Środowisko zagrożone wybuchem – acetylen (etyn) (część 1.)
Liczba zdarzeń z udziałem acetylenu w poszczególnych latach (do końca sierpnia 2012 r.). Opracowanie własne
W Europie ma miejsce kilka tysięcy eksplozji rocznie substancji łatwo palnych, pyłu oraz gazów. Powodują one uszkodzenia urządzeń, zniszczenia całych fabryk/zakładów, a przede wszystkim utratę ludzkiego życia. Reguły ATEX były rozumiane jako dobrowolny standard od 1 marca 1996 roku. Reguły te są obowiązkowe dla sprzętu elektrycznego i elektronicznego do użytku w środowisku zagrożonym wybuchem sprzedawanego w Unii Europejskiej po 1 lipca 2003 roku. Od tej daty wszystkie produkty sprzedane do użytkowania w środowisku zagrożonym wybuchem muszą posiadać certyfikat ATEX i mieć odpowiedni symbol.
Zobacz także
mgr inż. Julian Wiatr, mł.br.mrg.inż Edward Skiepko Dobór przewodów do zasilania urządzeń, które muszą funkcjonować w czasie pożaru (część 1.)
W artykule zostały wyjaśnione zjawiska wzrostu rezystancji przewodu powodowane przez wzrost temperatury podczas pożaru w budynkach oraz problemy związane z zasilaniem urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować...
W artykule zostały wyjaśnione zjawiska wzrostu rezystancji przewodu powodowane przez wzrost temperatury podczas pożaru w budynkach oraz problemy związane z zasilaniem urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie akcji gaśniczo-ratowniczej. Przedstawione w artykule zasady doboru przewodów do zasilania urządzeń ppoż., które muszą funkcjonować w czasie pożaru, nie zostały określone w normach przedmiotowych oraz obowiązujących przepisach techniczno-prawnych.
Ela-compil sp. z o.o. Czy system wykrywania pożaru naprawdę chroni?
W systemach bezpieczeństwa pożarowego dwa pojęcia – sterowanie i nadzorowanie – są często używane zamiennie, co bywa mylące. W rzeczywistości pełnią one odmienne funkcje, mają różne cele i wpływają na...
W systemach bezpieczeństwa pożarowego dwa pojęcia – sterowanie i nadzorowanie – są często używane zamiennie, co bywa mylące. W rzeczywistości pełnią one odmienne funkcje, mają różne cele i wpływają na efektywność całej instalacji. Rozumienie tych różnic jest kluczowe, jeśli zależy nam na niezawodnej ochronie życia i mienia.
mgr inż. Piotr Wasiucionek Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m3 lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.
![Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m3 lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.](https://www.elektro.info.pl/media/cache/full/data/202402/pwp-fot1.jpg)
Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających...
Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m sześc. lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.*)
StreszczenieW artykule przedstawiono podstawowe informacje dotyczące: Dyrektyw Atex, w szczególności odnoszących się do urządzeń elektrycznych i elektronicznych pracujących w obszarze występowania acetylenu, statystyki zdarzeń odnotowanych przez PSP z udziałem butli acetylenowych, właściwości oraz stwarzanych przez acetylen zagrożeń i sposobu jego magazynowania. Artykuł zawiera informacje dotyczące proponowanych technik i taktyki działań ratowniczych, ze szczególnym uwzględnieniem aspektów bezpieczeństwa, w przypadku wystąpienia zdarzeń z udziałem butli acetylenowych poddanych działaniu ognia, ciepła, uderzeniom. W opracowaniu odniesiono się do kwestii właściwego doboru, przez ratowników, sprzętu łączności i oświetleniowego w przestrzeniach występowania zagrożenia wybuchem.AbstractHazardous Environment – AcetyleneThe paper presents basic information on: Atex Directives, in particular those relating to electrical and electronic equipment operating in the presence of acetylene, statistics recorded by the State Fire Service (PSP) events involving acetylene cylinders, characteristics and hazards created by acetylene as well as a way of its storing. The article contains information on the proposed techniques and tactics of rescue operations, with particular emphasis on safety in case of incidents involving acetylene cylinders exposed to fire, heat and shock. In this paper reference was made to the proper selection of communication and lighting equipment by rescuers, in the presence of potentially explosive areas. |
Dyrektywa ATEX (94/9/WE) nakłada na producentów obowiązek dostarczania sprzętu elektrycznego do użycia tylko z odpowiednimi certyfikatami. Dla pracowników istnieje inna Dyrektywa ATEX (99/92/WE), która określa wymogi poprawy bezpieczeństwa i higieny pracy osób pracujących w środowisku zagrożonym wybuchem. Obydwie Dyrektywy są obowiązujące.
Dyrektywy te określają obowiązek sklasyfikowania każdego obszaru według stopnia potencjalnego zagrożenia, przez co na takich obszarach może być używany tylko sprzęt z odpowiednim certyfikatem. Według starej dyrektywy CENELEC (obowiązującej wcześniej) różne obszary były dzielone w zależności od poziomu zagrożenia na trzy klasy: strefę 2., strefę 1, i strefę 0. Według Dyrektywy ATEX każda strefa jest powiązana z kategorią, a każdy sprzęt elektryczny jest klasyfikowany według tych kategorii i uzyskuje certyfikat obszaru, w którym może być bezpiecznie używany.
Acetylen zaliczany jest zgodnie z Dyrektywą ATEX (ATmospheres EXplosives – Wybuchowe atmosfery) do klasy wybuchowości IIC (grupa wodorowa) i klasy temperaturowej T2 (maks. temperatura powierzchni 300°C). Szczegóły dotyczące Dyrektywy ATEX, doboru urządzeń do poszczególnych stref zagrożenia wybuchem i ich znakowania można znaleźć w literaturze [1, 2]. W drugiej części artykułu podane zostaną wymagania dla sprzętu oświetleniowego i łączności przeznaczonego do stosowania w atmosferze zagrożenia wybuchem wytworzonej w wyniku nieszczelności butli.
Acetylen posiada właściwości, które powodują, że jest on praktycznie niezastąpiony przy spawaniu autogenicznym i cięciu, stosowany jest również w przemyśle chemicznym do wytwarzania tworzyw sztucznych. Z uwagi na właściwości podczas jego wykorzystania należy stosować zarówno odpowiednie techniczne środki bezpieczeństwa, jak i przestrzegać zasad bezpieczeństwa przy jego użytkowaniu, aby uniknąć stwarzanych przez niego zagrożeń.
Zdarzenia z udziałem acetylenu nie należą do częstych, jednak niosą bardzo duże zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi, a także mienia.
Trochę statystyki
Z analizy danych zawartych w informacjach ze zdarzeń [12] wynika, że zdarzenia z udziałem acetylenu stanowią tylko znikomy procent ogólnej liczby zdarzeń odnotowanych przez Państwową Straż Pożarną, ale należy zaznaczyć, iż pomimo ich małej liczby, doszło do wielu wypadków z udziałem ratowników oraz osób postronnych. Można więc stwierdzić, że stopień ciężkości wielu zdarzeń jest stosunkowo duży. Szczegółowe dane dotyczące liczby zdarzeń z acetylenem w latach 2000–2012 (do końca sierpnia 2012 r.) przedstawiono na rysunku 1., natomiast wykres ilustrujący liczbę osób poszkodowanych podczas tych zdarzeń przedstawia rysunek 2.
Podczas realizacji działań ratowniczych z udziałem acetylenu obrażeń doznało łącznie 17 ratowników i 31 osób postronnych, w tym 2 osoby poniosły śmierć w wyniku odniesionych obrażeń.
Rozpatrując zdarzenia pod kątem ich rodzaju stwierdzono, że są to głównie pożary w przeważającej większości małe oraz miejscowe zagrożenia lokalne, małe, średnie. Łącznie działania ratownicze w analizowanym przedziale czasowym prowadziło 1245 ratowników PSP, 517 ratowników z OSP, wykorzystując 398 samochodów ratowniczo-gaśniczych PSP i 98 samochodów OSP.
Analiza danych wykazała, że podczas odnotowanych 140 zdarzeń z acetylenem w 17 przypadkach doszło do wybuchu butli.
Rozpatrując dane zawarte w informacjach ze zdarzeń stwierdzono, że podczas 34 zdarzeń prowadzono ewakuację ludzi, natomiast w 13 ewakuowano mienie.
Analiza danych wykazała, że w większości zdarzeń realizowano proces chłodzenia butli z acetylenem, jej przenoszenie i zanurzanie w zbiorniku z wodą w celu kontynuacji chłodzenia, a także wypuszczano acetylen z butli do atmosfery z powodu uszkodzenia zaworu lub w celu opróżnienia butli.
Do głównych przyczyn ww. zdarzeń można zaliczyć:
- nieostrożność osób dorosłych (37 przypadków),
- cofnięcie płomienia (23),
- nieszczelność (13),
- zaprószenie ognia (10),
- nieustalone (26).
Właściwości fizykochemiczne
Acetylen w normalnej temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem atmosferycznym jest gazem bezbarwnym, nieco cięższym od powietrza. Czysty acetylen jest bezwonny, natomiast znajdujący się w sprzedaży acetylen, o zwykłej handlowej czystości, ma specyficzny zapach, podobny do czosnku. Czysty acetylen zalicza się do gazów nietoksycznych. Jest łatwo palnym gazem palącym się bardzo gorącym, mocno świecącym i dymiącym płomieniem.
Cechą wyróżniającą acetylen od innych gazów palnych jest jego niestabilna natura, wyrażająca się skłonnością do egzotermicznego rozpadu, na skutek pękania wiązania HC≡CH, nawet w środowisku bez powietrza/tlenu. Jest on lekko lżejszy od powietrza (gęstość względem powietrza wynosi 0,91) i w związku z tym łatwo się z nim miesza, jest dobrze rozpuszczalny w wielu cieczach organicznych, w tym w acetonie, alkoholu etylowym, benzenie, chloroformie i eterze.
Parametry krytyczne acetylenu przedstawiają się następująco:
- temperatura krytyczna 35,2°C,
- ciśnienie krytyczne 61,9 bara.
Parametry pożarowe acetylenu wynoszą:
- temperatura zapłonu: 17,8°C,
- temperatura samozapalenia: 305°C,
- temperatura spalania: 2322°C,
- maksymalna szybkość palenia 1,57 m/s,
- maksymalne ciśnienie wybuchu 1,01 × 106 Pa.
Acetylen jest substancją skrajnie łatwo palną, o bardzo szerokim, można powiedzieć najszerszym spośród gazów palnych, zakresie wybuchowości, wynoszącym 2,3–82% objętości. Górna granica wybuchowości w przypadku mieszaniny z tlenem może osiągnąć wartość 93% objętości. Energia zapłonu niezbędna do zapalenia acetylenu w powietrzu jest bardzo niska i wynosi zaledwie 0,019 mJ. Źródłem zapłonu może być płomień, iskra, nagrzana powierzchnia, wyładowanie elektryczności statycznej (np. iskra wywołana elektrostatycznym naładowaniem człowieka). Temperatura samozapłonu acetylenu wynosi 305°C (temperatura samozapłonu LPG sięga 287°C, zaś dla gazu ziemnego znajduje się w przedziale 480–630°C).
Gazowy acetylen, jeżeli zostanie sprężony (np. w wężu acetylenowym) powyżej 1,52 × 105 – 2,03 × 105 Pa (1,5–2 atm) – wybucha. Acetylen łatwo reaguje z solami srebra (Ag), miedzi (Cu), rtęci (Hg) tworząc przy tym nietrwałe, wybuchowe acetylenki, które są bardzo wrażliwe na wstrząs lub tarcie.
Właściwości fizjologiczno-biologiczne
Czysty acetylen zaliczany jest do gazów nietoksycznych, lecz jest on gazem duszącym (w przypadku wysokich stężeń płuca są pozbawione wymaganego dopływu tlenu) o lekkich własnościach znieczulających. Czysty acetylen nie wykazuje długotrwałych szkodliwych oddziaływań, nawet w wysokich stężeniach. Nieoczyszczony acetylen wytworzony z węglika wapnia zawiera toksyczny fosforowodór w stężeniach wynoszących zwykle 300–500 ppm. Należy jednak zaznaczyć, że o wiele wcześniej niż nastąpi uduszenie, osiągnięta zostanie dolna granica wybuchowości acetylenu (DGW), i zanim wystąpi jakiekolwiek inne zagrożenie dla zdrowia, nastąpi niebezpieczeństwo wybuchu.
Zjawiska niebezpieczne
Rozkład acetylenu
Acetylen może podlegać rozkładowi – jest to spontaniczna reakcja z wytworzeniem węgla i wodoru – może wystąpić przy niskim lub średnim ciśnieniu jako deflagracja (stosunkowo mała szybkość reakcji – prędkość eksplozji poddźwiękowa), lub jako detonacja (prędkość eksplozji ponaddźwiękowa).Podczas deflagracji wytwarzają się ciśnienia reakcji 10 do 11,5 razy wyższe od ciśnienia początkowego w wyniku uwolnienia energii z reakcji. Detonacja acetylenu będącego pod wysokim ciśnieniem wytwarza maksymalne ciśnienie do 50 razy wyższe od pierwotnego.
Należy przy tym zaznaczyć, że proces rozkładu acetylenu jest procesem egzotermicznym i samopodtrzymującym się oraz zależy głównie od bilansu cieplnego. Jeśli przyrost ciepła wewnątrz butli jest większy niż straty ciepła (spowodowane jego odprowadzaniem), wówczas zajdzie reakcja rozkładu. Rozpocznie się ona, gdy energia wewnątrz butli będzie wystarczająca, by spowodować jej gwałtowny wzrost. Zjawisko znane jest jako wybuch cieplny i występuje w każdym układzie, gdzie przyrost ciepła jest większy niż jego straty.
Rozkład cząsteczki acetylenu może nastąpić przy ciśnieniu atmosferycznym już w temperaturze z zakresu 180–190°C pod wpływem oddziaływania bodźca (iskra, płomień, wstrząs, uderzenie. W wyniku sprężenia gazu do ciśnienia 0,15 MPa (1,5 atm) reakcja rozkładu może nastąpić w temperaturze otoczenia.
Polimeryzacja
Acetylen może reagować z innymi cząsteczkami acetylenu tworząc większe cząsteczki węglowodoru, na przykład benzenu. Proces ten znany jest jako polimeryzacja, a do jego zainicjowania potrzebne jest ciepło.
Z chwilą rozpoczęcia się procesu polimeryzacji wydziela się ciepło i powyżej ciśnienia atmosferycznego reakcja staje się samopodtrzymująca. Powyższe może doprowadzić do wybuchowego rozkładu acetylenu na jego pierwiastki składowe: węgiel i wodór. Polimeryzacja łatwo rozpoczyna się w 400°C pod ciśnieniem atmosferycznym.
Rozerwanie hydrauliczne butli
W sytuacji, gdy temperatura wewnątrz w pełni napełnionej butli z acetylenem osiągnie około 65°C, ciecz (rozpuszczalnik wraz z rozpuszczonym w nim acetylenem) rozszerza się wypełniając wolną objętość butli (przestrzeń bezpieczeństwa) i wówczas zaczyna powstawać nadciśnienie hydrauliczne. Należy zaznaczyć, że w napełnionej butli 8% jej pojemności zajmuje masa porowata, 39% aceton, 39% acetylen, 14% wolna przestrzeń (przestrzeń bezpieczeństwa). Z danych zawartych w literaturze [3] wynika, że przy temperaturze 120–140°C następuje hydrauliczne rozerwanie butli.
Przechowywanie acetylenu
Acetylen z uwagi na specyficzne właściwości przechowywany jest w specjalnie oznakowanych butlach – o pojemności głównie 40 l (ale można spotkać także butle o pojemnościach 1, 3, 5, 10, 20 i 50 l) pod ciśnieniem ok. 19 bar w temperaturze 15°C w stanie rozpuszczonym. Najczęściej stosowanym rozpuszczalnikiem jest aceton lub dimetyloformamid (DMF). Rozpuszczalnik pełni funkcję ochronną, polegającą na opóźnianiu rozwoju deflagracji i transportu ciepła pomiędzy acetylenem w stanie wolnym a rozpuszczonym. Opóźnienie to sięga rzędu kilkudziesięciu sekund i przyczynia się do zahamowania reakcji rozkładu. Butla do acetylenu zbudowana jest ze stalowego płaszcza (przeważnie bez szwu) oraz powinna być całkowicie wypełniona dopuszczoną do stosowania, równomiernie rozłożoną masą porowatą, która między innymi zapobiega rozprzestrzenianiu się rozkładu acetylenu.
Masę porowatą może stanowić jedno- lub wieloskładnikowy materiał wprowadzony do butli lub utworzony w niej, w celu jej wypełnienia, który dzięki swej porowatości pozwala na absorpcję roztworu rozpuszczalnik/acetylen.
Oznakowanie butli acetylenowych
W celu identyfikacji butli z acetylenem stosowane są następujące ich oznakowania:
- kolorystyczne – kolor kasztanowy (RAL 3009) – do 2006 r. kolor żółty,
- trwałe, zlokalizowane na główce butli (szyjce), między innymi zawierające rodzaj gazu, pojemność, nazwę producenta i właściciela, datę badania UDT, ciśnienie próbne, znak wytwórcy, numer identyfikacyjny butli),
- nietrwałe – etykieta butli zawierająca między innymi zwroty wskazujące na rodzaj zagrożenia, środki ostrożności – zapobieganie, przechowywanie, usuwanie, dane dostawcy acetylenu, piktogramy oznakowania.
Butle acetylenowe ze względu na specyfikę stwarzanego zagrożenia wymagają podjęcia działań osób zarówno odpowiedzialnych za ich eksploatację, jak i prowadzących i realizujących działania ratownicze.
Informacje dotyczące zasad postępowania z butlami acetylenowymi poddanymi działaniu ognia, temperatury czy uderzeniom przedstawione zostaną w kolejnym artykule.
Literatura
- http://www.strefaez.eu/pl,bo-x, box,Baza-wiedzy-ATEX,post34,html
- http://www.bhp.pulawy.pl/atex.html
- Kodeks Postępowania ACETYLEN, IGOC Doc 123/04/E.
- ACETYLENE – NOTTINGHAMSHIRE Fire&Rescue Service Creating Safer Communities. STANDARD OPERATING PROCEDURE S.O.P.NO.33- 01/09/2011.
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 23 grudnia 2003 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy produkcji i magazynowaniu gazów, napełnianiu zbiorników gazami oraz używaniu i magazynowaniu karbidu (DzU 2004 nr 7 poz. 59, wraz z późn. zm.).
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 27 kwietnia 2000 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy pracach spawalniczych (DzU z 2000 r., nr 40, poz. 470).
- Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU z 2010 r., nr 109, poz. 719).
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 22 grudnia 2005 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem (DzU z 2005 r., nr 263, poz. 2203).
- PN-EN 60079-10-1:2009 Atmosfery wybuchowe. Część 10-1: Klasyfikacja przestrzeni – gazowe atmosfery wybuchowe.
- PN-EN 1127-1:2011 Atmosfery wybuchowe – zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem – pojęcia podstawowe i metodyka.
- Karta charakterystyki substancji niebezpiecznej (Messer, Linde Gas, Air Products).
- Baza danych SWD-ST KG PSP.
