مبانی جلوگیری از وقوع انفجار در محیط‌های صنعتی

بخش اول

در قرن نوزدهم میلادی الکتروتکنیک راه خود را در صنعت و مصارف خانگی باز کرد. در آن زمان زغال‌سنگ منبع اصلی انرژی در جهان بود و از مشکلات اصلی متصاعد ‌شدن گاز متان و گردوغبار زغال سنگ بود که بسیار قابل اشتعال و مستعد انفجار بودند. از همان زمان پایه‌ی روش‌های جلوگیری از انفجار توسط تجهیزات برقی مورد استفاده در این محیط‌ها بنا شد.
امروزه با استفاده از روش‌‌های مختلف می‌توان از ایجاد انفجار بر اثر تماس مواد قابل اشتعال و هوا با مراکز ایجاد جرقه و حرارت (مانند تجهیزات الکتریکی) تا حد بسیار زیادی جلوگیری کرد. البته همواره تجهیزات الکتریکی منبع ایجاد انرژی برای حریق یا انفجار نیستند (مانند اصطکاک بین دو فلز) و در دنیای امروزی قوانین و استاندارد‌های مشخصی برای ممانعت از ایجاد انفجار وجود دارد.
در صنایع فرایندی و شیمیایی در اکثر مواقع محیط و اتمسفر قابل انفجار وجود دارد و در چنین صنایعی استفاده از انواع تجهیزات ابزاردقیق یا موتور و سایر ادوات برقی غیر قابل اجتناب است.
انفجار
در تعریف انفجار گفته می‌شود: واکنش ناگهانی و بسیار سریع اکسیدشدن یا تجزیه مواد که همراه با تولید حرارت یا فشار که در اکثر موارد هردو وجود دارد. از مثال‌های عینی می‌توان واکنش گاز، بخار یا گردوغبار قابل اشتعال با اکسیژن هوا را نام برد.
شرایط وقوع انفجار
با توجه به این‌که انفجار در هوای محیط اتفاق می‌افتد، سه عامل زیر برای وقوع آن الزامی است:
⦁ ماده‌ی قابل انفجار
⦁ اکسیژن (هوا)
⦁ منبع ایجاد جرقه یا حرارت
برای ایجاد انفجار وجود داشتن عوامل اول و دوم اشاره شده به مقدار مناسب شرط اصلی است. به طور معمول وجود ۱۰ لیتر مخلوط هوا و ماده‌ی قابل انفجار در یک محیط بسته در کنار منبع ایجاد جرقه یا حرارت می‌تواند باعث انفجار و آسیب به شخص یا تجهیزات گردد. وجود هر سه عامل ذکرشده به‌طور هم‌زمان برای ایجاد انفجار الزامی است و در صورت نبودن یک یا چند عامل فوق خطر انفجار را از بین می‌برد. هدف از روش‌های جلوگیری از انفجار حذف حداقل یکی از موارد اشاره شده است. البته در برخی از واکنش‌های شیمیایی مانند واکنش کلر با هیدروژن انفجاری هستند ولی چون این واکنش در داخل محفظه یا راکتور صورت می‌پذیرد این واکنش کنترل‌شده است.
منطقه‌ی انفجار (Explosion area)
مخلوط هوا و ماده‌ی انفجاری دارای حد پایین و حد بالا است. فاصله‌ی بین این دو حد همان منطقه‌ی انفجاری است. تراکم وغلظت کمتر از ۲۰٪ این مخلوط در یک محیط به عنوان منطقه‌ی امن طبقه‌بندی می‌شود. حد پایین یعنی مقدار کم ماده‌ی اشتعال‌زا و حد بالا یعنی کمبود اکسیژن در مخلوط است.
جلوگیری از انفجار با استفاده از روش‌های اولیه
روش‌های اولیه بر پایه‌ی جایگزین کردن ماده‌ی قابل اشتعال یا اکسیژن هوا با مواد دیگر یا پایین نگه‌داشتن تراکم و غلظت این مواد است. یکی از روش‌ها دمیدن هوا یا گردش هوا است که باعث کم شدن تراکم شدن گاز‌های قابل اشتعال می‌شود. کم کردن غلظت اکسیژن هوا در مکان‌هایی که انسان رفت‌ و آمد دارد غیرممکن است (اکسیژن برای تنفس الزامی است) به همین دلیل کم کردن غلظت ماده‌ی انفجاری بهترین روش است. از روش‌های جلوگیری می‌توان به:
⦁ هوادهی
⦁ کم‌کردن غلظت
⦁ اضافه کردن گاز نیتروژن یا آرگون (این دو گاز قابل اشتعال نیستند) به محیط‌های بسته
⦁ استفاده از حس‌گرهای گاز برای تعیین میزان تراکم و در صورت امکان قطع جریان گاز قابل اشتعال
ماده‌ی قابل اشتعال
ماده‌ی قابل اشتعال به سه صورت: گاز، مایع یا جامد وجود دارد.
⦁ گاز قابل اشتعال
برای مثال می توان گاز هیدروژن را نام برد که با کم‌ترین انرژی قابلیت ترکیب با اکسیژن هوا و تولید حرارت را دارد. بخارات قابل اشتعال در حقیقت گازهای متصاعد‌شده از سطح مایعات قابل اشتعال است مانند بخارات بنزین خودرو که بسیار آتش‌زا است.
⦁ مایعات قابل اشتعال
مایعات قابل اشتعال معمولاً از ترکیبات کربن و اکسیژن هستند که می‌توان به اتر، آستون یا بنزین اشاره نمود. مواد نام‌برده شده می‌توانند در دمای معمولی تولید بخارات قابل اشتعال نمایند. برخی مایعات قابل اشتعال در دمای بالا تولید گاز یا بخار می‌کنند. در مایعات قابل اشتعال مهم‌ترین فاکتور نقطه‌ی اشتعال آن‌ها است. در تعریف نقطه‌ی اشتعال گفته‌می‌شود که پایین‌ترین دمایی است که در شرایط آزمایشگاهی گاز یا بخار قابل اشتعال در سطح مایع ایجاد شده و با یک جرقه یا انرژی مناسب آتش می‌گیرد. نقطه‌ی اشتعال میزان مهمی در طبقه‌بندی قابلیت اشتعال‌زایی مایعات است. هر چه این نفطه پایین‌تر باشد خطرناک‌تر است.
اگر مایعات اشتعال‌زا اسپری شوند قطرات ریزی به نام مه تولید می کنند که در سطح وسیعی پخش می‌شوند. برای نمونه می‌توان اسپری های مختلف مورد مصرف در منازل یا صنعت نام برد. در این موارد نقطه‌ی اشتعال چندان مهم نیست زیرا به خودی خود گاز (ذرات بسیار ریز مایع) تشکیل شده است.
⦁ مواد جامد قابل اشتعال
مواد جامد قابل اشتعال می‌توانند در حالت گرد و غبار یا الیاف بسیار ریزو باریک باشند که با اکسیژن هوا ترکیب شده و تولید انفجارات شدید می‌کنند. در حالت عمومی انرژی مورد نیاز برای شعله ورکردن این نوع مخلوط بیشتر از حالت گاز یا مایع است. در کنار جنس این مواد، اندازه‌ی این ذرات نیز اهمیت زیادی دارند. برای مثال در مورد پارافین شمع می‌توان دید که واکنش‌های شیمیایی پارافین پس از شعله‌ور‌شدن را نمی‌توان به نحوه ساده بیان نمود. در هنگامی که فیتیله‌ی یک شمع را روشن می‌کنیم حرارت فیتیله شمع را بخار کرده و این بخارات سوخت لازم برای ادامه‌ی شعله را فراهم می‌سازد. پس از خاموش کردن فیتیله هنوز بخارات پارافین متصاعد می‌شوند و هنگامی که پارافین شمع دوباره سفت می‌شود و بخارات از بین بروند دیگری خطری متصور نیست.
گرد وغبار رفتار مختلفی در هنگامی که ساکن (بر روی سطوح نشسته باشند) یا در حالت تلاطم باشند از خود نشان می‌دهند. در حالت ساکن این ذرات بر اثر جرقه یا حرارت شروع به سوختن ناقص و معمولاً بدون شعله می‌کنند ولی در حالت متلاطم باعث ایجاد انفجار می‌شوند. در بسیاری از موارد انفجارات این نوع از مواد اول به صورت ناقص شروع شده و سپس به علت تلاطم و برهم‌زدن غبار به یک انفجار تبدیل می‌شوند. این امر در هنگام خاموش کردن آتش غبارات ساکن باید مدنظر باشد که آن‌ها را بهم نزده تا باعث تلاطم شود.
در معادن زغال‌سنگ آتش گرفتن و انفجار گازهای متصاعد شده از زغال باعث تلاطم و آتش گرفتن ذرات ریز زغال‌سنگ شده که باعث انفجارات ثانویه‌ای می‌شود که شدیدتر از اولیه است.
اکسیژن (هوا)
اکسیژن موجود در هوا می‌تواند مقدار معینی از مواد قابل اشتعال را اکسید کند یا بسوزاند. نسبت مخلوط مناسب هوا (اکسیژن) به ماده‌ی قابل اشتعال معروف به Air-Fuel Ratio (AFR) است. در AFR مناسب بهترین حالت انفجار صورت می‌گیرد. اگر این نسبت صحیح نباشد اشتعال آرام خواهد بود یا خاموش می‌شود. همان‌طور که قبلاً توضیح داده شد درپایین‌تر یا بالاتر از حد منطقه‌ی انفجار دیگر اشتعال یا انفجاری صورت نمی‌گیرد و منطقه‌ی امن است.
منبع ایجاد جرقه یا حرارت
در بخش اول استاندارد اروپایی EN-1127 منابع ایجاد جرقه یا حرارت به شرح زیر تعریف شده‌اند:
⦁ سطوح داغ (بخش ۵.۳.۲): این سطوح بر اثر اتلاف انرژی در دستگاه‌ها و تجهیزات برقی به‌وجود می‌آیند مانند بدنه‌ی داغ یک موتور الکتریکی (نوع اول). البته در برخی دستگاه‌ها ایجاد گرما هدف است مانند المنت‌های حرارتی یا هیترها که گرمای این نوع تجهیزات قابل کنترل هستند(نوع دوم). در نوع اول باید تعیین گردد که آیا گرمای تولیدی بر اساس اتلاف انرژی یک حد نهایی دارد یا ممکن است غیر قابل کنترل باشد. در نوع اول باید برای کنترل گرمای تولیدی راه‌حل فنی درنظر گرفته شود. انواع سیم‌پیچ، مقاومت، لامپ، ترمز دستگاه‌ها یا بلبرینگ ماشین های دوار را می‌توان از نمونه‌های نوع اول نام برد.
⦁ در تجهیزاتی که دارای محفظه‌ی انفجار مانند سلیندر خودرو هستند یا در دستگاه‌های آنالایزر می‌توانند شعله، گاز یا ذرات داغ در حالت عادی کارکرد یا خرابی آن ها به محیط بیرون وارد شوند (بخش ۵.۳.۳) . در این مورد نیز باید با راه‌حل های فنی از خروج دائمی آن‌ها جلوگیری کرد. برای مثال می‌توان اگزوز دستگاه‌ها یا ذراتی که از قطع و وصل کنتاکت‌های برق فشار قوی آزاد می‌شوند را نام برد.
⦁ جرقه از تجهیزات مکانیکی (بخش ۵.۳.۴): که از اصطکاک یا براده‌برداری یا عملیات سایشی در محیط قابل انفجار صورت می‌پذیرد.
⦁ جرقه الکتریکی قابل رویت (بخش ۵.۳.۵) را می‌توان به عنوان یکی از منابع انرژی ایجاد حریق نام برد. البته جرقه‌های الکتریکی با توان بسیار کم در حد میکرووات را می‌توان نادیده گرفت. برای مثال می‌توان جرقه حاصل از قطع و وصل تیغه‌های یک رله، کلکتور موتورهای DC یا انواع موتور.
⦁ مسیرهای برق و منابع ولتاژ با سیم زمین مانند حفاظت کاتدی می‌توانند باعث اختلاف پتانسیل و جاری‌شدن جریان الکتریکی به زمین شوند (بخش ۵.۳.۶). به همین دلیل سیم زمین خوب با سطح مقطع قابل‌قبول و در چندین نقطه از تجهیزات که بدنه‌ی هادی (تجهیزات الکتریکی و غیر الکتریکی) دارند مورد نیاز است تا سطح اختلاف پتانسیل به حداقل کاهش یابد.
⦁ جرقه از منابع استاتیک برقی مانند مالش لباس‌های پشمی، الیاف مصنوعی، اصطکاک کیف تجهیزات قابل حمل با لباس که در تماس با فلزات هادی انرژی الکتریکی ساکن تخلیه شده و همه آن را به نحوی تجربه کرده‌اند (بخش ۵.۳.۷). این نوع جرقه‌ی الکتریکی فارغ از منابع برقی تولید می‌شوند و باید با اهمیت خاصی از آن جلوگیری کرد.
⦁ صاعقه (۵.۳.۸) یکی دیگر از انواع منابع تولید انرژی برای ایجاد حریق است که باعث انفجار و حریق در محیط‌های قابل اشتعال می‌شود. هم‌چنین در صورت وجود صاعقه‌گیر باید مراقب بود که عبور صاعقه از آن باعث ایجاد حرارت نشود.
⦁ تشعشات الکترومغناطیسی – امواج رادیویی (بخش ۵.۳.۹).
⦁ تشعشات الکترومغناطیسی – امواج قابل رویت مادون قرمز (بخش ۵.۳.۱۰).
⦁ تشعشات یونی – امواج ماوراء بنفش (بخش ۵.۳.۱۱).
⦁ امواج فراصوتی (بخش ۵.۳.۱۲).
تجهیزاتی که از امواج رادیویی استفاده می‌کنند مانند دستگاه‌های بی‌سیم، گوشی موبایل، اسکنر و پرده‌های نوری باید برای استفاده در محیط‌های انفجاری مناسب باشند و دارای استاندارد استفاده در چنین مناطقی باشند.
⦁ فشرده سازی سریع گازها بدون اینکه فرصت خروج حرارت به دلیل فشردگی داشته باشند یا تغییر ناگهانی فشار که به صورت ضربه و با سرعت فراصوت پخش می‌شوند (بخش ۵.۳.۱۳).
تقسیم‌بندی محیط‌های انفجاری (EX-Zone)
مناطق خطرناک از نظر انفجاری با توجه به تعداد دفعات وجود داشتن مخلوط قابل انفجار و مدت دوام آن در یک محیط به مناطق زیر تقسیم می‌شوند:
برای گازها و بخارات قابل اشتعال
Zone 0
در این منطقه مخلوط قابل انفجار هوا و ماده‌ی فابل اشتعال به‌طور دائم و برای مدت طولانی یا با تعداد دفعات زیاد وجود دارد.
Zone 1
در این منطقه در حالت کارکرد عادی هرازگاهی مخلوط قابل انفجار هوا و ماده‌ی قابل اشتعال وجود دارد.
Zone 2
در این منطقه در حالت کارکرد عادی مخلوط قابل انفجار هوا و ماده‌ی فابل اشتعال وجود نداشته یا به مدت کوتاه وجود دارد.
برای غبار و ذرات معلق
Zone 20
در این منطقه مخلوط قابل انفجار هوا و ذرات قابل اشتعال به شکل ابر و به‌طور دائم و برای مدت طولانی یا با تعداد دفعات زیاد وجود دارد.
Zone 21
در این منطقه مخلوط قابل انفجار هوا و ذرات قابل اشتعال به شکل ابر هرازگاهی وجود دارد.
Zone 22
در این منطقه در حالت کارکرد عادی مخلوط قابل انفجار هوا و ذرات فابل اشتعال به شکل ابر وجود نداشته یا به مدت کوتاه وجود دارد.
مناطق ۱و۲ (۲۱ و ۲۲) مناطق غالب در صنایع هستند و وسعت مناطق صفر (۲۰) بسیار محدود است.
کدهای مورد استفاده برای شناسایی مناطق مختلف در صنعت
حرارت مورد نیاز برای آغاز اشتعال
طبقه‌بندی حرارتی برای گاز و بخارات
بر طبق استاندارد IEC 60079-20-1 پایین‌ترین حرارت ممکن برای آغاز سوختن یک مخلوط گاز و بخارات با هوا به شرح جدول شماره‌ی ۱ زیر تعریف شده است:
طبقه‌بندی حرارت محدوده‌ی حرارت برای شعله‌ور شدن مخلوط هوا و گاز و بخارات محدوده‌ی مجاز حرارت سطوح داغ تجهیزات
T1 > 450 °C 450 °C
T2 > 300 … =< 450 °C 300 °C
T3 > 200 … =< 300 °C 200 °C
T4 > 135 … =< 200 °C 135 °C
T5 > 100 … =< 135 °C 100 °C
T6 > 85 … =< 100 °C 85 °C
جدول ۱: کد طبقه‌بندی حرارت
غبار و ذرات معلق
در استاندارد IEC 61241-2-1 طبقه‌بندی حرارت برای آغاز اشتعال در مورد غبار و ذرات تعریف شده است. باید توجه داشت که حرارت لازم برای ذرات و غبار ساکن با حرارت لازم برای غبار و ذرات متلاطم که به اصطلاح حالت ابری گفته‌ می‌شود، متفاوت است. برای ذرات و غبار قابل اشتعال مانند گاز و بخارات طبقه‌بندی حرارت خاصی وجود ندارد و برای هر نوع غبار مقدار حرارت مجاز متفاوت است. جداول مختلفی برای انواع غبار و ذرات قابل اشتعال وجود دارند که می‌توان از آن‌ها استفاده نمود و در صورت نبودن در لیست جداول باید به آزمایشگاه‌های مورد تأیید مراجعه نمود. فرمول کلی برای شناسایی نقطه‌ی اشتعال ذرات و غبار سالن و حالت ابری به شرح جدول شماره‌ی ۲ است:
نقطه‌ی اشتعال ذرات وغبار Tzul. حرارت مجاز سطوح
حرات مجاز سطوح برای ذرات و غبار ساکن حرارت مجاز سطوح برای غبار و ذرات ابری Tzul.S حداکثر حرارت مجاز سطوح برای ذرات و غبار ساکن
Tzul.S = Tmin.s – 75 °C Tzul.W = 2/3 Tmin.W Tmin.S حرارت نقطه‌ی اشتعال ذرات و غبار ساکن
حداکثر حرارت مجاز سطوح تجهیزات Tzul.W حداکثر حرارت مجاز سطوح برای ذرات و غبار ابری
Tzul.S >= Tzul. =< Tzul.W Tmin.W حرارت نقطه‌ی اشتعال ذرات و غبار ابری
جدول ۲: فرمول محاسبه‌ی نقطه‌ی اشتعال ذرات و غبار

برای غبار و ذراتی که بزرگتر از پنج میلی‌متر هستند باید از جداول خاص استفاده نمود.
سایر کدهای مورد استفاده
برای مقایسه انرژی الکتریسیته‌ی ساکن تخلیه شده که می‌تواند باعث شعله‌ور شدن گازها و بخارات شود از تقسیم‌بندی زیر استفاده می‌شود:
⦁ IIA approx. 300 μWs
⦁ IIB approx. 150 μWs
⦁ IIC < 50 μWs
در استاندارد IEC 61241-2-3 این مقادیر برای غبار و ذرات قابل اشتعال نیز وجود دارند. در استاندارد IEC 61241-2-2 روش‌های اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی ذرات و غبار تعریف شده است و سه گروه زیر را می‌توان نام برد:
⦁ IIIA برای الیاف قابل اشتعال
⦁ IIIB‌ برای غبار و ذرات غیر هادی با مقاومت الکتریکی بزرگ‌تر از ۱۰۰۰ اهم
⦁ IIIC برای غبار و ذرات هادی با مقاومت الکتریکی کوچک‌تر یا مساوی ۱۰۰۰ اهم
بخش دوم و پایانی در نوشتار بعدی ارائه خواهد شد.