Hazardi u inženjerskim objektima za kiseonik - Minimiziranje opasnosti i rizika u radu (I dio)

Autor teksta: Marko Krstajić dipl. inž. maš., sudski vještak

Za 43. broj časopisa Pogled

Bezbjedno projektovanje i rad inženjerskih objekata sa kiseonikom kao radnim medijumom zavisi od različitih faktora. U Crnoj Gori ova vrsta objekata bi uključivala stabilne i prenosive posude pod pritiskom, cijevne vodove, kriogene pumpe kao i prateću opremu, armaturu, mjernu, regulacionu i sigurnosnu opremu. U daljem tekstu će radi praktičnosti predmetni inženjerski objekti biti referencirani kao kiseoničke instalacije. Rad opisuje glavne opasnosti i rizike u odnosu na kiseonik kao radni medijum i način na koji se isti mogu minimizirati. Adijabatska kompresija, udari čestica usljed prevelike brzine kretanja fluida, nečistoće i zamašćenost, kao i nekompatibilni materijali su osnovni, iako stručnoj javnosti malo poznati hazardi u kiseoničlkim instalacijama. 

Požarni trougao za kiseonik

U opštem slučaju, da bi došlo do požara ili eksplozije potrebna su tri uslova: goriva materija, sredstvo koje potpomaže gorenje i izvor paljenja. Požarni trougao je uobičajen način predstavljanja međuzavisnosti ovih uslova. Kada nedostaje jedan od tri uslova, ne može doći do požara. Na slici 1 su prikazani  uobičajeni požarni trougao za zapaljivi gas i kao i modifikovana verzija koja se odnosi na kiseonik. 

Princip je u oba slučaja isti ali u kiseoničkim instalacijama tri uslova za pojavu požara mogu preuzeti neočekivane forme, jer sticanje potencijalnih uslova paljenja nije toliko očigledno:

• Gorivi materijal može biti obična nečistoća poput čestica ulja ili masti ili neusaglašeni materijali bilo da se radi o zaptivkama ili materijalima konstrukcije od metala ili nemetala.
• Izvori paljenja koji su uobičajeni za kiseoničke instalacije mogu se pojaviti u vidu adijabatske kompresije (pneumatskog udara), ili pak udara čestica usljed prevelike brzine fluida.
• Sam kiseonik nije zapaljiv ali je sredstvo koje potpomaže gorenje i rizik pojave požara u sistemu rapidno raste sa povećanjem koncentracije, pritiska, temperature i protoka. Kiseonik u koncentracijama većim od 23,5% naglo povećava zapaljivost većine materijala sa kojima dolazi u kontakt.

Vrijedi notirati da u kiseoničkim instalacijama postoje i drugi hazardi ali ova četiri su ključna i njihovo bliže pojašnjenje je dovoljno da se kiseonik ozbiljno shvati kao opasna materija. U cilju preglednosti, tipični hazardi su predstavljeni na Slici 2.

Adijabatska kompresija

Adijabatska kompresija predstavlja nagli porast pritiska odnosno pneumatski udar u ograničenom prostoru, bez razmjene toplote sa spoljašnjom sredinom. Kao posljedica pritisak će lokalno biti mnogo veći od radnog pritiska uz takođe lokalno i naglo stvaranje toplote kompresije.

Kiseonik čistoće 99,5% pod visokim pritiskom od npr. 150 bara ima neobična svojstva. Uzmimo primjer da se ventil boce za kiseonik brzo otvori, kiseonik će jurnuti u ograničeni prostor opreme kao što su crijevo visokog pritiska, cijev regulatora, kućište ventila i kada dođe do slijepog kraja, može doći do pojave adijabatske kompresije. Pretpostavimo da se pojava desila u crijevu od teflona koji se u atmosferi sa 21% kiseonika ne može samozapaliti čak ni na 655 bara. Kako koncentracija kiseonika raste dolazi do dramatične promjene temperature samozapaljenja koja kulminira paljenjem teflona u 100% kiseonika na 104 bara. Stoga je od presudne važnosti uvijek polako otvarati ventile.

Posljedično, uslovi povećanog pritiska i temperature u atmosferi čistog kiseonika čine kritičnijim izbor materijala pri projektovanju kiseoničkih instalacija. Materijali koji se obično smatraju nezapaljivim mogu kada su u kontaktu sa kiseonikom pod visokim pritiskom na višim temperaturama mogu postati zapaljivi. Bilo koji strani predmet, organska ili metalna čestica može se zapaliti i izazvati gorenje metala. Ako su prisutne male količine nečistoća i dođe do naglog porasta pritiska kiseonika, paljenje će se dogoditi trenutno (eksplozivno).

Visoki pritisak pod tim okolnostima bez problema progori kroz cijev ili armaturu. Iz tog razloga su komponente kiseoničkih instalacija namjenski projektovane, testirane i odmašćene za upotrebu sa kiseonikom.

Paljenje uzrokovanom adijabatskom kompresijom traje djelić sekunde ukoliko u radnoj sredini ne postoje dodatne zapaljive materije. Takav trenutak je prikazan na slici 3.

Količina komprimovanog gasa predstavlja važan kriterijum za paljenje krutog ili fleksibilnog cijevnog voda. Zbog ove činjenice kraće cijevi, obično < 1 m, se teže zapale od onih dužih.

Istraživanja paljenja fleksibilnih crijeva pokazuju da je većina uzrokovana adijabatskom kompresijom, a ne udarom čestica kao što se ranije pretpostavljalo. Brzo rasterećenje pritiska može dovesti do velikih brzina kretanja fluida, što će zajedno sa zaostalom nečistoćom ili česticama takođe dovesti do paljenja. Tamo gdje se fleksibilno crijevo zapalilo na slijepom kraju, adijabatska kompresija se obično adresira kao uzrok, dok je udar čestica pretpostavljeni mehanizam kada je došlo do paljenja na udaljenosti od slijepog kraja.