автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка методики оценки взрывобезопасности нагретых тел малого размера в бинарных и многокомпонентных взрывоопасных смесях рудничной атмосферы

ВВЕДЕНИЕ.

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ НАГРЕТЫХ ТЕЛ МАЛОГО РАЗМЕРА В БИНАРНЫХ И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЯХ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ.

1.1. Состав атмосферы горнодобывающих предприятий России.

1.2. Классификация взрывоопасных смесей.

1.3. Воспламенение взрывоопасных смесей от нагретых тел.

1.4. Наиболее легко воспламеняемые составы взрывоопасных смесей при их воспламенении от нагретых тел.

1.5. Постановка научно-технической задачи исследований.

П. ИССЛЕДОВАЕИЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ

СМЕСЕЙ НАГРЕТЫМИ ТЕЛАМИ МАЛОГО РАЗМЕРА 2.1.Определение наиболее легко воспламеняемых составов природных взрывоопасных смесей при их воспламенении нагретыми телами малого размера.

2.2. Критерий воспламеняющей способности нагретых тел малого размера

2.3. Влияние химических свойств поверхности нагретых тел на их воспламеняющую способность;.

2.4. Моделирование нагретых тел малого размера.

2.5. Выводы по главе II.

III. КЛАССИФРЖАЦИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ И РАЗРАБОТКА

МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ОЦЕНКИ

ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ НАГРЕТЫХ ТЕЛ МАЛОГО РАЗМЕРА

3.1. Взаимосвязь воспламеняющих параметров взрывоопасных смесей при их классификации по категориям взрывоопасности.

3.2. Классификация взрывоопасных смесей при их воспламенении нагретыми телами малого размера.А.

3.3. Классификация взрывоопасных смесей по категориям взрывоопасности.

3.4. Методические основы испытаний на взрывобезопасность нагретых тел малого размера.

3.5. Выводы по главе III.

IV. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРИРОДНЫХ ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ НАГРЕТЫМИ ТЕЛАМИ МАЛОГО РАЗМЕРА 4.1. Составы многокомпонентных взрывоопасных смесей в рудничной атмосфере.

4.2. Методические основы проведения исследований воспламенения многокомпонентных взрывоопасных смесей нагретыми телами малого размера.

4.3. Определение наиболее легко воспламеняемых концентраций многокомпонентных взрывоопасных смесей.

4.4. Определение удельной воспламеняющей мощности при воспламенении многокомпонентных взрывоопасных смесей нагретыми телами малого размера.

4.5. Выводы по главе IV.

V. КЛАССИФЖАЦИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРИРОДНЫХ

ВЗРЫВООПАСНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ИХ ВОСПЛАМЕНЕНИИ НАГРЕТЫМИ ТЕЛАМИ МАЛОГО РАЗМЕРА.

5.1.Оценка взрывоопасности многокомпонентных природных взрывоопасных смесей.

5.2. Классификация многокомпонентных природных взрывоопасных смесей.

5.3. Выводы по главе V.

Актуальность работы.

На горных предприятиях, а также в ряде производственных помещений предприятий нефтяной, газовой, химической и других отраслей промышленности существует возможность образования взрывоопасных сред в результате смешивания горючих газов, паров жидкостей и пыл ей с воздухом, их воспламенения и взрыва, влекущего за собой тяжелые последствия. Обеспечения безопасности в таких условиях решается в двух направлениях. Первое - контроль состава производственной атмосферы и предотвращение образования взрывоопасной концентрации. Второе - исключение потенциальных источников воспламенения. Все источники воспламенения можно разделить на высокотемпературные (электрический разряд, пламена) и низкотемпературные (нагретые тела, искры трения и соударения). В соответствии с высокотемпературными источниками воспламенения все взрывоопасные смеси разбиты на 4 категории (I, ПА, IIB и ПС). Для каждой категории выбрана своя представительная взрывоопасная смесь. Все взрывоопасные смеси от температуры самовоспламенения (критерий воспламеняющей способности нагретых тел большого размера) разбиты на 6 групп.

Нагретые тела с поверхностью меньше 10 см имеют температуру воспламенения выше, чем температура самовоспламенения. Для нагретых тел размером порядка нескольких мм температура воспламенения может более, чем на порядок превышать температуру самовоспламенения. Температура воспламенения для нагретых тел малого размера зависит от многих факторов и не может служить критериальным параметром. Отсутствие систематических исследований в России и за рубежом в этой области не позволяет создать методику оценки взрывобезопасности нагретых тел малого размера применительно к всем взрывоопасным смесям.

С 2001 года Россия переходит на новую международную классификацию взрывоопасных смесей и области применения взрывозащищенного электрооборудования, что потребует для работы в зоне О, например, приборов газового контроля в особовзрывобезопасном исполнении. Таким образом, с 2001 года возникает острая необходимость в методике оценки нагретых тел малого размера для всех взрывоопасных смесей (всех отраслей промышленности).

Существующая методика классификации взрывоопасных смесей по категориям взрывоопасности у нас и за рубежом основана на экспериментальных данных по бинарным взрывоопасным смесям. В случае многокомпонентной взрывоопасной смеси её классификация по категориям взрывоопасности осуществляется по бинарной взрывоопасной смеси наиболее легко воспламеняемого горючего из данной многокомпонентной взрывоопасной смеси. Такой нерациональный подход к решению вопросов безопасности вызван слабой изученностью многокомпонентных взрывоопасных смесей, невозможностью осуществлять выбор взрывозащищенного электрооборудования по реальной опасности многокомпонентной взрывоопасной смеси. Разработка методики определения категории взрывоопасности многокомпонентной взрывоопасной рудничной атмосферы позволит за счет меньших материальных затрат решать вопросы безопасного применения электрической энергии на предприятиях со взрывоопасной атмосферой.

Целью работы является установление зависимостей и закономерностей процесса воспламенения бинарных и многокомпонентных взрывоопасных смесей рудничной атмосферы нагретыми телами малого размера, служащих для оценки взрывобезопасности нагретых тел малого размера и классификации по категориям взрывоопасности многокомпонентной рудничной взрывоопасной атмосферы, что позволит более рационально решать вопросы безопасного применения электрической энергии во взрывоопасной атмосфере горных предприятий.

Идея работы заключается в использовании критерия воспламеняющей способности нагретых тел малого размера для оценки их взрывобезопасности и классификации по категориям взрывоопасности рудничной многокомпонентной взрывоопасной атмосферы.

Новые научные данные, установленные лично соискателем, и их новизна.

1. Значения наиболее легко воспламеняемых концентраций метановоздушной, пропановоздушной, этиленовоздушной и водородовоздушной смесей при воспламенении их нагретыми телами размером до 1 мм.

2. Критерий воспламеняющей способности нагретых тел малого размера -удельная воспламеняющая мощность. Значения критериального параметра для четырех представительных взрывоопасных смесей.

3. Взаимосвязи между параметрами, определяющими границы безопасности при различных испытаниях взрывозащищенного электрооборудования.

4. Зависимости воспламеняющих параметров нагретых тел малого размера от содержания горючих компонент в метановодородовоздушных, этановодородовоздушных и бутановодородовоздушных смесях.

5. Методика испытаний на взрывобезопасность термохимических датчиков и нагретых тел размером не свыше 1 мм в представительных взрывоопасных смесях и методика классификации по категориям взрывоопасности рудничной атмосферы, содержащей в качестве горючих метан, его гомологи и водород.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверяедается.

- удовлетворительным совпадением экспериментальных и теоретических результатов, полученных в рамках настоящей диссертации и определенных другими авторами;

- соответствием полученных в рамках настоящей диссертации результатов требованиям и справочным материалам ГОСТов и общеевропейских национальных стандартов;

- применением стандартных расчетно-аналитических процедур обработки полученных результатов и сопоставлением их с данными, содержащимися в массиве научно-технической информации по затрагиваемым в диссертации вопросам.

Научное значение работы состоит в установлении критерия воспламеняющей способности нагретых тел малого размера и его значений для четырех представительных взрывоопасных смесей и взаимосвязей между воспламеняющими параметрами различных источников воспламенения, доказательстве того, что нагретые тела малого размера следует рассматривать как высокотемпературный источник воспламенения и поэтому взрывоопасные смеси следует классифицировать не по температурным классам, а по категориям взрывоопасности. Также впервые на основании установленных исходных данных была разработана методика классификации по категориям взрывоопасности рудничной атмосферы, содержащей в качестве горючих метан, его гомологи и водород.

Практическое значение работы состоит в разработке методик оценки взрывобезопасности нагретых тел малого размера и классификации по категориям взрывоопасности многокомпонентной рудничной атмосферы, содержащей в качестве горючих метан, его гомологи и водород, что позволяет более рационально решать вопросы обеспечения безопасности применения электрической энергии во взрывоопасной атмосфере предприятий.

Реализация выводов и рекомендаций.

Методика оценки взрывобезопасности нагретых тел малого размера в представительных взрывоопасных смесях используется в Сертификационном Центре рудничного и взрывозащищенного электрооборудования ИГД им. А. А. Скочинского.

Основные положения оценки взрывобезопасности нагретых тел малого размера включены в ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 1 1 . Искробезопасная электрическая цепь "1 ".

Методика классификации по категориям взрывоопасности рудничной атмосферы передана в Госгортехнадзор РФ для утверждения её в качестве Методических указаний.

Рекомендации по оценке категории взрывоопасности природных газов, выделяющихся в руднике «Интернациональный», использованы при решении вопроса возможности и условий применения в нем серийно выпускаемого рудничного электрооборудования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях «Неделя горняка» (1998, 1999, 2000 и 2001 гг.) в МГГУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 работ и получено одно авторское свидетельство. 7

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложенных на 128 страницах текста, содержит 22 рисунка и 53 таблицы, а также список использованных библиографических источников из 64 наименований.

Основные выводы, научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1 .Экспериментально определены наиболее легко воспламеняемые концентрации метановоздушной, пропановоздушной, этиленовоздушной и водородовоздушной смесей при воспламенении их нагретыми телами размером до 1 мм.

2. Установлен критерий воспламеняющей способности нагретых тел малого размера - удельная воспламеняющая мощность (УВМ). Критерий воспламеняющей способности нагретых тел малого размера не зависит от их размеров (в исследованном диапазоне), химических и теплоэлектрофизических их свойств. Определены значения критериального параметра для четырех представительных взрывоопасных смесей.

3. Установлены взаимосвязи между параметрами (БЭМЗ, минимальный воспламеняющий ток, минимальная воспламеняющая энергия, гасящее расстояние, удельная воспламеняющая мощность), определяющими границы безопасности при различных испытаниях взрывозащищенного и рудничного электрооборудования. Доказано, что удельная воспламеняющая мощность наряду с общепринятыми критериальными параметрами может быть использована для классификации взрывоопасных смесей по категориям взрывоопасности. Для каждой взрывоопасной смеси отношение её критериальных воспламеняющих параметров к аналогичным величинам для метановоздушной смеси есть величина постоянная, являющаяся характеристикой этой взрывоопасной смеси. Для индивидуального газа или пара с воздухом на основании одного экспериментального теста могут быть определены все критериальные параметры, позволяющие в дальнейшем решать вопросы испытаний взрывозащищенного и рудничного электрооборудования применительно к данной взрывоопасной смеси.

4. На основании экспериментальных исследований установлены зависимости воспламеняющих параметров нагретых тел малого размера от содержания метановодородовоздушных, этановодородовоздушных и бутановодородовоздушных смесей являющиеся научным базисом при разработке методики классификации по категориям взрывоопасности рудничной атмосферы, содержащей в качестве горючих метан, его гомологи и водород. Разработанная методика передана в Госгортехнадзор РФ для утверждения в качестве Методических указаний. Разработанная методика была использрвана для разработки рекомендаций по выбору категории взрывоопасности на руднике "Интернациональный" при решении вопроса

124 возможности и условий применения серийно выпускаемого рудничного взрывозащищенного электрооборудования.

5. Наиболее легко воспламеняемая концентрация многокомпонентной взрывоопасной смеси подчиняется эмпирическому закону: НЛВК обратно пропорциональна удельному весу горючих в степени 0,445.

6. По результатам исследований воспламенения бинарных взрывоопасных смесей нагретыми телами малого размера разработана методика их испытаний на взрывозащищенность применительно к представительным взрывоопасным смесям. Методика используется в Сертификационном центре рудничного и взрывозащищенного электрооборудования ИГД им. А. А.Скочинского. Основные её положения включены в ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь "1".

1. Скочинский A.A., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. М.-Л.: Углетехиздат, 1951.-563 с.

2. Тутов А.Г., Лещ П.Л. Безопасность подземных работ в горнорудной и нерудной промышленности.- Киев, Техника, 1979. -288 с.

3. Овтанатов СТ., Карапетов А.Х. Нефтеотдача при разработке нефтяных месторождений. М., Недра, 1970. -368 с.

4. Еронин В.А. Состояние работ по внедрению термических и рудничных методов в разработке нефтяных месторождений СССР. В сб.: Термические и рудничные методы разработки нефтяных месторождений. М., издание ВНИИОЭНГ, 1966, с.3-12.

5. Молодцов В.А. Техника и технология шахтного способа добычи нефти. В сб.: Термические и рудничные методы разработки нефтяных месторождений. М., издание ВНИИОЭНГ, 1966, с. 12-22.

6. Автоматизация комплекса технологических процессов добычи нефти в нефтяных шахтах. -М., издание ВНИИОЭНГ, 1974. -76 с.

7. Мамедов Ш.Н., Мирзоев Р.Х. Перспективы рудничной разработки нефтяных месторождений Азербайджана. Баку, ЭЛМ, 1971.-268 с.

8. Матвиенко Н.Г., Чубуков М.П., Цибизов В.А. Газообильность нефтяных шахт Ярегского месторождения Ухты. В сб.: Вопросы борьбы с рудничными газами и пылью. М., Ротапринт СФТГП ИФЗ АН СССР, 1976, С.93 -106.

9. Лавров Н.В., Дмитриев A.B., Лукьянов C.B. Разработка способов термического воздействия на нефтяной пласт Ярегского месторождения КОМИ АССР. В сб.: Термические и рудничные методы разработки нефтяных месторождений. М., издание ВНИИОЭНГ, 1966, с.65 -72.

10. Газоностность угольных бассейнов и месторождений СССР. Под редакцией А.И.Кравцова, т.1. Угольные месторождения Европейской части СССР. М., Недра, 1979.-828с.

11. Дозорцев Р.Н. Нефтегазоопасность Кизеловского каменноугольного бассейна. В кн.: Геология и полезные ископаемые карбона Западного Урала. ~ Пермь, издательство Пермского политехнического института, 1969, Вып.38, с.168-177.

12. Матвиенко Н.Г. Прогноз газопроявлений при разработке рудных месторождений. М., Наука, 1976. -80 с.

13. Токарева Э.Г., Ефремов Г.А. Тяжелые углеводороды в угольных месторождениях. Известия ВУЗов, Геология и разведка, 1976, №4, с. 183 -185.

14. Дмитриев A.M., Устинов Н.И., Пак B.C. Газоносность выработок при новой технологии выемки в условиях Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса. М., ЦНИЭИуголь, 1985. -32 с.

15. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. Т.2. Угольные бассейны и месторождения Сибири, Казахстана и Дальнего Востока. М., Недра, 1979.-454 с.

16. Матвиенко Н.Г. Газоносность соляных месторождений и газообильность разрабатывающих их рудников. В сб.: Управление газовыделением и пылевыделением в шахтах. М., Наука, 1972, с.37-50.

17. Захарова Л.А., Захаров Н.И. О возможности прогноза суфлярных газовыделений. В сб.: Разработка соляных месторождений. Пермь, издание Пермского политехнического института, 1987, с.89-94.

18. Триполко A.C., Фоминых В.И. Содержание метана и водорода в пробах горючих газов на калийных рудниках Верхнекамского месторождения. В сб.: Разработка соляных месторождений. Пермь, издание Пермского политехнического института, 1987, с.99-105.

19. Куликова H.H. Геохимия газов золоторудных месторождений Забайкалья. М., Наука, 1972. -115 с.

20. Султанович А.И. Расчет и конструирование искробезопасной аппаратуры. М., Энергия, 1971,-176 с.

21. Льис В., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М., Мир, 1968.-592 с.

22. Петренко Б.А. Воспламеняемость газов и физические основы электровзрывобезопасности. М., Наука, 1989.-150с.

23. Рекомендации по определению категории воспламеняемости смесей от электрических разрядов и расчету искробезопасных трансформаторов. Кемерово, ротапринт ВостНРШ, 1966.-28 с.

24. Ерыгин А.Т., Трембицкий А.Л., Яковлев В.П., Методы оценки искробезопасности электрических цепей. М., Наука, 1984.-256 с.

25. Взрывобезопасность электрических разрядов и фрикционных искр. П/р Кравченко B.C. и Бондаря В.А. М., Недра, 1976. -304 с.

26. Смеси взрывоопасные. Классификация и методы испытаний. М., Издательство Стандартов, 1985. с.3-20.

27. Понизко Т.А. О поджигании горючих смесей нагретыми нитями ламп накаливания". В кн.: Взрывозащищенное электрооборудование. М.,Энергия ,1976,0.15-19.

28. Иост В. Взрывы и горение в газах. Издательство иностранной литературы. М., 1952.-687 с.

29. Попова Н.М. Катализаторы очистки выхлопных газов автотранспорта. Алма-Ата, Наука, 1987.-224 с.

30. Барре П. Кинетика гетерогенных процессов. М., Мир, 1976. -400 с.

31. Щербань А.Н., Фурман Н.И. Методы и средства контроля рудничного газа. Киев, Наукова думка, 1965.-412 с.

32. Карпов Е.Ф. Физико-технические основы автоматической защиты от выделений метана. М., Наука 1981.-184 с.

33. ГОСТ 24032-80. Приборы шахтные газоаналитические. Общие технические требования и методы испытаний. М., Издательство Стандартов, 1989.-36 с.

34. ГОСТ 22782.0-81. Электрооборудование взрывозащищенное. Общие требования и методы испытаний. М., Издательство Стандартов, 1981.-27.с.

35. Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности. Справочник под ред. И.В.Рябова, М., Химия, 1970.-272 с.

36. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М., Химия, 1991.-432 с.

37. ГОСТ 22782.5-78 Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты "Искробезопасная электрическая цепь". Технические требования и методы испытаний. М., Издательство Стандартов, 1985.-70 с.

38. Природные опасности в шахтах. Способы их контроля и предотвращения. П/р Карпова Е.Ф., Клебанова Ф.С., Фирганека Б.М. М., Недра 1981.-471 с.

39. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений. Метрологическая справочная книга. Л., Лениздат, 1987.-295 с.

40. Санитарно-химический контроль воздуха промышленных предприятий. П/р С.И.Муравьевой. М., Медицина, 1982 -352 с.

41. Бадинтер Е.Я. Литой микропровод и его свойства. Кишенев,Штинкул,1973. -318 с.

42. Микропровод в приборостроении. Кишинев, Картя Молдовеняскэ,1974. -272 с.

43. Охапкин А.Ю. Повышение чувствительности термохимических датчиков горючих газов. В сб.: Обеспечение искробезопасности электрооборудования и газового контроля на горных предприятиях. М., ротапринт ИПКОН АН СССР, 1988, с.65-85.

44. Крылов О.В. О механизме глубокого каталитического окисления углеводородов. В сб.: Глубокое каталитическое окисление углеводородов. М., Наука, 1981,с.5-23.

45. Берман А. Д., Марголис Л.Я. Гетерогенно-гомогенные реакции глубокого окисления органических веществ. В сб.: Глубокое каталитическое окисление углеводородов. М., Наука, 1981, с.57-69.

46. Датчики горючих и вредных газов. Рекламные материалы фирмы РИКЭН КЭИКИ. Точный инструмент КО., Лтд. 33 с.

47. Зельдович Я.Б. Избранные трубы. Химическая физика и гидродинамика. М., Наука 1984.-374 с.

48. Чубуков М.П. Пути улучшения метрологических характеристик термохимических приборов газового контроля. В сб.: Актуальные проблемы рудничной аэрогазодинамики. М., ротапринт ИПКОН АН СССР, 1986, с. 124129.

49. Охапкин А.Ю., Цибизов В.А. О подборе пар чувствительных элементов термохимического датчика взрывоопасности. В сб.: Обеспечение искробезопасности электрооборудования и газового контроля на горных предприятиях. М., ротапринт ИПКОН АН СССР, 1988, с.85-92.

50. Грановский В.А., Кирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л., Энергоатомиздат, 1990.-288 с.

51. ГОСТ 12.1.010-76. Взрывобезопасность. Обш;ие требования. М., Издательство Стандартов, 1984, с.94-100.

52. Методика определения критического зазора при зажигании аэровзвесей горючих пылей и минимальных значений тока, мош;ности и энергии зажигания горючих газов и паров с воздухом. М., Типография ВНИИПО, 1980.-35с.

53. Technical Report IES 79-20. Typeset and printed by the lEC Central Office Geneva, Switzerland.

54. ГОСТ 22782.3-77. Электрооборудование взрывозащищенное со специальным видом взрывозащиты. М., Издательство Стандартов, 1985.-2 с.

55. Катеман Г., Пийперс Ф.В. Контроль качества химического анализа. Челябинск, Металлургия, 1989.-448 с.

56. Охапкин А.Ю. Выбор режимов испытаний термоэлементов газоанализаторов на взрывобезопасность. В сб.: Актуальные вопросы безопасности горных работ. М., ротапринт ИПКОН РАН, 1994, с.163-166.

57. Геращенко O.A., Гордов А.Н., Лах В.И. Температурные измерения. Киев, Наукова думка, 1984.-496 с.

58. Лазарев Н.В. Неэлектролиты. Опыт биолого-физико-химической систематики. Издание Военно-морской медицинской академии. Л., 1944.-272 с.

59. Камнева А.И. Химия горючих ископаемых. М., Химия 1974.-272 с.

60. Кравченко B.C., Халеев P.M. Закономерности воспламенения смесей предельных углеводородов с воздухом. Известия Академии Наук СССР, ОТН металлургия и топливо, J№3, 1960, с.133-139.

61. Кравченко B.C. О состоянии научных исследований в Англии в области электрической энергии в воспламеняющейся атмосфере. М., Отчет ИГД им. А.А.Скочинского, 1964.-44с.