8.2. Взрывоопасные смеси

В промышленности очень часто возникают условия, при которых существует непосредственная возможность возникновения пожара или взрыва. Для защиты как оборудования, так и обслуживающего персонала должны быть приняты меры предосторожности, создающие условия, при которых во взрывоопасных средах вероятность возникновения взрыва сводится к нулю.

Известно много способов взрывозащиты, обеспечивающих безопасную эксплуатацию электрооборудования во взрывоопасных средах. Правила безопасности устанавливают эти способы и подробно определяют, каким образом следует разрабатывать и применять оборудование.

С химической точки зрения окисление, горение и взрыв являются экзотермическими реакциями, происходящими с различными скоростями. Для осуществления таких реакций необходимо наличие следующих трёх компонентов в соответствующих пропорциях:

• топливо – легковоспламеняющиеся пары, жидкости или газы, горючая пыль, горючая смесь;

• окислитель – обычно воздух или кислород;

• энергия воспламенения – электрическая или тепловая.

В зависимости от того, каким образом происходит реакция, результатом может быть нормированное горение, волна огня или взрыв.

Все методы защиты, применяемые в настоящее время, пытаются исключить один (или более) компонент для того, чтобы уменьшить риск возникновения взрыва до приемлемого уровня. В корректно спроектированной системе, как правило, допускается, возникновение двух или более независимых неисправностей, каждая с наибольшей вероятностью, для того чтобы возможный взрыв произошел.

Для кислородосодержащей атмосферы риск воспламенения взрывоопасной смеси зависит от вероятности одновременного наличия следующих двух условий:

– образование легковоспламеняющихся или взрывоопасных паров, жидкостей или газов, горючей пыли в атмосфере или скопление огнеопасных или взрывчатых веществ;

– наличие источника энергии: электрической искры, электрической дуги или температуры, достаточной для воспламенения, т.е. того, что способно воспламенить опасную смесь.

Для многих распространённых взрывоопасных смесей экспериментальным путем построены так называемые характеристики воспламенения. Для каждого топлива существует минимальная энергия поджигания МЭП, которая соответствует идеальной пропорции топлива и воздуха, в которой смесь легче всего воспламеняется. Ниже МЭП поджигание невозможно при любой концентрации.

Для концентрации ниже, чем величина, соответствующая МЭП, количество энергии, требующееся для воспламенения смеси, увеличивается до тех пор, пока значение концентрации не станет меньше значения, при котором смесь не может воспламениться из-за малого количества топлива. Эта величина называется нижней границей взрыва НГВ. Аналогичным образом при увеличении концентрации количество необходимой для воспламенения энергии растет, пока концентрация не превысит значения, при котором воспламенение не может произойти из-за недостаточного количества окислителя. Это значение называется верхней границей взрыва (ВГВ).

В качестве примера в таблице 8.2 приводятся характеристики для водорода и пропана.

Таблица 8.2

Характеристики МЭП, НГВ, ВГВ для водорода и пропана

С практической точки зрения НГВ является более важной и существенной величиной, чем ВГВ, потому что она устанавливает в процентном отношении минимальное количество топлива, необходимого для образования взрывоопасной смеси.

МЭП (минимальная энергия, требуемая для поджигания смеси воздуха и топлива при наиболее благоприятной концентрации) является фактором, на котором основан такой вид взрывозащиты, как искробезопасная электрическая цепь. В этом случае энергия, освобождаемая электрической цепью, даже при аварийных условиях ограничивается до более низкого значения, чем МЭП.

Нормативные документы устанавливают классификацию взрывоопасных смесей по категориям и группам, а также методы определения параметров взрывоопасности, используемые при классификации смесей. Классификация взрывоопасных смесей позволяет получить исходные данные, необходимые при выборе взрывозащищенного электрооборудования.

Во-первых, взрывоопасные смеси газов и паров подразделяются на категории взрывоопасности в зависимости от величины безопасного экспериментального максимального зазора (БЭМЗ – максимальный зазор между фланцами оболочки, через который не происходит передача взрыва из оболочки в окружающую среду при любой концентрации горючего воздуха) и значения соотношения между минимальным током воспламенения испытуемого газа или пара и минимальным током воспламенения метана МТВ. Во-вторых, они подразделяются на группы в зависимости от величины температуры самовоспламенения.

Взрывоопасные смеси газов и паров с воздухом подразделяются на следующие категории:

I − метан на подземных горных работах,

II − другие газы и пары за исключением метана на подземных горных работах.

В зависимости от значения БЭМЗ газы и пары категории II подразделяются согласно таблице 8.3.

Таблица 8.3

Подразделение газов и паров категории II в зависимости от значения БЭМЗ

В зависимости от значений МТВ газы и пары категории II подразделяются согласно таблице 8.4.

Таблица 8.4

Подразделение газов и паров категории II в зависимости от значения МТВ

Для классификации большинства газов и паров достаточно применения одного из указанных критериев. В некоторых случаях необходимо определять как БЭМЗ, так и соотношение МТВ. В тех случаях, когда значение БЭМЗ или соотношение МТВ не известны для данного газа или пара, за основу можно взять химическое соединение, принадлежащее к тому же гомологическому ряду, но с меньшим молекулярным весом.

В зависимости от величины температуры самовоспламенения взрывоопасные смеси газов и паров подразделяются на группы согласно таблице 8.5.

Таблица 8.5

Подразделение смесей газов и паров в зависимости от температуры самовоспламенения

Распределение наиболее распространенных взрывоопасных смесей по категориям и группам приведено в таблице 8.6.

Таблица 8.6

Распределение наиболее распространенных взрывоопасных смесей

по категориям и группам

Технологические процессы с возможной опасностью возникновения взрыва или пожара в таких, например, отраслях, как нефте - или газодобывающая, нефтехимическая, химическая, фармацевтическая и т. д., требуют определенных заводских опасных зон с возможным наличием огнеопасных смесей. Понятие «взрывоопасная зона» в «Правилах устройств электроустановок» трактуется следующим образом: ВОЗ – это помещение или ограниченное пространство в помещении и наружной обстановке, в которых имеются или могут образовываться взрывоопасные смеси. В этих зонах для обеспечения безопасной эксплуатации ЭО и электротехнических установок должны применяться соответствующие виды ВЗ.

Набор критериев для классификации ВОЗ базируется на вероятности и продолжительности присутствия огнеопасных смесей, а также концентрации и типе огнеопасных веществ (газ, пар, жидкость, пыль) в совокупности с такими физическими параметрами, как температура вспышки, температура самовоспламенения и минимальная электрическая энергия поджигания.