Взрывозащита электрооборудования во взрывоопасных газовых средах. Ознакомительное пособие

В. Б. Солнцев, 2021

В работе изложена авторская точка зрения на концепцию обеспечения взрывозащиты электрооборудования для газовых сред. В пособии изложены ответы на такие вопросы: «Что такое взрывозащита? Зачем она нужна и её применение». Текст ознакомительного пособия основан на текстах технического регламента ЕАЭС «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах» (ТР ТС 012/2011) и Таможенного союза «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах» (ТР ТС 012/2011). Работа не претендует на универсальное и полномасштабное освещение вопросов по обеспечению взрывозащиты электрооборудования, а является лишь ознакомительным пособием для осуществления первых шагов в изучении проблем безопасности оборудования для работы во взрывоопасных газовых средах Пособие предназначено для разработчиков, изготовителей и пользователей взрывозащищенного электрооборудования, а также для всех интересующихся лиц.

1. Взрывоопасные газовые среды

Рассмотрим основные понятия и определения, связанные с объектом применения взрывозащищенного электрооборудования — опасными по воспламенению газовыми средами.

1.1. Горение

Некоторые вещества могут гореть в воздушной среде.

Этот процесс часто сопровождается выделением значительного количества тепла и может сопровождаться повышением давления и выбросом опасных горючих веществ.

Легковоспламеняющимися и/или горючими следует считать вещества, способные сформировать взрывоопасную среду, если в смеси с воздухом они способны к самоподдерживающемуся распространению пламени.

1.2. Взрыв

Взрыв — это быстро протекающая реакция окисления или распада, вызывающая резкое повышение температуры, давления или одновременно того и другого вместе.

После воспламенения веществ может последовать взрыв.

В отличие от обычного горения, взрыв является самоподдерживающимся распространением зоны реакции (пламени) во взрывоопасной среде.

Взрыв характеризуется следующими показателями:

a) максимальное давление взрыва;

б) максимальная скорость нарастания давления взрыва.

(скорость нарастания и давления взрыва меняться в зависимости от конфигурации объема, в котором происходит взрыв (происходит искривление фронта распространения пламени с возникновением конвекции, поджатия и т. п.))

При взрыве следует рассматривать следующие возможные поражающие факторы, например:

a) пламя;

б) тепловое излучение;

в) ударная волна;

г) разлетающиеся осколки;

д) опасные выбросы веществ.

1.3. Взрывоопасная газовая среда

Взрывоопасная газовая среда — это смесь горючих веществ в виде газов, паров, тумана или пыли с воздухом при атмосферных условиях, в которой после воспламенения происходит самоподдерживающееся распространение горения.

Характеристики смеси горючего вещества с воздухом дают информацию о поведении вещества при горении и показывают, способно ли вещество спровоцировать горение или взрыв. Такими характеристиками являются:

a) минимальная энергия воспламенения (минимальный воспламеняющий ток — МВТ, смотри описание вида защиты — искробезопасная цепь);

б) температура воспламенения взрывоопасной среды.

в) безопасный экспериментальный максимальный зазор (БЭМЗ).

Безопасный экспериментальный максимальный зазор (БЭМЗ) — это максимальный зазор в соединении между двумя частями внутренней камеры испытательной установки, которая при воспламенении внутренней газовой смеси и при заданных условиях предотвращает воспламенение внешней газовой смеси через соединение длиной 25 мм для любых концентраций газа или паров, проходящих испытания в воздушной среде.

Сказанное проиллюстрировано на рис. 1.1, где отображено, что при наличии БЭМЗ в защищающей от взрыва оболочке, взрыв внутренней газовой смеси не распространяется во внешнюю окружающую оболочку взрывоопасную среду, в отличие от взрывоопасного зазора, через который внутренний взрыв, прорываясь наружу из оболочки, воспламеняет окружающую взрывоопасную среду.

Рис. 1.1

БЭМЗ является характеристикой соответствующей газовой смеси.

Как показано на рис. 1.2, чем взрывоопаснее газовая смесь, тем меньше допустимая величина БЭМЗ.

Рис. 1.2

Существует также понятие потенциально взрывоопасного объекта.

«Правила разработки критериев отнесения объектов всех форм собственности к потенциально опасным объектам», утвержденные постановлением Правительства Российской Федерации от 14 августа 2020 года, № 1226, относят к потенциально опасным те объекты, аварии на которых могут стать источником возникновения чрезвычайной ситуации федерального, регионального, локального характера.

Потенциально взрывоопасные объекты — это предприятия, на которых производятся, хранятся, транспортируются взрывоопасные продукты или продукты, приобретающие при определенных условиях способность к возгоранию или взрыву.

Поэтому к потенциально взрывоопасным объектам относятся предприятия химической, газовой, нефтеперерабатывающей, лакокрасочной промышленности, предприятия, использующие газо — и нефтепродукты в качестве сырья или энергоносителей, все виды транспорта, перевозящие взрывоопасные вещества, топливозаправочные станции, газопроводы.

Из сказанного следует, что потенциально взрывоопасная среда — это среда, которая может стать взрывоопасной под воздействием местных условий (например, места, где начали храниться и/или транспортироваться взрывоопасные продукты) или условий эксплуатации (места, где производятся продукты, приобретающие при определенных условиях способность к возгоранию или взрыву).

Все взрывоопасные среды подразделяются на три группы.

Группа I охватывает подземные выработки шахт и рудников, опасных по природному газу (метану) и/или горючей (угольной) пыли.

К группе III относятся среды, опасные по воспламенению горючей пыли (кроме подземных выработок шахт и рудников и их наземных строений).

Группа II распространяется на взрывоопасные газовые среды. Данная работа ориентирована на рассмотрение только взрывоопасных газовых сред.

Группа II разделяется на подгруппы IIA, IIB и IIC в соответствии с видом присутствующей взрывоопасной газовой смеси:

— подгруппа IIA — типовым газом является пропан;

— подгруппа IIB — типовым газом является этилен;

— подгруппа IIC — типовым газом является водород.

Взрывоопасные газовые смеси с концентрациями приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1

Взрывоопасная зона — это часть замкнутого или открытого пространства, в котором присутствует взрывоопасная среда в объеме, требующем специальных мер защиты при конструировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации оборудования.

Взрывоопасные зоны подразделяются на классы в зависимости от частоты и длительности присутствия в них взрывоопасной газовой среды.

Зона класса 0 — это зона, в которой взрывоопасная газовая среда присутствует постоянно (в течение длительных периодов времени) или часто.

Зона класса 1 — это зона, в которой существует вероятность периодического или случайного присутствия взрывоопасной газовой среды в нормальных условиях эксплуатации.

Зона класса 2 — это зона, в которой вероятность образования взрывоопасной газовой среды в нормальных условиях эксплуатации маловероятна, а если она возникает, то существует непродолжительное время.

Частоту возникновения и длительность присутствия взрывоопасной газовой среды допускается определять по правилам (нормам) для соответствующих отраслей промышленности или информацией с мест использования оборудования.

Поэтому допустимо принять, что для каких-то мест использования оборудования в зоне класса 0 вероятность присутствия взрывоопасной газовой смеси равна 100 %; в зоне класса 1вероятность присутствия взрывоопасной газовой смеси равна 50 %; в зоне класса 2 вероятность присутствия взрывоопасной газовой смеси не превышает 25 %.

Если сказанное выразить в понятиях Теории Вероятности (элементы Теории Вероятности приведены в Приложении А), то получится:

для зоны класса 0:

Р_{зона 0} = 1,

для зоны класса 1:

Р_{зона 1} = 0,5,

для зоны класса 2:

Р_{зона 2} ≤ 0,25,

где Р — вероятность присутствия взрывоопасной газовой смеси (для конкретной зоны).

Методы категорирования зон изложены в стандарте ГОСТ IEC 60079–10–1–2013 «Взрывоопасные среды. Часть 10–1. Классификация зон. Взрывоопасные газовые среды».

1.4. Потенциальные источники воспламенения взрывоопасных газовых сред

Ниже систематизированы основные потенциальные источники воспламенения взрывоопасных газовых сред:

1) нагретые поверхности — способность нагретой поверхности вызывать воспламенение, зависит от типа и концентрации конкретного горючего вещества в смеси с воздухом. Для воспламенения от нагретых тел с выпуклыми, а не вогнутыми поверхностями, необходима более высокая температура поверхности;

2) пламя, горячие газы и горячие частицы;

3) искры, образованные механическим путем — трение между черными металлами и между определенными видами керамики может образовать зоны высокой температуры и искры, аналогичные искрению при дроблении или шлифовке. Они могут вызвать воспламенение взрывоопасных сред. Соударения при наличии ржавчины и легких металлов (например алюминия и магния) и их сплавов могут инициировать термитную реакцию, которая может вызвать воспламенение взрывоопасных сред. Легкие металлы титан и цирконий также могут образовывать воспламеняющие искры при соударении или трении с любым достаточно твердым материалом, даже при отсутствии ржавчины;

4) электрические искры — могут быть вызваны, например:

a) замыканием и размыканием электрических цепей,

б) ослабленными контактами,

в) блуждающими токами;

5) статическое электричество — разряд заряженных, изолированных частей, выполненных из электропроводящих материалов, может привести к появлению воспламеняющих искр. Когда электрически заряженные части выполнены из непроводящих материалов, таких как пластмассы, возможны кистевые разряды и, в особых случаях, в процессах быстрого разъединения (например, ленты, движущиеся по роликам, ремни приводов) или комбинациях электропроводящих и неэлектропроводящих материалов возможно возникновение распространяющихся кистевых разрядов;

6) удары молнии;

7) электромагнитные волны — излучают все системы, которые генерируют и используют электрическую энергию радиочастотного диапазона, например радиопередатчики, промышленные или медицинские генераторы радиочастот, используемые для обогрева, сушки, затвердевания, сварки и резки. Но взрывоопасными являются электромагнитные волны радиочастотного диапазона от 10⁴ до 3·10¹² Гц;

8) ионизирующее излучение — генерируется, например, рентгеновскими трубками и радиоактивными веществами. Сам источник радиоактивного излучения может нагреваться вследствие внутреннего поглощения лучевой энергии до такой степени, что минимальная температура воспламенения окружающей взрывоопасной среды будет превышена;

9) ультразвуковые волны — значительная доля энергии ультразвуковых волн поглощается твердыми или жидкими веществами. В результате вещество, подвергнутое их воздействию, нагревается настолько, что может произойти воспламенение взрывоопасной среды;

10) адиабатическое сжатие и ударные волны — при них могут иметь место такие высокие температуры, что взрывоопасные среды могут быть воспламенены. Повышение температуры зависит, главным образом, от степени сжатия, а не от перепада давления.

1.5. Электрооборудование как источник воспламенения

Само электрооборудование как единое целое к источникам воспламенения отнести трудно, но в нем могут возникать из вышеперечисленных следующие потенциальные источники воспламенения:

— нагретые поверхности;

— электрические искры;

— статическое электричество;

— электромагнитные волны.

Нагрев поверхностей может происходить по причине перехода электрической (магнитной, электромагнитной) энергии в тепловую.

Электрические искры могут возникать из-за нарушений электрических зазоров за счет появления непредусмотренных при эксплуатации оборудования замыканий.

Статическое электричество может возникать на изоляционных покрытиях токоведущих частей. Изоляционные покрытия проводников могут быть также подвержены электрическому пробою.

Примером электромагнитного потенциального источника воспламенения могут служить генерируемые осветительными устройствами синусоидальные токи третьей гармоники.

1.6. Возникновение взрывоопасной газовой среды

Возникновение взрывоопасной газовой среды может носить природо-технический характер — природо-технический объект возникновения взрывоопасной среды (ПТО), и бесприродо-технический характер — бесприродо-технический объект возникновения взрывоопасной среды (БТО).

Примером ПТО является горючий газ, естественным образом образующийся в шахте. К ПТО относятся взрывоопасные смеси газов, относящиеся к группе I.

Примером БТО являются утечки из технологического (или иного) оборудования горючего газа, пара, тумана или жидкости в атмосферу в объеме, достаточном для образования взрывоопасной газовой среды.

Существуют три основные степени утечки:

а) постоянная утечка — утечка, которая существует постоянно (часто или длительное время);

б) утечка первой степени — утечка, появление которой носит периодический или случайный характер при нормальном режиме работы технологического оборудования;

в) утечка второй степени — утечка, которая отсутствует при нормальном режиме работы технологического оборудования, а если она возникает, то редко и кратковременно.

Важным показателем является интенсивность (скорость) утечки — количество горючего вещества или пара, высвобождающееся в единицу времени из источника утечки (технологического или иного оборудования).

В классификации зон учитываются только относительно ограниченные утечки или количества веществ применительно к нормальным условиям эксплуатации или прогнозируемым отказам.

Следует стремиться к тому, чтобы число и размеры зон классов 0 или 1 были минимальными. Это может быть обеспечено выбором конструкции технологического оборудования и условиями его эксплуатации. Необходимо обеспечить, чтобы агрегаты и установки в основном относились к зоне класса 2 и не были взрывоопасными. Если утечка горючего вещества неизбежна, необходимо использовать такое технологическое оборудование, которое является источником утечек второй степени, а если и это невозможно, т. е. когда неизбежны утечки первой степени или они постоянные (непрерывные), то их число и интенсивность должны быть минимальными. При классификации зон перечисленные принципы имеют главное значение. Для снижения уровня взрывоопасности зоны конструкция, условия эксплуатации и размещение технологического оборудования должны быть такими, чтобы даже при авариях утечка горючего вещества в атмосферу была минимальной.