Zasady oceny zagrożeń związanych z przechowywaniem w silosach materiałów sypkich, których pyły posiadają właściwości eksplozyjne. Przykłady katastrof silosów spowodowanych wybuchami. Sposoby projektowania silosów z uwzględnieniem zabezpieczeń.
Wybuchy pyłów należą do częstych przyczyn awarii, a nawet katastrof silosów żelbetowych i stalowych. Czynnikiem inicjującym to zjawisko jest unosząca się wewnątrz komory mieszanina pyłu i powietrza oraz jej kontakt ze źródłem ciepła w postaci gorących powierzchni lub iskier z instalacji elektrycznej. Przyczyną wybuchu może być też znaczna ilość ciepła wydzielającego się z żarówek oświetleniowych. Jako temperaturę zapłonu uważa się 400–500°C, a jako dolną granicę wybuchowości przyjmuje się ilość pyłu unoszącego się w powietrzu wynoszącą 20 g/m3. Górną granicę stanowi stężenie sięgające 1000 g/m3, odnosi się ona do pyłów mąki. Wartość ciśnienia w silosie, występująca podczas wybuchu pyłu składowanego materiału w połączeniu z powietrzem, jest zależna od rodzaju materiału, stopnia stężenia pyłów i energii ich zapłonu, a także formy zastosowanych zabezpieczeń silosów, np. w postaci klap bezpieczeństwa. Warunki sprzyjające wybuchom i samozapaleniu się zboża w silosach zbożowych stwarza rozwój drobnoustrojów i bakterii w wilgotnej masie przechowywanego materiału, co ma miejsce wskutek przemian biochemicznych, związanych ze znacznym wydzielaniem się ciepła i wilgoci. Stwierdzono, że krytyczna wilgotność ziarna, której towarzyszy intensywne wydzielanie się ciepła, zawiera się w przedziale 14–15%.
Eksplozja pyłów w silosie jest zjawiskiem niezwykle złożonym i zawsze niebezpiecznym. Pojawiające się gwałtownie nadciśnienie o wartościach nawet 150–200 kPa powinno być zwykle przejmowane przez klapy bezpieczeństwa o odpowiednio dużej powierzchni w stosunku do przekroju poprzecznego komory. Nadciśnienie wywołuje naprężenia rozciągające przejmowane przez ściany i przekrycie silosu. Z kolei występujące potem podciśnienie w komorze (o wartości zmniejszonej do 60–70%) wywołuje groźne w skutkach w silosach stalowych ściskanie obwodowe. Dlatego tak ważnym zagadnieniem, z punktu widzenia bezpiecznej eksploatacji cienkościennych stalowych silosów, jest instalacja czujników umożliwiających stały pomiar temperatury, jak również wentylacja wnętrza zbiornika powietrzem o odpowiedniej wilgotności.
Fot. 1. Przykład zniszczonego w wyniku wybuchu pyłów stropu nadkomorowego w baterii silosów zbożowych
Analizując omówione w literaturze technicznej liczne przykłady katastrof silosów wywołanych wybuchami pyłów [1], [2], [3], w niniejszej pracy omówiono główne przyczyny występujących zagrożeń, a także scharakteryzowano zawarte w Eurokodzie 1–4 [5] i innych normach europejskich [6], [8] zasady i reguły rozwiązań projektowych i technologicznych w celu przeciwdziałania takim zagrożeniom. Szersze omówienie tych zagadnień przedstawiono w [4].
Zakres ryzyka eksplozji pyłów w silosach i przykłady katastrof
Podczas wybuchu pyłów ośrodków sypkich zwykle składowanych w silosach można się spodziewać wytworzenia w zamkniętych strefach bez wentylacji ciśnienia wybuchu rzędu od 8 do 10 barów.
Siła i gwałtowność wybuchu pyłów zależą od następujących czynników:
– fizycznych i chemicznych właściwości pyłów,
– stężenia pyłu w mieszance pyłowo-powietrznej,
– jednorodności i turbulencji mieszaniny pyłowo-powietrznej,
– rodzaju energii i umiejscowienia źródła zapłonu,
– geometrii zbiornika,
– temperatury, ciśnienia i wilgotności wybuchowej mieszaniny pyłowo-powietrznej.
Do podstawowych parametrów związanych z wybuchem pyłów zalicza się [5]:
– zawartość pyłów KST (maksymalny czasowy przyrost ciśnienia),
– maksymalne nadciśnienie pmax.
Wybuchy pyłów w silosach są możliwe zarówno w materiałach organicznych, jak i nieorganicznych. Najbardziej wybuchowe pyły pochodzą z takich materiałów, jak: celuloza, nawozy sztuczne, mączka kamienna, pasze dla zwierząt, guma, zboże, drewno, pył z drewna, pył węglowy, materiały syntetyczne, ziarno mielone, mączka kukurydziana, śruta, mąka ryżowa, mąka pszenna, mleko w proszku, papier, pigment, mąka sojowa, produkty czyszczące, cukier. W tabl. 1 zamieszczono dla wymienionych materiałów wartości maksymalnego przyrostu ciśnienia KST i maksymalne nadciśnienie wybuchu pmax, natomiast w tabl. 2 podano minimalne temperatury samozapłonu, energię wybuchu i minimalne stężenie pyłu w przestrzeni silosu, wystarczające do zainicjowania wybuchu.
Fot. 2. Płytki bezpieczeństwa i klapy przeciwwybuchowe
Zazwyczaj wystarcza źródło niewielkiej energii do zainicjowania wybuchu w wymienionych wyżej rodzajach pyłów. Typowe źródła zapłonu w silosie lub w pomieszczeniach i instalacjach przyległych do silosu to [5]: gorące powierzchnie powodujące tarcie wywołane przez uszkodzone mechanizmy, iskry ze spawania, ścieranie lub cięcie metali podczas prac naprawczych, żarzący się popiół, wprowadzany do silosu z materiałem sypkim, iskry z ciał obcych, niewłaściwe lub uszkodzone instalacje elektryczne (np. oprawy punktów świetlnych), wydzielanie się ciepła podczas procesu suszenia, a także samozapłon spowodowany ładunkami elektryczności statycznej.
Liczne przykłady z lat 1911–2004 awarii i katastrof spowodowanych wybuchami pyłów w silosach można znaleźć m.in. w [1]. Na fot. 1 zaprezentowano rezultat katastrofy baterii żelbetowych silosów na zboże, w wyniku czego całkowitemu zniszczeniu uległ strop nadkomorowy.
Europejskie wytyczne projektowania silosów na wybuchy pyłów
W normie [5] określono podstawowe zasady projektowania silosów na wybuchy pyłów. Konsekwencje wybuchu pyłów w silosach należy ograniczać przez przyjęcie odpowiednich środków zapobiegawczych na danym etapie projektowania, np. poprzez wprowadzenie barier przeciwwybuchowych w taki sposób jak w przypadku ścian przeciwpożarowych.
Indywidualne rozwiązania w strefach obiektu pomiędzy barierami zazwyczaj powinny być projektowane przy spełnieniu dwóch następujących warunków: przy braku wentylacji należy uwzględnić możliwość stawienia oporu maksymalnemu ciśnieniu wybuchu pmax, gdy zastosowano odpowiednią wentylację, należy uwzględnić możliwość stawienia oporu zredukowanej wartości ciśnienia wybuchu pred.
Obliczeniowa wartość zredukowanego ciśnienia pred zależy od rodzaju pyłu, wymiarów przestrzeni wentylowanej, początkowego ciśnienia uwolnionego pa i bezwładności systemu wentylacji.
Projekt uwzględniający konsekwencje wybuchu powinien uwzględniać efekty wyrzutu gazów lub ognia z otworu wentylacyjnego. Ogień ten nie powinien wywołać uszkodzenia w otoczeniu ani też zainicjować wybuchu w strefach przyległych do silosu.
Fot. 3. Przykładowe tłumiki płomieni
Projekt powinien uwzględniać ograniczenie zagrożenia personelu wywołane kawałkami rozbitego szkła lub innych elementów konstrukcyjnych. Tam, gdzie to możliwe, otwory wentylacyjne powinny być wyprowadzone wprost na otwartą przestrzeń, co zredukuje ciśnienie wybuchu. W wolno stojącym silosie może to być osiągnięte przez zastosowanie dachu wentylowanego. W silosach zblokowanych na ten cel może być wykorzystana klatka schodowa lub okna umieszczone wysoko powyżej poziomu terenu.
System wentylacyjny powinien być uruchamiany przy małym ciśnieniu i mieć małą bezwładność.
Przy obliczaniu elementów konstrukcyjnych w silosach narażonych na wybuchy ciśnienie obliczeniowe przy wybuchu należy traktować tak jak obciążenia wyjątkowe działające na wszystkie elementy konstrukcyjne. W związku z tym wszystkie nośne elementy konstrukcyjne i wszystkie elementy pomyślane jako bariery przeciwwybuchowe należy projektować na przeniesienie związanego z wybuchem pyłów ciśnienia obliczeniowego.
Ponadto w projektowaniu należy uwzględniać siły bezwładności wynikające z gwałtownego wyrzutu gazu, które w następstwie ochładzania się gorących spalin mogą powodować podciśnienie.
Wszystkie istotne części urządzeń wentylacyjnych należy osłaniać przed oderwaniem spowodowanym falą ciśnienia wybuchu, np. należy zaprojektować zamocowania drzwi przeciwwybuchowych oraz pokryw urządzeń wentylacyjnych za pomocą specjalnych uchwytów.
Gdy stosuje się wentylację komór silosowych, w projektowaniu systemów wsporczych muszą być uwzględniane siły reakcji. Jest to zwłaszcza istotne w przypadku lekkich konstrukcji silosów z poziomymi kanałami wentylacyjnymi, a także w przypadkach wszelkich układów wentylacji, które nie są umieszczone symetrycznie w przekroju poprzecznym silosu.
W projektowaniu silosów na wybuchy pyłów należy stosować procedury podane w PN-EN 26184-1 Systemy ochrony przeciwwybuchowej – wyznaczanie wskaźników wybuchowości pyłów palnych w powietrzu.
Można także wykorzystać procedury opisane w [7].
Fot. 4. Czujniki wybuchu: a) optyczne, b) ciśnieniowe
Rozwiązania techniczne zabezpieczeń przed eksplozją pyłów
Konieczność jednoczesnego wystąpienia mieszaniny wybuchowej i źródła zapalenia oraz przewidywanie skutków wybuchu prowadzą do podstawowych zasad zapobiegania wybuchowi lub ograniczenia jego skutków w przestrzeni, w której do niego dochodzi. Te zasady to:
– zapobieganie powstawaniu mieszanin wybuchowych, np. usuwanie substancji tworzących mieszaniny wybuchowe przez wentylację;
– zapobieganie powstawaniu jakiegokolwiek efektywnego źródła zapalenia;
– ograniczenie skutków wybuchu już na etapie projektowania przez zastosowanie ochronnych środków konstrukcyjnych, np. lekkich dachów, wprowadzenie barier przeciwwybuchowych;
– uniemożliwienie rozprzestrzeniania się wybuchu do pozostałych części obiektu (stosowanie zasuw lub przegród);
– minimalizowanie nadciśnienia związanego z wybuchem, np. przez stosowanie płytek bezpieczeństwa lub klap przeciwwybuchowych (fot. 2).
Poniżej przedstawiono wybrane rozwiązania techniczne zabezpieczeń silosów przed eksplozją pyłów ośrodków sypkich.
Tabl. 1. Wartości maksymalnego przyrostu ciśnienia i maksymalne nadciśnienie wybuchu dla wybranych materiałów najczęściej składowanych w silosach
|
Materiał sypki
|
KST [bar m/s]
|
pmax [bar]
|
|
Węgiel brunatny
|
180
|
10
|
|
Celuloza
|
270
|
10
|
|
Mąka
|
140
|
8
|
|
Guma, kauczuk
|
140
|
9
|
|
Zboże
|
130
|
9
|
|
Drewno, pył drzewny
|
220
|
10
|
|
Kawa
|
90
|
9
|
|
Kukurydza
|
120
|
9
|
|
Mąka kukurydziana
|
210
|
10
|
|
Żyto
|
100
|
9
|
|
Mleko w proszku
|
160
|
9
|
|
Pasza dla zwierząt
|
40
|
8
|
|
Papier
|
60
|
9
|
|
Pigment
|
290
|
10
|
|
Mąka sojowa
|
120
|
9
|
|
Węgiel
|
130
|
9
|
|
Cukier
|
150
|
9
|
|
Produkty czyszczące
|
270
|
9
|
Płytki bezpieczeństwa
Działanie płytek ochronnych polega na zapobieganiu wytworzenia się niedopuszczalnie wysokiego ciśnienia wewnątrz zbiornika na skutek wybuchu pyłu przez otworzenie we właściwym czasie określonego otworu odciążającego. Zalety stosowania płytek bezpieczeństwa:
– minimum nakładów na konserwację i możliwość instalacji w prosty sposób,
– mała masa i natychmiastowe włączanie się,
– pyłoszczelne zamknięcie i możliwość montażu na różnych poziomach.
Bezpłomieniowe uwolnienie ciśnienia wybuchu
W praktyce często powstaje problem ze skierowaniem ciśnienia wybuchu do bezpiecznej strefy na zewnątrz obiektu. W takich przypadkach wydobywanie się płomieni – jako źródła zapłonu dla wybuchów wtórnych – musi być bezpiecznie zahamowane. Określa się to jako bezpłomieniowe uwolnienie ciśnienia wybuchu, stanowiące połączenie przeciwwybuchowej płytki bezpieczeństwa i umieszczonego za nią tłumika płomieni. Tłumik płomieni zapobiega niezawodnie przebiciu się płomieni w przypadku wybuchu i eliminuje przez to źródło zapłonu dla możliwych wtórnych wybuchów poza zbiornikiem (fot. 3).
Zalety zastosowania tłumika płomieni (wybuchu tłumionego) są następujące:
– możliwość stosowania wewnątrz obiektu, gdy odprowadzenie wybuchu do atmosfery jest niepożądane lub wręcz niemożliwe;
– zapobieganie wydostawaniu się pyłów i płomieni z wentylowanych pomieszczeń;
– małe gabaryty w stosunku do porównywalnych konstrukcji i możliwość ponownego użycia po wybuchu przez łatwą wymianę płytki bezpieczeństwa;
– prosty montaż.
Tabl. 2. Pyły pochodzenia rolniczego i ich parametry dotyczące wybuchu pyłów
|
Pył palny
|
Temperatura samozapłonu [°C] |
Minimalna energia zapłonu [mJ]
|
Minimalne stężenie wybuchowe [g/m3]
|
|
|
warstwa
|
obłok
|
obłok
|
obłok
|
|
|
Skrobia (pszenica)
|
380
|
400
|
25
|
25
|
|
Orzechy ziemne (łuski)
|
210
|
460
|
50
|
45
|
|
Pszenica
|
220
|
500
|
60
|
65
|
|
Drewno/sosna (trociny)
|
260
|
470
|
40
|
35
|
|
Bawełna – surowiec
|
520
|
–
|
100
|
190
|
|
Celuloza
|
270
|
480
|
80
|
55
|
|
Mąka
|
440
|
440
|
60
|
50
|
|
Skrobia kukurydziana
|
–
|
380
|
30
|
40
|
|
Mleko w proszku
|
200
|
490
|
50
|
50
|
|
Kora dębu korkowego
|
210
|
460
|
35
|
35
|
|
Słód
|
250
|
400
|
35
|
55
|
|
Soja (mąka)
|
340
|
550
|
100
|
60
|
|
Cukier
|
400
|
370
|
30
|
45
|
Mechaniczne przegrody – izolacja wybuchu
Izolację wybuchu pyłów przez zastosowanie przegrody mechanicznej stosuje się w celu ochrony instalacji przed rozprzestrzenianiem się eksplozji pyłów. Jej zalety to:
– gwarantowana mechaniczna przegroda podczas wybuchu pyłów;
– szybkie działanie – zasuwy zamykają się w ciągu milisekund po wykryciu wybuchu i zapobiegają rozprzestrzenianiu się ciśnienia i płomieni w silosie;
– działanie konstrukcji zasuw w obie strony przewodu;
– wolny, nieograniczony przepływ bez strat ciśnienia przy otwartej zasuwie.
Czujniki wybuchu
Wymienione środki bezpieczeństwa są środkami biernymi, gdyż tylko zmniejszają lub tłumią skutki wybuchu. Do czynnych (aktywnych) środków zapobiegawczych należą m.in. czujniki wybuchu (fot. 4). Czujniki wybuchu to urządzenia, których zadaniem jest jak najwcześniejsze sygnalizowanie zagrożeń. W celu niezawodnego wykrycia wybuchu muszą być dobrane i użyte czujniki mogące reagować w ciągu kilku milisekund.
Należą do nich:
– czujniki monitorowania temperatury;
– systemy gaśnicze i systemy wykrywania iskier;
– czujniki optyczne (do stosowania w zamkniętych przestrzeniach, bez dostępu światła dziennego);
– czujniki ciśnieniowe (identyfikacja narastania ciśnienia wybuchu w jego wczesnej fazie umożliwia aktywację systemu zabezpieczenia przeciwwybuchowego).
Najczęściej stosowane są czujniki ciśnieniowe, które przełączają się przy niskich ciśnieniach zadziałania (czujniki statyczne) lub mierzą wzrost ciśnienia w funkcji czasu w urządzeniu i przy przekroczeniu z góry ustawionej wartości dają sygnał do sterowania układem (czujniki dynamiczne). Czujniki te reagują bardzo szybko, prawidłowo działają w otoczeniu spotykanym w przemyśle oraz są odporne na powstające nadciśnienia.
Podsumowanie
Według statystyk światowych wybuchy pyłów ośrodków sypkich składowanych w silosach należą do najczęstszych przyczyn awarii lub katastrof w silosach. Dotyczy to zwłaszcza silosów na ośrodki organiczne, np. zboża czy cukier. Wynika to stąd, że pyły materiałów sypkich mogą wybuchać już przy niewielkim ich stężeniu w powietrzu. Projektowanie silosu na takie media, zgodnie z wymaganiami norm europejskich, w tym Eurokodu 1-4 [5], wymaga wnikliwego przeanalizowania ciśnienia wybuchu i zastosowania otworów wentylacyjnych w stropach nadkomorowych, a także rozważenia zastosowania płytek bezpieczeństwa lub klap wybuchowych wspomaganych przez czujniki wybuchu i tłumiki ciśnienia.
dr inż. Jolanta A. Prusiel
prof. dr hab. inż. Andrzej Łapko
Politechnika Białostocka
Artykuł oparty na referacie przygotowanym na XXV konferencję „Awarie budowlane” (Szczecin-Międzyzdroje), maj 2011 r.
Literatura
1. Tasneem Abbasi, S.A. Abbasi. Dust Explosions – Cases, causes, consequences and control, Elsevier B.V., 2006.
2. P. Martens, Silo-Handbuch, Wilhelm Ernst & Sohn Verlag fur Architektur und technische Wissenschaften, Berlin 1988.
3. J. Kobiak, W. Stachurski, Konstrukcje żelbetowe, tom 4, Arkady, Warszawa 1991.
4. J.A. Prusiel, A. Łapko, Ocena zagrożenia eksplozją pyłów w silosach w świetle norm europejskich, XXV Konferencji Naukowo-Technicznej „Awarie budowlane”, Szczecin–Międzyzdroje 2011, tom 2.
5. PN-EN 1991-4:2008 Eurokod 1 Oddziaływania na konstrukcje. Część 4: Silosy i zbiorniki.
6. PN EN 26184-1 Systemy ochrony przeciwwybuchowej – wyznaczanie wskaźników wybuchowości pyłów palnych w powietrzu.
7. Raport DIN 140, Design of silos for dust explosion, Wyd. Bayer Verlag, 2005.
8. DIN 1055 Teil 6, Lastennahmen fur Bauten, Lasten In Silozellen, 1987.
