ГОСТ 31610.10-1-2022 (IEC 60079-10-1:2020). Межгосударственный стандарт. Взрывоопасные среды. Часть 10-1. Классификация зон. Взрывоопасные газовые среды

6.3 Типы утечки

 

6.3.1 Общие требования

Характеристики любой утечки зависят от агрегатного состояния горючего вещества, его температуры и давления. К видам агрегатного состояния относят:

- газ, который может находиться под действием повышенной температуры или давления;

- сжиженный газ под давлением, например сжиженный нефтяной газ;

- газ, который может быть сжижен только при охлаждении, например метан;

- жидкость, присутствие которой сопровождается генерацией и утечкой горючего пара.

Утечки от таких объектов установки, как соединения трубопроводов, насосы, уплотнения компрессоров и клапаны насадки, часто начинаются при низкой интенсивности потока. При продолжении утечки эрозия источника утечки может значительно увеличить скорость утечки и, следовательно, степень опасности. И наоборот, если в источнике утечки содержится ограниченное количество вещества, то скорость утечки может снизиться со временем, уменьшая степень опасности. Например, газ под давлением в закрытой системе.

Утечка горючего вещества при значении температуры выше температуры вспышки приведет к образованию горючих паров или облака газа, которое изначально может быть менее или более плотным, чем окружающий воздух, или может обладать нейтральной плавучестью. Виды утечки и модели поведения в различных условиях представлены в виде блок-схемы на рисунке B.1. Эта характеристика повлияет на протяженность зоны, заданной конкретным видом утечки.

Горизонтальная протяженность зоны на уровне земли обычно увеличивается при увеличении относительной плотности. Вертикальная протяженность над источником обычно увеличивается при уменьшении относительной плотности.

6.3.2 Утечка газа

Утечка газа приведет к образованию газовой струи или шлейфа от источника утечки в зависимости от давления в точке утечки, например уплотнение насоса, соединение труб или площади поверхности (слоя) испарения. Относительная плотность газа, степень турбулентного перемешивания и преобладающее движение воздуха будут влиять на последующее движение любого газового облака.

В спокойных условиях утечки с низкой интенсивностью газ, плотность которого значительно меньше плотности воздуха, будет стремиться двигаться вверх, например водород и метан. И наоборот, газ с большей плотностью по сравнению с воздухом будет скапливаться на уровне земли или в любых ямах или углублениях, например бутан и пропан. Со временем атмосферная турбулентность вызовет смешивание высвободившегося газа с воздухом, и в конечном итоге такая смесь будет иметь нейтральную плавучесть. Считается, что газ или пар, плотность которого незначительно отличается от воздуха, обладает нейтральной плавучестью.

Примечание - Газы с почти нейтральной плавучестью, такие как этан, могут стремиться повторять расслоение плотных газов в спокойных условиях.

 

Утечки при более высоком давлении сначала будут образовывать струи высвободившегося газа, которые будут турбулентно перемешиваться с окружающим воздухом и захватывать воздух в струю газа.

При высоких давлениях может проявиться термодинамический эффект из-за расширения. При высвобождении газ расширяется и охлаждается, и поначалу может вести себя как газ тяжелее воздуха. Охлаждение из-за эффекта Джоуля-Томсона в конечном итоге компенсируется теплопередачей от воздуха. Образовавшееся газовое облако в конечном итоге будет обладать нейтральной плавучестью. Переход от состояния газа тяжелее воздуха до состояния нейтральной плавучести может произойти в любое время, в зависимости от характера утечки, и может произойти после того, как облако будет разбавлено до значения ниже нижнего концентрационного предела распространения пламени.

Примечание - Водород демонстрирует обратный эффект Джоуля-Томсона, нагреваясь при расширении, и, следовательно, никогда не будет вести себя как газ тяжелее воздуха.

 

6.3.3 Утечка сжиженного под давлением газа

Некоторые газы можно сжимать только под давлением, например пропан и бутан. Данные газы обычно хранят и транспортируют в сжиженном состоянии.

Когда сжиженный газ под давлением вытекает из защитной оболочки, наиболее вероятным сценарием является то, что вещество будет высвобождаться в виде газа из любого парового пространства или газовой линии. При быстром испарении происходит значительное охлаждение в точке утечки, что в свою очередь может привести к обледенению в указанной точке из-за конденсации в ней водяного пара, содержащегося в окружающей атмосфере.

Жидкость частично испарится в точке утечки. Это явление известно как мгновенное испарение. Испаряющаяся жидкость забирает энергию из себя и окружающей атмосферы и в свою очередь охлаждает вытекшую жидкость. Охлаждение жидкости предотвращает полное испарение, и поэтому образуется горючий аэрозоль (туман). Если утечка достаточно велика, то поверхности (слой) охлажденной жидкости могут накапливаться на земле (какой-либо поверхности). Со временем эти поверхности также испарятся, и тем самым произойдет дополнительное насыщение окружающей атмосферы соответствующими газообразными веществами.

Облако холодного горючего аэрозоля (тумана) будет вести себя как плотный газ. Утечка жидкости под давлением часто может представлять собой видимое облако, поскольку из-за охлаждающего эффекта, сопровождающего процесс испарения, происходит конденсация влаги из окружающей среды.

В некоторых случаях, когда газ сжижается под давлением, утечка в жидкостной части системы может первично привести к двухфазной утечке (жидкость и пар), сопровождающейся явлением "разбрызгивания". Если количество горючего вещества ограничено, утечка может происходить только в виде пара, поскольку скорость и давление уменьшаются.

6.3.4 Утечка сжиженного при охлаждении газа

Другие газы, так называемые постоянные газы, можно сжимать только при охлаждении, например метан и водород. Небольшие утечки охлажденного газа быстро испаряются, не образуя слоя жидкости за счет отвода тепла из окружающей среды. В свою очередь, если утечка достаточно большая, может образоваться слой (поверхность) из охлажденной жидкости.

Поскольку холодная жидкость забирает энергию из земли и окружающей атмосферы, она закипает, образуя холодное плотное газовое облако. Как и в случае с жидкостями, может быть использована обваловка (размещение в определенном порядке перегородок, перемычек, валов и других ограждающих конструкций) для направления или удерживания потока утечки.

Примечания

1 Необходимо соблюдать осторожность при классификации зон, содержащих криогенные горючие газы, такие как сжиженные газы, природный газ. Высвобождающиеся пары обычно тяжелее воздуха при низких температурах, но приобретают нейтральную плавучесть при приближении к температуре окружающей среды.

2 Постоянные (неконденсирующиеся) газы имеют критическую температуру ниже минус 50 °C.

 

6.3.5 Утечка горючих аэрозолей

Горючий аэрозоль не является газом, но состоит из маленьких капель жидкости, взвешенных в воздухе. Капли образуются из паров или газов при определенных термодинамических условиях или в результате мгновенного испарения жидкостей под давлением. Рассеяние света в облаке горючего аэрозоля часто делает это облако видимым невооруженным глазом. Распространение горючего аэрозоля может варьироваться между поведением, характерным для плотного газа, и поведением, характерным для газа с нейтральной плавучестью. Капли горючего аэрозоля могут слипаться и выпадать из шлейфа или облака. Горючие аэрозоли, состоящие из горючей жидкости, могут поглощать тепло из окружающей среды, испаряться и добавляться к облаку газа/пара (подробнее см. приложение G).

Примечание - В некоторых случаях может образовываться видимый аэрозоль при концентрациях менее нижнего концентрационного предела распространения пламени. Например, туман аммиачного ангидрида виден при 4% об./об. из-за абсорбции атмосферной влаги в капли жидкости. Причем его нижний концентрационный предел распространения пламени равен 15% об./об.

 

6.3.6 Утечка паров

Жидкости, находящиеся в равновесном состоянии с окружающей средой, будут создавать слой пара над своей поверхностью. Давление, которое этот пар оказывает в замкнутой системе, известно как давление пара, которое нелинейно растет с температурой.

В процессе испарения используется энергия, которая может поступать из различных источников, например из жидкости или окружающей среды. Процесс испарения может снизить температуру жидкости и ограничить ее повышение. Однако изменения температуры жидкости из-за повышенного испарения из-за нормальных условий окружающей среды считаются слишком незначительными, чтобы повлиять на классификацию опасных зон. Концентрацию образующегося пара нелегко предсказать, поскольку она является функцией скорости испарения, температуры жидкости и окружающего воздушного потока.

6.3.7 Утечка жидкости

При утечке горючих жидкостей обычно образуется ее слой на земле (какой-либо опорной поверхности) с облаком пара над этим слоем, кроме тех случаев, когда поверхность слоя данной жидкости является абсорбентом. При этом размер облака пара будет зависеть от свойств вещества и давления его насыщенных паров при определенной температуре окружающей среды (см. B.7.2).

Примечания

1 Давление насыщенных паров является показателем скорости испарения жидкости. Вещество с высоким давлением насыщенных паров при нормальных температурах часто называют летучим. Как правило, давление насыщенных паров жидкости при температуре окружающей среды увеличивается вместе с понижением температуры кипения. С повышением температуры увеличивается и давление насыщенных паров.

2 Скорость испарения со временем может быть значительно снижена, если жидкость имеет высокую скрытую теплоту. Высокая скрытая теплота может привести к значительному охлаждению поверхности, на которой находится жидкость, что затем ограничит поток тепла в жидкость. Например, при утечке аммиачного ангидрида, который имеет высокую скрытую теплоту, скорость испарения может значительно замедлиться, если к жидкости не будет подведено дополнительное тепло.

3 Утечка также может происходить на воде. Многие горючие жидкости имеют меньшую плотность, чем вода, и часто не смешиваются. Такие жидкости будут растекаться по поверхности воды, будь то на земле, в сточных трубах, траншеях для труб или в открытых водах (море, озеро или река), образуя тонкую пленку и увеличивая скорость испарения за счет увеличения площади поверхности. В таких случаях расчеты из приложения B не применимы.