Zagrożenia

pożarem

i wybuchem

Marek Woliński

Zakład

Rozpoznawania

Zagrożeń Obiektów

SGSP

PALIWO

UTLENIAC

Z

ŹRÓDŁO
ZAPŁONU

POŻAR,

WYBUC

H

POŻAR – spalanie o niekontrolowanym
przebiegu w czasie i przestrzeni

WYBUCH – gwałtowna reakcja utleniania
lub rozkładu, wywołująca wzrost
temperatury i/lub ciśnienia

ZAGROŻENIE POŻAROWE LUB
WYBUCHOWE:

- możliwość spowodowania pożaru lub
wybuchu,

- możliwość utraty życia (lub uszkodzenia
ciała)

i/lub zniszczenia mienia w wyniku pożaru
lub wybuchu

POŻAR,
WYBUC
H

ŹRÓDŁO
ZAPŁONU

PALIWO

UTLENIAC
Z

Granice

wybuchowości

(palności,

zapłonu)

są

charakterystycznymi cechami mieszanin palnych. Poza tymi
granicznymi stężeniami składników palnych w mieszaninie z
utleniaczem zapłon mieszaniny nie nastąpi nawet, jeśli źródło
zapłonu będzie miało nieskończenie wielką energię:

- - dolna granica wybuchowości (DGW) jest to najniższe
stężenie paliwa w mieszaninie palnej, poniżej którego nie jest
możliwy zapłon mieszaniny pod wpływem czynnika inicjującego i
dalsze samoczynne rozprzestrzenianie płomienia w określonych
warunkach badania,

- - górna granica wybuchowości (GGW) jest to najwyższe
stężenie paliwa w mieszaninie palnej, powyżej którego nie jest
możliwy zapłon mieszaniny pod wpływem czynnika inicjującego i
dalsze samoczynne rozprzestrzenianie płomienia w określonych
warunkach badania.

Zagrożenie pożarem i/lub wybuchem wzrasta ze spadkiem
dolnej granicy wybuchowości i rozszerzaniem zakresu
wybuchowości czyli różnicy między poziomem górnej i dolnej
granicy wybuchowości.

Minimalna energia zapłonu E

min

jest to najmniejsza energia

kondensatora

w

obwodzie

elektrycznym,

którego

wyładowanie

powoduje

zapłon

mieszaniny

i

rozprzestrzenianie się płomienia w określonych warunkach
badania. Dla gazów i par minimalną energię zapłonu oznacza
się dla składów stechiometrycznych, zaś dla pyłów – dla
mieszanin

bogatych

w

paliwo

(powyżej

składu

stechiometrycznego), są to warunki optymalne pod względem
składu mieszaniny.

Wartość minimalnej energii zapłonu jest parametrem, który
pozwala na ocenę zagrożenia wybuchem pochodzącego od
istniejących w rozpatrywanym obszarze źródeł energii takich,
jak iskry elektryczne, elektrostatyczne, iskry pochodzące z
pojemnościowych lub indukcyjnych obwodów elektrycznych,
a także iskry mechaniczne.

Zależność energii
zapłonowej od składu
mieszaniny na przykładzie
mieszanin wodoru z
powietrzem:

Z

1

– minimalna energia

zapłonu

E

min

= 0,019 mJ,

V

d

– dolna granica

wybuchowości,

V

g

– górna granica

wybuchowości.

Stężeniowe granice zapłonu,

przykłady

Wodór

4,1

74,2

4,0

94,0

Tlenek węgla

12,5

74,2

15,5

94,0

Metan

5,3

14,0

5,1

61,0

Etan

3,2

12,5

3,0

66,0

Propan

2,4

9,5

2,3

55,0

Butan

1,9

8,4

1,8

48,0

Acetylen

2,5

80,0

2,5

98,0

Gaz
koksowniczy

5,6

31,0

---

---

Gaz wodny

6,2

72,0

---

---

Gaz ziemny

4,5

17,0

---

---

Gaz miejski

35,0

74,0

---

---

Gaz

% gazu w

powietrzu

% gazu w tlenie

DGW

GGW

DGW

GGW

Minimalne energie zapłonu

mieszanin gazów i par z powietrzem,

przykłady

Substancja palna

E

min

, mJ

Dwusiarczek węgla

0,009

Wodór

0,019

Acetylen

0,019

Tlenek etylenu

0,060

Metanol

0,140

Eter etylowy

0,190

Benzen

0,200

Heksan

0,240

Butan

0,250

Metan

0,280

Aceton

0,600

Klasyfikacja mieszanin wybuchowych palnych gazów
i par z powietrzem na grupy wybuchowości (dla
środowisk, w których stosuje się urządzenia
elektryczne), z uwagi na graniczny doświadczalny
prześwit szczeliny MESG (czyli maksymalny prześwit
szczeliny, przez który nie jest możliwe przeniesienie
wybuchu

do

środowiska

zewnętrznego,

niebezpiecznego pod względem wybuchowym) i
wartość stosunku minimalnego prądu, przy którym
następuje zapalenie

badanego gazu lub pary do

minimalnego prądu, przy którym następuje zapalenie
metanu (stosunek MIC):

-   grupa I: metan w podziemnych wyrobiskach
górniczych,

- grupa II: gazy i pary z wyjątkiem metanu w
wyrobiskach podziemnych (np. IIA – propan, IIB –
etylen, IICa – wodór, IICb – acetylen).

Parametry temperaturowe wykorzystywane przy ocenie
skłonności palno - wybuchowych różnych substancji i
zagrożenia, jakie te substancje powodują, to:

-  temperatura samozapłonu dla gazów, par, aerozoli i
mgieł cieczy palnych oraz dla pyłu osiadłego w warstwie i
chmury pyłu, a także dla mieszanin hybrydowych,

-  temperatura zapłonu dla cieczy palnych,

-  temperatura zapalenia dla ciał stałych o zwartej
strukturze,

-  temperatura wytlewania dla pyłów,

-  temperatura tlenia dla pyłów.
Im niższe są wartości tych temperatur tym można się
spodziewać większego zagrożenia pożarem lub wybuchem
powodowanego przez poszczególne substancje (łatwiej
może dojść do zapłonu).

Temperatura samozapłonu jest to najniższa temperatura,
przy której następuje zapalenie się substancji palnej w wyniku
zetknięcia z gorącą powierzchnią lub wskutek oddziaływania
promieniowania cieplnego tej powierzchni (bez udziału
zewnętrznego płomienia lub iskry).

Klasyfikacja mieszanin wybuchowych gazów i par z

powietrzem

Temperatura

samozapłonu,

o

C

Klasa

temperaturow

a

Przykład substancji

> 450

T1

Wodór, tlenek węgla,
amoniak

>300 – 450

T2

Acetylen, n-butan, tlenek
etylenu

>200 – 300

T3

N-oktan, terpentyna,
akroleina

>135 – 200

T4

Aldehyd octowy, eter
dwuetylowy

>100 – 135

T5

Dwusiarczek węgla

>85 – 100

T6

Fosforowodór

Gazy i pary cieczy o temperaturze samozapłonu poniżej 85

o

C

traktowane są jako samozapalające się w temperaturze
pokojowej.

Temperatura zapłonu cieczy palnej jest to najniższa
temperatura, przy której ciecz tworzy nad swoją powierzchnią
mieszaninę par z powietrzem o odpowiednim stężeniu, zdolną
zapalić się od bodźca energetycznego w określonych warunkach
badania. Dla celów ochrony przeciwpożarowej wyróżnia się trzy
klasy cieczy:

-klasa I: ciecze o temperaturze zapłonu do 21

o

C (np. benzyna

samochodowa, aceton, alkohol etylowy),

-klasa II: ciecze o temperaturze zapłonu od 21

o

C do 55

o

C (np.

trójchloroetylen, terpentyna, glikol etylowy),

-klasa III: ciecze o temperaturze zapłonu powyżej 55

o

C do 100

o

C (np. cykloheksanol, anilina, nitrobenzen).

Pożarowo niebezpiecznymi są ciecze klasy I i II, zaś ciecze klasy
III kwalifikuje się jako ciecze palne.

Efekty pożaru lub wybuchu oddziaływujące na ludzi i
konstrukcje, mogące spowodować śmierć lub
uszkodzenia ciała albo zniszczenia dóbr materialnych:

- promieniowanie cieplne,

- toksyczne produkty spalania i rozkładu termicznego,

- fala ciśnieniowa, podmuch,

- odłamki.

P

O

Ż

A

R

W

Y

B

U

C

H

Średnie intensywności promieniowania

cieplnego dla różnych typów pożarów

gazów i cieczy

Pożar

I, kW/m

2

Temperatura

płomienia,

o

C

Pożary
powierzchniowe
LNG
LPG
Benzyna/nafta
Metanol
Pożary
strumieniowe
LPG/benzyna/nafta
LNG/metanol
BLEVE
Wszystkie ciecze

palne

200
100
75
150

350
200

250

1300
1300
1000
1250

1300
1300

1200

Strumi

eń

cieplny

,

kW/m

2

Skutki

promieniowania

cieplnego dla sprzętu

Skutki promieniowania

cieplnego dla ludzi

37,5

Uszkodzenie urządzeń
wcho-dzących w skład
instalacji tech-

nologicznych
(procesowych)

100% ofiar śmiertelnych po
1 min. narażenia, 1% ofiar
śmiertelnych po 10 s

narażenia

25,0

Zapalenie się drewna po

bardzo długim okresie
narażenia

100% ofiar śmiertelnych po

1 min. narażenia, znaczne
urazy po 10 s narażenia

12,5

Topienie się rur z
tworzywa sztucznego

1% ofiar śmiertelnych po 1
min. narażenia, oparzenia I

stopnia po 10 s narażenia

4,0

---

Powoduje ból przy
narażeniu dłuż-szym niż 20
s

2,1

---

Wartość minimalna do

wywołania bólu po 1 min.
narażenia

1,2

---

Nie stwarza dyskomfortu

przy długotrwałym
narażeniu

Toksyczność gazów pożarowych,

przykłady

Gaz

LC

50

, ppm

5 min

LC

50

, ppm

30 min

Dwutlenek węgla
CO

2

>150000

>150000

Amoniak NH

3

20000

9000

Chlorowodór HCl

16000

3700

Tlenek węgla CO

-

3000

Bromowodór HBr

-

3000

Tlenek azotu NO

10000

2500

Siarkowodór H

2

S

-

2000

Fluorowodór HF

10000

2000

Dwutlenek azotu

NO

2

5000

500

Dwutlenek siarki SO

2

500

-

Cyjanowodór HCN

280

135

Nadciśnie

nie, kPa

Skutki nadciśnienia dla

sprzętu i obiektów

Skutki nadciśnienia dla

ludzi

17,5 – 35

Poważne uszkodzenia

budynków i aparatury

procesowej

1% ofiar śmiertelnych wskutek

uszkodzeń płuc
>50% uszkodzeń bębenków w

uszach
>50% poważnych zranień od

odłamków

7 – 17

Uszkodzenia budynków

nadające się do

wyremontowania,

uszkodzenia fasad

budynków mieszkalnych

1% uszkodzeń bębenków w

uszach
1% poważnych zranień od

odłamków

3,5 – 7

Uszkodzenia przeszkleń

*)

Zranienia odłamkami szkła

1 -2

Uszkodzenia ok. 10%

przeszkleń

Niewielkie zranienia

odłamkami szkła

*)

stąd wynika przyjęcie poziomu nadciśnienia

ΔP = 5 kPa

jako wskaźnika zagrożenia wybuchem
pomieszczeń

A) WYBUCH
NA OTWARTEJ
PRZESTRZENI

B) WYBUCH W
POMIESZCZENI
U

lu

b

lu

b

Najbardziej niekorzystna pozycja:

klatka piersiowa blisko powierzchni

odbijającej, prostopadłej do kierunku

rozchodzenia się fali uderzeniowej

URAZY WSKUTEK PODMUCHU

Uderzenie głową o przeszkodę

Skutki

Prędkość przy uderzeniu,

m/s

Praktycznie bez skutków
Lekkie obrażenia (wartość

progowa)
50% prawdopodobieństwo
śmierci
100% prawdopodobieństwo
śmierci

3,05
3,96
5,49
7,01

Uderzenie dowolną częścią ciała o przeszkodę

Skutki

Prędkość przy uderzeniu,

m/s

Praktycznie bez skutków
Wartość progowa dla skutków
śmiertelnych
50% prawdopodobieństwo
śmierci
100% prawdopodobieństwo
śmierci

3,05

6,40

16,46
42,06

Gęstość obciążenia ogniowego jest to energia
cieplna, wyrażona w MJ, która może powstać przy
spaleniu się materiałów palnych składowanych,
wytwarzanych, przerabianych lub transportowanych
w sposób ciągły w pomieszczeniu, strefie pożarowej
lub składowisku materiałów stałych, przypadająca na
jednostkę powierzchni tego obiektu wyrażoną w m

2

.

Gęstość obciążenia ogniowego Q

d

w MJ/m

2

należy

obliczać według wzoru:





F

Q

Q

d

i

ci

G

*

n

1

i





w którym:
n -- liczba rodzajów materiałów palnych
znajdujących się w pomieszczeniu, strefie
pożarowej lub składowisku, G

i

-- masa

poszczególnych materiałów, kg,
Q

ci

-- ciepło spalania poszczególnych materiałów,

MJ/kg, F -- powierzchnia rzutu poziomego
pomieszczenia, strefy pożarowej lub składowiska,
m

2

.

(PN-B-
02852:2001)

Przedstawiony sposób obliczania gęstości
obciążenia ogniowego nie dotyczy:

- spalania cieczy i gazów palnych znajdujących się
w wolnostoją-cych, na zewnątrz budynków,
zbiornikach i urządzeniach techno-logicznych,

- spalania się stałych materiałów palnych
znajdujących się w zlo-kalizowanych na zewnątrz
budynków zamkniętych silosach lub zasobnikach
wykonanych z materiałów niepalnych (silosy zbożo-
we, zasobniki pyłu węglowego, mąki, tworzyw
sztucznych itp.),

- spalania się materiałów palnych w zasobnikach,
pojemnikach i innych opakowaniach
ognioodpornych, znajdujących się w budynkach.

Ocena zagrożenia wybuchem obejmuje wskazanie

pomieszczeń zagrożonych wybuchem, wyznaczenie w

pomieszczeniach i przestrzeniach zewnętrznych

odpowiednich stref zagrożenia wybuchem oraz

wskazanie czynników mogących w nich zainicjować

zapłon

(oceny tej dokonują: inwestor, projektant lub użytkownik

decydujący o procesie technologicznym)

W pomieszczeniu należy wyznaczyć strefę

zagrożenia wybuchem, jeżeli może w nim

wystąpić mieszanina wybuchowa o objętości co

najmniej 0,01 m

3

w zwartej przestrzeni

(DZ. U. NR 121 Z 2003 R.,
POZ. 1138)

STREFA ZAGROŻENIA WYBUCHEM –
przestrzeń, w której może występować
mieszanina substancji palnych z powietrzem lub
innymi gazami utleniającymi, o stężeniu
zawartym między dolną a górną granicą
wybuchowości

POMIESZCZENIE ZAGROŻONE WYBUCHEM –
pomieszczenie, w którym może się wytworzyć
mieszanina wybuchowa powstała z
wydzielającej się takiej ilości palnych gazów,
par, mgieł lub pyłów, że jej wybuch mógłby
spowodować przyrost ciśnienia w tym
pomieszczeniu przekraczający 5 kPa

PRZYROST CIŚNIENIA W POMIESZCZENIU

SPOWODOWANY PRZEZ WYBUCH Z UDZIAŁEM

JEDNORODNYCH PALNYCH GAZÓW LUB PAR O

CZĄSTECZKACH ZBUDOWANYCH Z ATOMÓW WĘGLA,

WODORU, TLENU, AZOTU I CHLOROWCÓW:



*

*

*

*

max

max

st

C

V

W

P

m

P



 

gdzie:

m

max

– maksymalna masa substancji palnych, tworzących mieszaninę

wybuchową,

jaka może się wydzielić w rozpatrywanym

pomieszczeniu, kg

ΔP

max

– maksymalny przyrost ciśnienia przy wybuchu

stechiometrycznej mieszaniny

gazowo- lub parowo-powietrznej

w zamkniętej komorze, Pa

W –

współczynnik przebiegu reakcji wybuchu, uwzględniający

niehermetyczność

pomieszczenia, nieadiabatyczność reakcji

wybuchu, a także fakt udziału w re-

akcji niecałej ilości

palnych gazów i par, jaka wydzieliłaby się w pomieszcze-

niu –

równy 0.17 dla palnych gazów i 0.1 dla palnych par

V -

objętość przestrzeni powietrznej pomieszczenia, stanowiąca

różnicę między

objętością pomieszczenia i objętością

znajdujących się w nim instalacji, sprzętu, zamkniętych opakowań
itp., m

3

, Pa

(1)

C

st

– objętościowe stężenie stechiometryczne palnych gazów lub

par:

β – stechiometryczny współczynnik tlenu w reakcji wybuchu:

n

C

, n

H

, n

Cl

, n

O

– odpowiednio ilości atomów węgla, wodoru,

chlorowców

i tlenu w cząsteczce gazu

lub pary

ρ -

gęstość palnych gazów lub par w temperaturze

pomieszczenia w normalnych

warunkach pracy, kg/m

3



*

84

.

4

1

1





st

C

2

4

O

Cl

H

C

n

n

n

n











(2)

PRZYROST CIŚNIENIA W POMIESZCZENIU

SPOWODOWANY PRZEZ WYBUCH Z UDZIAŁEM

SUBSTANCJI NIE BĘDĄCYCH JEDNORODNYMI

PALNYMI GAZAMI LUB PARAMI O

CZĄSTECZKACH ZBUDOWANYCH Z ATOMÓW WĘGLA,

WODORU, TLENU, AZOTU I CHLOROWCÓW:

T

c

V

W

P

q

m

P

P

P

sp

*

*

*

*

*

*

0

max







gdzie:

m

max

– maksymalna masa substancji palnych, tworzących mieszaninę

wybuchową,

jaka może się wydzielić w rozpatrywanym

pomieszczeniu, kg

q

SP

– ciepło spalania, J/kg

P

0

–

ciśnienie atmosferyczne normalne, równe 101325 Pa

ρ

P

–

gęstość powietrza w temperaturze T, kg/m

3

c

P

–

ciepło właściwe powietrza, równe 1.01*10

3

J/kg*K

, Pa

(1)

T –

temperatura pomieszczenia w normalnych warunkach pracy,

K

W –

współczynnik przebiegu reakcji wybuchu, uwzględniający

niehermetyczność

pomieszczenia, nieadiabatyczność reakcji

wybuchu, a także fakt udziału w re-

akcji niecałej ilości

palnych gazów i par, jaka wydzieliłaby się w pomieszcze-

niu –

równy 0.17 dla palnych gazów i uniesionego palnego pyłu oraz 0.1
dla

palnych par i mgieł

V -

objętość przestrzeni powietrznej pomieszczenia, stanowiąca

różnicę między

objętością pomieszczenia i objętością

znajdujących się w nim instalacji, sprzętu, zamkniętych opakowań
itp., m

3

(2)

PN-EN 1127-1: 2001. Atmosfery wybuchowe.
Zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem.
Pojęcia podstawowe i metodologia.
Strefa 0 – miejsce, w którym atmosfera wybuchowa

zawierająca mieszaninę substancji palnych w postaci gazu,
pary albo mgły z powietrzem występuje stale, przez długie
okresy lub często
Strefa 1 – miejsce, w którym atmosfera wybuchowa
zawierająca mieszaninę substancji palnych w postaci gazu,

pary albo mgły z powietrzem może wystąpić w trakcie
normalnego działania
Strefa 2 – miejsce, w którym atmosfera wybuchowa
zawierająca mieszaninę substancji palnych w postaci gazu,
pary albo mgły z powietrzem nie występuje w trakcie

normalnego działania, a w przypadku wystąpienia trwa krótko
Strefa 20 – miejsce, w którym atmosfera wybuchowa w

postaci obłoku palnego pyłu w powietrzu występuje stale lub
przez długie okresy lub często
Strefa 21 – miejsce, w którym atmosfera wybuchowa w
postaci obłoku palnego pyłu w powietrzu może czasami

wystąpić w trakcie normalnego działania
Strefa 22 – miejsce, w którym atmosfera wybuchowa w
postaci obłoku palnego pyłu w powietrzu nie występuje w
trakcie normalnego działania, a w przypadku wystąpienia trwa

krótko