Какая металлическая пыль может взорваться? Причины, риски и защита

Введение

Взрывоопасность металлической пыли – серьёзная угроза для безопасности многих предприятий в области тяжелой промышленности. В этой статье мы рассмотрим причины высокой опасности взрыва металлических частиц и расскажем о мерах защиты, необходимых для предотвращения трагедий.

Что такое металлическая пыль?

Пыль – это взвешенные в воздухе твердые частицы размером от нескольких долей до сотен мкм.

Металлическая пыль – это очень мелкие частицы металлов, обычно размером от 1 до 1000 микрометров. Частицы образуются в ходе производственных процессов и могут состоять из различных металлов и их сплавов, в зависимости от источника.

Как образуется металлическая пыль?

Металлические частички часто возникают при механической обработке металла абразивными инструментами. 

Образование взрывоопасных металлических частиц сопутствует процессам:

1. Механическая обработка металлов. Шлифование, точение, фрезерование, резка, сверление – при этих процессах образуется мелкая стружка.
2. Сварка и наплавка. Испарение металла при высоких температурах приводит к образованию конденсата, который впоследствии формирует мелкие частицы.
3. Литье. Разрушение литейных форм, обработка отливок.
4. Абразивная обработка. Пескоструйная обработка, полировка.
5. Порошковая металлургия. Металлическая пыль является исходным материалом для изготовления изделий методами порошковой металлургии.
6. Производство и обработка руд. Дробление, измельчение руды.

В вышеперечисленных технологических процессах участвует оборудование, при работе которого с высокой вероятностью может присутствовать взрывоопасная металлическая пыль:

• Оборудование для шлифования и полировки металлов
• Сварочное оборудование
• Оборудование для резки металлов (в том числе плазменной)
• Смесители порошков
• Установки для распыления металла
• 3D-принтеры
• Системы аспирации и вентиляционные системы
• Бункеры и силосы
• Дробилки, мельницы, сепараторы

Металлическую пыль в данном оборудовании можно встретить на металлургических производствах, в машиностроении и авиационной промышленности, в горнодобывающей и обрабатывающей промышленности, а также на литейных производствах.

Почему металлическая пыль может воспламеняться?

Воспламеняемость металлической пыли зависит от ряда факторов, которые мы рассмотрим далее.

Условия воспламенения пыли

Для горения частиц и дальнейшего взрыва необходимы следующие условия: 

• Наличие источника зажигания (например, искра от короткого замыкания)
• Присутствие окислителя (кислорода) в необходимой концентрации
• Пыль во взвешенном состоянии в ограниченном объеме воздуха

При наличии данных условий металлическая пыль может воспламениться и вызвать взрыв внутри помещений или промышленного оборудования.

Механизмы самовоспламенения

Металлическая пыль может самовоспламениться, так как многие металлы могут активно вступать в экзотермическую реакцию окисления с кислородом, в результате которой выделяется большое количество тепла. Самовоспламенение возникает, когда реакция окисления ускоряется настолько, что выделяемое тепло не успевает рассеиваться, и температура достигает точки воспламенения.

Влияние размера частиц 

Воспламеняемость металлической пыли напрямую зависит от размера частиц. Чем больше их дисперсность, тем меньше их нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПВ, г/м³). Пыль с НКПРП ниже 65 г/м³ относится к взрывоопасным веществам, при этом вещества с НКПРП ниже 15 г/м³ принадлежат к первому классу опасности.

НКПРП алюминиевой пудры составляет 40 г/м³. Однако для мелкодисперсной алюминиевой пудры (размер частиц 63 мкм), НКПРП может достигать 15 г/м³ .

Примеры воспламеняемой металлической пыли

Каждый тип металлических порошков имеет индивидуальные количественные характеристики взрывоопасности – индекс взрывоопасности (Kst) и максимальное давление взрыва (Pmax). Чем больше Kst, тем опаснее пыль.

Важно понимать, что Kst и Рmax – это экспериментально определяемые параметры, и их значения могут меняться в зависимости от состава частиц, их концентрации и дисперсности. Точное значение Kst и Рmax на конкретном объекте могут определить специалисты АТЕКСЦЕНТР в ходе лабораторных испытаний.

Пыли с Kst > 300 бар⋅м/с обычно классифицируются как «чрезвычайно взрывоопасные».

Примеры различных видов металлической пыли с характеристиками взрывоопасности:

Исходя из значений Kst можно сделать вывод о том, что самой взрывоопасной пылью из перечисленных является алюминиевая. Тем не менее, все типы металлических порошков из таблицы оказывают высокое давление взрыва, поэтому имеют большую разрушительную силу.

Опасность взрыва металлической пыли

Взрыв металлической пыли представляет собой серьезную опасность из-за следующих последствий:

1. Повреждение оборудования, распространение взрыва по трубопроводам, оборудованию, системам вентиляции.

Взрыв металлической пыли генерирует мощную ударную волну и резкое повышение давления. Это приводит к деформациям, поломкам и полному разрушению оборудования. Взрывная волна способна разрывать или деформировать трубопроводы, что может привести к утечкам опасных веществ и усугублению ситуации. Наиболее опасным является каскадное распространение взрыва по системам пылеудаления и вентиляции. Вторичные взрывы, вызванные поднятием осевших частиц, практически всегда бывают более мощными и разрушительными, чем первоначальный взрыв.

2. Риск для жизни и здоровья персонала.

Взрывная волна, продукты горения, летящие обломки и осколки разрушенного оборудования, обрушение конструкций – всё это представляет смертельную опасность для находящихся поблизости людей. 

3. Финансовые потери и остановка производства.

• Финансовые затраты на восстановление или полную замену оборудования. 
• Убытки, связанные с остановкой производства из-за расследования и устранения последствий инцидента. 
• Выплата компенсаций в случае гибели или травмирования работников в результате взрыва. 

4. Ухудшение имиджа и потеря доверия. 

Информация о взрыве на предприятии может нанести серьезный удар по репутации компании, привести к потере доверия со стороны клиентов, партнеров и инвесторов.

Примеры инцидентов со взрывом металлической пыли

За последние несколько лет по всему миру случилось множество инцидентов, связанных со взрывами металлической пыли. Ниже мы рассмотрим несколько примеров.

Тайвань, 2022 год. Аэрокосмический комплекс компании AIDC

Взрыв произошел после воспламенения скопившейся пыли алюминиевого сплава. Семь человек были доставлены в больницу, где один из них позже скончался.

Aerospace Industrial Development Corporation (AIDC) – один из основных оборонных подрядчиков Тайваня, он производит и обслуживает истребители и авиационные компоненты. 

Китай, 2024 год. Компания Shenrong Metal Technology Limited

Трагедия случилась из-за взрыва металлической пыли в производственном цеху. В результате погибли 8 человек, ещё 8 получили ранения.

Компания занимается исследованием и разработкой металлических изделий для строительства. 

США, 2025 год. Завод по производству металлических изделий корпорации Powder Alloy

Инцидент произошел в результате прессования алюминиевой пыли в пылесборнике, что привело к взрыву и последующему пожару. Никто не пострадал, пожар был потушен, на данный момент масштабы и стоимость ущерба неизвестны.

Компания производит и поставляет металлические, керамические и карбидные порошки по всему миру.

Как защитить предприятие от взрыва металлической пыли?

Для эффективной защиты предприятия от разрушительных последствий взрыва металлических порошков необходим комплексный подход, включающий в себя организационные меры, установку систем аспирации и применение систем взрывозащиты.

Организационные меры

• Обучение. Регулярные инструктажи о взрывоопасности пыли, её источниках, безопасной работе и действиях при ЧС.
• Контроль количества пыли. Влажная уборка, взрывозащищенные пылесосы, барьеры, оптимизация процессов и мониторинг концентрации взвеси.
• Регламенты. Разработка и соблюдение инструкций по безопасной эксплуатации и обслуживанию оборудования, уборке, утилизации и контролю воспламеняемой металлической пыли. 

Установка аспирационных систем

Аспирационная система захватывает пыль в местах её образования, переносит её по воздуховодам к фильтру, где происходит отделение частиц от воздуха, после чего очищенный воздух удаляется, а собранный порошок останется в бункере. На столах станков для металлообработки зачастую предусмотрены специальные желоба и отверстия для поступления тяжелой металлической стружки.

Установка систем взрывозащиты

Эффективной мерой по предотвращению инцидентов, связанных со взрывами пыли на производстве, является внедрение защитных систем.

Взрыворазрядные устройства

При нормальном ходе технологического процесса взрыворазрядная мембрана Vent Pro S устанавливается на специальные технологические отверстия в конструкции защищаемого оборудования.
В случае аварии давление повышается, и взрыворазряднаое устройства открывается. Продукты взрыва (пламя, горящие частицы, взрывная волна) высвобождаются и выбрасываются в окружающую среду.

Пламегаситель FLEX C

При взрыве в оборудовании нарастает давление и происходит открытие взрыворазрядной мембраны VMP. Пламя, горящая пыль, газы сбросятся в устройство FLEX.
Для металлов подходит только пламегаситель FLEX типа C, так как он имеет цилиндрическую форму позволяющую осуществлять выброс избыточного давления на 360 градусов вокруг себя, тем самым обеспечивая минимальное сопротивление высвобождению. Максимальный Kst пыли не должен превышать 300 бар*м/с.

Взрывозащитный обратный клапан B-FLAP

В нормальном режиме работы заслонка обратного клапана B-FLAP находится в открытом положении и поддерживается механизмом RPD. В случае взрыва под воздействием взрывной волны клапан закрывается и фиксируется в закрытом положении.

Быстродействующая шиберная задвижка

В случае возникновения взрывного процесса и резкого увеличения давления, датчики немедленно передают сигнал в управляющий центр. Контроллер активирует пневматический привод задвижки GatEx, обеспечивая ее быстрое закрытие (время срабатывания – миллисекунды) и перекрытие опасного участка трубопровода.

HRD система подавления взрыва

HRD система обнаруживает взрыв в оборудовании на ранней стадии с помощью высокочувствительных датчиков и эффективно подавляет его путем применения взрывоподавляющего вещества.

Заключение

Минимизация вероятности возникновения взрыва металлических порошков, в том числе из-за самовоспламенения частиц, является приоритетной задачей в обеспечении безопасности на предприятиях. Для определения характеристик взрывоопасности необходимы лабораторные испытания образцов пыли с конкретного предприятия, а затем разработка шагов по обеспечению безопасности объекта. Помимо обязательных организационных мер и систем аспирации, ключевую роль играют системы локализации взрыва. Они позволяют минимизировать ущерб, защитить персонал и сохранить целостность предприятия.