Ochrona przed wybuchem pyłów

Środa, 13 maja 2015 | Technika

W opracowaniu przestawiono ważniejsze terminy oraz zjawiska związane z zagrożeniem wybuchowym wywołanym obecnością w procesie palnych i wybuchowych pyłów. Autor omawia również podstawy prawne będące punktem wyjścia do poprawy bezpieczeństwa wybuchowego w zakładach przemysłowych.

ATMOSFERY WYBUCHOWE

Fot. 1. Skrajny przypadek zalegania pyłów osiadłych

Warunkiem koniecznym do wystąpienia zagrożenia wybuchowego jest powstanie atmosfery wybuchowej, tj. mieszaniny pyłowo-powietrznej (lub szerzej mieszaniny pyłu z utleniaczem) o stężeniu mieszczącym się w zakresie dolnej i górnej granicy wybuchowości. W procesie oceny ryzyka wybuchowego określony zostaje zasięg poszczególnych atmosfer wybuchowych, to jest kubatura jaka może zostać wypełniona przez mieszaninę pyłowo-powietrzną w chwili jej wystąpienia. Atmosfera wybuchowa, dla której został określony zasięg nosi nazwę strefy zagrożenia wybuchem.

Ze względu na miejsce występowania stref zagrożonych wybuchem można wyróżnić:

wewnętrzne strefy zagrożenia wybuchem - są to strefy zlokalizowane wewnątrz obudów urządzeń i instalacji (np. w silosach, filtrach powietrza, zabudowanych przesypach itp.),
zewnętrzne strefy zagrożenia wybuchem - są to strefy zlokalizowane na zewnątrz obudów urządzeń i instalacji (np. otwarte składowiska materiałów sypkich, otwarte przesypy, zapylenie przestrzeni roboczej wynikające z nieszczelności instalacji i/lub obecności pyłów osiadłych).

STREFY ZAGROŻENIA WYBUCHEM

W celu doprecyzowania poziomu zagrożenia wybuchowego oraz umożliwienia doboru urządzeń o właściwym stopniu zabezpieczenia, każdej strefie zagrożenia wybuchowego przypisuje się parametr informujący użytkownika instalacji o częstotliwości występowania danej atmosfery wybuchowej. W przypadku pyłów parametry te zostały oznaczone następująco:

20 - atmosfera wybuchowa w postaci mieszaniny pyłowo-powietrznej, która występuje stale, często lub przez długie okresy,
21 - atmosfera wybuchowa może wystąpić podczas normalnej pracy,
22 - atmosfera wybuchowa nie występuje w trakcie normalnej pracy, a w przypadku wystąpienia utrzymuje się przez krótki czas.

Jak zostało zaznaczone wcześniej, atmosfera wybuchowa może występować zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz obudów. W takich przypadkach ich zasięg, jak i częstotliwość występowania powinna zostać określona oddzielnie dla każdej z tych przestrzeni.

Analogicznie urządzenia pracujące w danej strefie zagrożenia wybuchem muszą posiadać odpowiednie zabezpieczenia przed zapłonem atmosfery wybuchowej. Za dobór tych zabezpieczeń odpowiada producent urządzenia.

W przypadku urządzeń elektrycznych przeznaczonych do pracy w 20, 21 oraz nieelektrycznych przeznaczonych do pracy w 20 strefie zagrożenia wybuchem pyłów, wybór ten jak i zgodność urządzenia z odpowiednimi normami jest dodatkowo weryfikowany przez jednostkę notyfikowaną.

Za określenie na obiekcie stref zagrożenia wybuchem oraz dobór urządzeń posiadających właściwe zabezpieczenia oraz certyfikaty odpowiada użytkownik/właściciel obiektu. Przy realizacji obu czynności użytkownicy/właściciele obiektów często współpracują z firmami zewnętrznymi specjalizującymi się w obszarze bezpieczeństwa wybuchowego.

URZĄDZENIA PRACUJĄCE W DWÓCH STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM

Zdarza się, że dane urządzenie pracuje w dwóch strefach zagrożenia wybuchem jednocześnie. Przykładem może tu być czujnik zapełnienia, którego sonda pracuje wewnątrz zbiornika na pył (najczęściej w strefie 20), natomiast układ elektroniczny po jego zewnętrznej stronie (najczęściej w strefie 22). W takich przypadkach poszczególne elementy urządzenia mogą posiadać odmienne zabezpieczenia, które będą właściwe dla zidentyfikowanego zagrożenia.

Innym przykładem może być zawór celkowy zamontowany na wylocie z silosu. W takim przypadku we wnętrzu obudowy zaworu celkowego (w większości przypadków) wyznacza się 20, a na zewnątrz 22 strefę zagrożenia wybuchem. W związku z powyższym poszczególne elementy zaworu (wewnętrzne oraz zewnętrzne) mogą posiadać zabezpieczenia adekwatne do wyznaczonych stref zagrożenia wybuchem.

GENEROWANIE PYŁOWYCH ATMOSFER WYBUCHOWYCH

Rys. 1. Najczęstsze miejsca wybuchów atmosfer pyłowo-powietrznych

Generowanie atmosfer wybuchowych wewnątrz obudów związane jest bezpośrednio z charakterem procesów technologicznych (kruszenie, mieszanie, przesypywanie itp.). Dlatego też ich eliminacja z procesu produkcyjnego jest trudna i kosztowna lub praktycznie nie możliwa.

Do urządzeń i aparatów we wnętrzu których najczęściej dochodzi do wybuchu atmosfer pyłowo-powietrznych należą: silosy, instalacje odpylające, mielące, transportery i inne, które przedstawiono na wykresie (patrz rys. 1).

Zewnętrzne atmosfery wybuchowe najczęściej powstają w wyniku nieszczelności w instalacji oraz wzbudzenia tzw. pyłów osiadłych tj. pyłów zalegających na posadzkach, obudowach urządzeń oraz konstrukcjach stalowych. Ograniczenie ich powstawania może zostać osiągnięte poprzez hermetyzację instalacji, okresowe sprzątanie z użyciem urządzeń podciśnieniowych (np. systemu centralnego odkurzania), stosowanie instalacji odpylających.

Wzbudzenie pyłów osiadłych może nastąpić w wyniku: drgań konstrukcji stalowych, używania nadciśnieniowych układów czyszczących, niekontrolowanego uwolnienia ciśnienia z instalacji, wybuchu (np. w urządzeniu niezabezpieczonym lub nieprawidłowo zabezpieczonym przed wybuchem) przeciągów, nieprawidłowego działania wentylacji.

Dla przykładu, wzbudzenie 1 mm warstwy pyłu osiadłego o gęstości usypowej 500 kg/m³ może stworzyć atmosferę wybuchową o wysokości 5 metrów oraz koncentracji 100 g/m³.

Rzadziej występującym mechanizmem powstawania pyłowych atmosfer wybuchowych jest skraplanie i zestalanie się par różnych substancji chemicznych np. sadzy czy dymu spawalniczego (pył kondensacyjny).

OCHRONA PRZED SKUTKAMI WYBUCHU

Zgodnie z rozporządzeniem w sprawie minimalnych wymagań dla stanowisk pracy, na których może wystąpić atmosfera wybuchowa, pracodawca powinien w pierwszej kolejności ograniczać tworzenie się atmosfer wybuchowych oraz dążyć do wyeliminowania źródeł zapłonu atmosfer wybuchowych. Powyższe rozporządzenie wskazuje również, iż "w przypadku zaistnienia wybuchu zasięg jego oddziaływania powinien ograniczyć się tylko do stanowiska pracy i znajdujących się tam urządzeń na skutek zastosowania przez pracodawcę sposobów uniemożliwiających jego przejście w detonację i rozprzestrzenianie się fali detonacyjnej".

W praktyce oznacza to konieczność budowy instalacji odpornych na maksymalne ciśnienie wybuchu lub stosowanie zabezpieczeń chroniących przed skutkami wybuchu w postaci:

układów odciążających wybuch - panele dekompresyjne, układy bezpłomieniowego odciążania wybuchu, klapy samozamykające się,
systemu tłumienia wybuchu - układu opartego o butle z materiałem tłumiącym, czujniki oraz centralę sterującą,
układów odsprzęgania (izolacji) wybuchu - bariery proszkowe HRD, zasuwy szybkiego działania, zawory celkowe w wykonaniu odpornym na falę i ciśnienie wybuchu, zawory odcinające typu Ex-Kop oraz Ventex.

Prawidłowo zabezpieczona instalacja (urządzenie) każdorazowo musi zostać wyposażona w system odsprzęgania wybuchu, który blokuje jego propagację na pozostałą część instalacji oraz jeden z pozostałych systemów ochrony (odciążanie lub tłumienie wybuchu).

Wybór konkretnych rozwiązań uzależniony jest od parametrów procesowych (w tym temperatury, ciśnienia), konstrukcji chronionych urządzeń (w tym wytrzymałości konstrukcyjnej, kształtu) oraz parametrów wybuchowości pyłu (w tym pmax, Kst).

Wymogi dla urządzeń przeznaczonych do pracy w strefach zagrożonych wybuchem

Ocena zgodności produktów

Produkty przeznaczone na rynek Unii Europejskiej muszą spełniać zasadnicze wymagania wszystkich odnoszących się do nich dyrektyw nowego oraz globalnego podejścia (w tym dyrektywy ATEX 95). Za identyfikację dyrektyw odnoszących się do danego produktu, odpowiedzialny jest producent (lub upoważniony przez producenta przedstawiciel). Również na nim spoczywa odpowiedzialność za przeprowadzenie oceny zgodności produktu z poszczególnymi dyrektywami. Jeśli w dyrektywie nie podano inaczej, to przy ocenie zgodności dopuszcza się stosowanie innych specyfikacji niż zharmonizowane z nią normy. Należy jednak pamiętać, iż stosowanie tych ostatnich jest zalecane.

W pewnych przypadkach proces oceny zgodności wymaga udziału strony trzeciej w postaci jednostki notyfikowanej. Jej zadaniem jest wykonanie badania typu WE, czyli weryfikacji reprezentatywnej próbki produktów pod kątem jej zgodności z wymaganiami odpowiednich ustaw. Proces ten kończy się wydaniem certyfikatu badania typu, który w szczególności powinien zawierać nazwę i adres wytwórcy, wnioski z badań, warunki ważności i dane potrzebne do identyfikacji zatwierdzonego typu. Producent po przeprowadzaniu procedury wydaje dla urządzenia deklarację zgodności WE oraz umieszcza na nim znak CE.

Ocena zgodności produktów w kontekście bezpieczeństwa wybuchowego

W kontekście bezpieczeństwa wybuchowego należy zwrócić uwagę na następujące zagadnienia:

Urządzenia przeznaczone do pracy w strefach zagrożonych wybuchem muszą przejść ocenę zgodności, na podstawie której producent wydaje deklarację zgodności WE. Urządzenia elektryczne kategorii 1 i 2 oraz nieelektryczne kategorii 1 muszą zostać poddane badaniu typu WE, które wykonuje niezależna jednostka notyfikowana. W przypadku urządzeń elektrycznych kategorii 3 oraz nieelektrycznych kategorii 2 i 3 ocenę zgodności może przeprowadzić producent bez udziału jednostki notyfikowanej (w przypadku kategorii 2 urządzeń nieelektrycznych, producent jest jednak zobligowany do przesłania dokumentacji technicznej urządzenia do jednostki notyfikowanej).
W przypadku gdy przy ocenie zgodności urządzenia brała udział jednostka notyfikowana, deklaracja zgodności WE powinna zawierać jej numer oraz nazwę i adres.
Deklaracja zgodności W E powinna zawierać listę przepisów (w tym dyrektyw), z którymi zgodne jest urządzenie, a także listę norm lub innych dokumentów normatywnych, które zostały zastosowane w produkcji.
Urządzenia muszą zostać oznaczone znakiem CE, który informuje, iż przeprowadzono dla nich ocenę zgodności oraz wydano deklarację zgodności WE, a także muszą zostać oznaczone znakiem zabezpieczenia przeciwwybuchowego "Ex".
Na urządzeniu jak również w deklaracji zgodności W E muszą zostać umieszczone cechy oznaczenia "Ex", w tym np.: grupa i kategoria urządzenia, maksymalna temperatura powierzchni urządzenia, zastosowane zabezpieczenia przeciwwybuchowe.

WTÓRNE WYBUCHY

Fot. 2. Cukrownia po wybuchu pyłu cukrowego - źródłem zapłonu był przegrzany element podajnika taśmowego

Do wybuchów wtórnych dochodzi w wyniku propagacji, czyli rozprzestrzeniania się wybuchu pierwotnego. W zależności od zastosowanych (lub też braku zastosowania) zabezpieczeń przeciwwybuchowych, mamy do czynienia z trzema typowymi przypadkami opisanymi poniżej.

Brak propagacji po wybuchu pierwotnym, który został zainicjowany we wnętrzu instalacji - jest to modelowa sytuacja, która ma miejsce w przypadku prawidłowo zabezpieczonej instalacji procesowej poprzez system tłumienia lub odciążania wybuchu oraz system odsprzęgania (izolacji) wybuchu. W sytuacji tej skutki wybuchu zainicjowanego w danym urządzeniu zostają ograniczone do jego kubatury, a w przypadku paneli odciążających do jego kubatury oraz strefy bezpieczeństwa, która musi zostać wyznaczona w obszarze otworów dekompresyjnych.

Druga sytuacja to propagacja po wybuchu pierwotnym, który został zainicjowany we wnętrzu instalacji, a następnie rozprzestrzenił się na sąsiednie urządzenia oraz poza wnętrze instalacji - sytuacja ta ma miejsce w przypadku niezabezpieczonych lub nieprawidłowo zabezpieczonych instalacji procesowych:

instalacje niezabezpieczone: wybuch powstały w danym urządzeniu rozprzestrzenia się poprzez system przesypów i kanałów na sąsiednie urządzenia, w których dochodzi do wybuchów wtórnych (propagacja wewnątrz instalacji). W konsekwencji narastającego w instalacji ciśnienia dochodzi do jej rozerwania. Uwolnione ciśnienie wzbudza warstwy pyłu osiadłego co prowadzi do wybuchów wtórnych (propagacja na zewnątrz instalacji),
instalacja zabezpieczona nieprawidłowo: do typowych błędów popełnianych podczas zabezpieczania instalacji procesowych przed wybuchem należy stosowanie paneli odciążających wybuch w halach i budynkach oraz brak stosowania odsprzęgania wybuchu. W pierwszym przypadku wybuch uwolniony do wnętrza hali wzbudza pyły osiadłe doprowadzając do wybuchów wtórnych. W drugim przypadku brak odsprzęgania (pomimo prawidłowego zastosowania tłumienia lub odciążania wybuchu) powoduje propagację fali ciśnienia oraz płomienia na sąsiednie urządzenia. W konsekwencji zjawisko to może prowadzić do ich rozerwania, co skutkuje przeniesieniem się wybuchu na zewnątrz instalacji procesowej,

Trzecia z możliwości to propagacja po wybuchu pierwotnym, który został zainicjowany na zewnątrz instalacji - zjawisko to najczęściej jest spowodowane obecnością pyłów osiadłych, które w wyniku podmuchu lub drgań zostają wzbite, tworząc atmosferę wybuchową. W przypadku gdy w obszarze powstałej chmury znajduje się źródło zapłonu (np. gorąca powierzchnia, niedopałek, iskry pochodzące od prac spawalniczych) może dojść do wybuchu. Drgania oraz podmuch wywołany wybuchem pierwotnym powodują wzbicie kolejnych porcji pyłu, który stanowi paliwo dla wybuchów wtórnych.

Z powyższych powodów konieczna jest wielopoziomowa ochrona poprzez identyfikację i ocenę zagrożeń, ograniczenie ryzyka wystąpienia wybuchu, a także skutków ewentualnego wybuchu do bezpiecznego poziomu.

Artykuł na podstawie materiałów prasowych udostępnionych przez Grupę Wolff.
Autorem jest Sebastian Gruszka.