EKSPLOZIVNE ODUŠKE ZA RASTEREĆENJE PRITISKA PRI EKSPLOZIJI PRAŠINE EXPLOSION VENTS FOR PRESSURE RELIEF OF DUST EXPLOSIONS

Transkript

1 EKSPLOZIVNE ODUŠKE ZA RASTEREĆENJE PRITISKA PRI EKSPLOZIJI PRAŠINE EXPLOSION VENTS FOR PRESSURE RELIEF OF DUST EXPLOSIONS Goran Kusić 1, Nikola Jojin 2 Rezime: Eksplozije prašine mogu se očekivati skoro u svim granama industrije, ali najveći rizik svakako predstavlja prehrambena i drvna industrija. Za te industrije je obavezna primena direktiva 1999/92/EC (ATEX 118a ili ATEX 137) i 94/9/EC (ATEX 95 ili ATEX 100a), a u skladu sa odgovarajućim harmonizovanim standardom SRPS EN 14491:2011 (Zaštitni sistemi za rasterećenje pritiska pri eksploziji prašine), uspostavljena je metoda najčešće korišćenog sistema tercijalne zaštite eksploziono odušivanje. U ovom radu je dat sažet prikaz metodologija harmonizovanog standarda SRPS EN 14491:2011 (Zaštitni sistemi za rasterećenje pritiska pri eksploziji prašine), kroz kratak uvid u definisanje osnovnih parametara potrebnih za proračun površine eksplozivnih odušaka kao i sama teorija proračuna. Kao olakšavajuća mogućnost za izračunavanje potrebne površine eksplozivnih odušaka predloženo je korišćenje nekog od komercijalnih programa, koji su usaglašeni sa EN 14491:2006. Ključne reči: standard, direktiva, eksplozivna zaštita, rizik, eksplozivni odušak Abstract: The explosion of dust can be expected in almost all industries, but the biggest risk is in the food industry and wood industry. These industries are subject to the implementation of Directive 1999/92/EC (ATEX 118a ili ATEX 137) and 94/9/EC ( ATEX 95 ili ATEX 100a), in accordance with the harmonized standard SRPS EN 14491:2011 (Dust explosion venting protective systems), which defines the most common method of tertiary protection against explosions, explosion vents. This paper presents a summary of the methodology of harmonized standards SRPS EN 14491:2011 (Dust explosion venting protective systems), through basic introduction to defining and parameters for the calculation of the surface explosion vents. One of possibilities to calculate required surface of an explosion vents is with commercial software package, which is in accordance to EN 14491:2006. Keywords: standard, directive, explosion protection, risk, explosion vents 1 Goran Kusić, dipl.inž.maš, Rukovodilac kvaliteta Instituta za preventivu, Novi Sad. 2 Nikola Jojin, dipl.inž.zžs - Master, Spoljni stručni saradnik Instituta za preventivu, Novi Sad 93

2 1. Uvod U skorijoj prošlosti u svetu i kod nas svedoci smo tragedija koje nastaju neadekvatnom primenom mera protiveksplozivne zaštite, što može izazvati katastrofalne posledice kako za objekte tako i za ljude koji se nalaze u njima. Standardi koji se danas primenjuju iz oblasti protiveksplozivne zaštite nastali su kao posledica obimnog naučnog istraživanja incidenata koji su se dešavali u prošlosti. Istragom CSB-a (The U.S Chemical Safety Board) je utvrđeno da se u periodu od 1980 do 2005 godine, desilo preko 280 eksplozija i/ili požara vezanih za prašinu. Rezultat je pogibija 119 ljudi i više od 700 povređenih. Studija kojima je obuhvaćena Velika Britanija pokazuje da se za razdoblje od devet godina dogodilo 303 slučaja eksplozije prašine, dok u Nemačkoj evidencije pokazuju 426 sličnih incidenata tokom 20 godina [2]. Pregledom statistike spomenutih istraga zaključuje se da su najugroženije industrije u kojima je za realno očekivati eksplozije prašine prehrambena industrija (25%) i drvna industrija (15%) [2]. Uvidom u ove tri odvojene studije jasno proizilazi da je rizik od nastanka eksplozije veoma velik, što potvrđuje i skorašnji domaći primer, odnosno događaj u silosu kompanije "Agroživ" u Vladimirovcu. Do eksplozije je došlo usled iznenadnog varničenja aparata koji se nalazio u prostoriji sa prevelikom koncentracijom eksplozivne prašine. Za posledicu ova eksplozije je imala 6 teško povređenih, 1 lakše povređen i veliku materijalnu štetu [17]. Ovo su sasvim dovoljni razlozi da se moraju uvesti određena pravila koja definišu ponašanje u prostorima ugroženim eksplozivnim atmosferama. Još važnije je da se tih pravila pridržavaju svi učesnici kako u izgradnji, tako i u eksploataciji takvih objekata. Projektovanje sistema u eksplozivno ugroženim prostorima od projektanta traži znatno veći stepen odgovornosti i odlično poznavanje propisa vezanih za ovu oblast. Uniformnom klasifikacijom i optimizacijom direktiva Evropske komisije 1999/92/EC (ATEX 118a ili ATEX 137) [4] i 94/9/EC (ATEX 95 ili ATEX 100a) [3] kreirani su standardi CEN-a u pogledu osnovnih koncepata i metodologija prevencije eksplozije, zaštite ljudi, životne sredine i imovine. Za određivanje osnovnih zahteva dizajna i specifikacije uređaja za rasterećenje pritiska od eksplozije je definisan harmonizovanim standardom SRPS EN 14797:2011 [12]. Ovaj standard je samo jedan u nizu koji zajedno sa SRPS EN 14491:2011 [11] i SRPS EN 14994:2011 [13], predstavljaju koncept eksplozionog odušivanja. Za slučaj izbegavanja prenosa eksplozije u spojenim sudovima neophodna je primena standarda SRPS EN 15089:2011 [14]. Jasno je da su ovi standardi proizišli kao direktna posledica spomenutih direktiva i problema vezanih za eksploziju. 2. Eksplozije prašine Pod pojmom eksplozije podrazumeva se brza hemijska reakcija oksidacije i razlaganja eksplozivne materije, praćena značajnim oslobađanjem energije u vrlo kratkom vremenskom periodu, koja izaziva udarni talas u okolnom prostoru. Prema načinu i brzini širenja eksplozije kroz reakcioni materijal razlikujemo: Deflagraciju - veoma brzo sagorevanje materijala sa površine prema unutrašnjosti. Brzine sagorevanja se kreću u takozvanom subsoničnom opsegu (brzina sagorevanja je manja od brzine zvuka, < 340 m/s); Detonaciju - predstavlja skoro trenutno sagorevanje eksploziva praćeno 94

3 formiranjem talasa visokog pritiska i temperature. Brzina eksplozije može iznositi i 10 km/s. Ukoliko se stvore odgovarajući uslovi, slično gasovima, može doći do eksplozije veoma jakog intenziteta (vrednosti indeksa ekplozivnosti različitih prašina je u opsegu od 4 do 7). U standardu SRPS EN :2010 data je definicija prašine "kao male čvrste čestice u atmosferi koje se talože usled sopstvene težine, ali koje i dalje ostaju u atmosferi kao mešavina prašine/vazduh". Njihova pojava u industriji je predstavljena kao koristan proizvod (npr. brašno) ili kao otpadni produkt (npr. prašine gvožđa kod brušenja). Prema poreklu prašine mogu biti: neorganske (prašina od metala i raznih legura, karbidi, nitridi, oksidi i td.), organske (prehrambena prašina, prašina od žitarica, pamuka, vune, drva, uglja, plastične i gumene prašine, farmaceutske i kozmetičke prašine i td.), mešovite (sastav im može biti različit, a razne smeše prašina se javljaju u raznim odnosima kao npr. kalcijum-karbonat, grafit-aluminijum, poliester i td.). Da bi došlo do nastajanja i odvijanje procesa gorenja potrebna su tri uslova: materija koja može da gori, dovoljna količina toplotne energije potrebne da materiju zagrije do određene temperature paljenja i prisustvo kiseonika (trougao vatre). Za eksploziju prašine nije dovoljno ispunjenje pomenuta tri primarna uslova, već je potreban i zatvoreni prostor i mešanje prašine, što je definisano opisom procesa eksplozije prašine (pentagon eksplozije prašine slika 1) koji se odvija u ograničenoj atmosferi (kao što je ciklon ili deo proizvodnog pogona). Eksplozija prašine je često rezultat kovitlanja akumulirane eksplozivne prašine čime zajedno sa kiseonikom iz atmosfere gradi eksplozivnu sredinu. Energija paljenja, odnosno njeno početno paljenje dovodi do transfera toplote od čestice do čestice, a sa uticajem turbulencije prašine dolazi do primarne eksplozije, koja je uglavnom manjeg inteziteta. Ona predstavlja glavni udarni talas koji pospešuje dalje kovitlanje nataložene prašine. Pokreću se sekundarne eksplozije koje su znatno većeg inteziteta i opasnije. Iz navedenog se shvata da su sve velike eksplozije prašine rezultat lančane reakcije domino efekat (slika 2) [16]. Izvor: [16] Slika 1. Pentagon eksplozije prašine. Slika 2. Domino efekat eksplozije prašine. 95

4 Zapaljiva prašina je prašina koja će se, u prisustvu izvora paljenja, zapaliti ako je pomešana sa vazduhom (uzvitlana prašina) ili ako je nataložena. Problem prisustva zapaljive prašine se mora analizirati na drugačiji način nego što je to slučaj sa zapaljivim gasovima, parama i maglama. Kada dođe do emisije prašine u obliku oblaka, ona se neće razići kao što je to slučaj sa gasovima, parama i maglama, već će se taložiti na horizontalnim površinama, i uvek je prisutna opasnost da se ta nataložena prašina uzvitla i da se formira eksplozivna smeša. Sprečavanje te pojave je moguće samo redovnim održavanjem čistoće u objektu. 2.1 Klasifikacija prašine eksplozivnost prašine Kategorizacija prašine koja je bazirana na konstanti eksplozivnosti određene prašine (K st ), predstavlja stopu maksimalnog porasta pritiska u 1m 3 suda u kojem se prašina zapalila. Koncept konstante eksplozivnosti K st je uveden od strane Bartknecht [18], po tzv. kubnom zakonu koji je predstavljen formulom (2.1.1/I):... (2.1.1/I) Konstanta eksplozivnosti prašine K st (bar m/s), je brojčano indetifikovana sa (dp/ dt) max eksperimentalnim standardnim test procedurama koje su reprezentovane standardom SRPS EN14491:2011. Konstanta K st karakteriše zavisnost klase eksplozivne prašine koja je izražena oznakama St0 St3 (tabela 1). Oznaka St ima poreklo iz nemačke reči staub, što znači prašina. Što je veća konstanta eksplozivnosti prašine, veća je eksplozivnost prašine. Tabela 1. Klase eksplozivnosti prašine u zavisnosti od K st K st [bar m/sec] Klasa eksplozivnosti prašine 0 St0 Nije eksplozivna 0 < K st < 200 St1 Slabo eksplozivna 200 < K st < 300 St2 Jako eksplozivna K st < 300 St3 Veoma eksplozivna Stopa maksimalnog porasta pritiska eksplozije (dp/dt) max je funkcija vremena kojom se definiše pritisak od početka eksplozije pa do maksimalnog pritiska eksplozije P max u štićenom prostoru. Proučavanjem uticaja početnog pritiska na P max i K st utvrđeno je da maksimalni pritisak P max raste linearno sa povećanjem pritiska, dok se K st povećava sa povećanjm pritiska eksplozije [19]. Oba parametra su svojstvena i jedinstvena za svaku prašinu. 2.2 Faktori koji utiču na eksploziju prašine Brojni faktori utiču na eksplozivnost prašine, a kako bi se procenila opasnost od eksplozije neophodno je određivanje tih faktora i to: koncentracija prašine, koncetracija kiseonika, veličine čestica prašine, temperatura paljenja prašine, turbulencija prašine, prisustvo zapaljivih gasova, izvor paljenja prašine. 96

5 2.2.1 Koncetracija prašine Da bi došlo do eksplozije prašine neophodno je uspostavljanje odgovarajuće koncetracije prašine u atmosferi, odnosno koncetracija prašine mora da bude između gornje i donje eksplozivne granice. Donja granica za većinu zapaljivih prašina je prilično dobro definisana, ali zbog nedostatka uniformnosti koncentracija oblaka koji stvaraju prašine gornju granicu eksplozivnosti je teže ustanoviti. Donja granica eksplozivnosti za većinu zapaljivih prašina se kreće u rasponu od 50 g/m 3 do 100 g/m 3. Parametre donje i gornje granice eksplozivnosti karakteriše zavisnost vrste prašine i izvor paljenja prašine [16] Atmosfera koncetracija kiseonika Kao što je navedeno u pentagonu eksplozije prašine javlja se neophodnost kiseonika, koji se karakteriše prisustvom vazduha i njegovim sadržajem od 21% kiseonika. Koncetracija kiseonika iznad 21% teži da poveća brzinu reakcije sagorevanja, ali za koncetraciju manju od 21% brzina sagorevanja se smanjuje. Posledica jeste da stopa sagorevanja prašine opada sa opadanjem sadržaja kiseonika u atmosferi, time sagorevanje može opasti ili ako dođe do eksplozije ona će biti manjeg intenziteta te je verovatnoća domino efekta veoma mala. Gorenje se održava samo ako je koncetracija kiseonika u vazduhu veća od 10% [16] Veličina čestice prašine Veličina čestica prašine se kreće u opsegu od 0,1 do 500µm. Prema veličini čestica prašine se dele na grubu i sedimentnu (>70µm); čestice od 10 do 70µm predstavljaju tzv. pravu prašinu, dok čestice manje od 10µm predstavljaju lebdeću - respirabilnu prašinu koja je i najopasnija sa stanovišta protiveksplozivne zaštite. Jedna od najvažnijih osobina prašina jeste da manja veličina čestice prašine znači veću površinu u odnosu na težinu same čestice, a time se omogućava brzina reagovanja čestice sa slobodnim kiseonikom u vazduhu. Na primer kocka nekog materijala ivice 1 cm ima povšinu 6 cm 2. Ako tu kocku usitnimo na manje kocke koje imaju ivicu 1µ površina će se povećati na 6 m 2, tj. povećala se za puta. Veoma sitne čestice se talože mnogo sporije od velikih čestica zbog velikog otpora vazduha i njene male mase, odnosno manje čestice mogu da ostanu duže suspendovane od grube prašine u vazduhu i da se mešaju sa vazduhom ravnomernije [7]. Na Slici 3. je prikazana kumulativna i diferencijalna raspodela veličine čestica za tipičnih prašine. Izvor: [16] Slika 3. (a) Kumulativna raspodela veličine čestica (b) Diferencijalna raspodela veličine čestica: (A) površina čestice i (B) masa čestice 97

6 2.2.4 Temperatura paljenja Ako se mešavina zapaljive prašine i vazduha zagreva u jednom trenutku bi se prašina zapalila. Najniža temperatura na kojoj se dešava takvo paljenje se definiše kao minimalna temperatura paljenja (MT). Minimalna temperatura paljenja raste uz prisustvo vlage ili drugih primesa koje se nalaze u prašini, ali se i smanjuje sa smanjenjem veličine čestice, koncetracije kiseonika i debljinom sloja prašine. Većina žitarica i brašna u obliku prašine imaju temperaturu paljenja od 400 C do 500 C, ali postoji mogućnost paljenja i na temperaturi od 200 C ako su uspostavljeni povoljni uslovi kao što su niska relativna vlažnost, mala veličina čestica i visoka turbulencija. Ova tinjajuća gnezda mogu izazvati eksploziju [6]. Tipične temperature paljenja nekih od prašina relativne vlažnosti 30-90% su: pšenično brašno: od 410 C do 430 C, kukuruzni skrob: od 410 C do 450 C, ražena prašina: od 430 C do 500 C Turbolencija prašine Kretanje čestica koje sačinjavaju prašinu je manje ili više slučajno. Ovo kretanje se ostvaruje u sve tri dimenzije prostora čime se stvara turbolencija prašine. Oblak prašine čija je turbolencija visoka ima ravnomerno raspoređene čestice prašine, a time brzina prelazka toplote sa čestice na česticu je brže i uniformnije, odnosno širenje plamena je brže. Turbolencija utiče na porast pritiska mnogo više nego maksimalni pritisak [16]. Prema poreklu nastanka oblaka prašine u industrijskim procesima razlikujemo dve vrste turbolencije. Prvi način generisanja turbolencije bi bio generisanjem pršine prilikom operacija u industriji kao što je punjenje mlinova za brašno preko pneumatskog transporta cevovodima, elevatorima i td. Ovaj vid turbolencije se često naziva početna turbolencija. Drugi vid turbolencije bi bio generisan eksplozijom prašine. Ovaj vid turbolencije uzrokuje mnogo veće uzburkivanje nataložene prašine od početnih turbolencija [10] Prisustvo zapaljivih gasova Prisustvo zapaljivog gasa u atmosferi gde je prisutna eksplozivna prašina dovodi do smanjenja minimalne eksplozivne koncentracije, minimalne temperature paljenja, minimalne energije paljenja, kao i do povećanja maksimalnog pritiska eksplozije. Uvidom u predhodno koncentracija ove mešavine zapaljivog gasa i zapaljive prašine uzrokuje zapaljivu koncetraciju koja je ispod normalne, niže granice eksplozivnosti i za prašine i za gasove [9]. Na primer klase zapaljive prašine St0 u prisustvu gasa mogu lako da pređu u klasu St1 pa čak i u klasu St Izvori paljenja prašine Energija paljenja predstavlja najnižu potrebnu energiju aktivacije pri kojoj dolazi do paljenja smeše prašine i vazduha. Minimalna energija paljenja zavisi od koncetracije prašine u vazduhu i vrtloženja u oblaku prašine. I ako je za većinu zapaljivih prašina potrebna znatno viša energije paljenja od eksplozivnih gasnih smeša, novijim istraživanjima se dokazalo da postoje fino usitnjene vrste prašina čije su minimalne energije paljenja istog reda veličine ili čak niže nego za gasove [16]. U raznim tehnološkim postupcima prisutni su različiti izvori paljenja čiji kontakt sa eksplozivnom atmosferom dovodi do eksplozije. Kao i svi statistički podaci i podaci o 98

7 uzrocima eksplozije zavise od propisane metodologije, broja eksplozija, perioda i vremena kad se desila eksplozija i td. Pri statističkoj analizi tokom istraga CSB-a najčešći uzrok paljenja jeste mehanička varnica i iznosi oko 40%, a statički elektricitet, trenje i tinjanje su ravnopravni uzroci od ukupno 28% slučajeva [2]. Pojava mehaničke varnice je uglavnom rezultat nedostatka sveobuhvatnih i detaljnih procena rizika, neplanirane promene delova opreme u toku rutinskog održavanja i neobučenost operatora - osoblja. U odnosu na električnu otpornost prašine se klasifikuju kao prašine sa niskim, srednjim ili visokim izolacionim svojstvima. Prašina sa izolacionim svojstvima ima sklonost ka zadržavanju elektrostatičkog potencijala, i može doći do elektrostatičkog pražnjenje ako se u blizini nalazi uzemljena oprema ili osoblje, što dalje može dovesti do paljenja eksplozivne atmosfere [16]. 2.3 Prevencija eksplozije prašine Prevencija eksplozije je kompleksna oblast koja pored eleminacije jednog od faktora eksplozije podrazumeva i čitav niz primene drugih mera, kojima se smanjuje mogućnost eksplozije. Zbog toga se mere integralne protiveksplozivne zaštite sprovode, prema potrebi u sledeće tri faze: 1. Primarna protiveksplozivna zaštita; 2. Sekundarna protiveksplozivna zaštita; 3. Tercijarna protiveksplozivna zaštita. Primat u današnjem svetu razvoja tehnologija i materijala zauzimaju primena primarne i sekundarne zaštite od eksplozije. Međutim, mora se naglasiti da nekad primena ova dva metoda zaštite od eksplozije nije dovoljan, jer rizik od eksplozije i dalje postoji. Sa saznaljem ove činjenice pronalaze se načini redukcije efekata eventualne nastale eksplozije. Kao rešenje je proizašla tercijarna eksploziona zaštita koja predstavlja jedan vid preventivne mere kojom se onemogućavaju posledice eksplozije. Na Slici 4 je prikazan osnovni princip integrisane protiveksplozivne zaštite Primarna protiveksplozivna zaštita Slika 4. Integrisana protiveksplozivna zaštita. Pod primarnom protiveksplozivnom zaštitom se podrazumevaju sve aktivnosti kojima se sprečava nastanak eksplozivnih atmosfera. Postiže se: Izbegavanjem primene zapaljivih supstanci; Deaktivacijom zapaljivih supstanci upotrebom inertnih gasova (azota, ugljen dioksida, argona i td.); Kontrolom koncentracija i limitiranjem njihovog nivoa; Primenom odgovarajuće prirodne ili prinudne ventilacije Sekundarna protiveksplozivna zaštita Ukoliko se opasnost od eksplozije ne može u potpunosti izbeći primenom mera primarne protiveksplozivne zaštite, moraju se preduzeti mere za sprečavanje paljenja eksplozivne atmosfere. U tom cilju se opasna mesta u proizvodnji klasifikuju kao zone opasnosti u skladu sa verovatnoćom nastanka eksplozivnih atmosfera. Nakon klasifikovanja, u zonama opasnosti se zahteva ugradnja uređaja odgovarajućeg stepena zaštite. 99

8 2.3.3 Tercijarna protiveksplozivna zaštita Ukoliko mere primarne i sekundarne zaštite ne daju odgovarajuće rezultate, procesni uređaji i objekti moraju biti projektovani tako da posledice eventualne eksplozije budu zanemarljive. Ovaj cilj se postiže na sledeće načine: Primenom protiveksplozivnih rešenja u projektovanju. Konstrukcija prostora ili uređaja je takva da može izdržati pritisak eksplozije bez deformacija; Primenom otvora preko kojih se oslobađa pritisak eksplozije. U sastavu prostora ili uređaja se nalaze i otvori koji su u normalnim radnim uslovima zatvoreni. Oni se otvaraju u slučaju eksplozije u smeru koji nije opasan po okolinu, čime se rasterećuje prostor ili uređaj i sprečava njihovo oštećenje; Ugušenjem eksplozije. Princip se zasniva na sprečavanju dostizanja maksimalnog pritiska eksplozije pomoću rapidnog ubacivanja sredstva za gašenje u slučaju eksplozije; Sprečavanjem transfera eksplozivnog udara. Eksplozivni udar može oštetiti uređaje sa kojima postoji direktna veza ili se nalaze u blizini eksplozije. Dalje posledice mogu biti lančane eksplozije drugih uređaja, širenje požara ili eksplozije kroz instalacije. Odvajanje uređaja obezbeđuje da se posledice eventualne eksplozije ograniče samo na uređaj u kojem je nastala eksplozija. Ovaj rad ima za cilj da ukaže na jednu od mera tercijalne zaštite, a to je eksploziono odušivanje štićenog prostora. Koncept eksplozionog odušivanja je dugi niz godina, posmatrajući svetske trendove, najčešći i najpopularniji metod tercijalne zaštite od eksplozije. U fazi projektovanja se deo strukture štićenog prostora od eksplozije prašine namerno oslabi, odnosno oslabljeni deo strukture je napravljen tako da ima znatno manju otpornost na pritisak eksplozije u odnosu na ostatak strukture, kako bi se obezbedilo rasterećenje neprihvatljivog visokog pritiska eksplozije i izvršilo usmeravaje štetnih produkata eksplozije kao što su plamen, čvrste i gasovite materije eksplozije u slobodan prostor. Najbolji primer eksplozionog odušivanja jeste membranski eksplozivi odušak koji predstavlja sigurnosni sistem koji se sastoje od fiksirane membrane koja je sastavni deo konstrukcije štićenog prostora od eksplozija. Ova membrana predstavlja jedan vid ventila kojim se rasterećuje pritisk u štićenom prostoru od navedenih posledica eksplozija i ne dozvoljava prekoračenje pritisaka koji može da izdrži štićeni prostor. Ako je štićeni prostor zgrada objekat onda eksploziono odušivanje može da se ostvari preko prozorskih panela, vrata, lakih krovova (kao naprimer kod kotlarnica, lakirnica, skladišta tehničkih gasova i td.), ali moraju biti konstruktivno definisani već spomenutim harmonizovanim standardima. Treba napomenuti da ovi otvori koji služe za eksploziono odušivanje nisu jedini bitan faktor prilikom eksplozije prašine. Udar eksplozije (eksplozivni talas), nastali plamen kao i materije nastale prilikom eksplozije koje se emituju u okolinu takođe predstavljaju opasnost za osoblje, postrojenje i njenu opremu. Kao primer navešće se maksimalna dužina plamena koji se emituje iz štićenog prostora koji može biti do 10 puta veća od kubnog korena zapremine štićenog prostora [15], ili ako se u atmosferu izvan štićenog prostora izbaci nesagoriva prašina ona može da uzrokuje sekundarnu eksploziju. Jasno je iz priloženog da se stvara i potreba adekvatnog usmeravanja ovih produkata eksplozije prema prostoru koji nije posebno ugrožen (slobodan prostor) i u kojem će šteta biti minimalna, a posebno u kojem ne borave ljudi. 100

9 2.4 Pristup dizajna eksplozionog odušivanja Određivanje zahteva dizajna, specificne potrebe i proračunske osnove opreme za rasterećenje pritiska pri eksploziji prašine je definisan harmonizovanim standardom SRPS EN 14491:2011 [11] kojim je obuhvaćeno: dimenzionisanje eksplozivnih odušaka, plamen i njen efekat van prostora koji se štiti, snaga (trzaj) eksplozije, uticaj odvodnih cevovoda kojima se usmeravaju eksplozije iz štićenog prostora. Za dimenzionisanje površine područija eksplozionog odušivanja potrebno je uzeti u obzir sve faktore koji određuju težinu eksplozije prašine. Neki od faktora su obrađeni u predhodnim poglavljima kao svojtva prašine, ali pored ovih faktora neophodno je razmotriti i: geometriju štićenog prostora, redukovani pritisak eksplozije, statički pritisak aktiviranja eksplozivnog oduška, odvodne cevovode eksplozije, pozicioniranje eksplozionog oduška Geometrija štićenog prostora Kada se govori o geometriji štićenog prostora ustvari se govori o odnosu dužine i obima štićenog prostora (L/D), koji je uvek vezan za oblik samog štićenog prostora i položaja eksplozivnog oduška, a obavezan je jer utiče na dimenzionisanje površine eksplozivnog oduška. Štićeni prostori čiji odnosi dužine i obima iznose približno jedan zahtevaju relativno male površine eksplozivih odušaka, dok za izdužene prostore površina eksplozivih odušaka je mnogo veća. Za pravougaone ili cilindrične oblike štićenog prostora odnos L/D može biti izračunat direktno iz fizičkih dimenzija štićenog prostora. Ukoliko štićeni prostor nema jednostavnost geometrijskog oblika, ili ako se otvor za eksploziono odušivanje nalazi na strani štićenog prostora, odnos L/D može da se dobije procenom kroz efektivnu dužinu plamena (maksimalna putanja plamena pre nego što izađete iz štičenog objekta) i efektivnu zapreminu (zapremina plamena koja putuje kroz štićeni objekat) [11] Redukovani pritisak eksplozije Redukovani pritisak eksplozije (P red ) je ustvari maksimalni pritisak koji se stvara tokom oslobađanja eksplozije odušivanjem, a smanjuje se kako se povećava otvor oduška štićenog prostora od eksplozije. Uspostavljanje izbora redukovanog pritiska prema harmonizovanom standardu SRPS EN 14491:2011 [11] jeste pritisak koji može da izdrži štićeni prostor, ali treba naglasiti da prilikom izbora P red u obzir treba uzeti sve delove štićenog prostora, na primer, pristupna vrata, izdržnjivost varova i td. Izbor P red jeste izbor najslabijeg dela štićenog prostora. Drugi pristup izboru P red jeste prema NFPA 68 [8] standardu koji dozvoljava da se P red izabere kao: P red manji od 2/3 pritisaka koji može da izdrži oprema, deformacije na opremi su dozvoljene. P red manji od 2/3 pritisaka koji može da izdrži omotač štićenog prostora (konstrukcija), deformacije se ne mogu tolerisati. 101

10 2.4.3 Statički pritisak aktiviranja eksplozivnog oduška, U sprezi sa maksimalnim pritiskom eksplozije P max i redukovanim pritiskom P red jeste statički pritisak aktiviranja eksplozivnog oduška P stat. Očigledno, ovaj pritisak mora biti manji ili jednak pritisku koji može da izdrži omotač štićenog prostora i/ili opreme koja se štiti. Ovaj pritisak je izbor i odgovornost inžinjera koji bira eksplozivni odušak po specifikacijama proizvođača eksplozivnog oduška [11] Odvod eksplozije Prilikom eksplozionog odušivanja mogu se očekivati plamen i razni produkti nastali prilikom eksplozije, koji bi trebalo da budu usmereni na bezbednu lokaciju kako bi se izbegle povrede kod osoblja i da se minimizira šteta na imovini. Ovo se postiže korišćenjem odgovarajućih kanala (odvodnih cevovoda), koji značajno povećavaju maksimalni pritisak eksplozije P max koji se razvija u štićenom prostoru. Površina otvora odvodnih cevovoda ne sme biti manja ili mnogo veći od površine eksplozivnog oduška, a njihova izdržljivost na pritisak mora da ima minimalnu otpornost na pritisak kao i sam štićeni prostor. Prilikom postavljanja odvodnih cevovoda, ako se ne mogu izbeći krivine preporučuje se umesto oštrih krivina postepeno savijanje odvodnog cevovoda. Višestruko savijanje odvodnog cevovoda poželjno je izbegavati, jer njihov uticaj dovodi do porasta pritiska eksplozije mnogo više nego samo sa jednom krivinom. Nijedna krivina ne bi trebalo da se nalazi bliže od 2 m od otvora oduška [5] Pozicioniranje eksplozionog oduška Pozicioniranje eksplozivnog oduška zavisi od mnogih činilaca, kao što su geometrija štićenog prostora, unutrašnje i/ili spoljašnje prepreke, snaga eksplozije i td. Neophodno je pozicionirati eksplozivni odušak tako da se svi ovi činioci uzmu u obzir, kao i da osoblje i obližnji pogoni nisu ugroženi od eksplozije. Ukoliko je štićeni prostor relativno mali i simetričan dovoljan je jedan veliki eksplozivni odušak koji je svakako delotvoran kao i više manjih eksplozivnih odušaka koji su iste površine kao veliki eksplozivni odušak. Za velike štićene prostore preporučnjivo je više eksplozivnih odušaka koji su ravnomerno raspoređeni po površini štićenog prostora. Što se tiče geometrije eksplozivnih odušaka njihova efikasnost je identična ako zadovoljavaju zahteve potrebne površine eksplozionog odušivanja [11]. 2.5 Teorija proračuna SRPS EN 1449:2011 Kada posedujemo sve potrebne podatke o prašini i štićenom prostoru, tek tada se može pristupiti dimenzionisanju eksplozivnog oduška. U standardu SRPS EN 14491:2011 date su formule vezane za različite oblike štićenog prostora: A = B (1 + C x log10(l/de)) [m 2 ] gde je: B = (3.264 x 10-5 x Pmax x Kst x Pred x (Pstat 0.1) x Pred 0.5 ) x V i C = ( x log10pred ) gde su: A = Potrebna površina eksplozivnog oduška [m 2 ] V = Zapremina štićenog prostora (objekta) [m 3 ] 102

11 K st = Parametar koji karakteriše klasu eksplozivnosti prašine [bar m/s] P max = Maksimalni pritisak eksplozije [bar] P red = Redukovani pritisak eksplozije [bar] P stat = Pritisak statičkog aktiviranja eksplozivnog oduška [bar] L/D E = Odnos dužine i obima štićenog prostora [-] Međutim, formule su pouzdane samo ukoliko su u njima korišteni pouzdani podaci. Preporučuje se da tabelarne podatke o eksploziji mnogih tipičnih materijala u stanju prašine (kao što su brzina porast pritiska i maksimalni pritisak razvijen u neventiliranom štićenom prostoru), ne koriste zato što su suviše opšte prirode. Korisnik se podstiče na vlastita testiranja uzoraka prašine i na njihove eksplozivne karakteristika Korišćenje kompjuterskog programa i primer proračuna Razvojem informacione tehnologije, razvili su se i prateći softwari za potrebe korisnika koji olakšavaju proračun kao i izbor eksplozivnog odušaka prema SRPS EN 14491:2011. Prateći ovaj trend razvoja Institut za preventivu se opredelio za korišćenje jednog takvog programa u svom radu. Program je podeljen na tri dela. Prvi deo se odnosi na podatke o štićenom prostoru, drugi deo se odnosi na podatke o eksplzivnoj prašini koja se koristi u procesu ili se generiše prilikom rada štićenog prostora, dok treći deo predstavlja podatke o samoj eksploziji koja je zavisna od eksplozivne prašine i oblika štićenog prostora. Generisani oblici štićenog prostora sa položajem eksplozivnog oduška u datom softwaru su predstavljeni kao: cilindrični oblik štićenog prostora gde je eksplozivni odušak na krovu, cilindrični oblik štićenog prostora gde je eksplozivni odušak sa strane, kvadradni oblik štićenog prostora gde je eksplozivni odušak na krovu, kvadradni oblik štićenog prostora gde je eksplozivni odušak sa strane, filter za prašinu cilindričnog oblika, filter za prašinu kvadratnog oblika, ciklon, zgrada kao štićeni prostor, glava elevatora gde je eksplozivni odušak na krovu, glava elevatora gde je eksplozivni odušak sa strane. Za svaki generisani oblik koji se dimenzioniše potrebno je izračunat odnos dužine i obima štićenog prostora L/D. Uz ovaj odnos kao i izborom vrste prašine, snabdevanja prašine štićenog prostora (po potrebi), izborom redukovanog pristiska, izborom statičkog pritisaka aktiviranja eksplozivnog oduška, određivanjem odvodnog cevovoda (po potrebi), izračunava se potrebna površina eksplozivnog oduška i faktora eksplozije. 2.4 Primer iz prakse Za Investitora "BANINI" AD iz Kikinde bilo je potrebno izraditi glavni mašinskotehnološki projekat siloskog postrojenja za skladištenje i manipulaciju brašna i šećera u novoj Fabrici "BANINI 2". Silosko postrojenje se satoji od baterija sa osam ćelija za brašno kapaciteta 400 t i jedne ćelije za šećer kapaciteta 5 t. Jedan od zahteva projekta bio je da se obezbede mere tercijalne zaštite prema direktivi 1999/92/EC (ATEX 118a ili ATEX 137), radi zaštite ljudi koji rade u silosu kao i da se spreče materijalne štete koje bi nastale eksplozijom unutar ćelija. Za ovaj deo zadatka projektanti "MLINPEK 103

12 ZAVODA" DOO su angažovali našu kuću kao bi se našlo što efikasnije rešenje primenom tercijalne zaštite. Kako je unutar siloske ćelije zona konstantne opasnosti od eksplozije (zona 20) predviđeni su eksplozivni odušci sa izlaznom ekspanzionom cevi (deflektorom) koji će u slučaju pojave eksplozije unutar ćelije silosa i stvaranja nadpritiska izbaciti poklopac iz svog ležišta i ekspanzionom cevi odvesti nadpritisak van silosa. Poklopac mora biti vezan za silosku ćeliju lancem kako ne bi prouzrokovao oštećenja na okolnim objektima pri izletanju iz svog ležišta i što je najbitnije da ne bi došlo do povreda lica koja su zaposlena u silosu. U nastavku je dat jedan primer odušivanja silosa za šećer korišćenjem programa za proračun. Primer: Polazni podaci za ovaj proračun su dimenzije i karakteristike silosa koje koristimo iz građevinskog projekta, gde je prikazan pritisak koji može da izdrži omotač štićenog prostora i iznosi 0.5 bara. Silos za šećer, cilindričnog oblika štićenog prostora gde je eksplozivni odušak na krovu, dimenzije silosa su date u milimetrima. Karakteristike prašine su K st = 138 bar m/s i P max = 8.5 bar. Redukovani pritisak je određen prema NFPA 68 [8] i on iznosi P red = 0.35 bar. Pritisak statičkog aktiviranja eksplozivnog oduška P stat = 0.1 bar to je izbor projektanta na osnovu podataka proizvođača ili njegovih zahteva predstavljenih proizvođaču. Punjenje silosa je omogućeno preko otvora na krovu silosa. Proračunom se dobio rezultat potrebne površine od 0.98 m 2 što odgovara odušku prečnika 800 mm, za efikasnost eksplozivnog oduška od 100%. Eksplozioni odušci moraju biti izrađeni u skladu sa direktivom 94/9/EC ( ATEX 95 ili ATEX 100a). 104

13 Kratkim uvidom u mogućnosti ovog softwar-a jasna je njegova prednost, tačnije i brže izračunavanje površine eksplozivnog oduška i parametara eksplozije. Osim brojčanih rezultata postoji i mogućnost grafičkog prikaza dobijenih rezultata prikazanih na slici 5. Slika 5. Odnos površine eksplozivnog oduška i redukovanog pritiska. 3. Zaključak Da bi se ostvarila efikasna protiveksplozivna zaštita potrebno je pravilno implementirati zaštitne mere u svim fazama izgradnje i eksploatacije objekta. Kako proces izgradnje objekta otpočinje izradom ne samo ekonomske dokumentacije nego i tehničke dokumentacije neophodno je još u ranoj fazi projektovanja predvideti sve moguće opasnosti od eksplozije i izraditi strategiju primene svih zaštitnih mera. Naša dosadašnja praksa pokazuje da ova faza predstavlja i najveći problem u primeni mera protiveksplozivne zaštite. U ovom procesu bi trebalo da učestvuju sve tehničke struke koje učestvuju u projektovanju objekta i njegovoj kasnijoj eksploataciji. U dosadašnjoj domaćoj tehničkoj regulativi mere protiveksplozivne zaštite se obavezuju uglavom za elektrotehničke uređaje i postrojenja, pa je uglavnom za primenu ovih mera zadužen projektant elektro struke. Ostale struke koje učestvuju u investicionoj izgradnji objekata (projektanti građevinskog dela objekta i mašinskotehnološke opreme) nemaju propisanu obavezu u domaćim propisima. Učešće u projektovanju stručnjaka iz drugih oblasti se praktično svodi samo na dobrovoljnost, a iskustva iz sveta ukazuju na neophodnu multidisciplinarnost ove problematike. Kao rezultat nedovoljnog učešća svih tehničkih struka u projektovanju ostaje trajna greška koja će potom pratiti celu izgradnju objekta, pa i eksploataciju. Često, nedostaci u fazi projektovanja povlače za sobom samo iznuđena rešenja zatečenim stanjem na objektu. Sve ovo na kraju dovodi do povećanih materijalnih izdataka prilikom sprovođenja mera protiveksplozivne zaštite, što otežava njihovu primenu u praksi zbog poznatih stavova pojedinih investitora prema dodatnim materijalnim izdacima, koji na prvi pogled 105

14 deluju kao nepotrebni. U novije vreme u tehničkoj regulativi Evropske unije čine se značajni pomaci na tom polju. Za očekivati je da se takve tendencije prenesu i kod nas. Eksplozije su česti uzročnici požara, havarija u tehnološkom procesu i velikih materijalnih šteta, kao i gubitka ljudskih života. Na osnovu zahteva i uslova propisanih ATEX direktivom EU, a u skladu sa odgovarajućim harmonizovanim standardima proizašao je i ovaj rad, koji ima za cilj kratak uvid uticaja na izbor sistema eksplozivne zaštite u kojima je prisustvo zapaljivih prašina nemoguće izbeći. Tercijalna zaštita je najmanje razvijena, delimično što predstavlja praktično otklanjanje nedovoljne pouzdanosti prve dve zaštite (primarne i sekundarne), ili njihovu dopunu, a delimično i zbog toga što je i najkasnije počela da se razvija. Realizacijom navedenih proračuna kada je u pitanju konačni izbor odgovarajućeg eksplozivnog oduška, savremenim pogledima na razvoj tehnologije dolazi se do zaključka da mnogi kompjuterski programi olakšavaju izbor i proračun eksplozivnih odušaka. Ovakvim metodama i pristupu problema je svakako olakšan rad inžinjera u širokom spektru njegovog delovanja. Kao napomena ovoga rada proizilazi da eksplozivni odušci ne sprečavaju niti gase eksploziju, samo ograničavaju nadpritisak eksplozije, a time su efekti eventualne eksplozije svedene na najmanju moguću štetnu meru. Cilj uvođenja obimnije tehničke regulative je svakako smanjenje ili eliminisanje opasnosti od nastanka štetnih posledica po ljudstvo i materijalna dobra izazavana eksplozijom ili požarom. Intenzivnim istraživanjima u ovoj oblasti, razvojem tehnike i tehnologije i potrebnim materijalnim ulaganjima u protiveksplozijsku zaštitu ostvaruju se značajni uspesi na tom polju. Realno je očekivati da će se zahvaljujući povećanju ljudske svesti o neophodnosti zaštite u ovoj problematici u budućnosti pridavati sve veći značaj. 4. Literatura [1] C.W. Kauffman, Agricultural dust explosions in grain handling facilities, in: J.H.S. Lee, C.M. Guirao (Eds.), Fuel-air Explosions, University of Waterloo Press, Waterloo, Ontario, Canada, [2] CSB. (2005). CTA. Investigation Report, Combustuble Dust Fire and Explosion. CTA Acoustics, Inc./ [3] Directive 94/9/EC of the European Parliament and the Council of 23 March 1994 on the approximation of the laws of the Member States concerning equipment and protective systems intended for use in potentially explosive atmospheres, Official Journal of the European Communities No. L100/1, 19 April 1994 [4] Directive 1999/92/EC of the European Parliament and the Council, on minimum requirements for improving the safety and health protection of workers potentially at risk from explosive atmospheres. [5] J. Barton (Ed.), Dust Explosion Prevention and Protection: A Practical Guide, Institution of Chemical Engineers (IChemE), Warwickshire, [6] J. Gummer, G.A. Lunn, Ignitions of explosive dust clouds by smouldering and flaming agglomerates, J. Loss Prevent. Process Ind. 16 (2003) 106

15 [7] K.L. Cashdollar, Overview of dust explosibility characteristics, J. Loss Prevent. Process Ind. 13 (2000) [8] NFPA 68, Standard on explosion protection by deflagration venting, National Fire Protection Association, Quincy, MA, USA, [9] P.R. Amyotte, Solid inertants and their use in dust explosion prevention and mitigation, J. Loss Prevent. Process Ind. 19 (2005) [10] S. Zhong, X. Deng, Modelling of maize starch explosions in a 12 m 3 silo, J. Loss Prevent. Process Ind. 13 (2000) [11] SRPS EN 14491: Zaštitni sistemi za rasterećenje pritiska pri eksploziji prašine. [12] SRPS EN 14797: Uređaji za rasterećenje pritiska eksplozije. [13] SRPS EN 14994: Zaštitni sistemi za rasterećenje pritiska prilikom eksplozije gasa. [14] SRPS EN 15089: Sistemi za izolaciju eksplozije. [15] St. Schumann, I.Wirkner-Bott, Dust explosion venting: secondary explosion for vessel volumes up to 250m3, EuropEx Newslett. 22 (September 1993). [16] Tasneem Abbasi, Dust explosions Cases, causes, consequences, and control, Journal of Hazardous Materials 140 (2007) [17] Vesti, Blic, informacije. Dostupno na: /Sedam-radnika-u-plamenu-silosa [18] W. Bartknecht, Brenngas-und Staubexplosionen, Forschungsbericht F45. Koblenz Bundesinstitut fur Arbeitsschutz, Federal Republic of Germany, [19] W. Wiemann, Influence of temperature and pressure on the explosion characteristics of dust/air and dust/air/inert gas mixtures, in: Proceedings of the Industrial Dust Explosions, STP 958, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA,

16 108