книги из ГПНТБ / Осипов, С. Н. Взрывчатые свойства и нейтрализация паро-газо-пылевых смесей

для защиты технологического оборудования от взры­ вов [49]. Подобную систему разработала фирма «Фепвел» (США) и применяла ее на предприятиях, произ­ водящих различные пластмассы [49].

За последние годы системы подавления взрывов применяются на многих установках в производствах по обработке ацетилена, адптиловой кислоты, анакардии, целлюлозы, пробки, эбонита, метилового спирта, джу­ та, карбамидной смолы, авиационного топлива, цин­ ковой пыли, сахара и многих других взрывоопасных технологических процессов [48].

Для локализации взрывов метано- и пыле-воздуш- ных смесей в тупиковых горных выработках в 1955— 1956 гг. в МакНИИ были разработаны первичные слан­ цевые заслоны с принудительным срабатыванием от фотоэлемента, реагировавшего на инфракрасное излу­ чение [12]. Автоматические заслоны из флегматизирующих веществ для предупреждения распространения взрывов газа и угольной пыли испытаны в ФРГ [91]. В этих установках в качестве индикаторов взрывов применялись малоинерционные датчики давления и температуры.

§ 1. СОЗДАНИЕ СИСТЕМ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЗРЫВОВ

Как известно, для начала процесса взрыва необхо­ димо два условия: появление взрывчатой среды и на­ личие инициатора взрыва (источника воспламенения). Только в некоторых, особых случаях (например, для ацетилена) возможен самопроизвольный взрывной распад горючего без посторонних источников воспла­ менения.

В большинстве практических случаев системы пред­ отвращения взрывов основаны на строгой регламен­ тации допустимых безопасных концентраций взрывча­ тых газов в атмосфере промышленных зданий и соору-

18!

женнй (помещениях, горных выработках и т. п.) и на

применении искробезопасного и взрывобезопасного оборудования.

Как совершенно правильно указывает В. Т. Мона­ хов [44], безопасной концентрацией газа, пара и взве­ си в воздухе можно считать концентрацию, удовлетво­ ряющую следующим неравенствам:

(нормативные) концентрации горючего (нижние и верхние) и окислителя, % по объему; Кбез — соответ­ ствующие коэффициенты безопасности, определяемые путем расчета по формуле, а если рассчитать невоз­ можно, то согласно приведенным ниже данным.

Значения коэффициентов безопасности для разно­ го характера смесей [44]:

Значение коэффициента безопасности [44] можно определять по формуле

( 134)

182

При выборе значений С„ нужно учитывать конкрет­ ные условия воспламенения, так как НКП могут быть в некоторых случаях гораздо ниже общепринятых. Ыа возможность самовоспламенения 2% -ной метано-воз­

в плоском пламени горелки НКП могут сильно сни­ жаться по сравнению с НКП для трубок. Так, НКП этилено-воздушной смеси в плоском пламени меньше такового в трубе почти в 2,1 раза (1,45% по сравне­ нию с 3,05%). При этом скорость распространения пла­ мени уменьшается примерно в 4 раза (с 6 до 1,5 см/с).

Для работы в горючих и взрывоопасных средах создано специальное искро- и взрывобезопасное обо­ рудование. Однако во многих случаях (взрывная от­ бойка газоносного угля в шахтах, изоляция аварийных участков, внезапные выбросы угля и газа, прорыв га­ зопроводов и т. п.) не представляется возможным обычными мерами вентиляции обеспечить нормирован­ ный допустимый уровень концентрации взрывчатых газов и тогда необходимо предпринимать специальные меры по созданию взрывобезопасной среды (заполне­ ние взрывоопасного объема инертными газами и паро­ газовыми смесями, применение пен или флегматизаторов, комплексное сочетание различных мер). Реше­ ние вопроса принятия определенных мер по предот­ вращению взрывов зависит от прогноза вероятности и времени появления взрывоопасных сред.

§ 2. СОЗДАНИЕ СИСТЕМ ПОДАВЛЕНИЯ ВЗРЫВОВ

Если взрыв не удалось по каким-либо причинам предотвратить, то его необходимо подавить. До сих пор известны системы подавления взрывов относительно небольших объемов: в технологическом оборудовании, самолетных баках с горючим, неразвившпеся взрывы пыле-воздушных и метано-пыле-воздушных смесей в

184

Время срабатывания передающей электронной си­ стемы можно оценить в 1 мс. Время срабатывания электродетонаторов в исполнительной системе (распы­ лителях) составляет 1 мс [49]. Инерционность сраба­ тывания взрывопреградителя после получения сигна­ ла в опытах Е. Шольца [91] составляла 10 мс. Для оптического датчика-сигнализатора при содержании 9— 10% метана инерционность равна 2,5 мс, а выпуск­ ной механизм взрывопреградителя срабатывал через 10 мс после воздействия взрыва на датчик [91].

Все эти данные свидетельствуют о том, что в на­ стоящее время максимальное быстродействие систем обнаружения взрыва, передачи информации и срабаты­ вания механизма выпуска флегматизатора составля­ ет не менее 5— 10 мс. Однако распыление необходи­ мого количества флегматизаторов во взрывоопасном объеме требует еще дополнительного времени. Как указывает Н. Е. Ольховский [49], скорость выброса флегматизаторов под давлением с помощью электро­ детонаторов составляет до 180 м/с, что для заполнения промежутка в 2 м потребует еще около 10 мс. Таким образом, общее время образования взрывоподавляю­ щей среды на расстоянии всего 2 м от распылителя составляет около 20 мс, что слишком много для ацетилено- и водородно-воздушных смесей. При этом бо­ лее половины времени затрачивается па распыление флегматизатора.

При необходимости нейтрализовать объем большо­ го цеха, размеры которого достигают десятков метров по длине, ширине и высоте, скорость распыления флег­ матизатора приспособлениями, установленными на стенах и потолке, с учетом резкого падения в простран­ стве скорости движения флегматизатора со свободной струей [2; 42], определяется по зависимости

186

где v макс — максималньая скорость по осп свободной струи; /о — импульс движения в начальном сечении; о — эмпирическая константа; х — расстояние от источ­ ника выброса струи (среза выпускного отверстия или сопла).

В таком случае время заполнения флегматизатором большого объема составит уже десятые доли секунды, что слишком много. При этом необходимо учесть, что поле скоростей в поперечном сечении свободной струи описывается выражением [42]

0,5 ^макс-

Скорость струи быстро уменьшается с удалением от оси и выпускного отверстия (сопла). Поэтому для за­ полнения флегматизаторами значительных объемов обычные струи мало пригодны. В этом отношении большой интерес представляет использование специ­ альных сверхзвуковых сопел (типа сопла Лаваля). Безопасный режим работы сверхзвукового сопла огра­ ничивается скоростью истечения примерно имакс< 3/И, где М — число Маха (равно скорости звука для дан­ ного газа или смеси), так как при уМакс>3/И возможно образование сильных ударных волн, способных иници­ ировать самовоспламенение горючих смесей.

Как показывают ориентировочные расчеты, при скорости истечения инертного газа около 500 м/с, на­ пример азота под давлением 0,4 МПа, на расстоянии 5 м от сопла, скорость снижается примерно до 100 м/с, что позволяет заполнить 5-метровое взрывоопасное пространство в конусе факела сопла необходимой кон­

187

центрацией флегматизатора за 20—40 мс. При исполь­ зовании простых (дозвуковых) сопел это время увели­ чивается в несколько раз.

Таким образом, производственное помещение с по­ перечным сечением 10x10 м может быть быстро за­ щищено от возникновения взрыва. Однако для взрыв­ ных реакций с очень малым индукционным периодом (10—20 мс) даже применение сверхзвуковых сопел мо­ жет оказаться недостаточно эффективным, если подачу флегматизатора во взрывоопасный объем начинать только в момент зарождения взрыва, как это делается в системах подавления взрывов в технологическом обо­ рудовании. Поэтому система подавления взрывов в больших объемах должна срабатывать при появлении явно взрывоопасных концентраций горючих газов или большом градиенте нарастания этих концентраций. Прибор для замера концентраций взрывчатых газов в этом случае должен быть малоннерционным (менее

10 мс).

Электронная система в этом случае позволит сле­ дить как за абсолютной концентрацией взрывчатых га­ зов в помещении, так и за градиентом их нарастания н своевременно выдавать команду на включение ра­ бочих элементов для нейтрализации взрывоопасного объема.

Проблема создания достаточно надежных мало­ инерционных приборов для замера концентраций горю­ чих газов до сих пор не решена. Решение этой пробле­ мы осложняется необходимостью транспортировки ана­ лизируемого газа в рабочую часть прибора по трубкам или за счет конвекции, что обусловливает большую инерционность, не говоря даже о самом измерении. Кроме того, для надежного газового контроля поме­ щения большого объема необходимо предусмотреть размещение нескольких датчиков газоанализатора. В этом направлении большой интерес может представ­ лять использование оптических квантовых генераторов

188

(лазеров) в качестве газоанализаторов [27]. Первый образец безынерционного лазерного газоанализатора на метан разработан в 1973— 1974 гг. А. П. Свидченко под руководством автора.

В основе работы оптических квантовых генераторов лежит принцип получения стимулированного излуче­ ния. Упрощенно принцип его действия заключается в том, что вещество получает избыточную энергию, ко­ торая при превышении определенного уровня излуча­ ется в виде электромагнитных колебаний определен­ ной частоты в окружающее пространство. Частота этих колебаний определяется физической сущностью веще­ ства, получающего избыточную энергию, расстоянием, которое проходят его электроны при переходе с верхне­ го на нижний уровень (электроны, получившие избы­ точную энергию, всегда находятся на верхнем уровне). Для получения колебания значительной мощности не­ обходимо обеспечить одновременный переход с верх­ него уровня на нижний возможно большего числа элек­ тронов. Это достигается путем помещения вещества с избыточной энергией между двумя зеркалами, в ре­ зультате чего слабое электромагнитное излучение, мно­ гократно' отражаясь от зеркал и проходя через воз­ бужденное вещество (несколько сотен или тысяч раз), стимулирует участие в процессе излучения значитель­ ного количества возбужденных электронов, т. е. проис­ ходит процесс усиления излучения, причем только того, которое распространяется строго перпендикулярно к поверхности зеркал. Таким образом, лазер обеспечи­ вает высокую монохроматичность (узкая полоса излу­ чаемых частот), яркость и направленность излучения, причем все эти характеристики на несколько порядков превышают известные ранее технические устройства и в своей совокупности позволяют решать задачи, кото­ рые раньше не решались.

Принцип работы безынерционного газоанализатора основан на том, что газ поглощает излучение опреде­

189