MUNKABIZTONSÁG 2.5
Robbanásbiztos berendezések méretezése és értékelése Tárgyszavak: munkabiztonság; robbanásvédelem; tűzbiztonság; veszélyelemzés; kockázatkezelés; műszaki tervezés; berendezések.
A robbanási túlnyomás hőmérsékletfüggése A robbanásvédelem biztonságtechnikájában a robbanási nyomás elvezetése bevált védekezési módszer. A méretezéshez és a végrehajtáshoz több empirikus szabálygyűjtemény áll rendelkezésre, amelyeket folyamatosan kiegészítenek a legújabb ismeretek és tapasztalatok alapján. Ilyen szabálygyűjtemény rendelkezésre áll mind gáz-, mind szilárd anyag robbanások esetében, és ezeket a különféle nemzeti (német, angol, amerikai) és nemzetközi (előkészületben levő európai) szabványok is tartalmazzák, valamint beépítették őket sok, kereskedelemben elérhető szoftverbe is. Ezekkel a szabályokkal a legtöbb probléma jól kezelhető, de eddig a hőmérsékletfüggés kérdését eléggé elhanyagolták. Egyes esetekben utalnak arra, hogy a robbanás kiindulási hőmérsékletével nő a nyomásemelkedés maximális sebessége, csökken viszont a nyomáselvezetést nem tartalmazó edényben kialakuló, égés által okozott túlnyomás. A hőmérsékletfüggésre vonatkozó kísérleti adatok Ha megnézzük a lassabban reagáló metánra és a gyorsabban reagáló propánra vonatkozó robbanási paramétereket a hőmérséklet függvényében (1. ábra), azt látjuk, hogy a zárt edényben kialakuló maximális nyomás a növekvő hőmérséklettel csökken. Érdekes módon a lassabban reagáló metán esetében ez a nyomáscsökkenés kifejezettebb, mint a gyorsan reagáló propán esetében. Ha a még reaktívabb hidrogén is szerepelne az ábrán, még laposabb lenne a hőmérsékletfüggés görbéje. A maximális nyomásnövekedési sebesség (KG) értéke esetében a metánnál gyakorlatilag állandó értéket, a propán esetében a hőmérsék-
lettel emelkedő lassú növekedést tapasztalunk. A maximális nyomás 50 és 200 °C között metán esetében 35%-kal, propán esetében 29%-kal csökken, míg a KG érték metán esetében kevesebb, mint 0,1%-kal változik, propán esetében pedig kb. 7%-kal nő. metán
propán
8 7
Pred (bar)
6 5 4 3 2 1 0 0,0021
0,0024
0,0027
0,0031
-1
1/T (K )
metán
propán
120
KG (bar/s)
100 80 60 40 20 0 50
100
150
200
T (°C)
1. ábra A robbanás során kialakuló túlnyomás (Pred) és a nyomásnövekedés maximális sebességének (KG) hőmérsékletfüggésére vonatkozó kísérleti adatok metán- és propángáz esetében
A hőmérsékletfüggés figyelembevétele a méretezésnél A nyomás elvezetéséhez szükséges felület nagyságát készülékfüggő paraméterek mellett (a védett térfogat nagysága, a tartály szilárdsági jellemzői, a nyomáselvezető berendezés „bekapcsolási” nyomása) befolyásolják az olyan robbanástechnikai paraméterek, mint a maximális robbanási nyomás és a nyomásemelkedés maximális sebessége. Ezért a robbanástechnikai paraméterek hőmérsékletfüggését a méretezésnél egyértelműen figyelembe kell venni. Tekintetbe véve azonban, hogy a kritikus keresztmetszet nagysága nem függ a maximális nyomástól és a KG-érték is csak egy logaritmikus kifejezésben szerepel, az 50 és 200 °C között megfigyelt 7%-os változás pl. a propán esetében mindössze 1,5%-os változást okoz. Ennek ismeretében a szükséges nyomáselvezető felületet (pontosabban az adott felület ismeretében a redukált robbanási túlnyomás értékét) ki lehet számítani. A számítást konkrét elrendezésre elvégezve látni lehet, hogy a túlnyomás hőmérsékletfüggése valóban jelentéktelen. A számítások kísérleti megerősítése A gyakorlatban minden egyes alkalmazásnál a várható működési hőmérsékletre számítják ki a robbanási paramétereket, és abból kalkulálják a szükséges keresztmetszeteket – függetlenül attól, hogy a szabálygyűjtemények nem említik e mennyiségek hőmérsékletfüggését. Ezek után célszerűnek látszik kísérletileg is tanulmányozni a jelenséget és megmérni, hogy érzékelhető mértékben változnak-e a robbanási paraméterek a túlnyomás elvezetése során. A vizsgálatokhoz egy lényegében gömb alakú tartályt használtak, amely az izotrop hullámterjedés miatt különösen alkalmas a hőmérsékletfüggés vizsgálatára. A kettős falú tartály hőmérsékletét olajfűtéssel 250 °C-ig be lehet állítani. A tartály egyik homlokfelületén 0,126 m2 nagyságú lefúvatófelület van (Al-hasadótárcsa). Ez az elem statikus körülmények között pstat = 0,121 bar-nál lép működésbe. A tartályban központilag begyújtott gázrobbanásokat hoztak létre metán és propán töltés felhasználásával. A tartályt előzőleg olyan összetételű gázeleggyel öblítették át, amely a maximális reakcióképességet biztosítja. A gyújtást csak akkor végezték el, mikor meggyőződtek róla, hogy a gázelegy felvette a kívánt (50 és 250 °C közötti) köpenyhőmérsékletet. A hasadótárcsát tudatosan nem hőszigetelték, mert az befolyásolta volna a hatékony nyomáselvezető felületet. Minden paraméter-beállításnál több párhuzamost mértek, és
különösen alacsony hőmérsékleten, ahol az eredmények nagy szórást mutattak, nem egyszerűen átlagot képeztek, hanem regressziós analízissel egy valószínű görbelefutást állapítottak meg. A számított és a kísérletben mért értékek eltérése Az eredményeket a 2. ábra foglalja össze. A robbanási túlnyomás nyilvánvalóan csökken a hőmérséklettel. Mindkét gázra Pred = a exp(–0,01T) típusú összefüggést lehetett megállapítani regressziós analízis segítségével (a korreláció R2 = 0,96 volt a metán, és 0,98 a propán esetében). A T-értékeket °C-ban számolva, az a paraméter értékére az alábbiak adódnak: • Metán: a = 1,024, • Propán: a = 1,730.
2,5 propán (elméleti)
Pred (bar)
2
propán (mért)
1,5 1
metán (elméleti)
0,5
metán (mért)
0 50
100
150
200
T (°C)
2. ábra A redukált robbanási túlnyomás (Pred) számított és kísérletileg mért értéke a hőmérséklet függvényében A mért tendencia határozott ellentétben áll a szabálygyűjtemények által jósolttal, és a számszerű értékekben is jelentős eltérések vannak. Az eltéréseket nem lehet bagatellizálni, a mért értékek jóval alatta maradnak az elméletileg jósoltnak. 50 °C-on 50–60%-os, 200 °C-on viszont
már 90%-os eltérések adódnak a számított és a mért értékek között. Így a számított nyomások erősen konzervatív becslésnek bizonyulnak. Úgy látszik, hogy a reakciómechanizmus változása a hőmérséklettel mégiscsak hatással van a túlnyomásra is, nemcsak a nyomásnövekedés sebességére. Feltételezhető, hogy az itt bemutatott két gázon túl más éghető anyagok is hasonló jellegzetességet mutatnak, és az is valószínű, hogy a reakcióképesebb anyagok preexponenciális (a) faktora nagyobb értéket vesz fel, ami a KG-érték erősebb hőmérsékletfüggését jelzi. Természetesen ilyen vizsgálatokat célszerű lenne minél több éghető anyagra (többek között oldószergőzökre is) elvégezni, különösen fontos lenne a hidrogénre vonatkozó adatok ismerete. Analógiás következtetéssel hidrogénre az a = 3,446 érték valószínűsíthető. A nyomáslevezetés hőmérsékletfüggésének illesztett alakja Regressziós analízissel (R2 = 1,0) az alábbi összefüggést kapták az a-faktor és a KG-érték között:
a = −2,93 + 1,01ln K G Ennek felhasználásával a redukált robbanási nyomásra a következő képlet adódik:
pred = ( −2,93 + 1,01ln K G ) exp(−0,01T ) Figyelembe véve, hogy a nyomáselvezetés megindulásához mintegy 0,1 bar túlnyomásra van szükség, a nyomás elvezetéséhez szükséges keresztmetszeti felületre a következő képlet adódik:
AT = (0,127 log K G − 0,0567 )[( −2,93 + 1,01ln K G ) exp( −0,01T )] −0,582V 2 / 3 Az eredmények értékelése
A bemutatott eredmények 1 m3-es térfogatra és két gázra vonatkoznak, de feltételezhető, hogy hasonló összefüggések más éghető anyagokra (gázokra és porokra) is érvényesek. Célszerű lenne minél több anyagra hasonló méréseket végezni, hogy általánosan érvényes összefüggéseket állapíthassunk meg, és hogy ezeket be lehessen vezetni a gyakorlatban használt tervezési segédletekbe. Feltételezhető, hogy a
porrobbanások esetében kevésbé jelentős hőmérsékletfüggésre kell számítani.
A robbanásálló berendezések gyúlásveszélyének értékelési módszerei A robbanásbiztos berendezések kiértékelésekor a legfontosabb szempont az adott berendezés alkalmazási területe. Figyelembe kell venni olyan korlátozó tényezőket is, mint a berendezés beépítési módja, robbanásbiztossági besorolása, hőmérsékleti osztálya, alkalmazásának környezeti és üzemi feltételei stb. Természetesen figyelni kell arra is, hogy előrelátható hibás használat esetén is kiküszöböljük a gyulladás veszélyét. A 94/9/EU irányelv szerint minden berendezéshez olyan műszaki dokumentációt kell összeállítani, amely biztonságtechnikai fejezetet tartalmaz a gyújtóforrások kiküszöbölésével kapcsolatban és megköveteli, hogy vizsgálni lehessen a berendezés megfelelését az előírásoknak. Minden ehhez szükséges tervezési, gyártási és működési adatot közölni kell. Az alábbiakban bemutatott séma elősegíti, hogy a konstrukció biztonságtechnikai szempontból jelentős elemeit felismerjük és eldöntsük, hogy mely jellemzőket kell feltüntetni a műszaki dokumentációban, illetve milyen változtatások lehetségesek a robbanásbiztosság csökkenése nélkül. A DIN EN 13463-1 szabvány alkalmazása a gyúlásveszély értékelésénél
A DIN EN 13463-1 szabvány 5.2. pontja előírja, hogy a robbanásbiztos berendezésekkel kapcsolatos gyulladási veszélyforrásokat ki kell értékelni, és táblázatosan össze kell foglalni (1. táblázat). A táblázat három oszlopból áll. Az első oszlopban szerepel a gyújtóforrás kiértékelése, a másodikban a veszély kiküszöbölésére tett intézkedések, a harmadikba pedig a védekezési módot alátámasztó szabvány vagy egyéb információforrás kerül. Maga a szabvány sajnos nem nyújt segítséget a gyújtóforrások kiértékelésének módjára vonatkozóan. A szabványban közölt táblázatból a módszertannal kapcsolatban semmit nem lehet megtudni. Célszerű a fentinél részletesebb adatlapot kitölteni az elkövethető hibák csökkentése érdekében az alábbi szempontok figyelembevételével:
• azokat a potenciális gyújtóforrásokat, amelyeket kiértékelnek, de amelyek nem követelnek külön védekezési rendszabályokat, ugyancsak célszerű bevenni a listába; • az ésszerűen előrelátható hibás használatból eredő gyulladásveszélyt be kell vonni a kiértékelési folyamatba; • a gyújtóforrás azonosításakor meg kell állapítani a veszély fellépésének gyakoriságát is; • a szabványban felsorolt példák a kevésbé tapasztalt gyártókban azt a benyomást kelthetik, hogy ezek az értékelések kritikátlanul átvihetők az egyik hasonló termékről a másikra; • a kiértékelés során hozott döntések indokait fel kell tüntetni, hogy az később is követhető legyen; • kapcsolatnak kell lennie a követendő intézkedések és a műszaki dokumentáció között; • a megállapított berendezéskategóriáknak összhangban kell lennie a megállapított gyulladási veszélyekkel. 1. táblázat DIN EN 13463-1 szabvány 5.2.8. pontja szerinti vizsgálati jelentés a II csoportba tartozó berendezésekhez. Az 1c oszlop csak az 1. kategóriájú berendezésekhez szükséges, az 1b oszlop csak az 1. és 2. kategóriájú berendezésekhez Lehetséges tűzforrások normál előrelátható ritka működés zavar zavar (1a) (1b) (1c)
A potenciális gyújtóforrás ténylegessé válásának megakadályozására tett ellenintézkedés (2)
Alkalmazott gyulladásvédelem (3)
Az értékelés részletesebb módszere
A DIN EN 1050 szabvány ajánl egy módszert a gépekkel kapcsolatos veszélyforrások kiértékelésére, amelyet ezen a területen is alkalmazni lehet. Itt annyival többről van szó, hogy nemcsak a veszélyforrásokat kell azonosítani, hanem dokumentálni kell az azokból levezetett védekezési rendszabályokat is. A 2. táblázat egy kibővített értékelő lap szerkezetét mutatja be. Ez a táblázat támogatja a szisztematikus munkát, és lehetővé teszi a megrendelő igényeinek pontosabb kielégítését.
A kiértékelés négy lépcsőben folyik, amelyek megfelelnek a táblázat négy oszlopának: 1. A gyúlásveszély és okainak analízise; 2. A gyúlásveszély kiértékelése az okok fellépésének gyakorisága szerint; 3. A megfelelő ellenintézkedések meghatározása és dokumentálása; 4. Befejező értékelés a berendezés kategóriájának meghatározásával. A gyulladási veszélyek osztályozásának folyamatát a 3. ábra mutatja. A döntési ciklusokat egy adott berendezéskategóriára addig kell folytatni, amíg minden lehetséges gyulladásveszélyt megfelelő ellenintézkedésekkel a rendkívül valószínűtlen kategóriába nem sikerül sorolni. Egyszerű, áttekinthető berendezések esetében a vázolt eljárás elegendő, bonyolultabb eszközök esetében azonban szükség lehet további módszerek bevezetésére (pl. hiba-gráf analízis, ld. DIN EN 1050). A kiértékelés menete a gyakorlatban
A 2. táblázat 1. oszlopának megfelelően először a gyújtóforrásokat kell azonosítani. Fontos hogy minden elképzelhető forrást figyelembe vegyünk, függetlenül annak valószínűségétől. A szabványokban és kézikönyvekben szereplő listák használatával minden lehetőséget végig kell gondolni: először a szokásos, majd a rendkívüli, de elképzelhető eseteket. A forrásokat ezután egyenként kell kiértékelni a következő szempontok alapján: • szabályszerű működtetés és egyéb elképzelhető használat; • konstrukciós változatok; • működési állapotok és azok változása (indítás, leállítás, terhelés változása stb.); • külső behatások (hőmérséklet, nyomás, fény, nedvesség, energiaellátás stb.); • anyagtulajdonságok, anyagkombinációk és ezek kölcsönhatásai (fém, műanyag, elektrosztatikusan töltődő közegek stb.); • kölcsönhatás más berendezésekkel, alkatrészekkel; • kölcsönhatás emberekkel (beleértve a szabálytalan működtetést is); • hibaállapotok szuperpozíciója, amennyiben ez értelmezhető (az 1. kategóriájú berendezések esetében a várható zavarok közül legalább kettőnek a kombinációját is figyelembe kell venni mint ritka hibaforrást).
A gyújtóforrások keresésekor minden rendelkezésre álló eszközt fel kell használni, beleértve a konzultációt a berendezést szállító cég szakértőivel, más szállítókkal, vizsgáló laboratóriumokkal stb. A gyújtóforrások első kiértékelése
Először azt kell meghatározni, hogy a potenciális tűzveszély milyen gyakorisággal válhat tényleges gyújtóforrássá. Ehhez azt kell megállapítani, hogy az adott tűzveszélyhez rendelhető hibaállapot milyen gyakran következik be. Az adott gyújtóforrást mindig pontosan olyan körülmények és feltételek mellett kell vizsgálni, ahogyan először számba vettük (tehát azonos konstrukciós stb. feltételek mellett). A kiértékelésből egyértelműen következik, hogy a 3. lépésben van-e szükség további intézkedésekre, hogy elérjük a kívánt biztonsági kategóriát. Itt különös jelentősége van a 2d oszlopnak. Ezzel a bejegyzéssel azt jelezzük, hogy tudomásunk van egy veszélyforrásról, de attól, mint kellően valószínűtlentől eltekinthetünk. Ennek indoklását (a követhetőség kedvéért) a 2e oszlopba írjuk. Mivel nincs egyértelmű kvantitatív kritérium annak eldöntésére, hogy egy veszélyforrás a várható, vagy a ritkán előforduló kategóriába esik, az alábbi szempontokat célszerű a kiértékeléskor érvényesíteni: • azokat a tényleges gyújtóforrásokat, amelyek a vizsgált berendezésekben már előfordult hibaállapotokból származnak, szigorúan a várható veszélyforrások közé kell sorolni • azokat a tényleges gyújtóforrásokat, amelyek a vizsgált berendezésben elképzelhetőek, de amelyek nagyszámú alkalmazás során még nem léptek fel, a ritka veszélyforrások közé kell sorolni. (Itt figyelemmel kell lenni arra, hogy a gyártó rendelkezik-e és milyen mértékben rendelkezik visszajelzésekkel az általa gyártott termék felhasználási körülményeiről, hogy ezeket megkapja, feljegyzi és kiértékeli-e. Ha ebben a tekintetben kétségünk van, válasszuk a szigorúbb kategóriát.) • ha egy tényleges gyújtóforrás csak két várható hiba kombinációjaként lép fel, azt a ritka gyújtóforrások közé kell sorolni. Ezért a várható veszélyforrásokat páronként meg kell vizsgálni, hogy felléphetnek-e egyidejűleg, mert akkor esetleg egy új, eddig nem azonosított gyújtóforrást találunk. • a valószínű és nem valószínű veszélyforrás kombinációját vagy három várható veszélyforrás egyidejű előfordulását nem kell figyelembe venni.
A kiértékelést soha nem szabad általánosan érvényesnek vagy véglegesnek tekinteni, annak szigorúan mindig egy adott kiépítettségű berendezésre kell vonatkoznia – mert az értékelés még az azonos felépítésű, de egymástól kis mértékben eltérő variánsokra is különböző lehet. Bizonyos gyújtóforrások a fenti figyelmeztetés ellenére közösen kezelhetők, és ezeket a szabványok is közösen kezelik (pl. elektrosztatikus kisülések). A gyújtóforrások kiküszöbölésére tett intézkedések
Ebben a lépésben olyan intézkedésekre van szükség, amelyek az adott potenciális gyújtóforrás ténylegessé válásának valószínűségét a kívánt szintre csökkentik. (3a és 3b oszlop). Ezek az intézkedések különböző műszaki és szervezési módszerek alkalmazásával megakadályozzák vagy kellően valószínűtlenné teszik a potenciális gyújtóforrás átalakulását valós tűzforrássá. Szélesebb értelemben ide tartozik minden, ezt a célt szolgáló lépés, nemcsak a kimondott védelmi intézkedések. (pl. tervezési, üzembehelyezési, karbantartási, figyelmeztető intézkedések; szerkezetianyagparaméterek; gyártási és minőségbiztosítási előírások). Mivel a nem villamos berendezésekre nincs általánosan érvényes EU szabvány, célszerű az egyéb nemzeti szabványokat, szabályokat stb. figyelembe venni, mert ezek legalábbis jó alapot nyújtanak a robbanásbiztonság műszaki vonatkozásaihoz. A műszaki dokumentáció összeállítása
Ezt követően az intézkedések hatékonyságát igazolni és dokumentálni kell (3c oszlop). A 94/9/EU irányelv szerint minden biztonságtechnikával kapcsolatos részletet be kell írni a műszaki dokumentációba. Az megfelelés az előírásoknak csak akkor ellenőrizhető, ha kellően részletes műszaki leírás áll rendelkezésre. Ennek érdekében a műszaki dokumentációval kapcsolatban a következőkre kell odafigyelni: • a konstrukciós elvek teljes és részletes megadása; • a kísérleti eredmények ellenőrzéséhez szükséges útmutatások megadása; • a berendezés biztonságos működéséhez szükséges működési körülmények pontos megadása (pl. üzembe helyezés, karbantartás);
• a berendezés biztonságos működéséhez szükséges gyártási körülmények pontos megadása. Az 1a és a 3a oszlopokból következik, hogy melyek azok a biztonságtechnikai szempontból releváns részletek és adatok, amelyeket a számlán ill. a műszaki dokumentációban fel kell tüntetni. Ha a kiértékelés helyes volt, az 1b és 3a oszlopokból minden lényeges termékjellemző, alkalmazási körülmény és biztonsági intézkedés kiolvasható. A műszaki dokumentációnak olyan részletesnek kell lennie, hogy egy megfelelő ismeretekkel rendelkező szakember a kiértékelés folyamatát végig tudja követni. Ugyanezen adatokból következik, hogy milyen adatokat (mérési jegyzőkönyveket, jelentéseket, bizonylatokat) kell a műszaki dokumentációba bevenni. A gyújtóforrások záró értékelése
A megállapított biztonsági kategórián túl lehetnek bizonyos korlátozások az adott berendezés használatában, amelyet a készülék ismertetőjében fel kell tüntetni. Az utolsó lépésben (4. oszlop) a biztonsági kategóriát minden egyes gyújtóforráshoz (minden sorban) külön meg kell adni. Erre azért van szükség, hogy egy későbbi átalakítás során látni lehessen, hogy mely kategóriában sikerült a robbanásveszélyt kellően lecsökkenteni, és melyek azok, ahol még további intézkedések szükségesek. A használati korlátozások elsősorban a hőmérsékleti osztályra vagy a felületi hőmérsékletre vonatkoznak, esetleg egyes éghető anyagokra, amelyek jelenlétében a berendezés nem használható. A fenti kiértékelési jegyzőkönyvet célszerű lenne a DIN EN 13463-1 függelékeként használni, de addig is több cég önkéntesen használja, hogy annak gyakorlati kipróbálása során az esetleges hibák, gyengeségek kiderüljenek. Összeállította: Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes Faber, M.: Ist die Explosionsdruckentlastung temperaturabhängig? = Technische Überwachung, 45. k. 3. sz. 2004. p.14–17. Beyer, M.: Systematische Zündgefahrenbewertung an explosionsgeschützten mechanischen Geräten. = Technische Überwachung, 45. k. 3. sz. 2004. p. 27–31. Tam, V. H. Y.; O’Connell, M. stb.: Testing of the Micromist device: an active soft barrier for explosion control. = Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 16. k 1. sz. 2003. p. 81–88.
