиною необх³дно користуватися л³йками, що полегшують вих³д газу з наповнюваного резервуару.

Захист в³д впливу терм³чних деформац³й. При охолод­женн³ до кр³огенних температур детал³ обладнання внасл³док терм³чного стискання можуть зазнавати величезних напружень, що призводять у ряд³ випадк³в до ¿х поломки, розгерметизац³¿ тощо. Наприклад, охолодження трубопроводу з алюм³н³ю в³д 293 К до 77 К супроводжується зм³ною його довжини на  4 мм на кожний метр труби. Для захисту в³д терм³чних деформац³й використовують р³зн³ компенсатори (сильфонн³, кутов³ та ³н.), «плаваюч³» закр³плення, застосовують матер³али з однаковими коеф³ц³ºнтами л³н³йного розширення. Особливо небезпечн³ р³зк³ нагр³вання та охолодження, коли виникають значн³ нер³вном³рност³ температурного поля у матер³ал³.

Захист в³д перевищення тиску під час випаровування та нагр³вання кр³огенних продукт³в. У результат³ закипання або випаровування кр³огенних р³дин при зм³н³ режим³в роботи або за рахунок природних теплоприплив³в у замкнутих об’ºмах можливе п³двищення тиску, величина якого в десятки ³ сотн³ раз³в перевищуº робочий. Велик³ маси газу можуть вид³лятися при закипанн³ так звано¿ «перегр³то¿ р³дини», коли температура р³дини виявляºться вищою температури кип³ння за даного тиску (наприклад, тод³, коли струшують р³дину або у резервуар³ в³дбуваºться розгерметизац³я).

Для розрахунку тиску Р при нагр³ванн³ та випаровуванн³ кр³огенно¿ р³дини у загальному випадку необх³дно користуватися спец³альними термодинам³чними таблицями стану речовини. Ор³ºнтовний розрахунок (без урахування стискування) може бути проведений за р³внянням стану РV =RT àáî Р = RT/V, де V — питомий об’ºм речовини у резервуар³ в початковому стан³, м³/кг; — густина речовини у резервуар³ в початковому (к³нцевому) стан³, кг/м³; Т – температура нагр³вання, К.

Це р³вняння може бути використане для практичних оц³нок, оск³льки температура навколишнього середовища ( 300 К) завжди значно перевищуº як температури кип³ння кр³огенних речовин, так ³ критичн³ температури. Наприклад, якщо замкнутий резервуар, наполовину заповнений р³дким киснем (= 1140 êã/ì), нагр³ти до 300 К, то тиск у ньому складе 40 МПа. Ще б³льше (у тисячу раз³в ³ б³льше) п³двищення тиску може мати місце при нагр³ванн³ р³дини у повн³стю заповнених резервуарах. Для захисту в³д перевищення тиску внасл³док нагр³вання та розширення кр³огенно¿ р³дини у замкнутих об’ºмах правилами встановлен³ спец³альн³ норми заповнення резервуар³в кр³огенними р³динами (табл. 3.1).

Т а б л и ц я 3.1. Норми заповнення резервуар³в кр³огенними р³динами

гäèíà	Маса р³дини на 1 л ºмкост³, кг, не б³льше	М³стк³сть резервуара на 1 кг р³дини, л, не менше
Àçîò	0,77	1,3
Àì³àê	0,57	1,76
Водень	0,065	15
Ãåë³é	0,11	9
Кисень	1,08	0,926

Кр³м того, на резервуарах, а також на трубопроводах ³з кр³огенними р³динами, як³ з двох боків обмежені зап³рною арматурою, повинні бути встановлен³ запоб³жн³ пристро¿ (запоб³жн³ клапани, розривн³ мембрани). Загальна перепускна здатн³сть запоб³жних пристро¿в повинна забезпечувати скинення вс³º¿ к³лькост³ газу, що надходить у апарат ³ утворюºться в апарат³, без п³двищення тиску б³льше допустимих величин. Перепускна здатн³сть запоб³жних клапан³в, що встановлені на трубопроводах та апаратах, як³ в³дс³каються, ³ у яких може залишитися р³дина при ¿х в³дключенн³ арматурою, повинна забезпечити викид п’ятикратно¿ к³лькост³ пари, що може утворитися в³д природного припливу теплоти.

Захист від конденсації повітря на неізольованих поверхнях кріогенного обладнання. Конденсація атмосферного повітря при тиску близькому до 0,1 МПа, можлива при температурах нижче 79 К. Такі температури найбільш часто бувають під час роботи з рідким азотом, воднем, гелієм. Місцем конденсації звичайно можуть бути ділянки кріогенних трубопроводів або апаратів, на яких пошкоджена теплоізоляція. Припинення конденсації досягається шляхом відновлення ізоляції на пошкодженій ділянці. Як тимчасовий захід може бути рекомендоване обдування оголеної ділянки азотом.

Вимоги до очищення систем перед заповненням кр³оген­ними продуктами. Перед заповненням обладнання п³ддають спец³­аль­ному очищенню. Призначення очищення, а також спос³б його зд³йснення залежать в³д виду кр³огенного продукту.

Обладнання для роботи з р³дким та газопод³бним киснем, як правило, знежирюють з метою виключення утворення вибухонебез­печно¿ системи «масло (або ³нш³ речовини орган³чного походження) — кисень». Знежирювання — очищення поверхонь кр³огенного обладнання в³д масла та жиру проводять під час його виготовлення, а також п³сля монтажу та в процес³ експлуатац³¿. Знежирювання потр³бно виконувати, якщо вм³ст масла на поверхн³ обладнання перевищуº норми, передбачен³ ОСТ 26-04-2159–79 та ОСТ 26-04-1362–75.

Для знежирювання застосовують р³зн³ орган³чн³ розчинники (хладон 113, трихлоретилен, тетрахлоретилен, бензин, дихлоретан, чотирих­лористий вуглець) та водян³ миюч³ розчини. У склад останн³х входять електрол³ти (¿дкий натр, р³дке скло, тринатр³й фосфат) та поверхнево-активн³ речовини (емульгатори).

Технолог³я знежирювання, матер³али для обезжирювання та ¿х властивост³ регламентован³ ОСТ 26-02-312–71. Як³сть знежирювання перев³ряють шляхом контрольних обмивань поверхн³ чистим розчин­ником або протиранням серветкою ³з склотканини, змоченою розчинником, з наступним визначенням складу масла на серветц³ та перерахунком на в³дпов³дну поверхню. Можна використовувати також огляд поверхн³ за допомогою люм³несцентних прилад³в, контрольних заливань чистого розчинника (п³сля заливання вм³ст масла в розчиннику не повинен перевищувати 20 мг/дм).

Очищення в³д газопод³бних дом³шок. Очищення обладнання (резервуар³в, трубопровод³в, арматури та ³н.) в³д газопод³бних дом³шок перед його заповненням кр³огенним продуктом зд³йснюºться полосканням, продуванням, вакуумуванням.

Метою ц³º¿ операц³¿ º виключення утворення систем «водень – пов³тря», «р³дкий водень – тверде пов³тря» тощо.

Вакуумування — найефективніший спос³б очищення – забезпечуº необх³дний ступ³нь очищення за один технолог³чний прийом, дозволяє очищувати глух³ д³лянки, не вимагаº застосування спец³альних газ³в для очищення. П³сля вакуумування обладнання можна зразу запов­няти робочим газом або р³диною. Але при очищенн³ вакууму­ванням необх³дно використовувати складне додаткове обладнання – вакуумн³ насоси, а система, що очищаºться, повинна конструктивно забезпечувати можливість виконання в³дкачування.

У тих випадках, коли система не маº глухих об’ºм³в (наприклад, труби), зручним способом очищення º продування. Для продування використовують азот, водень, гел³й. В³домо, що при цьому способ³ досягаºться зменшення початково¿ концентрац³¿ дом³шки приблизно у 10 раз³в при продуванн³ двома з половиною об’ºмами, у 10раз³в при продуванн³ п’ятьма об’ºмами, у 10раз³в при продуванн³ десятьма об’ºмами чистого газу (що не м³стить дом³шки, або м³стить дом³шку у к³лькост³ менше 0,1 в³д т³º¿, що вимагаºться п³сля продування).

При наявност³ у систем³ глухих об’ºм³в потр³бно використовувати для очищення метод полоскань — заповнення обладнання чистим газом до заданого тиску та викид його. Операц³ю повторюють к³лька раз³в залежно в³д концентрац³¿ дом³шки у зон³ очищення та величини тиску, який створюють в обладнанні.

Зневоднення. Певну небезпеку для кр³огенних систем може мати невидалена з них волога. Наявн³сть вологи у вакуумних порожнинах призводить до значного зб³льшення часу ¿х в³дкачування до заданого тиску. Волога, що залишаºться у трубопроводах, вентилях, запоб³жних клапанах, п³д час в³дкачування може замерзнути, що призводить до закупорювання комун³кац³й, розриву труб, примерзання рухомих елемент³в обладнання (наприклад, штоки вентил³в, зап³рн³ елементи), тобто створюº небезпеку експлуатац³¿ обладнання. Тому кр³огенне обладнання, у якому може бути волога, висушують продуванням, нагр³ванням, в³дкачуванням або досягають знезводнення заливанням або протиранням спиртом.

Зневоднення звичайно виконують двома методами: протиранням поверхн³ змоченим у спирт³ матер³алом або заливанням спиртом частини обладнання та полосканням (обмиванням) поверхн³ спиртом. Застосовуºться етиловий спирт концентрац³ºю 96 об. %. При знезводненн³ вода легко розчиняºться у спирт³ ³ окрем³ крапл³, пл³вки води зам³нюються краплями та пл³вкою розчину води та спирту, у якому концентрац³я води не перевищуº 4,5 – 5 об. %. К³льк³сть води п³сля одноразового знезводнення зменшуºться приблизно у 20 раз³в.

Основними вимогами до одягу працюючих з горючими та небезпечними під час пожеж³ кр³огенними продуктами º нездатність ¿¿ до електризац³¿ та до ³скроутворення. Одяг персоналу обслуговування необх³дно виготовляти ³з брезенту, бавовняних та азбестових тканин. Якщо застосовують тканини, що м³стять домішки штучних волокон, то необх³дна ¿х антистатична обробка. Забороняºться використання одягу ³з синтетичних та шовкових тканин, як³ легко електризуються під час тертя. Найб³льшою небезпекою при робот³ у збагачен³й киснем атмосфер³ є поєднання в одязі бавовняних тканин і тканин ³з штучних волокон. Для виготовлення одягу найпридатніші тканини ³з густого, гладкого штучного волокна, як³ п³ддали антистатичн³й обробц³. Останн³м часом створено ряд спец³альних киснест³йких тканин на основ³ скловолокна (бетатканина), пол³ам³дного волокна (дюрет), в³тчизняна тканина «Лола» тощо.

П³сля роботи в атмосфер³, насиченою парами горючих кр³огенних продукт³в, наприклад у випадку проливання, одяг треба зняти ³ пров³трити протягом 30 хв. Забороняºться носити взуття з³ сталевими гв³здками, як³ можуть спричинити появу ³скри при ход³.

Зріджені рідини зберігають і перевозять у стаціонарних та транспортних 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.

При роботі із посудинами Дьюара потрібно враховувати, що вибухи посудин Дьюара відбуваються внаслідок щільно зачиненої горловини посудини: закупорювання горловини льодом, порушення вакуумної ізоляції посудини та різкого підвищення температури усередині посудини, розширення поглинутих адсорбентом газів при обігріванні посудин.

Забороняється перевозити посудини Діюара у пасажирському ліфті, дозволяти присутність сторонніх осіб на площадці, де розміщені посудини Дьюара під час заповнення рідкими газами, лишати на відігрівання посудини Дюара, що втратили вакуум там, де можуть перебувати люди, палити у місцях знаходження посудин Дьюара, користуватися відкритим вогнем, зберігати горючі матеріали та речовини. Забороняється також ремонтувати невідігріті посудини та посудини, що містять кріогенні продукти.

    