Híreink

Gázfelhő: a robbanásveszély kialakulása és sajátosságai

2024. május 08. 07:52

Egy 2009-es cikkével tisztelegtünk Skobrák Róbert emléke előtt, most a cikk második részét tesszük közzé, amely ma is aktuális. Ugyanis a szabadba kerülő gázok által okozott veszélyhelyzetek legnehezebben kezelhető, de leggyakrabban előforduló típusa a robbanóképes gázfelhő. A robbanóképes gázfelhő meggyulladása az UVCE típusú térrobbanás bekövetkezéséhez vezet.


A gázfelhő

Gázfelhő nem csak a cseppfolyós gáztócsa párolgása, hanem a gázfázis hosszabb ideig tartó, folyamatos szabadba áramlása során is kialakulhat. A kiáramlás intenzitása és mérete alapján különböző fokozatokat különböztethetünk meg. Erre többek között azért van szükség, hogy a káresetekkel kapcsolatos visszajelzésekben, esetleírásokban pontosabban le tudjuk írni a veszélyhelyzet nagyságát.

 

A gázkiáramlás intenzitása

A kategóriák felállítása az időegység alatt szabadba került gáz mennyiségén alapul. A szakirodalmakban találkozhatunk a térfogatáram és tömegáram fogalmával, amelynek a mérésére m3/h, ill. a kg/s mértékegységek használtak. Ezektől eltérően a kg/min mértékegységet alkalmazzuk. Az időegység percben való meghatározását az indokolja, hogy a veszélyhelyzet elhárítás részmozzanatai (észlelés, riasztás, vonulás, felderítés, beavatkozás stb.) között eltelt időt a szükséges pontossággal percben mérni a legcélszerűbb. A mennyiség mérésére pedig azért célszerű a tömeget alkalmazni, mert a gázok halmazállapot-változása során a térfogatuk megváltozik, de a tömegük állandó marad.

A különböző kategóriák felállítása szubjektív módon történt, de a kategorizálásnál mindig kell venni egy bizonyos viszonyítási alapot, amiből kiindulhatunk. A kiindulási alapot jelen esetben a cseppfolyós gáz tárolásának legszélesebb körben elterjedt módja és mennyisége, a 11 kg-os PB gázpalack szolgáltatta. A PB gázpalack alkalmazása során gyakran előfordulnak gázszivárgások, amelyek azonban csekély intenzitású, időben elhúzódó jelenségek. Ha azonban egy PB gázpalack (11 kg) egy percen belül leürül, akkor ott már gázkifúvásról beszélünk. Az ipari környezetben történt gázkiáramlások során, a kiáramlás ideje alatt szabadba került gáz mennyisége alapján a percenként több száz kg gáz szabadba kerülését már gázömlésnek nevezzük. A katasztrófa-leírások hozzávetőleges adatai alapján szükséges meghatározni egy olyan kategóriát, amelynél a kiáramlás intenzitásának mértéke olyan nagy, hogy az eredményes beavatkozás lehetősége szinte kizárt, a katasztrófa többnyire elkerülhetetlen.

Tehát a gázmennyiség időegységre vonatkozatott kiáramlása alapján a következő intenzitási fokozatokat határozhatjuk meg:

  • gázszivárgás: 0-10 kg/min
  • gázkifúvás: 10-100 kg/min
  • gázömlés: 100-1000 kg/min
  • katasztrofális méretű gázömlés: 1000 <  kg/min

 

A gázfelhő terjedése

Míg egy gázszivárgás esetén az ARH feletti koncentrációjú elegy csak a kilépés közvetlen közelében alakul ki, addig egy intenzív gázömlés során több száz m² kiterjedésű robbanóképes gázfelhő is létrejöhet.

A gázfelhő kialakulása esetén az egyik problémát a felhő terjedése jelenti. A gázfelhő terjedése, mozgása több összetevőtől függ. Ismert, hogy a gázok kitöltik a rendelkezésre álló teret, elvileg minden irányban egyformán terjednek. Ezt azonban nagyban befolyásolják a következő tényezők:

  • a gáz fajsúlya
  • a kifúvás helye, iránya
  • a meteorológiai viszonyok
  • a környező objektumok, tereptárgyak

Ezeknek a tényezőknek a különböző módon való egybeesése befolyásolhatja a gázfelhő terjedését, kialakulásának valószínűségét. A fenti felsorolás sorrendje nem véletlenszerű. Alapvetően abból kell kiindulnunk, hogy a szabadba lépő gáz a levegőnél könnyebb vagy nehezebb.

Gázkifúvás, 20-30 kg áramlik ki percenként

 

A levegőnél könnyebb gázok a fajsúlyukkal fordított arányú intenzitással fognak fölfelé emelkedni. A magasabb légrétegek felé áramló gázoknak effektíve kisebb esélyük van a robbanásra. Egy kültéri üzemből, tartályból kilépő gáz szinte akadálytalanul áramolhat fölfelé, folyamatosan keveredve a levegővel. Ezáltal a robbanóképes gázkeverék egyre hígul. Ebben a közegben az esetleges gyújtóforrások előfordulásának esélye is lényegesen kisebb. 

A levegőnél nehezebb gázok lefelé süllyednek és a föld közelében párnaszerűen terülnek el. (Mivel a cseppfolyós ipari gázok nagy része ebbe a kategóriába tartozik, ezért a továbbiakban főként ezekkel foglalkozunk.) Ebben a zónában nagyobb a valószínűsége annak, hogy a terjedő gázfelhő gyújtóforrással találkozik, tehát ebből a szempontból a levegőnél nehezebb gázok nagyobb veszélyt jelentenek környezetükre. A levegőnél nehezebb gázfelhő követi a talaj egyenetlenségeit, az alacsonyabban fekvő területek felé áramlik, kitölti az árkokat, aknákat, talajszint alatti helyiségeket. A levegőnél könnyebb cseppfolyós gázok szabadba kerülése nyomán kialakuló hideg köd hasonlóan viselkedik, de a környezetből felvett hő hatására felmelegedve felfelé kezd áramlani.

A gázok a levegővel keveredve felhígulnak, ezért a gázkoncentráció alakulását a kilépés helye is befolyásolja. Pl. egy magasban lévő kifúvás esetén a levegőnél nehezebb gáz a talajszintig süllyedve áthalad az alatta elhelyezkedő tiszta levegőrétegen, ennek következtében a föld felszínét már bizonyos mértékig felhígulva éri el. A horizontális irányú terjedés során pedig tovább hígul, különösen akkor, ha a vízszintes irányú mozgását a szél is segíti.

 

Laminárs vagy turbulens áramlás?

A gázkiáramlás a fáklyatűzhöz hasonlóan lehet lamináris vagy turbulens. Lamináris kiáramlás esetén a gáz kevésbé keveredik a levegővel, földközelben marad. Az így kialakult gázfelhő jellemző égése a deflagráció, az ellobbanás.

Turbulens kiáramlás esetén a gáz jobban elkeveredik a levegővel, a gázfelhő nagyobb része alakul át robbanóképes eleggyé. Az ily módon elkeveredett gáz-levegő elegy meggyulladása esetén nagyobb valószínűséggel alakul ki detonáció. (UVCE)

 

Időjárási tényezők a terjedésben

Az aktuális meteorológiai viszonyok is meghatározóak lehetnek a gázfelhő terjedését illetően. Ebből a szempontból a legfontosabb meteorológiai összetevők:

  • a szél sebessége, iránya
  • a környezeti hőmérséklet
  • a légköri stabilitás

Szélcsendes időben a gázfelhő az ún. „palacsinta-modell” szerint, tehát a kiömlés helyétől kiindulva sugárirányban, kör alakban terjed. A kör középpontjában, a kiömlés helyén a legmagasabb a gázkoncentráció, ami a kör széle felé haladva egyre csökken.

Amennyiben valamilyen irányú szél is fúj, a gázfelhő értelemszerűen a széllel megegyező irányban, egy parabolához hasonló alakban fog terjedni. A szélerősség növekedésével a parabola egyre nyújtottabb alakot vesz fel. Egy határértéknél erősebb szél esetén azonban a parabola rövidülni kezd, mert a viharos szél hatására a gáz már a kilépési hely közelében az ARH alá hígul.

A szélerősség és szélirány alapján meghatározható a gázfelhő mozgásának iránya és kiterjedésének várható határa. A szélerősséget a Beaufort-skála szerint, ill. m/s-ban is meghatározhatjuk; az utóbbi módszer az elterjedtebb. A szélerősség ismerete azért fontos, mert a levegőnél nehezebb gáztömeg a tehetetlenségéből adódóan bizonyos mértékben a széllel szemben is képes terjedni. A határ kb. 2 m/s szélsebességnél van, e fölött széllel szembeni terjedésre nem kell számítani.

A szélirány meghatározására segítséget jelent a szélzsák. A szélzsák jelzése azonban nem minden esetben megbízható. Befolyásolhatják a környező objektumok által gerjesztett turbulens légáramlatok, a helyi hőmérsékleti viszonyok. A szélzsák elhelyezésénél erre figyelmet kell fordítani.

A petrolkémiai technológiák sajátosságaiból adódóan az üzemi blokkok között jelentős hőmérsékletkülönbség alakulhat ki. A különböző hőmérsékletű, azaz magasabb és alacsonyabb légnyomású területek között helyi légáramlatok is kialakulhatnak, befolyásolva az aktuális szélirányt. (Az Olefin-II veszélyhelyzet alkalmával a déli szélben észak felé terjedő gázfelhő áramlása – az üzem nyugati szélén fekvő hűtőtornyok alacsonyabb hőmérsékletű zónájának szívóhatására – északnyugati irányba módosult, részben megkerülve ezzel az északi oldalon fekvő kemencesort.)

A meteorológiai helyzet egyik meghatározó tényezője a légköri stabilitás. Ez a fogalom a talajmenti és a magasabb légrétegek közötti áramlási viszonyokat jelöli. Az alsó és felső légrétegek közötti áramlást a légrétegek közötti hőmérsékletkülönbség határozza meg. A talajközeli melegebb, magasabb nyomású levegő a magasabban fekvő, alacsonyabb hőmérsékletű és nyomású légrétegek felé áramlik. A napsugárzás hatására felmelegedett levegő feláramlását termikus-feláramlásnak nevezzük. A termikus tevékenység annál aktívabb, minél nagyobb a légrétegek közötti hőmérsékletkülönbség. A feláramló meleg levegő helyére hidegebb levegő áramlik, létrehozva ezzel egy, a termikus aktivitástól függő ciklikus légáramlást. A feláramló meleg levegő felszaggatja az összefüggő gázfelhőt, a légáramlatok pedig elkeverik a levegővel. Anticiklon esetén a beáramló magaslégköri meleg levegő miatt a hőmérsékletkülönbség lecsökken, a feláramlás mérséklődik. Kialakulhat egy viszonylag szélcsendes talajmenti légpárna, ami elősegíti a gázfelhő vízszintes irányú terjedését, de gátolja a levegővel való keveredését. A levegő stabilitásának meghatározására a Pasquil-féle stabilitási index szolgál.


PB gáz szivárgás – 0,25 mW energiától meggyullad

 

Időjárási tényezők és az égés sebessége

A meteorológiai helyzet befolyással lehet a gázfelhő égési sebességének alakulására. Anticiklon esetén a mérsékelt termikus aktivitás miatt kialakult talajközeli légpárna növeli a levegő szennyezettségét. A megszűnt feláramlások, vagyis a légcsere hiánya miatt a por, szmog, vízpára felhalmozódik az alacsonyan meghúzódó levegőrétegben. Ősszel és télen gyakran alakul ki ködös, párás levegő. Az ilyen talajközeli, poros, ködös levegőrétegben kialakuló gázfelhő éghetőségét számottevő mértékben csökkentik a levegőben található szennyeződések, ezáltal az esetlegesen meggyulladt gázfelhő égése mérsékelt sebességgel megy végbe. Fokozottabb termikus aktivitás esetén, általában hidegfront elvonulása után, a tiszta levegőben létrejövő gázfelhő égési sebessége nagyobb valószínűséggel éri el a detonációs sebességet.

A szabadba került gázfelhő terjedése és a levegővel való keveredése a felsorolt tényezőktől függően különböző mértékben veszélyeztetheti a környezetet. Ha a veszélyelhárítás szempontjából legkedvezőtlenebb helyzetet akarjuk modellezni, akkor azt többféleképpen, a befolyásoló tényezők különböző módon való egybevetése alapján tehetjük meg.

A gázfelhő terjedését elősegítő ideális feltételek:

  • levegőnél nehezebb gáz lamináris kiáramlása
  • talajközeli kiáramlás
  • szélcsend vagy gyenge (1-3 m/s) szélmozgás
  • anticiklon, gyenge termikus tevékenység

A robbanóképes gázkoncentráció rövid idő alatt való kialakulását elősegítő ideális feltételek:

  • levegőnél nehezebb gáz turbulens kiáramlása
  • élénkebb (3-5 m/s) szélmozgás
  • fokozott termikus tevékenység

 

A robbanóképes gázfelhő és gyújtóforrás találkozásának gyakorisága

Annak ellenére, hogy azok a területek, ahol éghető gázokkal, folyadékokkal dolgozunk, RB-s területek, a berendezések (villanymotorok, kapcsolók, műszerek stb.) bizonylatoltan szikramentesek, gyújtóforrás előfordulásával számolni kell. Lehetnek meghibásodott villamos készülékek, fegyelmezetlen (engedély nélkül tűzveszélyes munkát végző, szabálytalanul műszálas ruhát viselő, vagy akár cigarettázó) dolgozók, különösen kiszámíthatatlanok az elektrosztatikus feltöltődés okozta szikrák. Ezek a bizonytalanságok nehezen vizsgálhatók, de az tény, hogy a tüzeket, robbanásokat okozó hibalánc döntő eleme a gyújtóforrás. A bizonytalanságra jellemző néhány megtörtént eset: a gázfelhő átvonult egy gázjelzőkkel védett területen anélkül, hogy a műszerek jelezték volna (mert a felhő elkerülte azokat) vagy pl. egy földgázfelhőt a kazán nyomóventillátora beszippantotta és erről csak úgy szereztek tudomást, hogy a kéményen egy nagy koromfelhő jött ki (mert a felhőben a FRH 100 %-ánál nagyobb volt a földgáz koncentrációja). Vannak vélemények, mely szerint ha elszabadul egy éghető anyagot tartalmazó gázfelhő, pár percen belül biztosan talál magának gyújtóforrást.”

A nagy nyomással szabadba áramló gázfelhő sok esetben képes önmagát felrobbantani, minden külső gyújtóforrás nélkül. Ez az elektrosztatikusan feltöltődött gázfelhő kisülése miatt következik be. A nagy nyomású kiáramlás miatt létrejövő súrlódás következtében a gázfelhő elektrosztatikusan töltődni kezd a kiáramlás közelében. A felhalmozódó feszültség nem képes kisülni, mivel a gázfelhő maga nem vezető, más szóval dielektrikum. Az egyre fokozódó töltöttségi állapot egyszer elér egy olyan szintet, amikor a feszültség áthúz valamilyen vezető (talaj, vasszerkezet stb.) felé. Ha az elektromos kisülés energiája eléri a gáz gyulladási energiáját, a gázfelhő meggyulladhat.

Az egyes gázok meggyulladásához szükséges minimális gyújtási energiákat és gyulladási hőmérsékleteket az alábbi táblázat tartalmazza.

Gáz

gyulladásához szükséges energia

gyulladási hőmérséklet

metán

0,28  mW

537 ºC

etán

0,25  mW

472 ºC

etilén

0,12  mW

490 ºC

propán

0,25  mW

450 ºC

propilén

0,26  mW

460 ºC

(Forrás: MSZ 379-82. MUNKAVÉDELEM. Tűz- és robbanásveszélyes vegyi anyagok jellemzői)

 

A közvetlen környezetemben legalább két olyan eset ismert, amikor a nagy nyomással kiáramló gázsugár sztatikusan feltöltődött, és – az ott tartózkodó személyek szeme láttára – minden külső hatás nélkül meggyulladt. Ezek közül az egyik a muhi PB-tartálynál bekövetkezett gázkifúvás volt. A másik eset a TVK vasúti töltő-lefejtő állomásán történt. Egy vasúti tartálykocsit benzollal töltöttek fel. A kocsi zárt gázterében túlnyomás alakult ki. A dómfedél tömítése meghibásodott, s a hibás tömítésen keresztül benzolgőz kezdett a szabadba áramlani. Az örvénylő, nagy sebességű gőzsugár sztatikusan feltöltődött, s a síneken keresztül leföldelt tartálykocsi és a gőzfelhő között jelentős potenciálkülönbség alakult ki. Ennek eredményeként, a kocsi közelében tartózkodó vasutasok szeme láttára, a gőzsugár belobbant, és erősen kormozó lánggal égni kezdett. A tűzoltóságot riasztották ugyan, de a tüzet végül maguk a vasutasok – egy kézi porraloltó készülékkel – oltották el. Az eset arra enged következtetni, hogy a gázsugár feltöltődéséhez a kifúvásnak nem is kell különösebben intenzívnek lennie, a gyújtáshoz szükséges energia viszonylag csekély kifúvás esetén is felhalmozódhat.

A gázfelhő sajátosságaiból, valamint a gyújtóforrások előfordulási valószínűségéből és a gyújtáshoz szükséges viszonylag alacsony energiákból kiindulva megállapítható, hogy a petrolkémia területén a szabadba került robbanásveszélyes gáz esetén potenciális robbanásveszéllyel kell számolnunk. A robbanás megakadályozása, ill. a bekövetkező robbanás hatásainak csökkentése csak gyors és szakszerű beavatkozással érhető el.

 

Skobrák Róbert igazgató
Tűzoltó és Műszaki Mentő Kft., Tiszaújváros

Pólik Gyula tű. hdgy., szolgálatparancsnok h.
Tűzoltó-parancsnokság, Tiszaújváros

2009

 

Vissza

Ezt a hírt eddig 598 látogató olvasta.


Kapcsolódó információk: