Взрыв пыли — это быстрое возгорание мелких частиц , взвешенных в воздухе в закрытом помещении. Взрывы пыли могут произойти там, где в атмосфере или другой окисляющей газообразной среде, например, чистом кислороде , в достаточно высоких концентрациях присутствует какой-либо дисперсный порошкообразный горючий материал . В случаях, когда в роли горючего материала выступает топливо, взрыв называют топливно-воздушным взрывом.
Взрывы пыли представляют собой частую опасность на угольных шахтах , элеваторах и элеваторах , а также в других промышленных средах. Они также широко используются художниками по спецэффектам , кинематографистами и пиротехниками , учитывая их эффектный внешний вид и способность безопасно храниться в определенных, тщательно контролируемых условиях.
Термобарическое оружие использует этот принцип, быстро насыщая область легковоспламеняющимся материалом, а затем поджигая его, создавая взрывную силу. Это оружие является самым мощным из существующих неядерных вооружений. [1]
Если быстрое возгорание происходит в замкнутом пространстве , может возникнуть огромное избыточное давление , вызывающее серьезные структурные повреждения и летящие обломки. Внезапное высвобождение энергии в результате « детонации » может вызвать ударную волну как на открытом воздухе, так и в замкнутом пространстве. Если пламя распространяется с дозвуковой скоростью, это явление иногда называют « дефлаграцией », хотя в более широком смысле оба явления называют « взрывами ».
Взрывы пыли можно разделить на «первичные» и «вторичные» по своей природе. Первичные взрывы пыли могут происходить внутри технологического оборудования или аналогичных кожухов и обычно контролируются путем сброса давления через специально построенные воздуховоды во внешнюю атмосферу. Вторичные взрывы пыли являются результатом накопления пыли внутри здания, которое нарушается и воспламеняется в результате первичного взрыва, что приводит к гораздо более опасному неконтролируемому взрыву, который может повлиять на всю конструкцию. Исторически сложилось так, что гибель людей от взрывов пыли в основном была результатом вторичных взрывов пыли. [2]
Существует пять необходимых условий для взрыва пыли: [3]
Многие распространенные материалы, которые, как известно, горят, могут вызвать взрыв пыли, например, угольная пыль и опилки . Кроме того, многие обычные органические материалы также могут быть рассеяны в опасном облаке пыли, например, зерно , мука , крахмал , сахар , сухое молоко , какао , кофе и пыльца . Порошки металлов (таких как алюминий , магний и титан ) могут образовывать взрывоопасные суспензии в воздухе, если они мелко измельчены.
Гигантский взрыв мучной пыли разрушил мельницу в Миннесоте 2 мая 1878 года, в результате чего погибли 14 рабочих на мельнице Уошберн А и еще четверо в соседних зданиях. [4] Аналогичная проблема возникает на лесопилках и в других местах, занимающихся деревообработкой .
С появлением в 2010-х годах аддитивного производства (АП) на основе металлического порошка в промышленных масштабах растет потребность в дополнительной информации и опыте предотвращения взрывов пыли и пожаров из-за следов избыточного металлического порошка, иногда остающихся после лазерного спекания или другие методы слияния. [5] Например, при операциях механической обработки после сборки AM излишки порошка, высвободившиеся из пор в опорных конструкциях, могут подвергаться воздействию искр на границе раздела резания. [5] В настоящее время предпринимаются усилия не только по созданию этой базы знаний в отрасли, но и по обмену ею с местными пожарными службами, которые проводят периодические проверки пожарной безопасности предприятий в своих районах и которые могут рассчитывать на реагирование на сигналы тревоги в магазинах или на заводах, где AM теперь является частью производственного комплекса. [5]
Известно, что частицы бумаги, выделяющиеся во время обработки, особенно при прокатке, развертывании, каландрировании/прорезке и резке листов, хотя и не являются строго пылью, также представляют опасность взрыва. В закрытых помещениях бумажных фабрик, подверженных таким опасностям, обычно поддерживается очень высокая влажность воздуха , чтобы снизить вероятность взрыва бумажной пыли в воздухе.
В пиротехнике со специальными эффектами порошок ликоподия [2] и немолочные сливки [6] являются двумя распространенными средствами создания безопасных и контролируемых огненных эффектов.
Чтобы поддерживать быстрое горение, пыль должна состоять из очень мелких частиц с высоким соотношением площади поверхности к объему , что делает общую или совокупную площадь поверхности всех частиц очень большой по сравнению с пылью из более крупных частиц. Пыль определяется как порошки с частицами диаметром менее 500 микрометров, но более мелкая пыль представляет гораздо большую опасность, чем крупные частицы, в силу большей общей площади поверхности всех частиц.
Ниже определенного значения, нижнего предела взрываемости (НПВ), пыли недостаточно для поддержания горения со скоростью, необходимой для взрыва. [7] Безопасной считается концентрация горючих веществ, составляющая 25 % НПВ или ниже. [8] Аналогичным образом, если соотношение топлива и воздуха превышает верхний предел взрываемости (ВПВ), окислителя недостаточно для продолжения горения с необходимой скоростью.
Определить минимальную взрывоопасную концентрацию или максимальную взрывоопасную концентрацию пыли в воздухе сложно, и обращение к различным источникам может привести к совершенно разным результатам. Типичный диапазон взрывоопасности в воздухе составляет от нескольких десятков грамм/м 3 для минимального предела до нескольких кг/м 3 для максимального предела. Например, НПВ для опилок составляет от 40 до 50 грамм/м 3 . [9] Это зависит от многих факторов, включая тип используемого материала.
Обычно обычного атмосферного кислорода может быть достаточно для поддержания взрыва пыли, если также присутствуют другие необходимые условия. Особенно опасными считаются среды с высоким содержанием кислорода или чистым кислородом, а также сильные окисляющие газы, такие как хлор и фтор . Кроме того, суспензии частиц соединений с высоким окислительным потенциалом, таких как пероксиды , хлораты , нитраты , перхлораты и дихроматы , могут увеличить риск взрыва, если также присутствуют горючие материалы.
Существует множество источников возгорания, и открытое пламя не обязательно должно быть единственным: более половины взрывов пыли в Германии в 2005 году произошли из источников, не связанных с огнем. [7] К распространенным источникам возгорания относятся:
Однако при расследовании последствий взрыва часто бывает трудно определить точный источник возгорания. Когда источник не может быть найден, возгорание часто связывают со статическим электричеством . Статические заряды могут генерироваться внешними источниками или могут создаваться внутри за счет трения на поверхностях самих частиц, когда они сталкиваются или движутся мимо друг друга.
Пыль имеет очень большую площадь поверхности по сравнению с ее массой. Поскольку горение может происходить только на поверхности твердого тела или жидкости, где оно может вступать в реакцию с кислородом, пыль становится гораздо более горючей, чем сыпучие материалы. Например, сфера из горючего материала массой 1 килограмм (2,2 фунта) с плотностью 1 г/см 3 будет иметь диаметр около 12,4 сантиметра (4,9 дюйма) и площадь поверхности 0,048 квадратных метров (0,52 квадратных фута). . Однако, если бы его разбить на сферические частицы пыли диаметром 50 мкм (размером примерно с частицы муки ), площадь его поверхности составила бы 120 квадратных метров (1300 квадратных футов). Эта значительно увеличенная площадь поверхности позволяет материалу гореть намного быстрее, а чрезвычайно малая масса каждой частицы позволяет им загореться с гораздо меньшей энергией, чем основной материал, поскольку внутри материала нет потерь тепла из-за проводимости.
Когда эта смесь топлива и воздуха воспламеняется, особенно в замкнутом пространстве, таком как склад или силос, создается значительное увеличение давления, часто более чем достаточное для разрушения конструкции. Даже материалы, которые традиционно считаются негорючими (например, алюминий) или медленно горящими (например, дерево), при измельчении могут вызвать мощный взрыв и воспламениться даже от небольшой искры.
Взрыв пыли может нанести серьезный ущерб конструкциям, оборудованию и персоналу из-за сильного избыточного давления или воздействия ударной волны. Летающие предметы и мусор могут нанести дополнительный ущерб. Интенсивное тепловое излучение огненного шара может воспламенить окружающую среду или вызвать серьезные ожоги кожи у незащищенных людей. В плотно закрытом помещении внезапное истощение кислорода может вызвать удушье . Если пыль состоит из углерода (например, в угольной шахте), неполное сгорание может привести к образованию большого количества окиси углерода ( остаточной влажности шахтеров ). Это может привести к большему количеству смертей, чем первоначальный взрыв, а также затруднить попытки спасения. [10] [11]
В Европе и других странах было проведено множество исследований, чтобы понять, как контролировать эти опасности, но взрывы пыли все еще происходят. Альтернативы повышению безопасности процессов и предприятий зависят от отрасли.
В угольной промышленности взрыв метана может вызвать взрыв угольной пыли , которая затем может охватить весь карьер. В качестве меры предосторожности негорючую каменную пыль можно разбрасывать вдоль выработок шахты или хранить в поддонах, свисающих с крыши, чтобы разбавить угольную пыль, поднятую ударной волной, до такой степени, чтобы она не могла гореть. Мины также можно опрыскивать водой, чтобы предотвратить воспламенение.
Некоторые отрасли промышленности исключают кислород из процессов образования пыли - мера предосторожности, известная как «инертизация». Обычно для этого используются азот , углекислый газ или аргон — негорючие газы, способные вытеснять кислород. Тот же метод также используется в больших резервуарах для хранения, где могут накапливаться легковоспламеняющиеся пары. Однако использование бескислородных газов сопряжено с риском удушья рабочих. Рабочие, которым необходимо освещение в закрытых помещениях, где высок риск взрыва пыли, часто используют лампы, предназначенные для подводных водолазов , поскольку у них нет риска образования открытой искры благодаря герметичной водонепроницаемой конструкции.
Хорошие методы ведения хозяйства, такие как устранение накопления отложений горючей пыли, которые могут быть нарушены и привести к вторичному взрыву, также помогают смягчить проблему.
Лучшие меры инженерного контроля, которые можно найти в стандартах по горючей пыли Национальной ассоциации противопожарной защиты (NFPA) [12] , включают:
Облака пыли являются распространенным источником взрывов, вызывая, по оценкам, 2000 взрывов ежегодно в Европе. [13] В таблице перечислены известные инциденты по всему миру.
Инциденты во Франции и США:
Защита технологических предприятий, зерноперерабатывающих предприятий и т.п. от риска взрывов пыли:
