Охрана труда

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. Каж дая 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.

 

8.2 Пределы взрываемости

Не всякая смесь горючего газа с воздухом является взрывоопасной.

Если газо-воздушные  смеси различного процентного состава  поместить в сосуд, имеющий источник зажигания и    внутри,    и снаружи (на выходе газа из сосуда), то возможны следующие три случая (рис. 8.4):

Рисунок 8.4 – Концентрационные пределы взрываемости

 

1. смесь не воспламеняется    ни от внутреннего  запальника,    ни    от наружного   (вернее, вблизи    от запальника может идти процесс горения, но   он не распространяется   в объем;    при удалении    запальника горение прекращается);
2. смесь воспламеняется и внутри сосуда, и на выходе из него;
3. смесь воспламеняется только на выходе из сосуда.

Таким образом, в сосуде воспламеняются только такие смеси, в которых концентрация горючего газа находится в определенных пределах.

Это происходит потому, что  горючие газы, способные образовывать с воздухом (или кислородом) взрывоопасные  смеси, имеют определенные пределы  взрываемости, характеризующие минимальную и максимальную концентрацию газа в смеси, вне которых данная газо-воздушная смесь не является взрывоопасной. Эти (нижний и верхний) пределы взрываемости образуют диапазон взрываемости, различный для различных смесей.

Ниже приводятся пределы взрываемости и температуры воспламенения различных газов.

	Нижний Предел, %	Верхний Предел, %	Температура Воспламенения, 0С
Аммиак, NH3	16,0	27,0	780
Ацетилен,C2H2	3,5	82,0	480
Водород, H2	4,15	75,0	570
Метан, CH4	5,0	16,0	650
Окись углерода, CO	12,8	75,0	651
Пропан, C3H8	2,3	9,5	446
Сероводород, H2S	4,3	45,5	345