Instalacje elektryczne w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem (część 1.)

Wybuch to gwałtowna reakcja utleniania lub rozkładu, wywołująca wzrost temperatury lub ciśnienia. Zjawisko to zobrazowano na rysunku 1. Może on powstać w ściśle określonych warunkach, a dokładnie wtedy, gdy stężenie składnika palnego znajduje się w ściśle określonym przedziale. Przedział ten nazywamy granicą wybuchowości. Poza tymi granicami stężenie składników palnych w mieszaninie z utleniaczem nie spowoduje zapłonu mieszaniny nawet wówczas, jeśli źródło zapłonu będzie miało nieskończenie wielką energię. Wyznaczając granicę, w której może nastąpić wybuch, operujemy pojęciem dolnej i górnej granicy wybuchowości.

Dolna granica wybuchowości (DGW) jest to najniższe stężenie paliwa w mieszaninie palnej, poniżej której nie jest możliwy zapłon mieszaniny pod wpływem czynnika inicjującego i dalsze samoczynne rozprzestrzenianie płomienia w określonych warunkach badania.

Górna granica wytrzymałości (GGW) jest to najwyższe stężenie paliwa w mieszaninie palnej, powyżej której nie jest możliwy zapłon mieszaniny pod wpływem czynnika inicjującego i dalsze samoczynne rozprzestrzenianie płomienia w określonych warunkach badania.

Samo stężenie składnika palnego w określonym przedziale wybuchowości nie powoduje wybuchu. Do powstania wybuchu potrzebna jest jeszcze pewna energia, której inicjatorami mogą być takie czynniki jak iskry powstałe podczas pracy urządzeń i instalacji elektrycznych, elementy instalacji rozgrzane do niebezpiecznie wysokiej temperatury, wyładowania atmosferyczne i elektrostatyczne. Energia ta zwana jest minimalną energią zapłonu E_min i definiowana jako najmniejsza energia kondensatora w obwodzie elektrycznym, którego wyładowanie powoduje zapłon mieszaniny i rozprzestrzenianie się płomienia w określonych warunkach badania. Dla gazów i par minimalną energię zapłonu oznacza się dla składników stechiometrycznych, zaś dla pyłów – dla mieszanin bogatych w paliwo (powyżej składu stechiometrycznego). Są to warunki optymalne pod względem składu mieszaniny.

Wartość minimalnej energii zapłonu jest parametrem, który pozwala na ocenę zagrożenia wybuchem pochodzącego od istniejących w rozpatrywanym obszarze źródeł, takich jak iskry elektryczne, elektrostatyczne, iskry pochodzące od pojemnościowych lub indukcyjnych obwodów elektrycznych, a także iskry mechaniczne. Przykładową zależność energii zapłonowej w zależności od składu mieszaniny wodoru z powietrzem przedstawia rysunek 2. W tabeli 1. zostały przedstawione przykładowe granice zapłonu mieszanin innych gazów z powietrzem, w tabeli 2. przedstawiono przykładowe minimalne energie zapłonu mieszanin gazów oraz pyłów z powietrzem.

Źródła emisji:

• źródła emisji ciągłej:
  – powierzchnie cieczy palnej, które mają styczność z atmosferą w sposób ciągły lub przez długi czas,
  – kominki odpowietrzające zbiorniki gromadzące ciecze palne,
  – wszelkiego rodzaju aparatura technologiczna przeznaczona do przetwarzania cieczy palnych wyposażona w system odpowietrzania,
  – otwarte pojemniki, młyny, kosze nasypowe, bunkry, silosy; nasypywanie/opróżnianie materiałami pylącymi, transportery śrubowe,
  – pistolety do malowania farbami proszkowymi itp.,
• źródła emisji podczas normalnej pracy (emisji stopnia pierwszego):
  – miejsca przeznaczone do malowania, powlekania, klejenia,
  – miejsca, w których dokonuje się przelewania, mieszania oraz napełniania cieczami palnymi naczyń, butli lub innych pojemników,
  – miejsca, w których cieczy palnych używa się do mycia,
  – zbiorniki z cieczami palnymi o niskiej prężności par,
  – punkty odwadniania zbiorników z cieczami palnymi,
  – zawory nadmiarowe, odpowietrzniki, włazy, odciągi, klapy, otwory technologiczne, nieszczelne połączenia (szczególnie elastyczne), filtry rękawowe i workowe,
  – miejsca, w których pobiera się próbki oraz poddaje się je kontroli (badaniu),
  – wszelkiego rodzaju przepusty i uszczelnienia/dławice urządzeń (pompy, sprężarki, reaktory, mieszalniki, kolumny destylacyjne, zawory, zasuwy) biorących udział w procesie technologicznym przetwarzania, transportu oraz składowania substancji stanowiących zagrożenie,
  – miejsca dodawania premiksów do pasz dla bydła,
  – punkty, w których następuje mieszanie materiałów palnych z sypkimi materiałami niepalnymi,
  – maszyny polerujące, segregujące, osuszające, piece i separatory,
• źródła emisji, które mogą wystąpić niespodziewanie podczas normalnej pracy (źródła emisji stopnia drugiego):
  – punkty przyłączeń węży do opróżniania zbiorników przeznaczonych do magazynowania i transportu materiałów palnych (mieszalniki, zbiorniki, cysterny itp.),
  – miejsca uszczelnień połączeń urządzeń biorących udział w transporcie, obróbce i przechowywaniu materiałów palnych (pomp, sprężarek, zaworów, połączeń kołnierzowych, itp.),
  – niehermetyczne pojemniki z cieczami lub pyłami palnymi,
  – miejsca pobierania próbek lub kontroli,
  – elementy konstrukcyjne, które w normalnych warunkach eksploatacji powinny zachowywać szczelność (włazy, klapy, śluzy itp.).

Klasyfikacja mieszanin wybuchowych palnych gazów i par z powietrzem na grupy wybuchowości (dla środowisk, w których stosuje się urządzenia elektryczne), z uwagi na graniczny doświadczalny prześwit szczeliny MESG (czyli maksymalny prześwit szczeliny, przez który nie jest możliwe przeniesienie wybuchu do środowiska zewnętrznego, niebezpiecznego pod względem wybuchowości) i wartość stosunku minimalnego prądu, przy którym następuje zapalenie badanego gazu lub pary do minimalnego prądu, przy którym następuje zapalenie metanu (stosunek MIC):

• grupa I: metan w podziemnych wyrobiskach górniczych,
• grupa II: gazy pary z wyjątkiem metanu w wyrobiskach podziemnych (np. IIA – propan, IIB – etylen, IICa – wodór, IICb – acetylen).

Przykładowe wartości MESG i MIC przedstawia tabela 5.

Pojawienie się energii powodującej zapłon substancji palnych wiąże się ze wzrostem temperatury. To właśnie wartość temperatury decyduje o niebezpieczeństwie wybuchu. Parametry temperaturowe wykorzystywane przy ocenie skłonności palnych – wybuchowych różnych substancji i zagrożenia, jakie te substancje powodują, to:

• temperatura samozapłonu dla gazów, par, aerozoli i mgieł cieczy palnych oraz dla pyłu osiadłego w warstwie i chmury pyłu, a także dla mieszanin hybrydowych,
• temperatura zapłonu dla cieczy palnych,
• temperatura zapalenia dla ciał stałych o zwartej strukturze,
• temperatura wytlewania dla pyłów,
• temperatura tlenia dla pyłów.

Im niższe są wartości tych temperatur, tym większego można spodziewać się zagrożenia pożarem lub wybuchem powodowanego przez poszczególne substancje (łatwiej może dojść do zapłonu). Temperatura samozapłonu jest to najniższa temperatura, przy której następuje zapalenie się substancji palnej w wyniku zetknięcia z gorącą powierzchnią lub wskutek oddziaływania cieplnego tej powierzchni (bez udziału zewnętrznego płomienia lub iskry).

Temperatura zapłonu cieczy palnej jest to najniższa temperatura, przy której ciecz tworzy nad swoją powierzchnią mieszaninę par z powietrzem o odpowiednim stężeniu, zdolną zapalić się od bodźca energetycznego w określonych warunkach badania. Dla celów ochrony przeciwpożarowej wyróżnia się trzy klasy:

• klasa I: ciecze o temperaturze zapłonu do 21°C (np. benzyna samochodowa, aceton, alkohol etylowy),
• klasa II: ciecze o temperaturze zapłonu od 21 do 55°C (np. trójchloroetylen, terpentyna, glikol etylowy),
• klasa III: ciecze o temperaturze zapłonu powyżej 55 do 100°C (np. cykloheksanol, anilina, nitrobenzen).

Pożarowo niebezpieczne są ciecze klasy I i II, zaś klasy III kwalifikuje się jako ciecze palne.

Innym parametrem decydującym o możliwości powstania wybuchu jest to, jakie panuje ciśnienie w pomieszczeniu, jeśli w panuje w nim nadciśnienie ΔP≥5 kPa. Wówczas kwalifikujemy je jako pomieszczenie zagrożone wybuchem. W tabeli 5. przedstawiono zagrożenia wywołane wzrostem ciśnienia gazów spalających się wybuchowo.

Klasyfikacja przestrzeni zagrożonych wybuchem

Ocena zagrożenia wybuchem obejmuje wskazanie pomieszczeń zagrożonych wybuchem, wyznaczenie w pomieszczeniach i przestrzeniach zewnętrznych odpowiednich stref zagrożenia wybuchem oraz wskazanie czynników mogących w nich zainicjować zapłon.

Ocenę zagrożenia wybuchem należy przeprowadzić komisyjnie, zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 21 kwietnia 2006 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 80, poz. 563) [1].

Ocena zagrożenia oraz wyznaczenie stref zagrożenia wybuchem ma decydujące znaczenie dla bezpieczeństwa, funkcjonalności obiektu, kosztu inwestycji i jej eksploatacji. Ma również wpływ na rodzaj przyjętych rozwiązań: instalacji i urządzeń elektrycznych, ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej, wentylacji, wielkości powierzchni odciążających itp. Zasięg stref zagrożonych wybuchem zależy od:

• parametrów czynnika (źródła emisji) powodującego zagrożenie (DGW, emisyjność, geometria, lotność, stężenie itp.),
• warunków otoczenia (temperatura, wentylacja, ciśnienie itp.),
• przeszkód, zapór, ścian, sufitów, podłogi, które mogą ograniczyć zasięg strefy,
• gęstości względnej pary/gazu (wpływa na kierunek przemieszczania).

Pomieszczenie, w którym może wytworzyć się mieszanina wybuchowa, powstała z wydzielającej się takiej ilości palnych gazów, par, mgieł lub pyłów, której wybuch mógłby spowodować przyrost ciśnienia w tym pomieszczeniu przekraczający 5 kPa, określa się jako pomieszczenie zagrożone wybuchem. Strefa zagrożenia wybuchem to przestrzeń, w której może występować mieszanina substancji palnych z powietrzem lub innymi gazami utleniającymi, o stężeniu zawartym między dolną a górną granicą wybuchowości.

Zgodnie z PN-EN 1127-1:2001 Atmosfery wybuchowe. Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem. Pojęcia podstawowe i metodologia [2], strefy zagrożone wybuchem dzielimy na:

• strefa 0 – obszar, w którym atmosfera wybuchowa zawierająca mieszaninę substancji palnych w postaci gazu, pary albo mgły z powietrzem występuje stale, w długim czasie lub często,
• strefa 1. – obszar, w którym atmosfera wybuchowa zawierająca mieszaninę substancji palnych w postaci gazu, pary albo mgły z powietrzem może wystąpić w trakcie normalnego działania,
• strefa 2. – obszar, w którym atmosfera wybuchowa zawierająca mieszaninę substancji palnych w postaci gazu, pary albo mgły z powietrzem nie występuje w trakcie normalnego działania, a w przypadku wystąpienia trwa tylko przez krótki czas,
• strefa 20. – obszar, w którym atmosfera wybuchowa w postaci obłoku palnego pyłu w powietrzu występuje stale, w długim czasie lub często,
• strefa 21. – obszar, w którym atmosfera wybuchowa w postaci obłoku palnego pyłu w powietrzu może czasami wystąpić w trakcie normalnego działania,
• strefa 22. – przestrzeń lub pomieszczenie, w którym atmosfera wybuchowa w postaci chmury palnego pyłu w powietrzu nie występuje w trakcie normalnego działania, a w przypadku wystąpienia trwa przez krótki czas.

Przykładowe zasady wyznaczania stref zagrożonych wybuchem pokazano na rysunku 3. i rysunku 4.

Sposoby zmniejszenia zagrożenia lub skutków ewentualnego wybuchu w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem:

• ustawienie ciągów technologicznych tak, aby ograniczyć lub całkowicie wyeliminować zagrożenie powstające w trakcie ich pracy. Jeśli to możliwe, należy wydzielać szczególnie zagrożone węzły i lokalizować je na otwartej przestrzeni lub pod wiatami;
• zapobieganie powstawaniu atmosfery wybuchowej:
  – przez zastosowanie wentylacji mechanicznej (ogólna lub miejscowa), mającej na celu zmniejszenie ilości substancji powodującej zagrożenie (poniżej dolnej granicy DWG) lub jej całkowite usunięcie,
  – przez usuwanie gromadzących się pyłów lub stosowanie rozwiązań zapobiegających tworzeniu przez nie zagrożenia wybuchem,
  – przez schładzanie cieczy poniżej ich temperatury zapłonu,
  – nawilżając i/lub zestalając pyły, – dodając gazy obojętne (azot, dwutlenek węgla, parę wodną itp.),
  – przez niedopuszczanie lub ograniczanie wydzielania gorących spalin, rozżarzonych cząstek,
  – przez niedopuszczanie do nagrzewania się elementów urządzeń i wyposażenia do temperatury mogącej stwarzać zagrożenie;
• stosowanie środków i urządzeń zmniejszających skutki wybuchu, np. membrany, płytki bezpieczeństwa, zawory bezpieczeństwa.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 21 kwietnia 2006 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 80, poz. 563).
2. PN-EN 1127-1:2001 Atmosfery wybuchowe. Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem. Pojęcia podstawowe i metodologia.
3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 maja 2003 roku w sprawie zasadniczych wymagań dla urządzeń i systemów ochrony przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem (DzU nr 143, poz. 1393).
4. PN-EN 50014:2004 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.
5. S. Kanoza, „Baterie” Materiały seminarium SPE Oddział Wrocławski, Układy zasilania gwarantowanego i awaryjnego, Wrocław 9 listopada 2006 r.
6. S. Nowak, W. Wolczyński, Eksploatacja instalacji i urządzeń elektrycznych w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, COSiW SEP 2002.
7. Notatki własne z przedmiotu „Zagrożenie wybuchowe”, prowadzonego przez dr. inż. M. Wolińskiego w ramach Studium Podyplomowego „Bezpieczeństwo Budowli w SGSP”, Warszawa 2004.
8. Katalog i podręcznik instalacyjny firmy „GAZEX”.
9. PN-IEC 60364 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych”.
10. A. Skibiński „Urządzenia i instalacje elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem”, Podręcznik dla Elektryków „INPE” zeszyt 16, wrzesień 2007.
11. M. Świerżewski, „Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem Zagadnienia wybrane”, SEP SIiUE, Warszawa listopad 2008.
12. www.damel.com.pl.
13. www.apator-mining.com.pl.