Zagrożenie wybuchem - informacje ogólne źródło: opracowanie "Dobór urządzeń przystosowanych do pracy w atmosferze wybuchowej", dr inż. WOJCIECH DOMAŃSKI (CIOP-PIB), 2008

Aby nastąpił pożar lub wybuch muszą zaistnieć jednocześnie trzy czynniki: paliwo, utleniacz i efektywne źródło zapłonu (rys. 1).

W przypadku pożaru w środowisku pracy, paliwem może być zarówno klasyczne paliwo, jak i inne substancje palne ulegające zapaleniu w obecności utleniacza i źródła zapłonu. Paliwem mogą być substancje nieorganiczne, jak siarka, fosfor, ale również metale np. aluminium. Aby nastąpił wybuch substancje palne muszą być odpowiednio rozproszone w środowisku utleniacza.
Utleniaczem w procesach spalania jest tlen występujący w powietrzu. Innymi utleniaczami w procesach spalania mogą być: tlen ciekły lub gazowy, chlor, fluor, nadtlenki organiczne i inne związki bogate tlen np. saletra amonowa.

Rys. 1. Czynniki prowadzące do eksplozji lub pożaru
Spalanie mieszanin utleniacz – paliwo zachodzi w ściśle określonych granicach stosunku utleniacza do paliwa, wyrażanym za pomocą stężenia np. % obj. Ważnym czynnikiem w procesach utleniania jest energia reakcji. Istotnym czynnikiem wpływającym na przebieg pożaru i eksplozji jest stosunek wyzwalanej energii spalania w postaci ciepła do szybkości odprowadzania ciepła ze środowiska reakcji. Zapłon i proces spalania jest możliwy w określonym zakresie stosunku paliwa do utleniacza. Zakres ten określony jest dolną i dolną granicą wybuchowości.

Dolna granica wybuchowości – wartość stężenia składnika palnego w mieszaninie z powietrzem lub tlenem, powyżej której pod wpływem bodźca energetycznego może nastąpić wybuch

Górna granica wybuchowości – wartość stężenia składnika palnego w mieszaninie z powietrzem lub tlenem, poniżej której pod wpływem bodźca energetycznego może nastąpić wybuch

Spalanie podczas którego następuje wymiana ciepła między paliwem, utleniacza i produktami spalania nazywamy spalaniem deflagracyjnym. W czasie spalania następuje wstępne ogrzanie mieszanki palnej przed frontem płomienia. Spalanie deflagracyjne może mieć charakter laminarny lub kinetyczny. Front płomienia podczas spalania deflagracyjnego przesuwa się z szybkością od kilku centymetrów na sekundę do prędkości dźwięku.

Pożar jest efektem zachodzących przemian chemicznych i zjawisk fizycznych powodujących zmiany termodynamiczne początkowego układu. Tak więc, pożar jest chemiczną, niekontrolowaną reakcją spalania. Reakcje chemiczne zachodzące w czasie pożaru, choć niekontrolowane, przebiegają zazwyczaj wolno, bez gwałtownych wzrostów ciśnienia. W czasie pożaru źródłem zniszczeń jest generowane ciepło. Ponadto pożar oddziałuje na człowieka i środowisko również poprzez toksyczne produkty spalania, promieniowanie podczerwone i płomień.

Spalanie podczas którego w bardzo krótkim czasie, następuje gwałtowny, wzrost ciśnienia nazywamy spalaniem detonacyjnym. O warunkach przebiegu procesu decydują warunki dynamiczne mieszaniny paliwo-utleniacz (turbulencja). Spalanie detonacyjne spełnia warunki wybuchu. Wybuch jest szybkim egzotermicznym procesem, który generuje szybki gwałtowny wzrost ciśnienia prowadzący do powstania fali uderzeniowej. Fala uderzeniowa, której towarzyszy efekt dźwiękowy, rozprzestrzenia się z szybkością naddźwiękową. Szybki ruch gazów, wzrost ich ciśnienia i temperatury podczas wybuchu powodują zniszczenia materialne, są zagrożeniem dla życia człowieka i środowiska naturalnego.

Podstawowa różnica między pożarem a wybuchem polega natym, że wybuchowi towarzyszy bardzo szybki ruch gazów, podczas gdy w czasie pożaru takie zjawisko nie jest obserwowane.

Wybuchy można skwalifikować w zależności od ich przebiegu, rozprzestrzeniania się, sposobu inicjowania. Schemat podziałów wybuchów przedstawiono na rys. 2.




Rys. 2. Klasyfikacja wybuchów

W przypadku wybuchu fizycznego źródłem energii jest zjawisko fizyczne. Wybuch chemiczny następuje na skutek reakcji egzotermicznej. Wybuchy chemiczne mogą być wybuchami homogenicznymi lub wybuchami heterogenicznymi. W przypadku wybuchu homogenicznego brak jest granicy między utleniaczem a paliwem, co skutkuje jednoczesną eksplozją całej mieszaniny. Wybuchem homogenicznym jest wybuch termiczny, który zachodzi na przykład w przypadku egzotermicznego rozkładu niestabilnych substancji. Gromadzone ciepło przyspiesza gwałtownie reakcje destrukcji, prowadząc do wybuchu. Fotochemiczny wybuch jest zapoczątkowywany energią światłą, np. reakcja chlorowania alkanów.

Heterogeniczne wybuchy charakteryzują się rozdziałem strefy reakcji od strefy niereagującej. Granicę między strefami stanowi płomień. Jeżeli płomień przemieszcza się przez atmosferę palną z prędkością poddźwiękową, mamy do czynienia z deflagracją. Propagacja płomienia w tego typach wybuchach jest w granicach 10 – 100 m/s. Podczas takiego wybuchu temperatura dochodzi nawet do 3000 K. Drugim rodzajem wybuchu heterogenicznego jest detonacja. W tego rodzaju wybuchu granica spalania przemieszcza się z szybkością 1400 – 3000 m/s; w przypadku pyłów prędkość detonacji osiąga nawet prędkość 8000 m/s. W detonacjach występuje zjawisko wyprzedzania strefy reakcji przez falę ciśnienia.

Klasyfikacja stref zagrożonych wybuchem

Wyznaczenie stref zagrożonych wybuchem należy, zgodnie z rozporządzeniem ministra gospodarki, pracy i polityki społecznej z dnia 29 maja 2003 [1], do obowiązków inwestora, projektanta obiektu oraz do końcowego użytkownika. Wyznaczają oni miejsca zagrożone wybuchem. Mogą to być pomieszczenia zamknięta oraz miejsca na zewnątrz budynków. W pomieszczeniach należy wyznaczyć strefę zagrożenia wybuchem, jeżeli może w nim wystąpić mieszanina wybuchowa o objętości co najmniej 0,01 m3 w zwartej przestrzeni, a jej wybuch w pomieszczeniu spowoduje gwałtowny wzrost ciśnienia nie mniejszy niż 5 kPa.

Tabela 1. Strefy zagrożone wybuchem wg PN-EN-1127-7:2001[2]

Postać paliwa w mieszance wybuchowej	Strefa zagrożenia	Atmosfera wybuchowa
Palne gazy, mgły i pary palnych cieczy.	strefa 0	strefa, w której atmosfera wybuchowa występuje ciągle, utrzymuje się przez długi czas lub często
	strefa 1	strefa, w której atmosfera wybuchowa występuje okresowo podczas normalnego działania
	strefa 2	strefa, w której atmosfera wybuchowa nie występuje podczas normalnej pracy, jeżeli jednak wystąpi, to utrzymuje się przez krótki czas
Palne pyły	strefa 20	strefa, w której atmosfera wybuchowa występuje ciągle, utrzymuje się przez długi czas lub często
	strefa 21	strefa, w której atmosfera wybuchowa może wystąpić okresowo podczas normalnej pracy
	strefa 22	strefa, w której atmosfera wybuchowa nie występuje podczas normalnej pracy, jeżeli jednak wystąpi, to utrzymuje się krótki czas.

Definicje stref zagrożonych wybuchem przedstawione są w zharmonizowanej normie PN-EN-1127-1:2007 [2], natomiast sposób przeprowadzenia klasyfikacji przestrzeni zagrożonych wybuchem przestawiony jest w zharmonizowanej normie PN-EN-60079-10:2002 [3]. Strefy i ich definicje przedstawiono w tabeli 1.

Bibliografia

[1] Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 29 maja 2003 r. w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy pracowników zatrudnionych na stanowiskach pracy, na których może wystąpić atmosfera wybuchowa. Dz.U., nr 107, poz. 1004; zm. Dz.U. 2006, nr 121, poz. 836.

[2] PN-EN 1127-1:2007 Atmosfery wybuchowe – Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem. Część 1: Pojęcia podstawowe i metodologia.

[3] PN-EN 60079-10:2002 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem – Część 10: Klasyfikacja przestrzeni zagrożonych wybuchem