Анализ причин взрывов автоцистерн при наливе

--------------------------------------------------------------------------------

Специалистами ОАО "Промприбор" проведен анализ взрывов и пожаров, возникающих при операциях налива автоцистерн светлыми нефтепродуктами.

В результате были выявлены новые причины взрывов, которые ранее не принимались во внимание в случаях, когда автоцистерны наливаются дизельным топливом, но перед этим - перевозили бензин и - наоборот. Кроме того, выявлен процесс поглощения (абсорбции) паров бензина дизельным топливом и, связанное с ним, возникновение взрывоопасных концентраций паров бензина в процессе заполнения автоцистерн, а также - влияние внутренних конструкций котла автоцистерны на процесс возникновения искрового разряда статического электричества.

Все нефтепродукты (бензины, дизельные топлива) относятся к жидким диэлектрикам (удельное сопротивление их составляет 1011..1013 Ом*м). Это означает, что при движении по трубопроводам, в результате трения между слоями и отдельными частицами по законам физики, возникает электрический потенциал, который образуется вследствие потери электронов на верхних оболочках атомов или ионов в длинных цепочках молекул. Этот процесс идет в двух направлениях: как в сторону электризации, так и в сторону релаксации, то есть восстановления. Слои жидкости, которые находятся на малых расстояниях от стенки трубопроводов легко релаксируются и, в конечном счете, в трубопроводе достаточной длины образуется некий средний совокупный заряд, который характеризуется показателем "объёмная плотность электрического заряда" и измеряется в физических единицах (Кулон/м3).

Кулон - количество электрических зарядов, проходящих через сечение проводника при силе тока в 1 Ампер за 1 сек.

Величина объёмной плотности зарядов, движущегося по трубе нефтепродукта, зависит от многих факторов (скорость, наличие примесей, в том числе воды, температуры, вязкости, состава и др.). Серийно изготавливаемые приборы для замера величины объёмной плотности отсутствуют.

Продукт, с приобретённым в трубе электростатическим потенциалом, поступает в котёл автоцистерн при выходе из наливной трубы в открытое пространство (налив падающей струёй) и частично разряжается через металлическую оболочку заземленной автоцистерны. Продукт также частично приобретает дополнительный заряд в результате разбрызгивания (разделения на отдельные мелкие частицы) и попадает в места, расположенные на некотором расстоянии от стенок котла цистерны. Несмотря на бурное перемешивание в процессе поступления нового количества продукта, какое-то малое время в определенном объёме может возникнуть достаточно высокая величина объёмной плотности электростатических зарядов, а соответственно - высокий электрический потенциал, достигающий 3..5 киловольт относительно стенок или выступающих металлоконструкций (связок, уголков, стержней, расположенных параллельно или с наклоном к "зеркалу" продукта.) физически соединенных с котлом цистерны. В этот момент возможно возникновение искрового разряда с мощностью достаточной для воспламенения взрывоопасной концентрации паров нефтепродукта, которая в определенных условиях, приведенных ниже, может возникнуть в котле автоцистерны при выполнении операции налива.

При существующих теориях возникновения статического электричества, как признаются сами экспериментаторы, практические результаты образующейся объёмной плотности электрических зарядов могут отличаться от расчетной в 10 раз в обе стороны. Поэтому процесс образования электростатических зарядов при наливе автоцистерн, а также возникновение электрических искровых или коронных разрядов, в настоящее время не контролируем и повлиять на него невозможно. С небольшой степенью достоверности можно утверждать и придерживаться следующих обязательных условий:

1. налив открытой струёй должен быть исключен (наливная труба должна находиться в контакте с дном цистерны);
2. скорость налива в начальный момент должна быть не более 1..1,2 м/сек (время налива на данной скорости должно быть достаточно, чтобы зеркало продукта скрыло полностью выходные окна наливного наконечника);
3. наличие в котле цистерны каких-либо выступающих конструкций, балок или прутьев, расположенных параллельно или с наклоном к зеркалу продукта недопустимо;
4. обязательно внешнее заземление автоцистерны с помощью устройства, контролирующего величину сопротивления переходного контакта клещей заземления с металлической частью котла цистерны.

Возникновение взрыва обеспечивается совпадением 2-х событий:

Наличие в данный момент взрывоопасной концентрации смеси паров нефтепродуктов в объёме, достаточном для развития взрыва.
Возникновение в данном объёме искрового разряда необходимой мощности.

Рассмотрим условия возникновения взрывоопасной концентрации паров нефтепродуктов при наливе автоцистерн.
1. Согласно закону Дальтона "Сумма парциальных давлений компонентов газовой смеси равна общему давлению смеси газов в данном объёме". В нашем случае в котле цистерны при наливе общее давление смеси паров нефтепродуктов и воздуха равно атмосферному давлению. Температура смеси также близкая к температуре окружающей среды, однако состав и концентрация паров, возникающих при наливе бензина и дизельного топлива, естественно разные.

Бензины различных сортов имеют давление насыщенных паров по Рейду в диапазоне от 500 мм рт. ст. (летнее) до 650 мм рт. ст. (зимнее). Данные величины измеряются при 38°С и косвенно определяют способность занять соответствующую долю при образовании паровоздушной смеси (ПВС) за счет испарения. Величина этой доли, а точнее объёмная концентрация, также зависит от температуры окружающей среды. Как показали хроматографические исследования - в состав компонентов паровоздушной среды входят следующие углеводороды: пропан, изобутан, н-бутан, пентан, н-пентан, гексан, а объёмная концентрация их в 1 м3 ПВС в зависимости от температуры может находиться в пределах от 15% при температурах -30°С до 55% при температурах +30°С.

Следует обратить внимание, что взрывоопасная концентрация паров бензинов составляет от 2 до 6 объёмных процентов. Применив эти выводы к процессу налива автоцистерны бензином, получим следующие результаты:
- если цистерна до момента налива перевозила бензин, то при сливе на стенках и трубопроводах имеют место остатки продукта, легкие углеводороды которого испаряясь в диапазоне указанных выше температур всегда создают концентрации паров выше 15%. Поступление новой доли бензина (в процессе бурного начала налива) может только повысить концентрацию имеющихся там паров легких углеводородов (ЛУВ).

Следовательно, возникновение взрывоопасной концентрации паров в данном случае внутри цистерны невозможно. Первое условие (событие) для возникновения взрыва отсутствует. Возникновение искрового разряда при наличии ПВС с концентрацией паров ЛУВ выше 6% - взрыва внутри котла не провоцирует во всем диапазоне температур и в течение всего времени налива.

Но! Паровоздушная смесь (ПВС), вытесняемая из автоцистерны при наливе с достаточно высокой концентрацией ЛУВ, попадает в окружающее наружное пространство. В силу того, что удельный вес ПВС бензина (2?4 кг/м3) выше удельного веса воздуха (1,2 кг/м3), последняя опускается в пространство вокруг автоцистерны и установки налива, а концентрация её резко уменьшается и вероятность ее снижения до предела взрывоопасных концентраций становится весьма высокой. Поэтому вероятность возникновения искрового разряда вокруг установки и автоцистерны должна быть исключена.

Необходимо предпринять следующие мероприятия:

• Применять закрытый налив автоцистерн (нижний или верхний), при котором наливной наконечник имеет герметизирующий конус и газоотводящий трубопровод, по которому 90-95% ПВС отводится на безопасное от установки и автоцистерны расстояние,
• Одежда и обувь обслуживающего персонала должна быть антистатической,
• Автомобиль должен быть технически исправен, двигатель заглушен, работа любого электроприбора исключается, зажигание выключено, электропроводка исправна,
• Инструменты, применяемые при работе, должны иметь покрытие, исключающее искрообразование при контакте или соударении с металлическими или заземленными частями установки и автоцистерны,
• Электрооборудование установки должно быть выполнено во взрывобезопасном исполнении.

Дизельное топливо (летнее, зимнее) имеет давление насыщенных паров 10-13 мм рт. ст. по Рейду при температуре 38°С. Данная величина показывает, что испаряемость этого продукта очень низкая и объёмное количество ЛУВ в ПВС паров дизельного топлива с воздухом при любой температуре менее 1%, то есть практически взрывоопасных концентраций при наливе, сливе и перевозке дизельного топлива внутри цистерны, если туда не подмешан бензин или другие ЛУВ, не возникает.

Следовательно, при операциях с дизельным топливом, если в автоцистерне находилось дизельное топливо, не возникает условий возникновения взрывоопасной концентрации ЛУВ как внутри цистерны, так и снаружи.

Однако, при исследовании процессов утилизации паров ЛУВ выявлена довольно хорошая способность дизельного топлива поглощать в себя пары (бутанов, пентанов, гексанов и др.). Экспериментально установлено, что для поглощения ЛУВ из одного м3 ПВС с концентрацией 40-50% на развитой поверхности контакта ЛУВ и пленки дизельного топлива его достаточно 25-30 л.

Это показывает, что при наливе автоцистерны, в которой до этого транспортировался бензин, дизельным топливом имеют место следующие события:

До момента налива дизельного топлива концентрация паров ЛУВ внутри цистерны была выше взрывоопасной,
После начала поступления в эту цистерну дизельного топлива ЛУВ из ПВС быстро поглощаются дизельным топливом, концентрация их уменьшается и быстро становится взрывоопасной. Причем при уменьшении концентрации ЛУВ из ПВС - скорость их поглощения (абсорбирования) уменьшается, поэтому на протяжении практически всего времени налива автоцистерны внутри нее концентрация паров ЛУВ в ПВС находится в пределах от 2 до 6%.

Как описывалось ранее, вероятность возникновения искрового разряда на протяжении всего времени налива довольно высокая. Следует отметить, что внутри автоцистерны всегда кроме двух вышеназванных условий существует 3-е условие - это необходимый объем, в котором способен развиться взрывной процесс быстрого горения, при этом возникает давление порядка 10кг/см2 и температура порядка 2500-3000°К. Мощность взрыва в "тротиловом эквиваленте" определяется весом ЛУВ, находящимся в это время во взвешенном состоянии, т.е. при свободном объёме 5м3 при концентрации ЛУВ 5%, предположив, что в реакции примут участие только 20% активного вещества, получается взрыв, мощность которого эквивалентно 100г тринитротолуола. Как правило, такой взрыв сопровождается разрушением котла цистерны, возгоранием разлившегося дизельного топлива и нанесением травм обслуживающему персоналу, иногда со смертельным исходом.

Вывод - категорически запретить налив дизельного топлива в цистерну, в которой до этого находился бензин без специальной подготовки.

Налив бензина в цистерну, в которой ранее находилось дизельное топливо. В силу ранее изложенного, взрывоопасная концентрация паров возникает только в начальный период налива, который необходимо производить с безопасной скоростью 1-1,2 м/сек на протяжении времени, необходимого для полного закрытия выходного отверстия наливной трубы.

P.S. Установки (комплексы измерительные) типа АСН, выпускаемые в настоящее время ОАО "Промприбор", полностью отвечают требованиям взрывобезопасности при осуществлении процесса налива автоцистерны.

Однако, от эксплуатирующих организаций требуется четкое выполнение организационных мероприятий:

1. Освидетельствование (аттестация) парка автоцистерн, которые необходимо наполнять нефтепродуктами на предмет отсутствия внутри котла различных металлоконструкций и технической исправности
2. Недопущение наличия внутри котлов различных предметов (пустые емкости и др.)
3. Инструктаж и обучение водителей бензовозов на предмет соблюдения условий взрывобезопасности при наливе
4. Категорический запрет налива в цистерну дизельного топлива после перевозки в ней бензина без специальной подготовки, обеспечивающей 100% удаление паров бензина
5. Соблюдение графика изменения производительности налива:
   малый расход 1-1,2 м/сек, время действия которого программируется при пуско-наладке,
   номинальный расход, величина которого подбирается и программируется при пуско-наладке из условия отсутствия гидроударов, а также влияния высоты взлива продукта в расходном резервуаре,
   минимальный расход в конце заданной дозы, время действия которого программируется при пуско-наладке
6. Периодический контроль величины заземления, установки не более 4 Ом, величины сопротивления между концом наливной трубы и местом установки заземляющего проводника - не более 10 Ом. Величины сопротивления переходного контакта клещей заземления, закрепленных на автоцистерне и электрической цепи контроля этого контакта - не более 100 Ом, а также срабатывание устройства заземления автоцистерны на отключение налива при нарушении контакта клещей с автоцистерной. Периодичность контроля устанавливается исходя из климатических условий, темпа налива на месте руководством, ответственным за эксплуатацию.
7. Одежда и обувь операторов налива, производящих установку стояка с наливным наконечником, должна быть антистатической
8. Нахождение операторов на автоцистерне во время налива недопустимо. Наиболее безопасное место может быть на площадке установки, но лучше на земле рядом с установленной кнопкой "СТОП".