Często nie zdajemy sobie sprawy, jak potężne znaczenie dla bezpieczeństwa procesu mogą mieć pozornie niewielkie zmiany w obrębie instalacji produkcyjnej. Przykładowo wydłużenie rurociągu palnych mediów gazowych zaledwie o 1 m może doprowadzić do poważnej awarii przemysłowej, co wykazały testy przeprowadzone w czasie IV Międzynarodowej Konferencji INDEX w Krakowie.
Konferencja INDEX na temat bezpieczeństwa procesowego i wybuchowego, która odbywa się cyklicznie od 2011 roku, jest nie tylko ukierunkowana na wykłady, dyskusje oraz rozmowy w kuluarach, ale także na praktyczne podejście do kwestii bezpieczeństwa technicznego.
Jej stałym elementem są testy wybuchowości różnych substancji powszechnie stosowanych w przemyśle. Do tej pory skupiały się one na demonstracji skutków wybuchu mieszanin pyłowo-powietrznych (w testach wykorzystywano m.in. pył węglowy, pyły cukru, a nawet herbaty) oraz systemach, które wspomniane skutki ograniczają do bezpiecznego poziomu.
W tym roku jednak po raz pierwszy przeprowadzone zostały testy z wykorzystaniem mieszanin gazowych, które wywarły spore wrażenie na uczestnikach konferencji. Nikt bowiem nie spodziewał się, że wydłużenie rurociągu, w którym zachodził proces spalania mieszaniny gazowo-powietrznej, o zaledwie 1 m będzie miało tak duże znaczenie dla dynamiki procesu. Krótki film prezentujący testy wybuchowości mieszaniny gazowo-powietrznej możesz obejrzeć na stronie www.grupa-wolff.eu/detonacja lub po zeskanowaniu swoim telefonem zamieszczonego obok kodu QR.
Przebieg procesu spalania mieszanki w rurociągach
Mechanizm rozprzestrzeniania się płomienia od źródła zapłonu wzdłuż rurociągu pokazuje wykres 1. Wskazuje on jasno, że proces spalania w rurociągu w początkowej fazie rozwija się stosunkowo wolno, czemu towarzyszy adekwatny wzrost ciśnienia w rurociągu. Po przekroczeniu pewnej długości rurociągu dochodzi do gwałtownego wzrostu dynamiki spalania, co powoduje drastyczny skok ciśnienia do wartości przekraczającej nawet 100 bar.
Deflagracja a detonacja rurowa
Podczas pierwszego testu, w czasie którego zastosowano rurociąg o długości 2 metrów, spalanie gazów przebiegło z prędkością niższą niż prędkość dźwięku, generując przy tym stosunkowo niewielką ilość energii – proces ten nazywamy deflagracją rurową. Drugi test został przeprowadzony w analogiczny sposób, a jedyna różnica polegała na zwiększeniu długości rurociągu testowego o zaledwie jeden metr. Ta pozornie niewielka zmiana sprawiła, że prędkość spalania gazów w rurociągu przekroczyła prędkość dźwięku i przeszło ono w tzw. detonację rurową, która generuje znacznie większą ilość energii oraz wyraźnie słyszalną falę uderzeniową.
Kiedy zachodzi deflagracja, a kiedy detonacja?
W przypadku odpowiednio długich rurociągów deflagracja przechodzi w detonację, która stanowi znacznie bardziej dynamiczny proces. To, czy w danym rurociągu będziemy mieli do czynienia z deflagracją, czy też deflagracja przejdzie w detonację, zależy głównie od dwóch parametrów:
- grupy wybuchowości danego gazu,
- stosunku średnicy rurociągu do jego długości, przy czym parametr ten jest różny dla poszczególnych grup wybuchowości gazów.
W obu doświadczeniach płomień napędzany był poprzez wzrost objętości i ciśnienia spalonych gazów oraz coraz szybsze zasysanie palnej mieszanki gazów przez przemieszczający się płomień. W efekcie wraz z długością rurociągu czoło płomienia przyspieszało, generując coraz większą ilość energii.
Przykładowo dla gazu z grupy IIC, z którym mieliśmy do czynienia w czasie testów, deflagracja przekształci się w detonację, gdy długość rurociągu L przekroczy 30-krotność jego średnicy D (norma EN ISO 16852:2010), czyli dla DN 100 będą to tylko 3 metry.
Przerywacz płomienia deflagracji, detonacji czy detonacji niestabilnej?
Oba testy miały za zadanie uświadomić użytkownikom instalacji procesowych, jak ważnym zadaniem jest określenie lokalizacji oraz typu rurowego przerywacza płomienia. Przykładowo zastosowanie przerywacza płomienia certyfikowanego tylko na zjawisko deflagracji nie zabezpieczy nas przed zjawiskiem detonacji czy też detonacji niestabilnej. Z drugiej strony nie warto stosować przerywaczy detonacji lub detonacji niestabilnej w miejscach, w których wystąpienie tych zjawisk, z przyczyn fizycznych, nie jest możliwe. Ze względu na złożoność oraz długość nawet prostych aplikacji (rurociągów oparowych i produktowych), przy których może pojawić się wątpliwość co do wyboru właściwego typu zabezpieczenia, zawsze należy skonsultować się z producentem lub specjalistą dobierającym zabezpieczenia tego typu.
Dobór przerywacza płomienia pod kątem charakterystyki potencjalnego wybuchu należy rozpocząć od określenia odcinków rurociągu, w których będziemy mieli do czynienia odpowiednio z deflagracją, detonacją oraz detonacją niestabilną. Następnie należy zweryfikować, który z odcinków, z technicznego oraz ekonomicznego punktu widzenia, będzie optymalny dla montażu zabezpieczenia. Przykładowo montaż tańszego przerywacza płomienia w miejscu trudno dostępnym szybko wygeneruje dodatkowe koszty podczas przeglądów i serwisów. Takie rozwiązanie może mieć również wpływ na częstotliwość i jakość wspomnianych prac, co przełoży się na poziom bezpieczeństwa instalacji.
W przypadku złożonych instalacji dobrą praktyką jest przeprowadzenie audytu, który wskaże optymalne rozwiązania z uwzględnieniem pozostałych, równie ważnych parametrów pracy przerywaczy płomienia, takich jak: ciśnienie, temperatura medium, grupa wybuchowości mieszaniny palnej, średnica i geometria rurociągu.
Błędny dobór zabezpieczeń procesowych, nieuwzględniający wspomnianych wyżej parametrów, jest częstym zjawiskiem spotykanym w przemyśle na całym świecie, zaś naszym celem jest wyeliminowanie tego typu ryzyka już na etapie poprawnego doboru typu i rodzaju zabezpieczenia.
Ważne parametry gazów i par z punktu widzenia bezpieczeństwa procesu
W przypadku gazów i par powstanie mieszaniny, która ulegnie zapłonowi i spaleniu, jest ograniczone stężeniami procentowymi lub objętościowymi danej substancji w powietrzu, zwanymi dolną i górną granicą wybuchowości (DGW oraz GGW lub z j. angielskiego: LEL – Lower Explosion Limit oraz UEL – Upper Explosion Limit). Jest to własność charakterystyczna każdego związku chemicznego określana w karcie charakterystyki substancji niebezpiecznej. Przykładowe zakresy palności zestawiono w tabeli 1.
Po przekroczeniu GGW lub poniżej DGW zapłon i zjawisko spalania nie wystąpią. Powyższe dane odnoszą się do warunków atmosferycznych, czyli zawartości tlenu na poziomie 21%. Co istotne, w przypadku zwiększenia zawartości tlenu w mieszaninie dolna i górna granica wybuchowości każdej substancji o własnościach palnych ulegną zmianie.
Oprócz wartości DGW/GGW tabela podaje szereg innych informacji istotnych dla identyfikacji własności substancji palnych, takich jak grupa wybuchowości oraz tzw. MESG (ang. Maximal Experimental Safe Gap, czyli MDBP – max. dopuszczalny bezpieczny prześwit). MESG jest to minimalna wartość szczeliny, która gasi płomień danej substancji i jest wyznaczana doświadczalnie na odpowiednim stanowisku badawczym. Numer CAS jest unikalnym numerem każdej substancji wytwarzanej przez przemysł i jest niezawodnym sposobem identyfikacji substancji chemicznych.
Okiem eksperta
Rafał Olszański – specjalista w dziedzinie bezpieczeństwa procesowego w GRUPIE WOLFF
– Parametr L/D dobrze sprawdza się w przypadku prostych instalacji, jak np. dwa zbiorniki połączone rurociągiem. Na proces spalania gazowej mieszaniny wybuchowej w rurociągu ma jednak wpływ wiele czynników. Są to m.in. geometria przekroju poprzecznego rurociągu, jego zakrzywienia, zastosowana armatura czy typ i rodzaj przyłączy. Wszystko to oddziałuje na turbulencje przepływających gazów, co ostatecznie wpływa na dynamikę wybuchu. Obecnie trwają prace nad przygotowaniem do publikacji nowej normy, ujmującej złożoność przebiegu rurociągów instalacji przemysłowych, sposób łączenia się odgałęzień, kąty, pod jakimi się łączą, oraz zmiany średnic itp. – komentuje Rafał Olszański.
– Należy również pamiętać, że przejście deflagracji w detonację stabilną poprzedza gwałtowny proces spalania, zwany detonacją niestabilną. Zjawisko to charakteryzuje się gwałtownym skokiem prędkości oraz ciśnienia wybuchu, dlatego stosowane w tym obszarze przerywacze płomienia powinny zostać pod tym kątem przetestowane, co potwierdza odpowiedni certyfikat – kończy Olszański.
###NEWS_VIDEO_1###
Źródło i zdjęcia: GRUPA WOLFF | info@grupa-wolff.eu
