Джерела запалювання вибухонебезпечних сумішей та рудникового газу

Стратегічним напрямом запобігання або ж зменшення ризику виникнення пожежі чи вибуху є попередження виникнення в горючому середовищі або внесення в нього джерела запалювання. Джерелом запалювання може бути нагріте тіло чи екзотермічний процес, який здатний нагріти відповідний об’єм горючої суміші до температури, коли швидкість тепловиділення процесу окиснення, зумовленого нагріванням, перевищує швидкість тепловідведення із зони реакції.

Взагалі джерелами запалення можуть бути: відкритий вогонь, розжарені продукти горіння та нагріті ним поверхні, теплові прояви механічної, сонячної, ядерної, електричної енергій, хімічних реакцій тощо.

Розрізняють два способи займання вибухонебезпечних сумішей: самозаймання та вимушене займання.

Самозаймання – це одночасне або майже одночасне виникнення реакції горіння в усій суміші, що нагрівається в замкненому просторі до відповідної температури – температури самозаймання.

За наявності якого-небудь джерела достатньої потужності виникає

локальне підігрівання суміші до температури, за якої вона займається.

Подальшого впливу джерела може не бути; горіння поширюється з відповідною швидкістю без зовнішнього втручання. Вимушене займання є характерним процесом, який потрібно враховувати, розробляючи та використовуючи вибухобезпечне електрообладнання. Значна частина джерел запалювання вибухонебезпечних сумішей – не електричного походження. Так, найнебезпечніше джерело запалювання пилоподібних сумішей в шахтах – це вибухові роботи, на частку яких припадає понад 46 % усіх спалахів (вибухів) у виробках вугільних шахт.

Пожежовибухонебезпека відкритого полум’я. Вона зумовлюється інтенсивністю теплового впливу, площею впливу, періодичністю і часом впливу на горючі речовини. Можливі два основні випадки підпалення суміші відкритим полум’ям: 1. Полум’я вводиться в суміш (ламінарний потік) – займання чи не

займання суміші залежить від складу суміші, тривалості стикання полум’я та холодної суміші, тиску, наявності інертного розріджувача і т. ін.

Головними чинниками є температура на фронті полум’я та час контакту його з холодною сумішшю; полум’я може спричинити горіння як за безпосереднього контакту, так і в результаті опромінення горючих речовин. До джерел відкритого вогню належить і полум’я сірників, куріння.

Полум’я поширюється через вузький отвір з однієї місткості в іншу (турбулентний потік), тоді займання залежить від ступеня гасіння полум’я вузькими щілинами. Гасіння полум’я – відведення тепла в стінки каналу. Цей принцип покладено в основу створення вибухобезпечного електрообладнання, поміщеного у вибухонепроникні оболонки.

Суттєву небезпеку становить також самозапалення вугілля в ціликах (ендогенні пожежі) вугільних шахт.

Запалення за допомогою нагрітої поверхні електрообладнання, ниток розжарення та інших джерел. Установлено, що запалення нагрітою поверхнею відбувається за тими ж законами, що й самозаймання, за винятком того, що суміш підпалюється локально, а не в усьому об’ємі.

Температура запалення нагрітою поверхнею перевищує температуру самозаймання. Чим менша площа, тим вища температура. Температура займання підвищується з переміщенням суміші відносно нагрітої поверхні. На температуру займання впливає матеріал поверхні та її площа.

Робоча температура ниток розжарення ламп близько 2000 С, за якої вольфрам інтенсивно окиснюється в повітрі, утворюючи полум’я. Якщо руйнується колба, метан від ниток розжарювання займається миттєво. Для запобігання займанню час охолодження ниток до безпечної температури не повинен перебільшувати період запалення метану з оптимальною концентрацією. Досягається це за рахунок одночасного із руйнуванням колби відключення лампи від мережі, а також використанням засобів затримання моменту контакту метану з нитками розжарювання, поки їх температура не зменшиться до безпечної.

Потрібний час для затримання становить 30–160 мс залежно від типу ламп, а безпечною є температура 1290–1980 С. Для ниток малопотужних ламп розжарювання та електронних ламп час охолодження менший за час запалювання метану.

Запалювання іскрами тертя і співударяння. Виникають від механічної взаємодії поверхонь, що труться одна об одну (в разі ударяння твердих тіл, стиснення газів та пересування пластмас, механічної обробки твердих матеріалів). Виникнення іскор спричиняє теплота тертя, а також екзотермічні реакції окиснення металевих частинок. Під час тертя металевих частин з’являються локальні зони нагрівання внаслідок шорсткості поверхонь. Додаткове тепло виділяється в результаті відриву та окиснення частинок металу. Чим вища початкова температура частинок, тим більша швидкість окиснення і тим більше виділяється додаткового тепла. За оптимального співвідношення цих параметрів вибухонебезпечне середовище запалюється.

Характерне підпалення спостерігається у разі співударяння алюмінієвих сплавів із кородованою сталевою поверхнею та співударяння алюмінієвих деталей, на поверхнях яких є плівки оксиду товщиною 2–5 мкм. У режимі тертя із поверхні зриваються частинки заліза та алюмінію. Оксиди заліза сприяють розігріванню алюмінієвих частинок унаслідок термітної реакції, що є джерелом додаткової температури.

Оскільки алюмінієві сплави іскронебезпечні, їх використання в конструкціях рудникового електрообладнання допускається лише для виготовлення оболонок електричного інструменту та переносних приладів (ручних електросвердел, світильників, апаратури зв’язку та сигналізації). При цьому оболонки та виступні частини такого обладнання повинні мати захисне покриття із матеріалів, безпечних щодо іскор тертя (цинкове покриття товщиною 0,15–0,2 мм, фарби на основі епоксидних смол).

Від іскор, спричинених ударами у виробничих умовах, можуть займатися ацетилен, етилен, водень, метаноповітряні суміші, волокнисті матеріали та ін. Пожежонебезпеку внаслідок тертя створюють підшипники ковзання, приводні паси механізмів, конвеєрні стрічки. Слід відзначити запалення пилоподібних сумішей конвеєрами вугільних шахт (загоряння приводів, турбомуфт, стрічок).

Небезпечним джерелом виникнення вибухів на вугільних шахтах є також фрикційні іскріння під час роботи добувних, прохідницьких та бурильних машин, що виникають в результаті ударів, тертя зубців різальних органів об тверді породи (вкраплення перитів, піщанику, кварцитів і ін.). Запалювання розжареними металевими частинками. Виникають у результаті потужних коротких замикань в оболонках обладнання і вилітають крізь їх щілини, або в кабелях. Процеси, які відубуваються при цьому, аналогічні підпаленню суміші розігрітими внаслідок тертя частинками металу, як у попередньому випадку. Найбільшу небезпеку становлять частинки алюмінію. Тому в шахтах, небезпечних через наявність газу та вугільного пилу, заборонено використовувати кабелі з алюмінієвими жилами та алюмінієві проводи в електрообладнанні. Комплектуючі вироби з корпусами чи іншими деталями з алюмінію або його сплавів потрібно розташовувати у відповідних місцях всередині корпусу до вибухозахисних щілин згідно з вимогами нормативних документів та стандартів, коли утруднюється прямий виліт розплавлених частинок через вибухозахисні щілини.

Джерелом запалювання можуть бути також іскри, які виникають під час роботи двигунів внутрішнього згорання, що являють собою розжарені частинки палива або окалини у газовому потоці. Температура таких частинок досить висока, але запас теплової енергії невеликий через їх малу масу. Іскри здатні запалювати газо- та пароповітряні суміші, пил, волокнисті матеріали.

Запалювання джерелами лазерного випромінювання. В гірничій справі лазери використовують головним чином для маркшейдерських робіт. Лазерне випромінювання, маючи дуже вузький пучок, характеризується високою концентрацією енергії. Лазерне випромінювання буває імпульсним, безперервним та періодичним.

Порівняно з іскрами електричного та механічного походження лазерне випромінювання є новим (фототермічним) джерелом запалювання.

Імпульсне лазерне випромінювання являє собою концентрований пучок світла, здатний викликати оптичний пробій газового середовища та запалити вибухонебезпечну суміш. Рудникова атмосфера спалахує від імпульсу лазерного випромінювання за менших витрат енергії, якщо в атмосфері є завислий вугільний пил або на шляху лазерного променя трапляється перепона у вигляді вугільної мішені.

Запалювальною інтенсивністю лазерного імпульсу вважають таку, що запалює вибухонебезпечну суміш з імовірністю 0,5. Фотобезпечна інтенсивність імпульсу в 5 разів менша за значення запалювальної інтенсивності; її визначають контрольними дослідженнями.

Безперервне лазерне випромінювання небезпечне, оскільки матеріал у місці падіння променя нагрівається до високої температури. Критерієм фотобезпеки безперервного випромінювання служить відповідна критична температура, безпечна для шахтної атмосфери. Імпульсне періодичне лазерне випромінювання може бути небезпечним щодо запалювання оптичним пробоєм та нагріванням до високих температур вугільного пилу, що осів на нагріту металеву поверхню оболо-

нки електрообладнання.

Запалювання пожежовибухонебезпечних середовищ електричним струмом. Серед теплових проявів електричної енергії найбільш поширені та небезпечні короткі замикання в електричних мережах та установках, струмові перевантаження електричних машин, апаратів, проводів та кабелів, значний перехідний опір в контактах, розряди статичної електрики та ін. Струм короткого замикання в струмопровідних частинах електромашин, апаратів та електромереж досягає великих значень, що може призвести до перегрівання, займання ізоляції, розплавлення струмоведучих частин, жил кабелів та проводів. Технологічні та технічні перевантаження мереж і електроустановок, увімкнення споживачів підвищеної потужності, невідповідність вибраного перерізу провідників робочим струмам часто стають причинами перегрівання струмоведучих елементів і відповідно їх ізоляції. Порушення технічних правил монтажу, значний перехідний опір у місцях з’єднання провідників і контактів електрообладнання, в яких виділяється значна кількість теплоти, призводить до загоряння ізоляції та розміщених поруч горючих речовин.

Під час деформації, подрібнення речовин, відносного переміщування двох контактуючих тіл, а також рідких та сипучих матеріалів виникає статична електрика, розряд якої здатний запалити паро-, газо- та пилоповітряні суміші. Накопиченню і формуванню статичної електрики сприяє відсутність чи неефективність спеціальних заходів захисту.

Пожежі, вибухи, механічні руйнування, перенапруги в електроустановках можуть бути наслідком ураження будівель і устаткування блискавкою, що є електричним розрядом в атмосфері, які мають високу температуру, можуть проплавляти металеві поверхні, перегрівати та руйнувати будівлі та устаткування, безпосередньо запалювати горюче середовище. Небезпечними є іскрові розряди, спричинені індукційною та електромагнітною діями атмосферної електрики на обладнання, будівельні конструкції, трубопроводи. Небезпечні також електричні дуги та іскри у вигляді крапель металу, утворених у разі короткого замикання чи електрозварювання.

Аварійні ситуації, пов’язані з експлуатацією електричних мереж та електроустановок у виробках шахт, найчастіше виникають у місцях роботи машин і механізмів, на розподільних пунктах прохідницьких вибоїв, у лавах добувних дільниць, на приводах конвеєрних ліній. При цьому можливі такі джерела запалювання вибухонебезпечного середовища, як загоряння електродвигунів, кабелів, кабельних вводів, приводів і турбомуфт конвеєрів, електроосвітлювальної арматури, електрична іскра (дуга) у разі відкривання обладнання під напругою та ін. Найнебезпечніші місця – це прохідницькі вибої з комбайном та розподільним пунктом (імовірності аварійної ситуації (240–265)10–4), розподільні пункти, електропоїзди лав (25010–4), розподільні пункти конвеєрів (10010–4). Електричні іскри, дуги, розряди виникають у разі обриву або замикання електричних кіл, а також розряду електростатичної електрики. Особливістю запалювання горючого середовище ними є те, що у розрядному проміжку невеликого об’єму сконцентрована велика енергія. У зоні розряду відбувається передача енергії молекулам газу, приведення їх в стан інтенсивного збудження та іонізації.

Починається процес горіння – екзотермічна реакція окиснення, що супроводжується сильним підвищенням температури газу в іскровому проміжку. Хоч кожний електричний розряд викликає спалах суміші навколо іскри, ядро полум’я, що виникає після іскрового розряду, розвивається не завжди. Лише з досягненням ним критичного об’єму, за якого компенсуються втрати тепла і підтримується необхідна висока температура горіння, воно може виявитись спроможним до самопоширення.

Здатність електричного розряду запалювати суміш характеризується мінімальною енергією підпалювання, яка залежить від фізико-хімічних властивостей суміші: початкового тиску, температури, складу суміші, довжини іскрового проміжку, тривалості розряду, форми електродів, їх матеріалів та ін. Виниклий під час комутацій електричний розряд не повністю витрачається на нагрівання суміші, значна його частина нагріває контакти, випромінюється та ін. Для метаноповітряної суміші оптимальної концентрації встановлено мінімальну енергію підпалювання 0,28 мДж, для воднево-повітряної – 0,019 мДж. Однак без достатнього обґрунтування ці значення не можна вважати межею підпалювання сумішей та використовувати їх як фізичну константу. Результати дослідження мінімальної енергії підпалювання метаноповітряної суміші від часу дії електричного розряду дають підставу припускати, що вона значно менша ( 0,15–0,2 мДж).

Зв’язок між запалювальними можливостями електричних розрядів та параметрами електричного кола визначається перехідними процесами в електричному колі, самим розрядом, процесом нагрівання суміші до необхідної температури, поширенням полум’я в навколишній суміші. Усі ці явища пов’язані настільки складною залежністю, що одержати аналітичну залежність навіть для найпростіших кіл майже не можливо. Запалювальні здатності електричних розрядів в електричних колах оцінюють за характеристиками іскробезпеки, одержаними експериментально. Типове електричне коло має джерело напруги U, опір R, індуктивність L, ємність C та перемикач S (рис 3.1).

Рис. 3.1. Електрична схема типового іскробезпечного кола

Якщо коло замкнуто вимикачем, індуктивність нагромаджує енергію, яка виділяється у вигляді дуги під час його розмикання. Коли вимикач розімкнений, конденсатор нагромаджує енергію, що виділяється у разі його замикання, створюючи іскріння. Значення енергії, що виділяється електричним колом, має бути нижчим від мінімальної енергії запалювання вибухонебезпечної суміші в небезпечній зоні (у місці розташування вимикача S). Теоретичне визначення значення енергії, нагромадженої в електричному колі не завжди можливе. Електричне коло будь-якої складності можна послідовно розглядати як омічне, індуктивне і ємнісне. Якщо критерії безпеки відповідають різним типам кіл, то вихідне коло може вважатись іскробезпечним. Для зручності одержання цих характеристик всі електричні кола умовно поділяють на три види:

1) омічні (що не мають зосередженої ємності; індуктивність не перевищує 0,001 Гн, запалювальна здатність залежить від струму короткого замикання в колі та напруги холостого ходу джерела);

2) індуктивні (запалювальну здатність визначають за значенням струму, ЕРС джерела та індуктивністю);

3) ємнісні (запалювальну здатність визначають напругою на ємності, значенням ємності та опором розрядного контуру).

Лекція № 15

Тема 16. Електрообладнання в рудниковому нормальному виконанні. (3 години)