Определение пожароопасных параметров тепловых источников интенсивности отказов элементов

5.1. Пожароопасные параметры тепловых источников

5.1.1. Разряд атмосферного электричества

5.l.l.l. Прямой удар молнии

Опасность прямого удара молнии заключается в контакте горючей среды с каналом молнии, температура в котором достигает 30000°С при силе тока 200000 А и времени действия около 100 мкс. От прямого удара молнии воспламеняются все горючие среды.

5.1.1.2. Вторичное воздействие молнии

Опасность вторичного воздействия молнии заключается в искровых разрядах, возникающих в результате индукционного и электромагнитного воздействия атмосферного электричества на производственное оборудование, трубопроводы и строительные конструкции. Энергия искрового разряда превышает 250 мДж и достаточна для воспламенения горючих веществ с минимальной энергией зажигания до 0, 25 Дж.

5.1.1.3. Занос высокого потенциала

Занос высокого потенциала в здание происходит по металлическим коммуникациям не только при их прямом поражении молнией, но и при расположении коммуникаций в непосредственной близости от молниеотвода. При соблюдении безопасных расстояний между молниеотводами и коммуникациями энергия возможных искровых разрядов достигает значений 100 Дж и более, то есть достаточна для воспламенения всех горючих веществ.

5.1.2. Электрическая искра (дуга)

5.1.2.1. Термическое действие токов короткого замыкания

Температуру проводника (t _пр), °С, нагреваемого током короткого замыкания, вычисляют по формуле

(72)

где t _н — начальная температура проводника, °С;

I _к.з — ток короткого замыкания, А;

R — сопротивление проводника, Oм;

t_к.з — время короткого замыкания, с;

С _пр — теплоемкость проводника, Дж× кг^-1× К^-1;

m _пр — масса проводника, кг.

Воспламеняемость кабеля и проводника с изоляцией зависит от значения кратности тока короткого замыкания I _к.з, т. е. от значения отношения I _к.з к длительно допустимому току кабеля или провода. Если эта кратность больше 2, 5, но меньше 18 для кабеля и 21 для провода, то происходит воспламенение поливинилхлоридной изоляции.

5.1.2.2. Электрические искры (капли металла)

Электрические искры (капли металла) образуются при коротком замыкании электропроводки, электросварке и при плавлении электродов электрических ламп накаливания общего назначения. Размер капель металла при этом достигает 3 мм (при потолочной сварке — 4 мм). При коротком замыкании и электросварке частицы вылетают во всех направлениях, и их скорость не превышает 10 и 4 м× с^-1 соответственно. Температура капель зависит от вида металла и равна температуре плавления. Температура капель алюминия при коротком замыкании достигает 2500 °С, температура сварочных частиц и никелевых частиц ламп накаливания достигает 2100 °C. Размер капель при резке металла достигает 15—26 мм, скорость — 1 м× с^-1 температура 1500 °C. Температура дуги при сварке и резке достигает 4000 °С, поэтому дуга является источником зажигания всех горючих веществ.

Зона разлета частиц при коротком замыкании зависит от высоты расположения провода, начальной скорости полета частиц, угла вылета и носит вероятностный характер. При высоте расположения провода 10 м вероятность попадания частиц на расстояние 9 м составляет 0, 06; 7м—0, 45 и 5 м—0, 92; при высоте расположения 3 м вероятность попадания частиц на расстояние 8 м составляет 0, 01, 6 м — 0, 29 и 4 м— 0, 96, а при высоте 1 м вероятность разлета частиц на 6 м— 0, 06, 5 м — 0, 24, 4 м — 0, 66 и 3 м — 0, 99.

Количество теплоты, которое капля металла способна отдать горючей среде при остывании до температуры ее самовоспламенения, рассчитывают следующим способом.

Среднюю скорость полета капли металла при свободном падении (w_к), м× с^-1, вычисляют по формуле

(73)

где g =9, 8l м× с^-1 — ускорение свободного падения;

Н — высота падения, м.

Объем капли металла (V _к), м³, вычисляют по формуле

(74)

где d _k — диаметр капли, м.

Массу капли (m _k), кг, вычисляют по формуле

(75)

где r — плотность металла, кг× м^-3.

В зависимости от продолжительности полета капли возможны три ее состояния: жидкое, кристаллизации, твердое.

Время полета капли в расплавленном (жидком) состоянии (t_p), с, рассчитывают по формуле

(76)

где C _p — удельная теплоемкость расплава металла, Дж× к^-1К^-1;

m _k — масса капли, кг;

S _k=0, 785 — площадь поверхности капли, м²;

Т _н, Т _пл — температура капли в начале полета и температура плавления металла соответственно, К;

Т ₀ — температура окружающей среды (воздуха), К;

a — коэффициент теплоотдачи, Вт, м^-2 К^-1.

Коэффициент теплоотдачи определяют в следующей последовательности:

а) вычисляют число Рейнольдса по формуле

(77)

где d _k — диаметр капли м;

v = 15, 1× 10^-6 — коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуре 20°С, м^-2× с^-1.

б) вычисляют критерий Нуссельта по формуле

(78)

в) вычисляют коэффициент теплоотдачи по формуле

, (79)

где l_В=22× 10^-3 — коэффициент теплопроводности воздуха, Вт× м^-1× -К^-1.

Если t£ t_р, то конечную температуру капли определяют по формуле

(80)

Время полета капли, в течение которого происходит ее кристаллизация, определяют по формуле

(81)

где С _кр — удельная теплота кристаллизации металла, Дж× кг^-1.

Если t_р< t£ (t_p+t_кр), то конечную температуру капли определяют по формуле

(82)

Если t> (t_р+t_кр), то конечную температуру капли в твердом состоянии определяют по формуле

(83)

где С _к — удельная теплоемкость металла, Дж кг ^-1× K^-1.

Количество тепла (W), Дж, отдаваемое каплей металла твердому или жидкому горючему материалу, на который она попала, вычисляют по формуле

(84)

где Т _св — температура самовоспламенения горючего материала, К;

К — коэффициент, равный отношению тепла, отданного горючему веществу, к энергии, запасенной в капле.

Если отсутствует возможность определения коэффициента К, то принимают К =1.

Более строгое определение конечной температуры капли может быть проведено при учете зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры.

5.1.2.3. Электрические лампы накаливания общего назначения

Пожарная опасность светильников обусловлена возможностью контакта горючей среды с колбой электрической лампы накаливания, нагретой выше температуры самовоспламенения горючей среды. Температура нагрева колбы электрической лампочки зависит от мощности лампы, ее размеров и расположения в пространстве. Зависимость максимальной температуры на колбе горизонтально расположенной лампы от ее мощности и времени приведена на черт. 3.

Черт. 3

5.1.2.4. Искры статического электричества

Энергию искры (W _и), Дж, способной возникнуть под действием напряжения между пластиной и каким-либо заземленным предметом, вычисляют по запасенной конденсатором энергии из формулы

(85)

где С — емкость конденсатора, Ф;

U — напряжение, В.

Разность потенциалов между заряженным телом и землей измеряют электрометрами в реальных условиях производства.

Черт. 4

Если W _и³ 0, 4 W _м.э.з (W _м.э.з ¾ минимальная энергия зажигания среды), то искру статического электричества рассматривают как источник зажигания.

Реальную опасность представляет “контактная” электризация людей, работающих с движущимися диэлектрическими материалами. При соприкосновении человека с заземленным предметом возникают искры с энергией от 2, 5 до 7, 5 мДж. Зависимость энергии электрического разряда с тела человека и от потенциала зарядов статического электричества показана на черт. 4.

5.1.3. Механические (фрикционные) искры (искры от удара и трения)

Размеры искр удара и трения, которые представляют собой раскаленную до свечения частичку металла или камня, обычно не превышают 0, 5 мм, а их температура находится в пределах температуры плавления металла. Температура искр, образующихся при соударении металлов, способных вступать в химическое взаимодействие друг с другом с выделением значительного количества тепла, может превышать температуру плавления и поэтому ее определяют экспериментально или расчетом.

Количество теплоты, отдаваемое искрой при охлаждении от начальной температуры t _н до температуры самовоспламенения горючей среды t _св вычисляют но формуле (84), а время остывания t — следующим образом.

Отношение температур (Q_п) вычисляют по формуле

(86)

где t _в — температура воздуха, °С.

Коэффициент теплоотдачи (a), Вт× м^-2× К^-1, вычисляют по формуле

(87)

где w _и — скорость полета искры, м× с^-1.

Скорость искры (w _и), образующейся при ударе свободно падающего тела, вычисляют по формуле

(88)

а при ударе о вращающееся тело по формуле

(89)

где n — частота вращения,, с^-1;

R — радиус вращающегося тела, м.

Скорость полета искр, образующихся при работе с ударным инструментом, принимают равной 16 м× с^-1, а с высекаемых при ходьбе в обуви, подбитой металлическими набойками или гвоздями, 12 м× с^-1.

Критерий Био вычисляют по формуле

(90)

где d _и — диаметр искры, м;

l_и — коэффициент теплопроводности металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества (t _св), Вт м ^-1× K^-1.

По значениям относительной избыточной температуры q_п и критерия В _i определяют по графику (черт. 5) критерий Фурье.

Черт. 5

Длительность остывания частицы металла (t), с, вычисляют по формуле

(91)

где F ₀ — критерий Фурье;

С _и — теплоемкость металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, Дж× кг^-1× К^-1;

r_и — плотность металла искры при температуре самовоспламенения горючего вещества, кг× м^-3.

При наличии экспериментальных данных о поджигающей способности фрикционных искр вывод об их опасности для анализируемой горючей среды допускается делать без проведения расчетов.

5.1.4. Открытое пламя и искры двигателей (печей)

Пожарная опасность пламени обусловлена интенсивностью теплового воздействия (плотностью теплового потока), площадью воздействия, ориентацией (взаимным расположением), периодичностью и временем его воздействия на горючие вещества. Плотность теплового потока диффузионных пламен (спички, свечи, газовой горелки) составляет 18—40 кВт× м^-2, а предварительно перемешанных (паяльные лампы, газовые горелки) 60—140 кВт× м^-2 В табл. 6 приведены температурные и временные характеристики некоторых пламен и малокалорийных источников тепла.

Таблица 6

Открытое пламя опасно не только при непосредственном контакте с горючей средой, но и при ее облучении. Интенсивность облучения (g _р), Вт× м^-2, вычисляют по формуле

(92)

где 5, 7 — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт× м^-2× К^-4;

e_пр — приведенная степень черноты системы

(93)

e_ф — степень черноты факела (при горении дерева равна 0, 7, нефтепродуктов 0, 85);

e_в — степень черноты облучаемого вещества принимают по справочной литературе;

Т _ф — температура факела пламени, К,

Т _св — температура горючего вещества, К;

j_1ф— коэффициент облученности между излучающей и облучаемой поверхностями.

Критические значения интенсивности облучения в зависимости от времени облучения для некоторых веществ приведены в табл. 7.

Пожарная опасность искр печных труб, котельных, труб паровозов и тепловозов, а также других машин, костров, в значительной степени определяется их размером и температурой. Установлено, что искра диаметром 2 мм пожароопасна, если имеет температуру около 1000°С, диаметром 3 мм—800 °С, диаметром 5 мм—600 °С.

Теплосодержание и время остывания искры до безопасности температуры вычисляют по формулам (76 и 91). При этом диаметр искры принимают 3 мм, а скорость полета искры (w_и), м× с^-1, вычисляют по формуле

(94)

где w_в — скорость ветра, м× с^-1;

H — высота трубы, м.

Таблица 7

5.1.5. Нагрев веществ, отдельных узлов и поверхностей технологического оборудования

Температуру нагрева электропровода при возникновении перегрузки (t _ж), °С, вычисляют по формуле

(95)

где t _ср.н — нормативная температура среды для прокладки провода, принимается в соответствии с правилами электрооборудования, утвержденными Госэнергонадзором, °С;

I _ф — фактический ток в проводнике, А;

t _ж.н — нормативная температура жилы электропровода, °С;

I _доп — допустимый ток в проводнике, А.

Температура газа при сжатии в компрессоре и отсутствии его охлаждения (Т _к), К, вычисляют по формуле

(96)

где Т _н — температура газа в начале сжатия, К;

Р _к, Р _н — давление газа в конце и начале сжатия, кг× м^-2;

k — показатель адиабаты (равен 1, 67 и 1, 4 соответственно для одно- и двухатомных газов).

Для многоатомных газов показатель адиабаты вычисляют по формуле

(97)

где С _р, С _v — изобарная и изохорная удельные массовые теплоемкости газов, Дж× кг^-1× К^-1.

Температуру нагрева электрических контактов при возникновении повышенных переходных сопротивлений (t _н.к), °С, вычисляют по формуле

(98)

где t _ср — температура среды, ^оС;

t — время, с;

t_к — постоянная времени нагрева контактов, с;

Р — электрическая мощность, выделяющаяся в контактных переходах, Вт;

S — площадь поверхности теплообмена, м²;

a_общ — общий коэффициент теплоотдачи, Вт× м^-2× К^-1.

До максимальной температуры контакты нагреваются за время

(99)

Электрическую мощность (Р), выделяющуюся в контактных переходах вычисляют по формуле

(100)

где I — ток в сети, А;

U _i — падение напряжения в i -й контактной паре в электрическом контакте, В;

п — количество контактных пар в контакте.

Значение падения напряжений на контактных парах U _i для деталей из некоторых материалов приведены в табл. 8.

Таблица 8

Коэффициент теплообмена вычисляют в зависимости от температуры контактов по формулам:

(101)

(102)

Постоянную времени нагрева контактов вычисляют по формуле

(103)

где С — удельная массовая теплоемкость металла контактов, Дж кг ^-1× K^-1;

m — масса контактов кг.

Расчет t _н.к проводят в следующей последовательности. Для заданной температуры t _н.к вычисляют a_общ и С, а затем по формуле (98) вычисляют t _н.к. Если выбранное и вычисленное значения t _н.к отличаются более чем на 5%, то вычисление необходимо повторить.

Температуру подшипника скольжения при отсутствии смазки и принудительного охлаждения (t _п.с), ^оС, вычисляют по формуле

(104)

где t _ср — температура среды, °С;

a=0, 44 fNdn — коэффициент мощности, Вт;

f — коэффициент трения скольжения;

N — сила, действующая на подшипник, кг;

d — диаметр шипа вала, м;

п — частота вращения вала, мин^-1;

S — площадь поверхности теплообмена (поверхность подшипника, омываемая воздухом), м²;

t — время работы подшипника, с;

— постоянная времени нагрева подшипника, с;

m — масса подшипника, кг.

Время нагрева подшипника (t), с, до заданной температуры вычисляют по формуле

(105)

Практически при t = 5t_п температура подшипника достигает максимального значения, вычисляемого по формуле

(106)

В формулах (106, 107, 108) коэффициент теплообмена a_общ вычисляют по формулам (101 или 102).

Последовательность расчета температуры подшипника аналогична расчету температуры нагрева контактов.

5.1.6. Нагрев веществ при самовозгорании

Минимальную температуру среды, при которой происходит тепловое самовозгорание, вычисляют из выражения

(107)

а время нагревания вещества до момента самовозгорания из выражения

(108)

где t _c — температура окружающей среды, °С;

t_c — время нагрева, ч;

A_p, A_в, n_p, n_в — эмпирические константы;

S — удельная поверхность тел, м^-1.

(109)

где F — полная наружная поверхность тела, м²;

V — объем тела, м³;

l, b, h — размеры тела вдоль соответствующей координатной оси, м; например, для прямоугольного параллелепипеда, l — длина, b — ширина, h — высота; для цилиндра: l = b = D _ц h —высота; для шара: l = b = h = D _ш и т. д.

5.2. Интенсивность отказов элементов оборудования, приборов и аппаратов

Зависимость интенсивности повреждений оборудования, приводящих к взрыву, от взрывоопасной концентрации для производства дивинила, метана, этилена и аммиака приведена на черт. 6.

min и max l

— — — средние значения

1 — фланцы; 2 — задвижки; 3 — скруберы; 4 — осушители;

5 — конденсаторы; 6 — емкости; 7 — трубы

Черт. 6

Интенсивность отказов различных элементов технологических аппаратов и защитных устройств определяют по табл. 9, 10.

Таблица 9