Kādi uzliesmojoši metālu putekļi var eksplodēt? Cēloņi, riski un drošības pasākumi

Ievads

Uzliesmojošu metāla putekļu eksplozijas riski ir nopietns drošības apdraudējums daudziem smagās rūpniecības uzņēmumiem. Šajā rakstā mēs aplūkojam metāla daļiņu paaugstinātā eksplozijas riska iemeslus un apspriežam nepieciešamos aizsardzības pasākumus, lai novērstu traģēdijas.

Kas ir metāla putekļi?

Putekļi ir gaisā suspendētas daļiņas, kuru izmērs svārstās no dažām frakcijām līdz simtiem mikronu.

Metāla putekļi ir ļoti sīkas metālu daļiņas, parasti no 1 līdz 1000 mikrometriem lielas. Tās rodas ražošanas procesos un var sastāvēt no dažādiem metāliem un to sakausējumiem atkarībā no avota.

Kā veidojas metāla putekļi?

Metāla daļiņas bieži rodas, kad metālu apstrādā ar abrazīviem instrumentiem.

Sprādzienbīstamu metāla daļiņu veidošanās pavada šādus procesus:

• Metālu mehāniskā apstrāde. Slīpēšana, virpošana, frēzēšana, griešana, urbšana – šie procesi rada sīkas skaidras.
• Metināšana un uzkausēšana. Metāla iztvaikošana augstā temperatūrā noved pie kondensāta veidošanās, kas pēc tam veido smalkas daļiņas.
• Lējumi. Lējuma formu iznīcināšana, lējumu apstrāde.
• Abrazīvā apstrāde. Smilšu strūkla, pulēšana.
• Pulvermetalurģija. Metāla putekļi ir izejmateriāls produktu ražošanai ar pulvermetalurģijas metodēm.
• Rūdu ražošana un apstrāde. Rūdas drupināšana, slīpēšana.

Iepriekš minētie tehnoloģiskie procesi ietver aprīkojumu, kura ekspluatācijas laikā ar lielu varbūtību rodas sprādzienbīstami metāla putekļi:

• Metāla slīpēšanas un pulēšanas iekārtas
• Metināšanas iekārtas
• Metāla griešanas iekārtas (tostarp plazmas griešana)
• Pulvera maisītāji
• Metāla uzsmidzināšanas iekārtas
• 3D printeri
• Aspirācijas un ventilācijas sistēmas
• Bunkuri un silosi
• Drupinātāji, dzirnavas, separatoru

Metāla putekļi šajā aprīkojumā ir atrodami tēraudlietuvēs, mašīnbūvē, aviācijas inženierijā, kalnrūpniecībā, ražošanā un lietuvēs.

Kāpēc metāla putekļi var būt uzliesmojoši?

Putekļu aizdegšanās apstākļi

Lai daļiņas varētu sadegt un izraisīt sprādzienu, ir nepieciešami šādi apstākļi:

• Aizdegšanās avota klātbūtne (piemēram, dzirkstele īssavienojuma rezultātā)
• Oksidētāja (skābekļa) klātbūtne nepieciešamā koncentrācijā.
• Putekļu suspensija ierobežotā gaisa tilpumā.

Ja visi šie apstākļi pastāv, metāla putekļi var aizdegties un izraisīt sprādzienu telpās vai rūpnieciskajā aprīkojumā.

Pašaizdegšanās mehānismi

Metāla putekļi var pašaizdegties, jo daudzi metāli var aktīvi piedalīties eksotermiskā oksidācijas reakcijā ar skābekli, kas var izraisīt lielu siltuma daudzumu. Pašaizdegšanās notiek, kad oksidācijas reakcija paātrinās tik ļoti, ka izdalītais siltums nepaspēj izkliedēties un temperatūra sasniedz aizdegšanās punktu.

Daļiņu izmēra ietekme

Metāla putekļu uzliesmojamība tieši saistīta ar daļiņu izmēru. Jo lielāka dispersija, jo mazāka to Liesmas izplatības zemākā koncentrācijas robeža (LEL, g/m³). Putekļi ar LEL zem 65 g/m³ tiek klasificēti kā eksplozīvas vielas, bet vielas ar INRR zem 15 g/m³ pieder pirmajai bīstamības klasei.

Alumīnija pulvera LEL ir 40 g/m³. Tomēr smalkam alumīnija pulverim (daļiņu izmērs 63 μm) LEL var būt tikai 15 g/m³.

Uzliesmojošu metāla putekļu piemēri

Katrai metāla pulvera šķirnei ir individuāli kvantitatīvi eksplozijas riska raksturlielumi – eksplozijas riska indekss (Kst) un maksimālais eksplozijas spiediens (Pmax). Jo augstāks Kst, jo bīstamāki putekļi.

Ir svarīgi saprast, ka Kst un Pmax ir eksperimentāli nosakāmi parametri un to vērtības var atšķirties atkarībā no daļiņu sastāva, koncentrācijas un dispersijas. Precīzu Kst un Pmax vērtību konkrētā objektā var noteikt ATEX.CENTER speciālisti laboratorijas testos.

Putekļi ar Kst > 300 bar⋅m/s parasti tiek klasificēti kā "ļoti eksplozīvi".

Dažādu metāla putekļu veidu piemēri ar eksplozijas riska raksturlielumiem.

Pēc Kst vērtībām var secināt, ka eksplozīvākie no minētajiem ir alumīnija putekļi. Tomēr visi tabulā norādītie metāla pulveri ir ar augstu eksplozijas spiedienu un tādēļ ar lielu postošu spēku.

Metāla putekļu sprādziena bīstamība

Metāla putekļu sprādziens ir nopietns apdraudējums šādu seku dēļ:

1. Iekārtu bojājumi, sprādziena izplatīšanās caur cauruļvadiem, aprīkojumu, ventilācijas sistēmām.Metāla putekļu sprādziens rada spēcīgu triecienvilni un pēkšņu spiediena pieaugumu. Tas noved pie iekārtu deformācijas, bojājumiem un pilnīgas iznīcināšanas. Sprādziena vilnis var pārraut vai deformēt cauruļvadus, kas var izraisīt bīstamu vielu noplūdi un vēl vairāk pasliktināt situāciju. Visbīstamākā ir kaskādes veida sprādziena izplatīšanās caur putekļu savākšanas un ventilācijas sistēmām. Sekundārie sprādzieni, ko izraisa nosēdušos daļiņu pacelšanās, gandrīz vienmēr ir spēcīgāki un postošāki par sākotnējo sprādzienu.
2. Risks cilvēku dzīvībai un veselībai.Triecienvilnis, degšanas produkti, lidojoši atkritumi un bojātas iekārtas fragmenti, konstrukciju sabrukšana – tas viss rada letālu apdraudējumu cilvēkiem tuvumā.
3. Finanšu zaudējumi un ražošanas apstāšanās.Finansiālas izmaksas iekārtu atjaunošanai vai pilnīgai nomaiņai.
   Zaudējumi, kas saistīti ar ražošanas apstāšanos, izmeklēšanu un incidenta seku novēršanu.
   Kompensācijas maksājumi, ja sprādziena rezultātā tiek ievainoti vai bojā gājuši darbinieki.
4. Uzņēmuma tēla pasliktināšanās un uzticības zaudēšana.
   Informācija par sprādzienu uzņēmumā var radīt nopietnu triecienu uzņēmuma reputācijai un novest pie klientu, partneru un investoru uzticības zaudēšanas.

Metāla putekļu sprādzienu piemēri

Pēdējos gados visā pasaulē ir notikuši daudzi incidenti ar metāla putekļu sprādzieniem. Zemāk ir sniegti daži piemēri.

Foto	Detaļas
	Taivāna, 2022. AIDC aviācijas ražotne Sprādziens notika pēc tam, kad aizdegās uzkrātie alumīnija sakausējuma putekļi. Septiņi cilvēki tika hospitalizēti, viens no viņiem vēlāk nomira. Aerospace Industrial Development Corporation (AIDC) ir viens no lielākajiem Taivānas aizsardzības nozares uzņēmumiem un ražo, kā arī uztur iznīcinātājus un lidmašīnu komponentus.
	Ķīna, 2024. Shenrong Metal Technology Limited Traģēdija notika metāla putekļu sprādziena dēļ ražošanas zālē. Rezultātā gāja bojā 8 cilvēki, vēl 8 tika ievainoti. Uzņēmums nodarbojas ar metāla izstrādājumu izpēti un izstrādi būvniecībai.
ASV, 2025. Powder Alloy Corporation metālapstrādes rūpnīca Negadījums notika, kad alumīnija putekļi tika iespiesti putekļu savācējā, izraisot sprādzienu un turpmāku ugunsgrēku. Neviens necieta, ugunsgrēks tika nodzēsts, bojājumu apmērs un izmaksas pagaidām nav zināmas. Uzņēmums ražo un piegādā metālu, keramisko un karbīda pulverus visā pasaulē.

Kā pasargāt rūpnīcu no metāla putekļu sprādzieniem?

Efektīva rūpnīcas aizsardzība pret metāla pulvera sprādzienu postošajām sekām prasa kompleksu pieeju, kas ietver organizatoriskus pasākumus, aspirācijas sistēmu uzstādīšanu un eksplozijas aizsardzības sistēmu izmantošanu.

Organizatoriskie pasākumi

• Apmācība.

Regulāri instruktāži par putekļu sprādziena bīstamību, to avotiem, drošu darbu un rīcību ārkārtas situācijās.

• Putekļu daudzuma kontrole.

Mitrā tīrīšana, sprādziendroši putekļu sūcēji, barjeras, procesu optimizācija un suspendēto daļiņu koncentrācijas monitorings.

• Noteikumi.

Drošas ekspluatācijas un apkalpošanas, tīrīšanas, utilizācijas un uzliesmojošu metāla putekļu kontroles instrukciju izstrāde un ievērošana.

Aspirācijas sistēmu uzstādīšana

Aspirācijas sistēma savāc putekļus to veidošanās vietā, nogādā tos pa kanāliem līdz filtram, kur notiek daļiņu atdalīšana no gaisa, pēc tam attīrītais gaiss tiek izvadīts, bet savāktie putekļi paliek tvertnē. Metālapstrādes galdiem bieži ir īpašas atveres smagām metāla skaidrām.

Sprādziena aizsardzības sistēmu uzstādīšana

Efektīvs līdzeklis, lai novērstu putekļu sprādzienus ražošanā, ir aizsardzības sistēmu ieviešana.

Sprādziena izlādes paneļi
	VENT PRO S Normāla procesa laikā Vent PRO S aizver īpašas procesa atveres aizsargājamā aprīkojuma konstrukcijā. Negadījuma gadījumā spiediens paaugstinās un izplūdes membrāna atveras. Sprādziena produkti – liesmas, degšanas daļiņas, triecienvilnis – tiek izvadīti apkārtējā vidē.
Bezliesmu sprādziena izlādes ierīces
	FLEX C Sprādziena gadījumā iekārtā paaugstinās spiediens un VMP izplūdes diafragma atveras. Liesmas, degošie putekļi, gāzes tiek izvadītas FLEX ierīcē. Metāliem piemērots tikai FLEX C tipa liesmu slāpētājs, jo tam ir cilindriska forma, kas nodrošina 360 grādu spiediena izplūdi, samazinot pretestību izplūdei. Maksimālais putekļu Kst nedrīkst pārsniegt 300 bar•m/s.
Sprādziena izolācijas vārsti
	B-FLAP Normālas ekspluatācijas laikā pretvārsta vāciņš ir atvērts un to notur RPD mehānisms. Sprādziena gadījumā, triecienviļņa iedarbības rezultātā, vāciņš aizveras un tiek fiksēts slēgtā stāvoklī.
	GATEX Sprādziena un strauja spiediena pieauguma gadījumā sensori nekavējoties pārsūta signālu vadības centram. Kontrolieris aktivizē vārtu pneimatisko piedziņu, nodrošinot tā ātru aizvēršanu (reakcijas laiks – milisekundes) un aizver bīstamo cauruļvada daļu.
HRD sprādziena slāpēšanas sistēmas
	HRD HRD sistēma agrīnā stadijā ar ļoti jutīgiem sensoriem nosaka sprādzienu aprīkojumā un efektīvi to nomāc, izsmidzinot sprādzienu slāpējošu līdzekli.

Secinājums

Metāla pulvera sprādzienu iespējamības minimizēšana, tostarp daļiņu pašaizdegšanās gadījumā, ir prioritāte rūpnīcu drošībā. Lai raksturotu eksplozijas riskus un izstrādātu drošības pasākumus, nepieciešama laboratoriska putekļu paraugu pārbaude konkrētā uzņēmumā. Papildus obligātajiem organizatoriskajiem pasākumiem un aspirācijas sistēmām būtiska loma ir arī eksplozijas lokalizācijas sistēmām. Tās samazina bojājumus, aizsargā personālu un saglabā rūpnīcas integritāti.