Způsoby ochrany před výbuchem – část 1: Primární protivýbuchová ochrana

Úvod

Za výbuch je obecně považován děj, při kterém dochází k velmi rychlému uvolnění tlaku a tepla s následnými destruktivními účinky na zdraví a životy osob, technologii, či stavební konstrukce.

V praxi se lze setkat se dvěma základními druhy výbuchů, a to výbuch fyzikální (např. roztržení tlakových nádob) a výbuch chemický. V následujícím textu se budeme zabývat výbuchem chemickým, jehož energie je získána chemickou reakcí a dá se také charakterizovat jako velmi rychlé hoření.

Pro vznik výbuchu je třeba, aby byly současně a na jednom místě splněny tři níže uvedené podmínky, jež jsou vyznačeny v tzv. výbuchovém trojúhelníku (obrázek 1).

1. přítomnost hořlavé látky v koncentračních mezích výbušnosti,
2. přítomnost oxidačního prostředku (např. vzdušného kyslíku) v dostatečném množství pro průběh výbuchového děje,
3. přítomnost účinného iniciačního zdroje.

V případě prachovzduchových směsí je přesnější doplnit výbuchový trojúhelník o další dvě podmínky, které jsou specifické pro hořlavé prachy (obrázek 2):

4. hořlavý prach musí být dostatečně rozptýlen ve směsi s oxidačním činidlem,
5. hořlavý prach musí být rozptýlen v uzavřeném nebo částečně uzavřeném prostoru.

Přítomnost hořlavé látky

Základním předpokladem pro vznik výbuchu je přítomnost hořlavé látky v pracovním nebo výrobním procesu. Pod pojmem hořlavá látka je myšlen hořlavý plyn, pára nebo mlha hořlavé kapaliny, rozvířený hořlavý prach nebo kombinace těchto látek, označovaná jako hybridní směs.

Výbuch lze předpokládat tehdy, pokud koncentrace rozptýlené hořlavé látky ve vzduchu dosáhne minimální hodnoty (tzv. dolní meze výbušnosti). Dle praktických zkušeností a normativních standardů je souvislý objem 10 dm³ výbušné atmosféry vždy nebezpečný.

U hořlavých kapalin je základním kritériem pro posouzení možnosti vzniku výbušné atmosféry hodnota teploty vzplanutí. V případě, že maximální pracovní teplota je dostatečně nízko pod hodnotou teploty vzplanutí hořlavé kapaliny, nevzniká nad její hladinou dostatečné množství par pro tvorbu výbušné atmosféry. Dochází-li však v technologickém procesu k rozptylování hořlavé kapaliny ve formě malých kapiček, resp. aerosolu (např. u lakovacích procesů), může k tvorbě výbušné atmosféry docházet i pod hodnotou teploty vzplanutí.

V případě hořlavých plynů a par je důležitým faktorem poměr jejich hustoty k hustotě vzduchu. U plynů a par těžších než vzduch dochází v případě úniku k jejich akumulaci v podúrovňových kanálech, prohlubních a k jejich „zatékání“ i na značné vzdálenosti. Plyny lehčí než vzduch se naproti tomu hromadí u stropu uzavřených místností a hal. Nejčastěji dochází k únikům hořlavých plynů v důsledku netěsností přírubových spojů, ventilů a armatur, či úniku pojistnými ventily.

U pevných materiálů musí být přihlédnuto k velikosti částic vyskytujících se v provozu. Abychom mohli definovat prachovzduchovou směs, upřesníme zde pojem prach. Dle norem je prach definován jako částice menší než 0,5 mm. Pokud jsou provozovány technologie s výskytem částic větších, nelze ani tam vyloučit vznik prachových podílů, které vznikají při mletí, prosévání a dopravě materiálů v místě přesypů, při plnění či vyprazdňování skladovacích sil, nebo jsou zachycovány ve filtrech systémů odsávání prachu. Výbušná atmosféra se také může tvořit při rozvíření prachových usazenin, jejichž vznik je možný na vodorovných a lehce nakloněných površích v okolí technologie s prachem. Obecně vzato, kterýkoliv hořlavý materiál (a v určitých případech i materiál za normálních podmínek nehořlavý), je ve formě prachu schopen hořet a tvoří ve směsi se vzduchem výbušnou atmosféru prachu se vzduchem (např. hliník a jiné kovy).

Pro většinu hořlavých prachů je přitom méně než 1 mm usazené vrstvy prachu rovnoměrně rozložené po celé podlaze prostoru dostatečná, aby po jejím rozvíření zcela zaplnila prostor výbušnou směsí prachu se vzduchem. Hodnota 1 mm usazené vrstvy prachu je důležitá také v požární ochraně. Dle normy ČSN 33 2000-5-51 ed. 3 [5] je tato vrstva schopna šířit požár.

S tvorbou vrstev prachu v technologii souvisí tři hlavní nebezpečí:

• Sekundární výbuch v situaci, kdy dojde primárně k výbuchu v zařízení, přičemž dojde k rozvíření usazeného prachu a jeho výbuchu. Změny stavu prachu, např. absorpce vlhkosti, mohou znemožnit rozvíření vrstvy prachu. V tomto případě nemusí existovat nebezpečí sekundárního výbuchu, nebezpečí požáru však může zůstat nezměněno.
  
  
  Obrázek 4: Sekundární výbuch [6]
• Vznícení vrstvy prachu v důsledku tepelného namáhání zahřátého povrchu zařízení – maximální dovolená povrchová teplota zařízení se stanovuje odečtením bezpečnostního koeficientu 75 °C od minimální teploty vznícení daného prachu. Pokud se na zařízení může vytvořit vrstva prachu o tloušťce větší než 5 mm, je nutné snížit maximální dovolenou povrchovou teplotu.
• Rozvíření prachu do oblaku, který může být vznícen horkým povrchem a způsobit výbuch – v souladu s ČSN EN 60079-14 ed. 3 [5] nesmí maximální povrchová teplota zařízení překročit 2/3 minimální teploty vznícení dané směsi prachu se vzduchem.

Přítomnost iniciačního zdroje

Dalším důležitým krokem při hodnocení rizika výbuchu je nutno identifikovat iniciační zdroje, které se v prostorách s možností tvorby výbušné atmosféry vyskytují, či se vyskytovat mohou v důsledku očekávaných nebo výjimečných poruch. Je nutné posouzení, zda jsou iniciační zdroje dostatečně účinné k zapálení výbušné atmosféry. Norma ČSN EN 1127-1 ed. 2 [4] popisuje 13 základních iniciačních zdrojů. Tyto iniciační zdroje budou blíže popsány v druhém díle tohoto seriálu.

Přítomnost oxidačního prostředku

Základním a nejrozšířenějším oxidačním prostředkem je vzdušný kyslík. Vyloučení oxidačního prostředku tzv. proces inertizace je jedním z preventivních opatření vzniku výbuchu. V dalších částech tohoto článku jsou blíže popsány metody, kterými lze inertizaci provádět.

Primární protivýbuchová ochrana

Pod primární protivýbuchovou ochranou je koncipována ochrana technologie tak, aby bylo zabráněno vytvoření výbušné atmosféry vyloučením hořlavé látky či oxidačního prostředku.

Vyloučení hořlavé látky

Tato metoda se užívá zejména při skladování hořlavých kapalin a je založena na myšlence vyplnění prostoru nad skladovanou hořlavou kapalinou, tedy na skutečnosti, že pokud nebude nad hladinou volný objem, nemá se kde vytvářet výbušná koncentrace par.

Jako příklad lze uvést následující způsoby řešení:

a) Skladování pod nebo nad vrstvou ochranné kapaliny
Systém funguje tak, že ochranné kapaliny (např. voda) je do nádrže doplňována pod tlakem vyšším, než je tlak nasycených par dané hořlavé kapaliny. Proto není možné, aby se nad horní hladinou vytvářela vrstva par hořlavé kapaliny. V případě, že je splněna ještě další podmínka, a to, že hustota hořlavé kapaliny je větší než hustota ochranné kapaliny, je možno chránit hořlavou kapalinu pod vrstvou ochranné kapaliny.

b) Nádrže s „plovoucím víkem“ nebo s „pontonovým víkem“
Plovoucí víko je kruhový disk z ocelového plechu. Aby víko plavalo na hladině, je rozděleno na několik sekcí vyplněných vzduchem. Průměr plovoucího víka je menší než průměr nádrže. Utěsnění víka proti stěnám nádrže je tvořeno speciální konstrukcí, která zajišťuje spolehlivou hermetizaci i při pohybech víka nahoru a dolů.

c) Nádrže z pogumované tkaniny
Nádrž je úplně naplněna kapalinou. Stěna nádrže se „skládá“, resp. roztahuje v závislosti na množství hořlavé kapaliny v nádrži, tj. na stupni naplnění.

d) Použití stabilních pěn, emulzí a dutých mikrokuliček
Při užití tohoto systému musí být splněny obdobné podmínky jako v odstavci a), tj. hořlavá kapalina nesmí s ochrannou vrstvou reagovat, nesmí ji rozpouštět a musí mít větší hustotu než ochranná vrstva. Pro dosažení hermetizace musí mít ochranná vrstva určitou potřebnou tloušťku. Duté mikrokuličky (ve většině případů o rozměrech 10 až 120 mikrometrů) se vyrábějí např. z fenolformaldehydových pryskyřic.

Vhodná volba hořlavé látky nebo ovlivnění jejich výbuchových vlastností

Vyloučit nebezpečí výbuchu je možné také odstraněním hořlavé látky, resp. její náhradou, látkou nehořlavou nebo alespoň látkou méně hořlavou. Tato náhrada přirozeně není možná v případech, jestliže látku používáme z důvodu jejího chemického složení. Je-li látka použita pro své fyzikální vlastnosti jako pomocný prostředek, lze ji mnohdy nahradit bezpečnou látkou podobných vlastností.

Používá-li se hořlavý plyn jako vytvrzovací nebo přepravní prostředek, je možná jeho náhrada, např. vzduchem, dusíkem nebo oxidem uhličitým. Jde-li o použití hořlavé kapaliny, např. jako rozpouštědla, není vždy nutno sáhnout po benzínu, éteru nebo alkoholu, ale je možno nejprve vyzkoušet jiné nehořlavé nebo méně hořlavé látky nebo saponáty. Přitom je nutné dbát na to, aby v důsledku této náhrady nevzniklo nebezpečí jiného druhu. Např. náhradou za lehký benzín bylo mnohdy doporučováno použití halogenového uhlovodíku o podobném bodu varu. Při použití toxického chloridu uhličitého došlo k několika neštěstím. Jako výhodnější náhrada se pak ukázalo použití vysoko vroucích frakcí benzínu s vysokým bodem vzplanutí.

Nelze-li hořlavou látku odstranit nebo nahradit méně hořlavou látkou, je možno větráním snížit její koncentraci na bezpečnou mez, tj. pod nebezpečnou koncentraci.

Větrání

Přirozeným větráním lze dosáhnout výměny vzduchu v místnosti jednou za hodinu. Koeficient výměny vzduchu je tedy n = 1 h⁻¹. Ve sklepních prostorách je z důvodu menší konvekce možno uvažovat n = 0,4 h⁻¹. Přídavnými otvory lze tyto hodnoty cca zdvojnásobit.

Technické, nebo také umělé větrání (obrázek 6) umožní ve srovnání s přirozeným větráním větší přísun vzduchu, a to cíleně s usměrněním do nebo z míst chráněného prostoru, kam je to nejvhodnější.

Účinnost usměrnění je nutno prokázat (usměrňovací plechy, umístění otvorů či kanálů přívodu vzduchu, účinnost ventilátoru).

Sací trubici je nutno umístit pokud možno do místa vzniku nebo úniku hořlavé látky. Z hygienických důvodů nesmí nikdy unikající a odsávaný plyn, pára hořlavé kapaliny proudit kolem obsluhy. Například páry z otevřené vany s hořlavou kapalinou, u níž pracuje obsluha, je nutno odsávat po obvodě u hladiny nádrže a nikoliv nad nádrží. Je-li odsávání z místa úniku nebo vzniku nevhodné z důvodu velkého počtu míst, pak je možno použít odsávání celého prostoru. Těžké páry je nutno odsávat ze spodní části prostoru, lehké a teplem nadlehčené páry pak z horní části prostoru. Odsátý vzduch z místního nebo celkového odsávání je nahrazen přisáváním čerstvého vzduchu (obrázek 7).

Nezbytnou součástí odsávání je zneškodnění odsátého množství. Volně rozptýlit do atmosféry je možno jenom malé množství, pokud to není z hygienických důvodů nepřípustné. Avšak i při rozptylu velmi nízkých koncentrací je nutná opatrnost. Odsávací potrubí nesmí ústit v blízkosti otvoru (okna), jímž by mohla být látka nasáta zpět do místnosti. Zvláštní opatrnosti je třeba v blízkosti nasávacího potrubí pro zařízení na dělení (rozklad) vzduchu. Zde mohou být již stopy kondenzovatelných plynů nebo par nebezpečné, pokud se dostanou následně do styku s čistým kyslíkem.

Při vyšších koncentracích musí být odsávané plyny spalovány. K tomu slouží tzv. fakule, tj. koncový atmosférický hořák vybavený pomocným plamenným hořákem, umožňující regulované vyhořívání zbytkových hořlavých plynů.

Jinou a šetrnější metodou je postup, kdy se páry vážou na adsorpční zařízení a mohou se odtud dopravit k novému použití. Nejužívanějšími sorbenty jsou aktivní uhlí a silikagel. Z těchto adsorpčních prostředků je možno naadsorbované páry vypudit vodní párou. Po vysušení vzduchem je adsorpční zařízení opět připraveno k dalšímu provozu. Tato zařízení jsou dokonalá a pracují spolehlivě.

Provádění úklidu

Jak již bylo uvedeno výše, tloušťka nebezpečné vrstvy prachu pohybuje do výšky 1 mm. Na základě měření sedimentující prašnosti lze stanovit periodu úklidu. Samotná četnost úklidu (čistění) není dostatečná pro to, aby bylo zabráněno vzniku nebezpečné vrstvy prachu, záleží samozřejmě také na kvalitě prováděného úklidu.

Dle ČSN EN 60079-10-2 [2] jsou definovány tři úrovně úklidu:

• Výborná – vrstvy prachu jsou udržovány na zanedbatelné tloušťce nebo neexistují bez ohledu na stupeň úniku. V tomto případě bylo nebezpečí vzniku výbušné atmosféry s prachem v důsledku rozvíření vrstvy a nebezpečí požáru vrstvy vyloučeno.
• Dobrá – vrstvy prachu nejsou zanedbatelné, jsou však přítomny krátce (méně než 1 směnu). Prach je odstraňován dříve, než by mohlo dojít k požáru.
• Špatná – vrstvy prachu nejsou zanedbatelné a jsou přítomny déle než jednu směnu. Nebezpečí požáru může být významné a mělo by být omezeno výběrem zařízení podle ČSN EN 60079-14 ed. 3 [3].

Špatný úklid společně s podmínkami vytvářejícími oblaka prachu z usazených vrstev by měl být vyloučen.

Odstranění nebo snížení množství oxidačního prostředku – inertizace

Inertizace je preventivní protivýbuchovou ochranou, která znamená přeměnu původně výbušné směsi na nevýbušnou pomocí příměsí inertních látek. Inertizovat lze několika různými způsoby, a to inertními plyny nebo prachy. Jako inertní látky jsou využívány vodní pára, oxid uhličitý, dusík, argon, či speciální směsi těchto plynů, mezi zástupce prachů lze zařadit například vápenec. Existují však také některé plyny, které jsou výbušné při 100% koncentraci [1], tzn., není nutná přítomnost vnějšího oxidačního prostředku.

Dusík, oxid uhličitý a inertní plyny sníží obsah kyslíku ve směsi a zmenší tak množství oxidantu, který může vstoupit do exotermní reakce s hořlavou látkou. Při působení iniciačního zdroje a vývinu reakčního tepla zároveň, interní látka částečně odnímá reakční energii, systém se proto zahřívá méně a pomaleji a reakční rychlost klesá. Při přidání určitého množství inertního plynu již není systém schopen šířit plamen. Hovoříme o tzv. dusivém efektu. Jedná se zde v podstatě o fyzikální děj.

Jako inertizační prostředek lze také použít vodní páru. Její účinek také spočívá v chladícím efektu. Při použití vodní páry je třeba uvažovat možnost kondenzace páry.

Vysokou inertizační schopnost mají halogenové uhlovodíky. Inertizační efekt je dán chemickým dějem – spočívá v antikatalytickém účinku. Z ekologických důvodů jsou však tyto látky obecně zakázány a ztrácejí tudíž na významu.

Inertní práškové materiály a hasící prášky mají rovněž inertizační schopnost, pokud jsou v chráněném prostoru rovnoměrně rozptýleny. Jejich inertizační účinek spočívá zejména v bariérovém efektu, u mnohých prášků také v antikatalytickém efektu. Dále jsou to účinky chladící a ředící. Jedná se zde tedy o fyzikální i chemické děje.

S přídavkem inertní látky do směsi výbušné látky se prudce zvyšuje minimální iniciační energie a klesají maximální výbuchové parametry, až při určitém množství (mezním obsahu) už výbuch při daných podmínkách není možný. Přitom maximální koncentrace kyslíku ve směsi hořlavé látky, vzduchu a inertního plynu, při které už nemůže dojít při stanovených podmínkách zkoušky k výbuchu, se nazývá mezní koncentrace kyslíku LOC (limiting oxygen concentration).

Literatura

• [1] ČSN EN 60079-10-1 Výbušné atmosféry – Část 10-1: Určování nebezpečných prostorů – Výbušné plynné atmosféry.
• [2] ČSN EN 60079-10-2 Výbušné atmosféry – Část 10-2: Určování nebezpečných prostorů – Výbušné atmosféry s hořlavým prachem.
• [3] ČSN EN 60079-14 ed. 3 – Výbušné atmosféry – Část 14: Návrh, výběr a zřizování elektrických instalací.
• [4] ČSN EN 1127-1 ed. 2 – Výbušná prostředí – Prevence a ochrana proti výbuchu - Část 1: Základní koncepce a metodika.
• [5] ČSN 33 2000-5-51 ed. 3 – Elektrické instalace nízkého napětí – Část 5-51: Výběr a stavba elektrických zařízení – Všeobecné předpisy.
• [6] Combustible Dust in Industry: Preventing and Mitigating the Effects of Fire and Explosions [HTML dokument] [cit. 10. 9. 2013] dostupný z: www: http://www.osha.gov.
• [7] DAMEC, J.: Protivýbuchová prevence. Edice SBPI Spektrum 8. 1. vydání. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2005. ISBN 80-86111-21-0.
• [8] KOLEKTIV AUTORŮ. Koncepce řešení protivýbuchové ochrany v podmínkách průmyslových provozů. 1. vydání. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2012. ISBN 978-80-7385-120-0.
• [9] Sdělení Komise týkající se nezávazného návodu dobré praxe pro zavádění Směrnice 1999/92/EC Evropského parlamentu a Rady o minimálních požadavcích na zvýšení bezpečnosti a ochrany zdraví pracovníků, kteří jsou ohrožováni prostředím s nebezpečím výbuchu. Brusel. 25. 8. 2003. Překlad: Fyzikálně technický zkušební ústav, s.p., Ostrava-Radvanice, 2003.