В Законе РФ «О безопасности» безопасность определяется, как состояние защищенности личности, общества и государства от внутренних и внешних угроз. Существенна угроза со стороны техногенной среды. Основные источники опасности: вяло протекающие в течение длительного времени промышленные аварии в виде выброса вредных веществвнезапные и быстроразвивающи-еся аварии и катастрофы, включая взрывы и пожары в промышленности, сельском хозяйстве и на транспортесоздание комплексов добывающей промышленности и энергетики и изменение природных условий в результате деятельности человека /1/.
Размеры ущерба за 1990 г. от источников опасности первого рода по природным комплексам в Рф составили 236 млрд руб.
70 млн. человек дышат воздухом с содержанием вредных веществ более, чем в 5 раз превышающим установленные санитарными нормами ПДК. 10% добываемой нефти поступает в окружающую среду, являясь источником ее загрязнения. 130 регионов заражены радионуклидами и токсинами.
Чернобыль в общественном мнении отодвинул на второй план даже «опасность ядерной войны». По мнению наиболее компетентных специалистов, которых собрал Президиум РАН с целью обсуждения проблем безопасности ядерной энергетики и перспектив ее развития< реализуемы определенные ориентиры по безопасности: вероятность аварии с расплавлением активной зоны до 10 «5 случаев на 1 реактор в год и вероятность выхода радиоактивных продуктов из подзащитной оболочки реактора до 10 «7 на 1 реактор в год. Вероятность тяжелой аварии на РБМК первого поколения после 1986 снижена до 10 ~4, а на Ленинградской АЭС до 10 «6 на 1 реактор в год /2/.
От аварий и пожаров в РФ ежегодно погибают > 50 ООО человек и ущерб превышает десятки млрд. руб. В РФ при техногенных авариях гибель людей в 2−5 раз выше, чем в любой другой промышленно развитой стране мира. Неблагоприятна динамика изменения гибели людей на 1 млн. населения. В начале 70-х годов в РФ на 1 млн. населения ежегодно погибали 175 человек в дорожно-транспортных происшествиях и 19 на пожарах, а за 1991 г. соответственно — 253 и 52. В 1994 г. ив 1995 г. на 1 млн. населения гибель людей при пожарах возросла до 85 человек в городах, до 164 — в сельской местности и до 105 в среднем.
Техногенная опасность начинает превосходить опасность от стихийных бедствий. Так в США на ее долю приходится 15−25% преждевременной смертности и ущерб, достигающий 6% валового национального продукта, а на долю стихиных бедствий соответственно до 5% и до 1%. В РФ на рост техногенной опасности влияет беспрецедентное устаревание основных производственных фондов. По отдельным отраслям износ превышал 50% /1/.
Снижение техногенной опасности частично должно обеспечиваться реализацией требований пожарной безопасности /3/ и взрывобезопасности /4/, включая требования профилактики источников зажигания.
Одной из наиболее острых проблем, стоящих перед обществом, была и остается проблема обеспечения пожарной безопасности и взрывобезопасности.
По СССР за 1990 и 1991 годы пожарами уничтожено соответственно /5/:
Строений 65 420 и 53 374;
Зерновых и технических культур, т. 26 891 и 13 817;
Голов скота 79 384 и 69 250.
Погибло людей 9990 и 10 464.
Травмировано 13 736 и 13 827.
Основные и относительные показатели обстановки с пожарами в России за 1990;96 г. г. и основные причины их возникновения показаны в табл. NN 1 — 6.
Таблица 1.
Основные показатели обстановки с пожарами в РФ за 1990;96 г. г.
Показатель 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996.
Количество пожаров (П), тыс. в городах в сельской мест. 300,8 211,1 89,7 317,5 221,4 96,1 314,6 220,8 93,8 332,4 238,3 94,1 325,2 229,5 95,7 294.3 206.4 87,6 283,8 191, 9 92,9.
Количество погибших при (П), чел. в городах в сельской мест. 6888 3264 3624 7705 3876 3829 10 305 5503 4802 13 712 7706 6006 15 733 9022 6711 14 893 8767 6126 15 877 91.80 6697.
Количество травм при (П), чел. в городах в сельской мест. 7831 4929 2902 8503 5810 2693 9778 6639 3139 11 559 8061 3498 12 200 8457 3743 13 513 9476 3991.
Количество уничтоженных строений, тыс. ед, в городах в сельской мест. 50,3 19,1 31-, 2 54,9 21) ^ 33,7 68,6 30,0 38,6 70 31,7 38,3 71.5 30,9 40.6 72,3 31,3 41,0.
Количество уничтоженной техники, тыс. ед. в городах в сельской местности 4,7 2,1 2,6 5,5 1.7 3.8 7,0 3,0 4,0 6,3 3.1 3.2 5,9 2,9 3, 0 7,7 4,4 3,2.
Показатель 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996.
Количество погиб- 53,9 45,8 62,5 39,3 41,9 41,2 шего скота, тыс. гол. в городах 6,0 8,5 8,7 7,9 5,9 5,8 в сельской мест. 47,9 37,3 53,8 31,2 36,0 35,3 —.
Таблица 2.
Динамика основных показателей обстановки с пожарами в Российской Федерации за 1994;95 г. г.
Показатель 1994 1995 + или — к 1994 г. в %.
Количество пожа- 323, 8 294, 3 — 9,1% ров (П), тыс. в городах 1. 206,4 — 11,1% в сельской мест. 91,3 87,6 — 4,0%.
Прямой мат. ущерб 279,8 889,3 вырос в 3,2 раза от пожаров (11), млн. р. в городах 154,1 463,2 в 3,0 в сельской мест. 124,6 424,8 в 3,4.
Число погибших 15 672 14 893 — 5,0% при (П), чел. 9113 в городах 8767 — 3,8% в сельской мест. 6559 6126 — 6,2%.
Число травмирован- 12 131 13 513 11,4% ных при (П), чел. в городах 8457 9476 12,0% в сельской мест. 3631 3991 9, 9%.
Спасено людей, чел.27 394 24 075 — 12,1% в городах 21 415 19 462 — 9,1% в сельской мест. 5969 4602 — 22,9%.
Количество унич- 71,5 72,3 1,1% тоженных строений, тыс. ед. в городах 30,9 31,3 1,2% в сельской мест. 40,5 41, 0 1,2%.
Показатель 1994 1995 + или — к в % 1994 г.
Количество уничт. 3846,9 3751,1 — 2,5% площади строений, тыс. кв. м. в городах 1186,1 1256, 3 5,9% в сельской мест. 2656, 0 2488,5 — 6,3%.
Уничтожено жилых 41,2 38- 2 — 7,3% квартир или комнат, тыс. ед. в городах 14,1 14,2 0,8% в сельской мест. 27,1 24,0 — 11,4%.
Количество унич- 5,9 7,7 29,7% тоженной техники, тыс. ед. в городах 4,4 49,1% в сельской мест. ^ f 9 3,2 11,7%.
Количество погиб- 41,9 41,2 — 1,6% шего скота, тыс. гол. в городах 5,9 5,8 — 1,7% в сельской мест. 36,0 35,3 — 0,8%.
Спасено мат. цен- 775,8 10 931,1 вырос в 14,1 раза ностеи, млрд. р. в городах 495,8 8677,1 в сельской мест. 278,1 2233,8 в 17,7 в 8,0.
Таблица 3.
Относительные показатели обстановки с пожарами в РФ за 1990;96 г. г.
Показатель 1992 1993 1994 1995 1996.
Количество (П) на 2180 2200 2100 2070 1976.
1 млн. населения в городах 2000 2200 2100 2010 в сельской мест. 2410 2400 2300 2236.
Прямой мат. ущерб 1178,0 1440,0 1016,0 3021,6 10 330 от 1-го (П), тыс.р. в городах 782,0 1730,0 797,0 1 f в сельской мест. 1966,0 703,0 1542, 0 4850, 0 —.
Показатель 1992 1993 1994 1995 1996.
Количество погиб- 69 92 105 105 52 ших при (П), на.
1 млн, населения в городах 50 70 84 85 — в сельской мест. 120 154 164 160.
Количество травм 65 77 81 95 при (П) на 1 млн. населения, чел. в городах 60 73 78 92 — в сельской мест. 78 90 91 102 —.
Таблица 4.
Динамика относительных показателей обстановки с пожарами в Российской Федерации за 1994;95 г. г.
Показатель 1994 1995 + или — к 1994 г. в %.
Количество (П) на 1 млн. населения в городах в сельской мест.
Прямой мат. ущерб от 1-го (П), тыс.р. в городах в сельской мест.
Количество погибших при (П), на 1 млн. населения в городах в сельской мест.
Количество травм при (П) на 1 млн. населения, чел. в городах в сельской мест.
Число погибших при П людей, на 1000 П, чел. в городах в сельской мест.
2100 2070 — 1.4%.
2100 2010 — 4,3%.
2300 2236 — 2,8%.
1016,0 3021,6 вырос в 3,0.
797,0 2244,2 в 2,8.
1542,0 4850,0 в 3,1.
105 105 — 0,2%.
84 85 1,6%.
164 160 — 5,0%.
81 95 17,3%.
78 92 18,3%.
91 102 11,9%.
48 51 5,4%.
39 42 8,9%.
71 70 — 1,8%.
Показатель 1994 1995 + или — к 1994 г. в %.
Прямой мат. ущерб на 2,0 на 1 чел., тыс. р. в городах 1,5 в сельской мест. 3,3.
6,3 вырос в 3,2 раза.
4,5 10,8 в в.
3, О 3,3.
Таблица 5.
Причины возникновения пожаров в РФ за 1990;94 г. Р.
Причины Количество пожаров, ед. Погибло, чел.
1990 1991 1992 1993 1994.
Поджог 9565 206 11 886 263 19 858 387 23 062 538 23 344 522.
Неисправность и 4687 нарушение правил 32 экспл. технологического оборудования 4941 42 4334 50 4426 -48 3788 39.
Нарушение правил экспл. электрооб. и бытовых электроприборов 66 176 1334 72 183 1651 67 034 1972 66 456 2876 67 242 3434.
Констр. недостатки и нарушение правил экспл. печного оборудования. 23 702. 671 27 398 651 24 638 771 27 717 1163 27 909 1404.
Неосторожное обращение с огнем 127 355 2960 129 152 3251 128 175 4969 139 862 6733 139 888 8204.
Шалость детей с огнем 34 604 572 36 083 515 34 220 469 37 817 622 32 787 503.
Неустановленные причины 8216 260 8668 313 10 034 415 10 503 486 8660 486.
На сельскохозяйственных объектах защиты в РФ в 1993 и 1994 г. г. произошло 19 854 и 18 969 пожаров, при которых погибли 834 и 787 человек соответственно.
В 1992 г. по РФ на 11.08.9'2 произошло 18 277 пожаров в лесах и на торфопредприятиях. Огнем повреждено 874 184 га. Наиболее пожароопасная зона расположена в пределах «Золотого кольца» /7/.
Пожары причиняют существенный ущерб экономике, составляющий в среднем 0,25% годового национального дохода.
Таблица 6.
Данные о пожарах по России за 1995 г.
Причина пожара Сельхоз техника кол-во пожаров погибло людей травмы людей ущерб, млн. руб.
Установленные поджоги.
Неиспр. производств, оборудования, нарушение технолог, регл. (всего) Вт. ч.:
Недост. констр. оборуд-я Нарушение технологического регламента Разряд статического эл-ва Разрушение движ. узлов Неиспр. сист. охлаждения и трение.
Неисправность, отсутствие скрогасителя рочие причины по оборуд-ю п.
Нарушение ПУЭ электрооборудования (всего) Вт. ч.:
Недост. констр. и изготовления эл. оборуд-я НППБ монтажа эл. оборуд-я НППБ экспл. эл. оборуд-я НППБ экспл. бытовых эл. приборов.
НППБ электрогазосварочных работ.
Самовозгорание вещ. и матер. НПУЭ теплогенер. установок.
19 175.
15 7.
1 65 23.
18 118 1.
9 2.
3 3 1 2.
314,4 926,4.
206,9 206, 9.
1, 3 258, 8 50, 2.
25,1.
277, 6.
1624,1.
382,7.
230,7 1010,7.
16,1 11.8.
Причина пожара Сельхоз техника кол-во пожаров погибло людей травмы людей ущерб, млн. руб.
Неосторожное обращение с 39 огнем.
Вт. ч.:
При курении 8.
НППБ при проведении огне- 1 вых работ.
Прочие причины по этой гр. 22.
Неосторожное обращение 8 детей с огнем.
Грозовые разряды 1.
Неустановленные причины 1.
Прочие Причины 53.
ВСЕГО 482.
2 1 1 5.
180,7.
8.3.
2.4.
137,2 32.9.
7,0 22. 0 449, 1 3578.7.
В Германии ежегодно происходит до 8000 пожаров и промышленных аварий. Сумма страховых выплат составляла около 5 млрд. марок, а ущерб около 3,5 млрд. марок /8/.
По США общее число пожаров в 1979 и в 1985 годах — 2700 и 2300 и на 1 тыс. жителей — 13,2 и 9,68 соответственно. Ущерб от 1 пожара — 37,3 $ и 38,3 $. Травмировано на 1 млн. жителей. — 408 и 463. Общее число жертв — 7800 и 6200, что на 1 млн. жителей составляет — 34, 8 и 26,1. Погибших попарных — 137 и 117 /9/. Риск гибели пожарных в США составляет 0,68 в течении года (68 на 100 ООО челоиек) при риске травматизма 0,1 /10/.
Вероятностный, неуправляемый и непрогнозируемый характер пожаров усиливает их неблагоприятное воздействие на экономику.
В США после пожаров прекращают существование 43% предприятий, 28% - восстанавливаются в течение 3 лет и продолжают функционировать только 23%. В 1989 после пожаров прекратили существование 2500 фирм и предприятий /11/.
В РФ в сельской местности происходит 55% пожаров и причиняется до 60% ущерба. Гибнут на пожарах объектов АПК до 5 тыс. человек ежегодно. 60% хозяйств АПК не имеют пожарных машин, а в боевых расчетах других — по 1 или 2 человека и они прибывают на пожар через час. Если в городах среднее время сообщения о пожаре, время ликвидации пожара и рост площади пожара с момента прибытия подразделения составляют соответственно: 10 мин., 8мин., 1,6 ч. и 28%, — то в сельской местности они соответственно составляют: более 20 мин., 20 мин., 3 ч. и 300% /12/. Данные сообщения /12/ мало отличаются от представленных в таблице 7 показателей оперативного реагирования и тушения пожаров в РФ за 199С-94 г. г.
Таблица 7.
Показатели оперативного реагирования и тушения пожаров в РФ за 1990;94 г. г.
Показатель. 1990 1991 1992 1993 1994.
Среднее время 9,73 прибытия 1-го пожарного подразделения, мин. в городах 7,76 в сельской мест. 15,41.
Среднее время 40,49 тушения, мин. в городах 29,74 в сельской мест. 71,34.
9,83 9,67 9,79 10,57.
7,86 1.5,22 7,66 15,41 7,68 16,73 7,87 10, 43.
42,96 47,00 52, 24 54,34.
31,41 74,64 33,98 84,06 38,80 96,27 39.47 97', Т8.
Наиболее критическое положение сложилось в отраслях пищевой и перерабатывающей промышленности, где на некоторых предприятиях России физический износ средств производства превышает 90% /13/.
Большой ущерб экономике причиняют взрывы. В таблице N 8 сообщаются данные только о той части взрывов, которым сопутствовали пожары и которые учитывались, как источник зажигания, послуживший причиной возникновения пожара /5/. Значительная часть взрывов., как следует из таблицы N 9, приходится на долю пылей сельскохозяйственных продуктов1, включая продукты предприятий по хранению и переработке зерна /14, 15/. За десятилетия 1971;1980 г. г. и 1981;1990 г. г. на этих предприятиях произошло соответственно 82 и ИЗ взрывов / 15 /. Из них: 20 и 30 взрывов на элеваторах- 15 и 18 — на мукомольных заводах- 33 и 40 — на комбикормовых заводах* включая 2 и 4 взрыва в вагонах. Надзор за предприятиями хлебопродуктов осуществляется Госгортехнадзором России, как и надзор за горными предприятиями, предприятиями химической и нефтехимической промышленности и взрывоопасными предприятиями других отраслей народного хозяйства. Взрывоопасность и пожарная опасность объектов АПК обусловлена взрывоопасными и пожароопасными свойствами сельскохозяйственных продуктов и продуктов их переработки, а также свойствами способных загораться и гореть в кислороде воздуха веществ и материалов в разнообразных агрегатных состояниях: включая газы (водород — в помещениях зарядных станций аккумулятороввыделения, сопутствующие процессам самовозгорания и т. п.), жидкости (горюче-смазочные материалы, легковоспламеняющиеся жидкости, включая экстрагенты, масла и т. п.), пыли, волокна, аэродисперс’ные системы и твердые материалы (строительные, конструкционные, теплоизолирующие, электроизоляционные и др.).
Данные о процессах, при которых происходили взрывы пылей, представлены в таблице N 10 /14 /.
Эффективная техническая политика, обеспечившая монотонное снижение общего ежегодного числа взрывов и пожаров, проводится в США, где с 1979 г. по 1985 г. в тыс. раз возросло число применяемых дымовых извещатёлей, где приоритетное место отводлтся профилактике взрывов и пожаров, а в пожаротушении — автоматическим и принципиально новым системам / 9 /.
Таблица N 8.
Число пожаров, возникших вследствие взрывов на объектах промышленного и селькохозяйственного назначения N 1 Объекты ! По СССР: ПО РФ Г п/п. ————————————————- 1990. 1991. 1990. 1991 .
1 Здания производственного назначения 62 60 33 39.
2 В т.ч. цеха, фабрики, заводы, комбинаты 31 23 14 16.
3 Склады производственных предприятий 4 4 2 1.
4 Склады, базы, торговые помещения 5 6 2 4.
5 Сельскохозяйственные объекты 14 14 9 9.
6 В т.ч. животноводческие помещения г 1 ;
7 Всего 620 627 301 342.
Высокая результативность Профилактики подтверждается и российской практикой. Так эффективность пожарно-профилактической и надзорной работы только ГПН оценивается количественно следующими показателями: ежегодно по РФ предотвращается до 1,8 млн. пожаров с возможным ущербом до 7,5 млрд руб., с гибелью до 8 тыс. человек и с травмированием до 80 тыс. человек /12/.
И все же в России наблюдается рост потерь от пожаров, что свидетельствует о нерациональности проводимой в настоящее время политики обеспечения пожарной безопасности /И/. Основу ее правового обеспечения составляет действующая централизованная система норм пожарной безопасности и взрывобезопасности.
Таблица N 9.
Данные о взрывах пылей некоторых продуктов /9/.
Пылеобразующие продукты Число взрывов Число жертв.
Неорганические реактивы 29 37.
Металлы 49 160.
Сельскохозяйственные продукты 42 ИЗ.
Синтетические продукты 31 51.
Органические химические реактивы 42 72.
Волокна 19 74.
Другие 1 4.
Всего 225 562.
Таблица N10.
Данные о процессах, при которых происходили взрывы пылей /9/.
Процесс Количество взрывов Доля в %.
Измельчение 49 21,8.
Уборка пыли, аспирация 49 21,8.
Сушка 32 14,2.
Транспортирование 24 10,7.
Хранение 17 7,5.
Камеры сжигания 3 1,3.
Другие 51 22,7.
Всего 225 100,0.
Наряду с преимуществами есть у централизованной системы норм и существенные недостатки: избыточность и консервативность и недостаточная гибкость применительно к региональным и местным условиям. Действующую централизованную систему норм пожарной безопасности и взрывобезопасности составляют: СНиП, ОНТП, ВСН и ВНТП — 418, ГОСТ, ОСТ и т. п. — 992.
Оборудование объектов системами пожарной защиты снижает ущерб от пожаров на 40%. Уровень затрат на системы пожарной защиты в РФ в 4 раза ниже, чем в развитых странах мира /11/.
В развитых странах эффективность средств обнаружения и тушения пожаров достигает 96%, в РФ — 40%, а по противодымной защите — 20% /11/.
Поэтому для России особенно большое значение приобретает состояние профилактики источников зажигания, являющихся причиной возникновения взрывов и пожаров, что свидетельствует об актуальности темы диссертационной работы и об актуальности исследований и разработок, выполненных в ее рамках.
Целью работы является обеспечение взрывопожаробезопасности источников зажигания на объектах перерабатывающих предприятий АПК путем ограничения риска воспламенения горючих веществ и материалов.
Общей задачей исследования является обоснование критериев взрывопожаробезопасности источников зажигания, способных приводить к формированию элементарных самораспространяющихся пламен горючих веществ и материалов на объектах перерабатывающих предприятий АПК.
В соответствий с поставленной целью и задачами исследования автором внесено следующее:
— Предложен способ испытания зажигаемости в среде воздуха в условиях нормальной атмосферы всей совокупности (газообразных, жидких, твердых, пылеобразных, дисперсных) веществ и материалов, включая обращающиеся или применяемые на объектах перерабатывающих предприятий АПК. Способ позволяет получать однородные первичные данные, характеризующие зажигающее воздействие однотипно аппаратурно оформленных испытательных установок.
— Обоснованы алгоритмы, позволяющие производить вычисления бессчетного числа значений физических величин, соответствующих свойствам элементарных самораспространяющихся пламен и условиям их возникновения при зажигании объектов испытания, включая аналоги номенклатурных показателей пожаровзрывоопаоных свойств веществ и материалов и показатели, ранее не определявшиеся, но экономичные и оптимизирующие инженерные решения по профилактике вероятных источников зажигания.
— Установлены значения ряда ранее не определявшихся величин, включая: среднеобъёмную плотность мощности элементарных самораспространяющихся пламен, минимальную мощность зажигания, минимальную линейную мощность зажигания и т. п.
— Способ и вычислительные алгоритмы апробированы на объектах испытания, включающих вещества зерноперерабатывающих предприятий АПК и теплоизолирующие полимерные материалы.
— Выполнена рвзработка принципов построения общей системы электростатической искробезопасности (ЭСИБ), завершившаяся включением в действующую систему Государственных стандартов. Система электростатической искробезопасности обоснована разносторонними комплексными исследованиями условий электризации, условий возникновения и зажигающей способности разрядов статического электричества и чувствительности веществ и материалов к их зажигающему воздействию.
— В разработанной системе электростатической искробезопасности реализована, обоснованная общей частью исследований, трёхмерная система показателей чувствительности веществ к зажигающему воздействию разрядов статического электричества и критериев электростатической искробезопасности.
— На основе контактного механизма электризации предложена и экспериментально подтверждена модель расчета плотности тока электризации поверхностей оборудования, согласно которой плотность тока электризации выражается произведением приходящейся на единицу площади электризуемой поЕ'.ерхности обновляющейся за единицу времени суммарной площади контактов (двухфазного транспортного потока или взаимодействующего твердого тела) на плотность зарядов на площади единичного разделяемого контакта.
— Выявлены основные параметры электроконтактных свойств взаимодействующих материалов и разработаны оригинальные методы определения: плотности зарядов на площади контактного пятна (б) — истинной плотности зарядов, соответствующей механизму контактной электризации (б0) — коэффициента поляризации частиц транспортного двухфазного (газ — твердая фаза) потока (а) — коэффициента генерирования (эе) — равновесной напряженности электростатического поля двухфазного потока (Е0) и напряженности начала отрыва дисперсных частиц от поверхности под воздействием внешнего электростатического поля (Ен).
— Показано, что предельные параметры, характеризующие процессы электризации, обусловлены электрофизическими свойствами газовой среды или материалов электризующихся поверхностей, включая:
— электрическую прочность (Епр);
— поверхностную плотность зарядов (бпр), соответствующую электрической прочности;
— плотность тока электризации (Зпр), соответствующую электрической прочности;
— объемную плотность энергии (Шпр) или мощности Шпр), соответствующие электрической прочности;
— собственное время релаксации электрических зарядов (х);
— относительную диэлектрическую проницаемость (е) и.
— удельные (объемное и поверхностное) электрические сопротивления (ру И р8).
— Выявлены и экспериментально подтверждены условия возникновения скользящих искровых разрядов на электризующихся диэлектрических поверхностях и условия зажигания ими горючих сред. Своевременное внесение результатов данных исследований в нормы позволило предупредить аварии и нежелательные проявления процессов электризации при применении неметаллических конструкционных материалов в аппаратах и оборудовании, включая применяемые на предприятиях АПК.
— Разработаны инженерные методы установления допустимости возникновения разрядов статического электричества в смесях горючих с воздухом, реализующие е-ыявленную и определяющуюся свойствами воздуха зависимость зажигающей способности разрядов: от радиуса кривизны электрода (И), на который происходит разрядот начальной напряженности (Е0) у его поверхности и от максимального потенциала электростатического поля (Ум), достаточных для возникновения разряда на электрод с радиусом Кот статистически характерных для данных разрядов значений параметров импульсов тока (заряд в импульсе тока д, максимальный ток, 1 м, крутизна переднего фронта, длительность, частота следования импульсов) — от характерного размера (Ь) и знака зарядов наэлектризованной диэлектрической поверхностиот расстояния до заряженной диэлектрической поверхности и от ее характерного размера, ограниченного заземленным электропроводящим контуром или полостью, образованной электропроводящими заземленными стенками.
— Разработаны положения, включенные в стандарты, нормы и правила, относящиеся к установлению соответствия аппаратов и оборудования с неметаллическими материалами требованиям электростатической искробезопасности. Показана допустимость применения труб из стекла 13 В, «Сиал» и «Симакс» в линиях самотечного транспорта предприятий по хранению и переработке зерна.
— Выполнен комплекс исследований, обеспечивших получение данных, характеризующих электростатические и электроконтактные свойства, а также чувствительность к зажигающему воздействию разрядов статического электричества основных веществ и продуктов предприятий по Хранению и переработке зерна и разработана отраслевая инструкция по обеспечению электростатической искробезопасности на данных предприятиях.
— Разработаны способы испытания и аналитической оценки пожарной опасности тепловыделения в электрических цепях с аварийными контактными переходами и зажигающей способности выхлопов, образующихся при прерывании электрического тока размыкаемыми контактами коммутирующих аппаратов.
Совокупность перечисленных положений служит обобщенным научным методическим обоснованием обеспечения взрывопожаробезо-пасности источников зажигания, включая источники зажига гия, проявляющиеся на объектах перерабатывающих предприятий АПК, путём ограничения риска воспламенения горючих веществ и материалов, что является значительным вкладом в ускорение научно-технического прогресса.
На защиту выносится:
1. Обоснование универсальной системы обеспечения взрывопожаро-безопасности источников зажигания, способных приводить к риску возникновения элементарных самораспространяющихся пламен, основанной на установлении трех базовых характеристик зажига-емости в кислороде воздуха газообразных, жидких, диспергированных и твердых веществ и материалов, включая обращающиеся на объектах АПК.
2. Способ определения показателей пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов по соотношению трех базовых значений мощности тепловыделения, приводящих к зажиганию исследуемой среды каждым из трех, последовательно размещаемых в ней источников зажигания, представленных в описании, содержащемся в тексте данной работы.
3. Обоснование достаточности данных о значениях трёх базовых характеристик зажигаемости для определения путем вычисления или путем применения методов классификации открытого множества критериев безопасности вероятных источников зажигания или значений величин, являющихся аналогами номенклатурных показателей пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов, и тех, которые ранее не определялись, но могут потребоваться в дальнейшем или повышают экономичность, обоснованность и оперативность принимаемых инженерных решений.
4. Алгоритмы, позволяющие производить вычисления значений физических величин, соответствующих свойствам элементарных самораспространяющихся пламён и условиям их возникновения.
5. Методика определения ряда ранее не определявшихся показателей, включая среднеобъёмную плотность мощности элементарных пламён, минимальную мощность зажигания и минимальную линейную мощность зажигания, и определение значений этих величин по результатам испытания основных продуктов зерноперерабатывающих предприятий АПК.
6. Общая система электростатической искробезопасности и результаты исследований условий электризации, условий возникновения и зажигающей способности разрядов статического электричества и чувствительности веществ и материалов к их зажигающему воздействию.
7. Применение в общей системе электростатической искробезопасности двух физических границ, определяющих условия возникновения разрядов статического электричества в газах (в воздухе") и в сильных полях, соответствующих электрической прочности твердых или жидких диэлектрических технологических, строительных или электротехнических материалов, и определение трёх инженерных направлений в обеспечении электростатической искробезопасности объектов защиты.
8. Применение в разработанной системе электростатической искробезопасности трёхмерной системы показателей чувствительности веществ к зажигающему воздействию разрядов статического электричества и критериев электростатической искробезопасности.
9. Разработанная на основе контактного механизма электризации модель расчета плотности тока электризации поверхностей оборудования, согласно которой плотность тока электризации выражается. произведением приходящейся на единицу площади электризуемой поверхности суммарной обновляющейся за единицу времени суммарной площади контактов (двухфазного транспортного потока или взаимодействующего твердого тела) на плотность зарядо-з на площади единичного разделяемого контакта.
10. Методы определения: плотности зарядов на площади контактного пятнаистинной плотности зарядов, соответствующей механизму контактной электризациикоэффициента поляризации частиц транспортного двухфазного (газ — твердая фаза) потокакоэффициента генерированияравновесной напряженности электростатического поля двухфазного потока и напряженности начала отрыва дисперсных частиц от поверхности под воздействием внешнего электростатического поля.
И. Перечень показателей, характеризующих предельные параметры процессов электризации, обусловленное электрофизическими свойствами газовой среды или материалов электризующихся поверхностей, включая: электрическую прочиесть (Епр) — поверхностную плотность зарядов (6пр), соответстЕующую электрической прочностиплотность тока электризации (ЗпрК соответствующую электрической прочностиобъемную плотность энергии (1пр) или мощности ДОпр), соответствующие электрической прочностисобственное время релаксации электричек их зарядов (т) — относительную диэлектрическую проницаемость (е) и удельные (объемное и поверхностное) электрические сопрстивления (ру и ра).
12. Установление и экспериментальное подтверждение условий возникновения скользящих искровых разрядов на электризующихся диэлектрических поверхностях и услоеий зажигания ими горючих сред с целью разработки инженерных методов определения допустимых областей применения неметаллических конструкционных материалов в аппаратах и оборудовании, включая применяемые на предприятиях АПК.
13. Зависимости зажигающей способности разрядов статического электричества в смесях горючих с воздухом: от радиуса кривизны электрода (Ю, на который происходит разрядот начальной напряженности (Е0) у его поверхности и от максимального потенциала электростатического поля (Ум), достаточных для возникновения разряда на электрод с радиусом йот статистически характерных для данных разрядов значений параметров импульсов тока (заряд в импульсе тока ц, максимальный ток крутизна переднего фронта, длительность, частота следования импульсов) — от характерного размера (Ь) и знака зарядов наэлектризованной диэлектрической поверхностиот расстояния до заряженной. диэлектрической поверхности и от ее характерного размера, ограниченного заземленным электропроводящим контуром или полостью, образованной электропроводящими заземленными стенками ([).
14. Результаты исследований, обеспечивших получение данных, характеризующих ¡-электростатические и электроконтактные свойства, а также чувствительность к зажигающему воздействию разрядов статического электричества основных веществ и продуктов предприятий по хранению и переработке зерна.
15. Способы испытания и аналитической оценки пожарной опасности тепловыделения в электрических цепях с аварийными контактными переходами и зажигающей способности выхлопов, образующихся при прерывании электрического тока размыкаемыми контактами коммутирующих аппаратов.
Предупреждение возникновения взрывов и пожаров включает применение системы справочных и стандартных данных о показателях пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов /16−23/ и систем обеспечения пожаровзрывобезопасности вероятных источников зажигания. Так сложились и действуют требования, направленные на обеспечение Пожаровзрывобезопасности статического электричества /3, 4, 24−50/, электрических цепей и источников зажигания, связанных с их применением /51- 73/, а также с применением токов высокой частоты, электромагнитных полей /74−75/ и электронно-ионных технологий /76/.
Значения показателей, определяемые экспериментально, составляют замкнутое множество данных. Материальные возможности расширения их номенклатуры, количества методов и установок для их экспериментального определения ограничены. В то же время, практическая заинтересованность в определении все новых дополнительных показателей, оптимизирующих экономические возможности обеспечения пожаровзрывобезопасности источников зажигания, не исчезнет.
В этой связи представляется актуальной постановка задачи об определении минимального множества первичных экспериментальных данных, достаточного для формулировки критериев пожаровзрывобезопасности ряда вышеупомянутых источников зажигания.
Способ, основанный на последовательном испытании горючего вещества тремя источниками зажигания /58, 77,78/, можно рассматривать как иллюстрацию поиска одного из перспективных направлений проведения исследований и разработок на пути к её решению. Показано, что применение трёх источников зажигания позволяет определить три первичных значения мощности зажигания испытуемого образца, составляющее минимальное замкнутое множество данных, несущих информацию об открытом поддающемся расчету множестве параметров, соответствующих свойствам пламени в оптимальных для возникновения горения условиях.
В качестве примера реализации данного способа /58, 777 в приложении 1 представлена методика испытания аэровзвесей горючих пылей и значения ряда параметров, характеризующих пожаро-взрывоопасные свойства продуктов предприятий по хранению и переработке зерна.
В соответствии с данным способом испытывались также твердые теплоизоляционные материалы, предназначенные для применения в сочетании с системами электроподогрева потоков в трубах / 78 /.
Способ применим для испытания всей совокупности горючих веществ, материалов и изделий. На его основе могут определяться однородные первичные данные с применением однотипного аппаратурного оформления установок, предназначенных для испытания горючих в их разнообразных агрегатных состояниях и в различных сочетаниях агрегатных состояний.
Применение способа позволило находить значения ранее не определявшихся параметров: среднеобъемной мощности элементарного пламени, возникающего при зажигании образцаминимальную мощность зажигания и минимальную линейную мощность зажигания. Показана возможность применения найденного вычислительного алгоритма для составления систем уравнений, обеспечивающих выполнение расчета бессчетного числа параметров, включая аналогичные номенклатурным /21, 22/, и других.
Представляется перспективным проведение апробации данного принципа расчетов (вычислительного алгоритма) на основе данных о категориях и группах взрыВоопасности смесей горючих газов и паров горючих жидкостей с воздухом /51−56/. При таких расчетах должна приниматься во внимание аналогичная изобретенному способу трёхмерность признанной мировым сообществом и применяемой во многих странах существующей системы категори-рования. Так помимо табличных данных (категория взрывоопасно-сти или безопасный экспериментальный максимальный зазор и группа взрывоопасности или температура самовоспламенения) горючей смеси в составляемых системах уравнений должен учитываться и геометрический параметр колбы, применяемой для определения стандартной температуры самовоспламенения.
Аналогично физическим принципам построения систем единиц, где пространство, время и масса составляют группу простых размерностей (СИ — м, с, кгССБ — см, с, гтехническая — м, с, кГ и др.), достаточную для построения размерностей других физических единиц, трехмерно подлежащее внедрению в системах норм пожаровзрывобезопасности источников зажигания математическое пространство показателей пожаровзрывоопасных свойств горючих веществ и материалов.
Найденный общий подход к построению систем пожаровзрывобезопасности источников зажигания нашел внедрение в построении системы электростатической искробезопасности (ЭСИБ) /50х и в обеспечении безопасности источников зажигания, характерных для цепей с электрическими контактами /3, 79−86/.
Новизной отличается комплекс исследований в направлениях изучения явлений и процессов электризации, условий возникновения и характерных особенностей различных видов разрядов статического электричества в воздухе, изучения зажигания ими горючих и разработки методов определений параметров пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов и критериев электростатической искробезопасности / 24−50 /.
Результаты выполненных работ дают возможность применения накопленного опыта обеспечения ЭСИБ в разнообразных формах стандартизации и отраслевого нормирования, включая разработку технологических регламентов, проектирование и эксплуатацию производств, производство монтажных и строительных работ, а также сертификацию продукции. Они нашли отражение в системе стандартизации, в ГОСТ 12.1.004, ГОСТ 12.1.010, ГОСТ 12.1.017, ГОСТ 12.1.018, ГОСТ Р 12.1.018, ГОСТ 12.1.041, ГОСТ 12.1.044 и в других Государственных и отраслевых стандартах, нормах и правилах, а также будут полезны при обосновании постановки ряда проблем, заслуживающих дальнейшего исследования.
В приложении 2 представлена отраслевая инструкция по обеспечению ЭСИБ оборудования предприятий по хранению и переработке зерна.
Проведение исследований по обеспечению пожарной безопасности электрических контактов строилось на основе анализа особенностей источников зажигания, характерных для разборных и разъемных контактных соединений и коммутирующих контактов, входящих в состав электроустановочных устройств (штепсельных соединений, вилок, розеток, удлинителей и т. д.), электрических аппаратов и электрических машин. Учтены результаты ранее проведенных исследований, состояние внедрения междунарЬдных и государственных стандартов на определение показателей электротехнической продукции и изделий электронной техники и на применение в испытаниях на пожарную опасность специфичных источников зажигания: токов утечки, пламен, раскаленной петли и накальных элементов, имитирующих тепловыделение плохого контакта в винтовом контактном соединении электрической цепи.
Научная новизна полученных результатов исследований относится к разработке способа /85/ установления зависящих от температуры и свойств образующих контакт материалов значений падения напряжения на аварийных и соответствующих состоянию плохого контакта контактных переходах и к применению определяемых значений в аналитических методах оценки тепловыделения в электрических цепях с плохим контактом и в экспериментальных методах исследования пожарной опасности изделий.
Предложен также способ /86/, позволяющий в процессе испытания коммутирующих аппаратов соЕ-местить определение границ возникающей при прерывании тока в электрической цепи зоны ионизации с определением зажигающего воздействия теплового импульса выхлопа.
Таблица установленных согласно способу /8.5/ значений падения напряжения на контактах, образованных различными сочетаниями соприкасающихся поверхностей контакт-деталей из алюминия, графита, латуни, меди и стали включена в редакцию ГОСТа 12.1.004−91.
В приложении 3 представлены титульные листы ряда стандартов, в которых нашли внедрение отдельные результаты выполненных исследований.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
1. Требования по предупреждению опасных проявлений ряда источников зажигания (в электрических цепях, в процессах электризации, прй применении электронноионной технологии или токов высокой частоты, при вторичных проявлениях молнии, при воздействии электромагнитных полей и т. п.) опираются на метод определения безопасного экспериментального максимального зазора (БЭМЗ). Применяемые для определения БЭМЗ устройства претерпели ряд модификаций и возможности их дальнейшего существенного совершенствования на принципе прямого инструментального определения БЭМЗ исчерпаны. Поэтому проблема поиска альтернативного принципа инструментального исследования зажигаемостй горючих веществ и материалов актуальна.
2. Обоснованное в настоящей работе применение для определения пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов принципа вариации теплового поля (электрического тока) накальных элементов взамен механических перемещений при определении безопасного экспериментального зазора (БЭМЗ) между плоскопараллельными фланцами по ГОСТ 12.1.011 (МЭК 79−1а (1975)), позволит распространить на все горючие вещества и материалы, способные гореть пламенем в среде воздуха, включая вещества и материалы, определяющие взрывои пожароопасность объектов АПК, принципы обеспечения взрывопожаробезопасности источников зажигания, сложившиеся в международной системе стандартизации и применяемые только для смесей горючих газов и паров горючих жидкостей с воздухом.
3. Показано, что применяемая по ГОСТ 12.1.011 (МЭК 79−1а (1975)) система обеспечения взрывопожаробезопасности источников зажигания, трехмерна. Трехмерной является и предложенная в данной работе систека, основанная на испытании веществ и материалов тремя накальными источниками зажигания и на применении разработанных алгоритмов. Предложенная система обеспечивает возможность вычисления открытого множества параметров пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов и критериев безопасности вероятных источников зажигания, соответствующих свойствам и условиям формирования в среде воздуха элементарных самораспространяющихся пламен.
4. Разработанная научно-техническая концепция обеспечения взрывопожаробезопасности вероятных источников зажигания учитывает, что зажигание происходит в среде воздуха. Воздух является материальным носителем множества физических характеристик, выражающих параметры пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов, свойств источников зажигания и критериев безопасности. Проведение и результаты выполненных исследований, нацеленных на установление характерных для воздуха закономерных взаимосвязей различных физических величин, проявляющихся в условиях и в процессах зажигания и формирования элементарных самораспространяющихся пламен, позволяют оптимизировать систему испытаний при определении пожаровзрывоопасных свойств веществ и материалов, расширить число определяемых показателей и спектр инженерных решений, направленных на обеспечение пожа-ровзрывобезопасности вероятных источников зажигания.
5. Найденный общий подход к построению систем пожаро-взрывобезопасности источников зажигания позволил разработать систему электростатической искробезопасности (ЭСИБ) и нашел внедрение в обеспечение безопасности источников зажигания, характерных для цепей с электрическими контактами.
6. Выполненный комплекс экспериментальных и теоретических исследований процессов электризации, определяющих условия возникновения разрядов статического электричества, позволил свести расчет или измерение тока электризации в полном замкнутом контуре, состоящем из ряда звеньев, к его расчету или измерению в одном из звеньев. В конечном результате были разработаны и апробированы методы расчета и измерения тока электризации и параметров электроконтактных свойств веществ и материалов, включая вещества и материалы предприятий АПК.
7. В нормировании по обеспечению) электростатической искро-безопасности стало возможным учитывать установленные в настоящей работе предельные значения параметров процессов электризации в среде воздуха. Параметры электропрочностных свойств материалов составляют кольцо значений, включая:
Епр — бпр «Зпр — Мупр — №упр ' р) •.
Электрической прочности воздуха в условиях международной стандартной атмосферы на уровне моря соответствуют значения: Епр = 3000 кВ/мбпр = 26,4 мкКл/м2- Зпр = 100 мкА/м2- т = 0, 26 с- ¥-упр = 40 Дж/м3- Мупр = 300 Вт/м3.
8. В результате обоснования введения в систему электростатической искробезопасности (ЭСИБ) двух физических границ, определяющих условия возникновения электрических разрядов в Воздухе и условия пробоя твердых диэлектриков, стала возможной разработка трех уровней требований электростатической искробезопасности, направленных: на условное предотвращение разрядов в воздухе (1), на предотвращение разрядов в сильных электрических 110лях и предупреждение зажигания горючих сред, разрядами, возникающими в воздухе (2) и на предупреждение зажигания горючих сред разрядами" возникающими в сильных электрических полях (3).
9. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования условий возникновения и характеристик разрядов статического электричества в системе «земля — заряженная поверхность диска — сферический заземленный электрод» послужили обоснованием введения в применение ряда критериев электростатической искробезопасности и основой разработки системы предупреждения зажигания горючих сред разрядами статического электричества, возникающими в воздухе. Полноте перечня и обоснованию границ применимости предложенных критериев способствовало исследование единства взаимосвязей: напряжённости и потенциалов электростатических полейпараметров импульсов напряжения, моделирующих удаление заряженной поверхности от заземленной плоскости (включая максимальный потенциал и крутизну переднего фронта) — скорости перемещения и положения поверхности в момент возникновения разрядовзначений напряженности у поверхности сферических электродов, предшествующей возникновению разрядов (Ео н = Г (Ю) — значений максимального тока и крутизны передних фронтов в разрядных импульсах токасобственной частоты следования импульсов токапараметров статистических распределений значений заряда в разрядных импульсах и их зажигающего воздействия на среды с энергией зажигания от 0,002 мДж до 40 мДж для электродов с радиусом кривизны поверхности от 0, 05 мм до 35 мм.
10. Данные теоретические и экспериментальные исследования позволили обосновать общие для смесей горючих субстанций с воздухом критерии электростатической искробезопасности. Основой проведения исследований послужила предложенная автором физическая модель разрядов статического электричества, возникающих в воздухе (или в смесях горючих субстанций с воздухом). Учтено, что существуют ассиметричные по отношению к полярности разрядного электрода и обусловленные свойствами воздуха зависимости их зажигающей способности: от заряда в единичном импульсе разрядного тока или линейной плотности энергии в структурном разрядном образованиирадиуса кривизны разрядного электрода и соответствующей ему напряженности возникновения разрядамаксимального потенциала электростатического поля и (или) от геометрических параметров зоны ионизации вероятного разряда.
Показано, что любой из данных параметров может оказаться определяющим (ограничивающим) максимальную зажигающую способность вероятных разрядов.
В выполненной работе вышеперечисленные характеристики установлены и представлены для положительного разрядного электрода.
11. Результаты выполненных работ нашли применение в равно-образных формах стандартизации и нормирования, включая разработку технологических регламентов, проектирование и эксплуатацию производств, производство монтажных и строительных работ, а также сертификацию продукции. Они нашли отражение в системе стандартизации, в ГОСТ 12.1.004, ГОСТ 12.1.010, ГОСТ 12.1.017, ГОСТ 12.1.018, ГОСТ Р 12.1.018, ГОСТ 12.1.041, ГОСТ 12.1.04 и в других Государственных и отраслевых стандартах, правилах.
12. Разработанный научно-методический подход к проблеме обеспечения взрывопожаробезопаености объектов перерабатывающих предприятий АПК путем ограничения риска воспламенения горючих веществ и материалов целесообразно внедрять в практику: определения показателей пожаровзрывоопасных свойств веществ и материаловопределения категорий и групп взрывоопасности гомогенных и гетерогенных смесей в пределах воспламененияпри разработке стандартов, норм и технической документации, отражающей требования, технические решения и вопросы сертификации продукции и производств, взаимосвязанные с обеспечением электростатической искробезопасности и безопасности других источников зажигания электрической природы, характерных для электронноионных технологий, токов высокой частоты, для объектов, подвергающихся воздействию электромагнитных полей и т. п. нормах и.
