Методы, средства пожарной безопасности в криогенной технике
При работе с криогенным оборудованием, криопродуктами и эксплуатации криогенных установок возникают опасные и вредные производственные факторы. Они делятся на общие и специфические, характерные для конкретных случаев. Поэтому существующие меры безопасности также разделяются на общие и специфические.
Воздействие общих опасных и вредных производственных факторов на человека и оборудование вызывает:
Разрушения или разгерметизацию оборудования вследствие термических деформаций и хладноломкости конструкционных материалов при неправильном режиме захолаживания;
Ожоги и обморожения в результате разгерметизации установки;
Закупоривания коммуникаций криоблока и трубопроводов вследствие неудаленной влаги.
Соприкосновение незащищенных участков тела и поверхностей, имеющих криогенную температуру, несет опасность ожога, поскольку метаны, применяемые в криогенной технике, имеют высокий коэффициент температуропроводности, что обуславливает интенсивный отвод теплоты от незащищенных участков тела.
Для изготовления внутренних деталей криоблока используется высоколегированная сталь 12Х18Н10Т с высокой аустенитной структурой. Эта сталь широко используется в криогенной технике, поскольку с понижением температуры ее прочностные, вязкостные и пластичные свойства не снижаются, и, следовательно, конструкции из этой стали не охрупчиваются и не разрушаются.
Специфические опасные и вредные производственные факторы возникают при работе установки на многокомпонентных рабочих телах, состоящих из углеводородов и фреонов, которые в основном пожароопасны и взрывоопасны. Именно этот фактор является наиболее опасным при работе с установкой, поэтому необходимо предусмотреть меры обеспечения пожаробезопасности.
Обеспечение пожарной безопасности
Для обеспечения заданных при проектировании параметров температурного уровня, полезной холодопроизводительности компрессора в ряде случаев высокую энергетическую эффективность установки при заданных условиях работы обеспечивают углеводородные смеси и смеси, содержащие лишь незначительное количество инертных, флегматизирующих веществ. Поэтому необходимо предусмотреть меры безопасности при заправке системы смесью, и при ее эксплуатации, главным из которых является предотвращение утечек из системы путем создания надежных герметичных соединений и коммуникаций.
Также недопустимы любые источники открытого огня, источники воспламенения газов и паров, образующихся при авариях и повреждениях. Необходимо ограничить нагрев оборудования до температуры, не превышающей 80% от минимальной температуры самовоспламенения образующихся веществ.
Для контроля за накоплением в воздухе помещения горючих газов и паров и созданием в воздухе взрывоопасных сред используют приборы: газоанализаторы, газосигнализаторы, индикаторы. Широкое применения из приборов получили термохимические, оптические, ионизационные приборы. Для оповещения используют аварийную сигнализацию. Сигнальное устройство сигнализатора срабатывает при достижении горючего газа в воздухе до 20% от нижнего концентрационного предела воспламенения. При меньшем содержании горючих газов и паров прибор работает как индикатор наличия газа.
Варианты понижения концентрации горючих газов и паров: включение общеобменной, аварийной вентиляции, подача в помещение инертной среды флегматизатора. В помещении, где проводятся работы необходимо наличие газоанализатора, общеобменной вентиляции.
Подача в помещение инертной среды флегматизатора (вещества, не поддерживающего горение) должна осуществляться в отсутствии людей, поскольку концентрация флегматизаторов в воздухе может достигнуть опасных для человека значений. Например, применение двуокиси углерода ограничивается содержанием до 10% в воздухе и т.д. Преимуществом флегматизации является простота приведения в рабочее состояние установки флегматизации. Она представляет собой системы баллонов, оборудованных запорной арматурой и трубопрводную разводку по помещениям. Система срабатывает по сигналу от газоанализаторов.
Расчет показателей пожаро- и взрывобезопасности
Предотвращение образования горючей среды обеспечивается ограничением:
допустимой концентрации горючих газов и паров меньше нижнего или больше верхнего предела распространения пламени;
допустимой концентрации кислорода путем разбавления горючей смеси;
допустимой концентрации флегматизатора в воздухе, горючем газе.
Расчет нижнего концентрационного предела φн[%] распространения пламени проводится с использованием формулы:
справедливой для веществ, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода, серы, азота, кислорода, кремния, фосфора, хлора и фтора. Значение коэффициентов для определения jн выбираются в зависимости от строения веществ и приводятся в литературных источниках.
hf — коэффициент при теплоте образования газа, моль×кДж-1;
Δ Hf0 — стандартная теплота образования вещества в газообразном состоянии при 25°С, кДж·>моль-1;
hj, hs — коэффициент соответственно j-го элемента и S-той группы, влияющей на нижний предел распространения пламени;
mj, ms — число атомов j-го элемента и S-х структурных групп в молекуле вещества;
l, q — соответственно число химических элементов и число типов структурных групп в молекуле вещества, влияющих на нижний предел распространения пламени.
Погрешность расчета не превышает 9%.
Верхний концентрационный предел распространения пламени может быть вычислен по формулам:
, при β ≤ 8
при β ≥ 8,
β вычисляют по формуле:
Коэффициент k вычисляют по формуле:
mc – число атомов углерода в молекуле вещества;
q – число различных структурных групп в молекуле вещества;
aj – коэффициент при структурной группе;
nкс – общее число полуторных, двойных и тройных связей углерод-углерод в молекуле вещества;
ксв – средняя кратность связей углерод-углерод в молекуле вещества.
Оценка пожаро- и взрывоопасности помещений
Категории зданий и сооружений отражены в нормативном документе «Общесоюзные нормы технологического проектирования (ОНТП)»
В документе представлено пять категорий помещений по взрывопожарной и пожарной опасности:
А и Б – взрывопожароопасные;
В – пожароопасные, характеризуемые наличием горючих материалов, способных гореть, но не создавать взрывоопасной среды;
Г – характеризуются отсутствием горючих материалов, но применением высоких температур;
Д – непожароопасные, негорючие вещества и материалы в холодном состоянии.
Количество поступивших в помещение веществ, которые могут образовать взрывоопасные паровоздушные и газовоздушные смеси, определяют исходя из предпосылки, что все содержимое аппарата поступит в помещение.
Свободный объем вещества допускается принимать 80% геометрического объема помещения. В основу оценки пожарной опасности положен энергетический подход, который сводится к оценке расчетного избыточного давления взрыва и сравнении его с допустимым.
Расчет избыточного давления:
где Pmax – максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, допускается принимать Pmax=900кПа;
P0 – начальное давление = 101кПа;
M – масса горючего газа;
Z – коэффициент участия горючего газа во взрыве;
Vсв – свободный объем помещения, м3
Cст – стехиометрическая концентрация, вычисляемая по формуле:
β — стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания равен:
где nc, nн, nх, n0 – число атомов С, H, О и галогенов в молекуле горючего.
Лечащий и обслуживающий персонал, относящийся к эксплуатации установки в соответствии с ГОСТ 12.0.004-79 ССБТ должен пройти курс техники безопасности по работе с установкой; изучить соответствующие разделы ГОСТ 12.0.004-79 ССБТ «Пожарная безопасность», касающиеся мер по обеспечению пожарной опасности индивидуальных веществ, смесей, технических продуктов.