Konieczność należytej ochrony instalacji zagrożonych wybuchem wynika bezpośrednio z dyrektywy ATEX 137 oraz odpowiednich rozporządzeń wprowadzających je na terenie Polski. W praktyce działania w tym zakresie realizowane są na podstawie wyznaczonych norm PN-EN i EN oraz wytycznych (dopuszczenia / ograniczenia) wskazanych w certyfikatach ATEX dla indywidualnych rozwiązań. Wytyczne te mogą być różne dla danej grupy produktów w zależności od producenta. Na rynku dostępnych jest kilka rozwiązań spełniających wymogi wspomnianych dyrektyw i norm, jednak nie zawsze mogą być one stosowane zamiennie, a niektóre z nich są dedykowane tylko dla konkretnych zastosowań i rozwiązań.

Bezpieczeństwo wybuchowe to od dwóch dekad kluczowy obszar działalności GRUPY WOLFF. Przez ten czas inżynierowie przeanalizowali, a następnie zabezpieczyli setki urządzeń i instalacji przemysłowych, co w wielu przypadkach pozwoliło uniknąć poważnych w skutkach zdarzeń.

Zalety i ograniczenia metod ochrony przed wybuchem w zakładach przemysłowych przedstawia Zbigniew Wolff, ekspert ds. bezpieczeństwa wybuchowego w GRUPIE WOLFF.

TŁUMIENIE WYBUCHU

System tłumienia wybuchu jest najbardziej elastycznym rozwiązaniem chroniącym przed skutkami wybuchu. Jego niewątpliwą zaletą jest możliwość stosowania go w większości aplikacji (w tym także w przypadku substancji szkodliwych i toksycznych, produktów spożywczych, w halach zamkniętych czy na otwartej przestrzeni). Typowy system tłumienia wybuchu składa się z detektorów (czujniki ciśnieniowe i/lub optyczne), butli HRD z czynnikiem tłumiącym oraz centrali sterującej systemem.

Jego działanie polega na wykryciu zarzewia wybuchu w jego bardzo wczesnej fazie. Zaraz po tym system aktywuje butle HRD (ang. High Rate Discharge Bottles) wprowadzające do wnętrza chronionego aparatu specjalny proszek tłumiący. Dzięki temu wybuch zostanie stłumiony, zanim jego ciśnienie osiągnie niebezpieczny poziom.

Czas od momentu wykrycia zarzewia wybuchu do chwili, gdy zostanie on stłumiony, liczony jest w setnych i dziesiętnych częściach sekundy.

ODCIĄŻANIE WYBUCHU

Decydując się na układ odciążenia wybuchu, niezbędne jest wyznaczenie strefy zagrożenia, do której kierowana będzie fala wybuchu. Jest to konieczne, ponieważ zasadniczo zabrania się wyprowadzania skutków wybuchu w pomieszczeniach, w stronę budynków, innych aparatów i instalacji, traktów pieszych i drogowych, parkingów, miejsc składowania produktów oraz w stronę, gdzie mogą wystąpić inne atmosfery wybuchowe. Strefa ta, której zasięg należy obliczyć, może mieć do kilkudziesięciu metrów. Działania  powinny zostać wykonane w ramach oceny ryzyka wybuchu.

Zgodnie z dyrektywą ATEX układy odciążania wybuchu nie mogą być stosowane w przypadkach, gdy produkt lub produkty jego spalania mają charakter toksyczny lub szkodliwy dla zdrowia (do produktów tego typu można zaliczyć np. mączkę kostną, suszone osady ściekowe, różne substancje chemiczne itp.).

Odciążanie wybuchu realizowane jest zazwyczaj poprzez zastosowanie paneli dekompresyjnych (membran), klap samozamykających lub układów bezpłomieniowego odpowietrzania wybuchu.

Panele dekompresyjne

Redukcję ciśnienia wybuchu w aparacie możemy osiągnąć poprzez tzw. panele dekompresyjne (nazywane także klapami rozrywnymi, membranami). Odciążanie wybuchu polega na wyprowadzeniu skutków wybuchu (płomienia, ciśnienia, spalonego i niespalonego produktu oraz gazów spalinowych) przez otwór dekompresyjny o ściśle określonej powierzchni, który de facto stanowi najsłabszy element konstrukcyjny chronionego aparatu, poza chronione urządzenie.

Panele dekompresyjne posiadają wiele ograniczeń, uwzględnionych w tabeli na następnej stronie. Rozwiązaniem opisanych w niej problemów może być zastosowanie kanału dekompresyjnego, który wyprowadzi skutki wybuchu poza ścianę hali/budynku. Należy jednak pamiętać, iż kanał dekompresyjny wpływa na wzrost zredukowanego ciśnienia wybuchu, które można wyliczyć na podstawie normy PN-EN 14491.

Panele odciążające wybuch stanowią ekonomiczną alternatywę dla innych zabezpieczeń przeciwwybuchowych. Niestety niepoprawnie zastosowane panele są poważnym zagrożeniem dla instalacji procesowej oraz obsługującego ją personelu. Przy ich doborze należy zachować szczególną ostrożność.

Bezpłomieniowe odciążanie wybuchu

Opcjonalnie do paneli dekompresyjnych można zastosować tzw. bezpłomieniowe odciążanie wybuchu, które łączy panel dekompresyjny z wydajnym, perforowanym wymiennikiem ciepła.

W tym przypadku kula ognia zostaje zatrzymana na elementach wymiennika ciepła, co radykalnie zwiększa bezpieczeństwo użytkowania tego typu zabezpieczenia w stosunku do klasycznego panelu dekompresyjnego.

Stosując bezpłomieniowe odciążanie wybuchu, należy zapewnić, że zostało ono odpowiednio dobrane i zabudowane zgodnie z dokumentacją producenta oraz że zostały wyznaczone strefy niebezpieczne, a kubatura pomieszczenia, w którym znajduje się zabezpieczane urządzenie, jest wystarczająca itp.

Zawory odciążające wybuch EVN

Bezpłomieniowe odciążanie wybuchu umożliwia również odciążający zawór samozamykający typu EVN. Stanowi on optymalną ochronę personelu i wyposażenia w zakładach przemysłowych. Nowe rozwiązanie niesie użytkownikom szereg korzyści. Przede wszystkim stanowi ono niezawodną ochronę zabezpieczanych urządzeń i obiektów przemysłowych, głównie przed wybuchem pyłów. Zawory zostały przetestowane dla takich grup pyłów jak skrobia, tworzywa sztuczne, żywice, tonery, cukier, drewno, MDF, celuloza (pyły włókniste) czy węgiel i torf, zatem są one dedykowane dla wielu branż przemysłowych.

Jest to rozwiązanie z zasady działania podobne do bezpłomieniowego odciążania wybuchu VIGILEX VQ, różni się jedynie konstrukcją. Budowa zaworów EVN umożliwia bezpłomieniowe odpowietrzenie wybuchu w aparacie, z tą zaletą, że po wybuchu zawór zamyka się ponownie i w większości przypadków nadaje się do ponownego użycia. Zgodnie z definicją zawartą w dyrektywie ATEX zawrory są produkowane jako tzw. systemy ochronne. W zależności od rodzaju medium, przed którego wybuchem chroni zawór, dostępnych jest kilka typów urządzenia.

Samozamykające klapy odciążające wybuch

Wspomniane rozwiązanie służy zabezpieczeniu silosów, filtrów, elektrofiltrów czy suszarni przed zniszczeniem w wyniku wybuchu. W momencie, w którym do niego dojdzie, następuje uwolnienie klapy z zatrzasków i otwarcie jej pokrywy.

Siły odrzutu klapy są w 80% absorbowane przez powstającą poduszkę powietrzną pomiędzy klapą i stalową płytą odbijającą. Resztkowe siły odrzutu klapy zapewniają jej odbicie, co pozwala na jej ponowne automatyczne zamknięcie po odciążeniu wybuchu i odcięcie dopływu powietrza. Wyróżnia się klapy przeciwwybuchowe okrągłe typu TT‑Uni‑K oraz prostokątne – typu RLE‑S.

ODSPRZĘGANIE WYBUCHU

Ze względu na wysokie prawdopodobieństwo propagacji wybuchu między poszczególnymi aparatami instalacji procesowej zagrożonej wybuchem dyrektywy ATEX 137 i 114 (dawniej 95, 100A), jak również polskie rozporządzenia i normy nakładają na właścicieli instalacji obowiązek stosowania certyfikowanych systemów odsprzęgania wybuchu (zwanych również układami izolacji wybuchu lub barierami ogniowymi).

System odsprzęgania wybuchu jest niezbędnym elementem każdego z wcześniej wymienionych systemów zabezpieczających. Jego zadaniem jest odcięcie danego urządzenia od pozostałej części instalacji, co ma uniemożliwić rozprzestrzenienie się fali wybuchu. W tym celu wszystkie elementy (rurociągi, kanały, wysypy itp.) łączące chronione urządzenie z pozostałą częścią instalacji w chwili wybuchu muszą zostać „odcięte”.

Na rynku dostępnych jest kilka rozwiązań spełniających wymogi dyrektywy ATEX 114 (dawniej 95, 100A). Nie zawsze jednak mogą być one stosowane zamiennie, a niektóre z nich są dedykowane tylko dla konkretnych zastosowań i rozwiązań.

System odsprzęgania wybuchu typu HRD

Odsprzęganie wybuchu typu HRD to najmniej inwazyjny, a zarazem najłatwiejszy do zastosowania system przeciwwybuchowy, zarówno w przypadku nowo budowanych, jak i istniejących instalacji.

Do podstawowych elementów systemu należą:

• butle HRD z proszkiem tłumiącym wybuch,
• dynamiczne czujniki ciśnienia lub/i czujniki płomienia,
• centrala sterująca.

Rozwiązanie oparte na butlach HRD może być stosowane zarówno w przypadku większości instalacji przemysłowych, gdzie mamy do czynienia z pyłami, gazami czy mieszaninami hybrydowymi oraz zamkniętym układem transportu (rurociągi; kanały; transport grawitacyjny, łańcuchowy, zgrzebłowy, pneumatyczny; zamknięte taśmociągi itp.), jak i we wszystkich rodzajach instalacji odpylających i centralnego odkurzania.

Ograniczenia oraz wymagania dla zabudowy systemów HRD poszczególnych producentów wpisane są w certyfikaty ATEX. Aby uniknąć „niespodzianek”, przed wyborem systemu należy szczegółowo przyjrzeć się zapisanym w nich ograniczeniom oraz skonfrontować je z założeniami projektowymi lub warunkami panującymi w ramach pracującej instalacji. Jest to szczególnie ważne, ponieważ dopuszczenia i ograniczenia w stosowaniu systemów poszczególnych producentów różnią się zasadniczo.

Zawory odcinające VENTEX ESI

Zawory typu VENTEX to dostępny w wielu rozmiarach i wersjach pasywny system odsprzęgania wybuchu. Montowany jest on na kanałach instalacji odpylających, centralnego odkurzania, transportu nad- i podciśnieniowego, suszenia czy też granulacji.

W większości przypadków są to konstrukcje odporne na maksymalne ciśnienie wybuchu. Zawór zamyka się pod wpływem przemieszczającej się w rurociągu fali ciśnienia wybuchu. Specjalna konstrukcja zaworu w formie „gruszki” sprawia, że zawór tylko w niewielkim stopniu wpływa na przepływającą przez jego wnętrze mieszaninę. Niemniej gdy w strumieniu znajdują się pyły, należy mieć na uwadze, iż ich zawartość nie może przekroczyć wartości granicznych określonych w dokumentacji. Wynika to z konstrukcji zaworu, w którym „gruszka” przy zamknięciu jest dociskana do specjalnej uszczelki. Tolerancje są tu bardzo niewielkie i wynoszą 0,1–0,15 mm.

Zbyt wysoka zawartość pyłu grozi obrastaniem lub wycieraniem uszczelnienia zaworu, co może prowadzić do nieprawidłowego działania.

Zasuwy odcinające typ Speed WEY HSI

Zasuwa szybkiego zadziałania to najbardziej odporny i dostosowany do najtrudniejszych sytuacji system odsprzęgania wybuchu. Działa on podobnie jak typowe zasuwy nożowe, z tą różnicą, że jego czas reakcji oraz zamknięcia jest ekstremalnie krótki. Ponadto odporność zasuw szybkiego działania na ciśnienie wybuchu w przypadku małych średnic sięga nawet 50 barów (przy większych średnicach do 30 barów). Są to wartości, które prawdopodobnie mogą być osiągane tylko w przypadku wybuchu mieszanin hybrydowych.

W standardowych zastosowaniach zasuwy szybko zamykające pracują zarówno z pyłami, jak i gazami oraz mieszaninami hybrydowymi. Podobnie jak systemy HRD są one aktywowane poprzez dynamiczne czujniki ciśnienia lub/i czujniki płomienia, a całością systemu zarządza dedykowana centrala sterująca.

System odcięcia wybuchu ExKop

System odcięcia wybuchu ExKop służy do ochrony filtrów, mieszalników, cyklonów, młynów, suszarni i innych aparatów procesowych przed przeniesieniem się skutków wybuchu na pozostałe elementy instalacji procesowych. Składa się on z zaworu odsprzęgającego wybuch QV i jednostki sterującej, która odbiera sygnał o wybuchu z czujnika rozerwania membrany, czujnika ciśnienia lub czujnika iskier (zabudowanych na kanale).

Zawór odcinający wybuch QV (membrana wykonana z kauczuku lub EPDM; działanie dwukierunkowe) uruchamiany jest sprężonym powietrzem 6 bar z sieci zakładowej.

Poza dwoma unikatowymi cechami, tj. możliwością aktywowania zaworu poprzez sygnał z czujnika otwarcia panelu dekompresyjnego lub indywidualnego czujnika podczerwieni, a także możliwością ponownego użycia po zadziałaniu, ze względu na szereg ograniczeń system odcięcia wybuchu ExKop jest rzadko stosowanym rozwiązaniem.

Klapa zwrotna SNR

Prostym i ekonomicznym rozwiązaniem służącym odcięciu miejsca, gdzie doszło do eksplozji, od pozostałej części instalacji jest klapa zwrotna SNR. Urządzenie poprzez natychmiastowe zamknięcie rurociągu blokuje możliwość dalszej propagacji wybuchu na pozostałe elementy instalacji. Klapa zwrotna może być zastosowana dla palnych pyłów, które występują  w podciśnieniowych jednostkach odpylających lub w jednostkach centralnego odkurzania.

Zawór celkowy certyfikowany jako autonomiczny system odsprzęgający

Dozowniki celkowe stosuje się jako układy dozująco-podające produkty sypkie oraz śluzy ograniczające przepływ powietrza w instalacjach odpylania, centralnego odkurzania, transportu pneumatycznego itp.

W przypadku gdy są one certyfikowane zgodnie z wymogami dyrektywy ATEX, mogą być wykorzystywane do pracy w strefach zagrożenia wybuchem oraz jako tzw. systemy autonomicznego odsprzęgania wybuchu. W zależności więc od tego, czy dany dozownik posiada certyfikat ATEX lub w jakim zakresie została przeprowadzona certyfikacja, możemy wymienić trzy typy urządzeń:

• dozowniki w wykonaniu zwykłym,
• dozowniki z certyfikatem ATEX dopuszczającym je do pracy w strefach zagrożonych wybuchem,
• dozowniki posiadające certyfikat ATEX dopuszczający zarówno do pracy w strefie zagrożenia wybuchem, jak również do stosowania jako autonomiczny układ odsprzęgający wybuch.

O ile w przypadku dozowników w wykonaniu zwykłym sprawa jest prosta, ponieważ nie mogą być one w żadnym przypadku stosowane w strefach zagrożenia wybuchem, a tym bardziej jako układy odprzęgające, o tyle dwa ostatnie z wymienionych typów urządzeń są często mylone. Zapytania ofertowe oraz specyfikacje techniczne nierzadko zawierają zapis o konieczności posiadania przez zawory celkowe certyfikatu ATEX dla konkretnej strefy zagrożenia wybuchem – np. 20 wewnątrz oraz 22 na zewnątrz urządzenia. Niejednokrotnie ignorowana jest informacja o tym, że urządzenie będzie również pracować jako autonomiczny układ odsprzęgania wybuchu. W efekcie dokonywane są zakup oraz montaż nieprawidłowo dobranych śluz. Ich późniejsza wymiana bywa zadaniem trudnym i kosztownym. Dzieje się tak, ponieważ producent zakupionych urządzeń albo nie posiada w ofercie dozowników z wymaganym certyfikatem, albo wydajność prawidłowo certyfikowanej śluzy o tych samych wymiarach jest niższa od wymaganej (wynika to z ograniczeń zawartych w certyfikacie dla odsprzęgania wybuchu).

Rozwiązaniem sytuacji może być zakup urządzenia o większych gabarytach. Wiąże się to jednak z często kosztownymi modyfikacjami instalacji.

Ciśnieniowa śluza komorowa

Stosunkowo rzadko stosowanym, ale bardzo korzystnym rozwiązaniem jest ciśnieniowa śluza komorowa, która w pewnych sytuacjach stanowi bardzo dobrą alternatywę dla zaworów celkowych. Oba rozwiązania pełnią tę samą funkcję, tj. pozwalają opróżniać różnego typu urządzenia i aparaty procesowe z materiałów sypkich, przy jednoczesnym ograniczaniu przepływu powietrza. Oba urządzenia mogą również pracować jako tzw. systemy odsprzęgające wybuch, które powstrzymują rozprzestrzenianie się wybuchu wewnątrz instalacji procesowych.

Ciśnieniowa śluza komorowa zapewnia pełną szczelność układu nawet w przypadku różnicy ciśnienia na poziomie 16 bar. Składa się ona z dwóch przepustnic motylkowych zamontowanych na obu końcach pionowej rury (komory). W celu zapewnienia izolacji ciśnienia i skutków wybuchu w danej chwili otwarta może być tylko jedna przepustnica motylkowa.

Działanie ciśnieniowej śluzy komorowej polega na otwarciu górnego zaworu motylkowego (dolny zawór jest wtedy zamknięty) w momencie nasypywania materiału do wnętrza komory. Następnie górny zawór całkowicie się zamyka i dochodzi do otwarcia dolnego zaworu, po czym następuje wysyp materiału z komory do układu pod śluzą. Dolny zawór zamyka się i cały cykl powtarza się w zadanych odstępach czasowych. Wspólny sterownik obu zaworów gwarantuje, że w jednym momencie może być otwarta tylko jedna przepustnica motylkowa.

Wbrew powszechnej opinii zawory celkowe nie zapewniają pełnej szczelności układu. Wynika to bezpośrednio z ich konstrukcji – pomiędzy rotorem a korpusem zaworu zawsze występuje prześwit, który jest niezbędny do prawidłowej pracy urządzenia. Z tego względu w instalacjach, w których pojawia się różnica ciśnień (instalacje odpylania, centralnego odkurzania, transportu pneumatycznego itp.) powietrze wraz z drobinkami pyłu przepływa przez wspomniane prześwity, powodując erozję korpusu, rotora oraz wałka rotora. Postęp tego procesu w dużym stopniu zależy od różnicy ciśnienia pomiędzy wlotem a wylotem zaworu celkowego, abrazyjności pyłu oraz materiałów, z jakich został wykonany zawór celkowy. Na bazie doświadczenia można przyjąć, że w przypadku, gdy różnica ciśnień przekracza 1,5 bara, należy poważnie rozważyć zasadność stosowania zaworów celkowych. Oczywiście w takich sytuacjach można stosować materiały odporne na wycieranie, jednak powoduje to znaczny wzrost ceny urządzenia.

Należy pamiętać, że dobór systemu przeciwwybuchowego jest indywidualny dla każdego przypadku. Powinien on być poprzedzony dokładną analizą opracowaną przez wykwalifikowanego inżyniera oraz wykonaniem niezbędnych obliczeń. Dzięki temu mamy gwarancję doboru rozwiązania, które będzie optymalne nie tylko pod kątem technicznym i ekonomicznym, ale również zapewni odpowiedni poziom bezpieczeństwa procesowego i wybuchowego w zakładzie.