Nebezpečí výbuchu v průmyslových provozech - Skladování technických plynů

Pro vznik výbuchu je nutno, aby byly na jednom místě v současné době přítomna hořlavá látka v koncentračních mezích výbušnosti, oxidační prostředek (vzdušný kyslík) v dostatečném množství a účinný iniciační zdroj. Výbuchu můžeme zabránit, pokud odstraníme alespoň jednu z těchto podmínek.

Hořlavá látka s oxidačním prostředkem tvoří tzv. hořlavý soubor. Ovlivnění tohoto hořlavého souboru snížením koncentrace hořlavé látky dostatečně nízko pod hodnotu spodní meze výbušnosti, například účinným větráním, či snížením koncentrace kyslíku pod hodnotu, která již neumožňuje rozvoj výbuchu je předmětem tzv. primární protivýbuchové ochrany. Sekundární protivýbuchová ochrana se zabývá vyloučením veškerých účinných iniciačních zdrojů.

Vlastnosti hořlavých plynů

Acetylén

Při atmosférických teplotách a tlacích je acetylen bezbarvý plyn, který je o trochu lehčí než vzduch. Plynný acetylén se při atmosférickém tlaku samovolně rozkládá již od 160°C. V případě vyšších tlaků dochází k jeho rozkladu i při nižších teplotách. Acetylén díky přítomnosti trojné vazby je velice reaktivní. Samovolně reaguje s halogeny, s mědí, cínem stříbrem a rtutí vytváří třaskavé acetylidy. Nebezpečně reaguje také s organickými peroxidy, kyslíkem a silně alkalickými kovy. V rámci tlakových lahví je acetylén rozpouštěný ve vhodném rozpouštědle (aceton) [7].

Vodík

Vodík tvoří ve směsi se vzduchem výbušné směsi v širokém koncentračním rozmezí (4 – 77 % obj.). Na vzduchu je lehce zápalný a tvoří výbušné směsi také s fluorem a chlorem. Pro iniciaci této směsi stačí pouze světlo. Vzhledem k jeho vlastnostem může dojít při náhlé expanzi stlačeného vodíku k samovolnému vznícení. Vodík je mnohem lehčí než vzduch (14,4×), takže v případě úniku stoupá rychle vzhůru a hromadí se pod stropem. Z toho důvodu je nutno místnost nebo objekt, ve kterém se vodík používá, vybavit účinným stropním větráním.

LPG

Souhrnně jde o směs zkapalněných rafinérských plynů – uhlovodíků (LPG = Liquefied Petroleum Gas), obsahující převážně propan a butan a menší množství vyšších uhlovodíků, přičemž poměr obsahu propanu a butanu v LPG je v různých zemích odlišný. LPG je oproti předchozím dvou plynům těžší než vzduch. To znamená, že se usazuje vždy u podlahy, popřípadě zatéká do sklepů, montážních jam, podlahových kanálů, ve kterých se může šířit i na dlouhé vzdálenosti. Z tohoto důvodu nesmí být tlakové lahve s LPG skladovány v podzemních prostorách a všude tam, kde hrozí riziko jeho zatečení. Při odběru z tlakové nádoby se LPG vypařuje a svůj objem 260 × zvětšuje.

Použití jednotlivých plynů

Acetylén se nejčastěji používá při svařování, dále pro pájení pomocí plamene, řezání plamenem, frézování spár, otryskání oceli plamenem, zahřívání, předehřívání, rovnání plamenem apod.

Vodík se využívá ve farmaceutickém průmyslu při výrobě léčiv, v laboratořích jako jeden z analytických plynů, v elektrotechnice, v energetice a dalších aplikacích, ve kterých jsou využívány jeho vlastnosti.

LPG v tlakových lahvích se nejčastěji používá jako pohon manipulačních vozíků, a dále při tepelném zpracování materiálů, jako je tavení a pájení.

Technicko-bezpečnostní parametry plynů

Dolní mez výbušnosti

Jedná se o nejnižší koncentraci par hořlavé kapaliny, či plynu ve směsi se vzduchem, která je již výbušná. Tato koncentrace je udávána v hodnotách [% obj.].

Horní mez výbušnosti

Jedná se o nejvyšší koncentraci par hořlavé kapaliny, či plynu ve směsi se vzduchem, která je ještě výbušná. Nad touto hodnotou již výbušná atmosféra obsahuje příliš nízký obsah kyslíku pro vznik výbuchu.

Limitní obsah kyslíku

Udává nejvyšší koncentraci kyslíku ve směsi hořlavina – kyslík – inertní látka, při které ještě nedochází k hoření nebo explozi. Hodnota tohoto parametru je důležitá pro ochranné opatření proti výbuchu inertizací vnitřního prostoru ohroženého zařízení. Od určité hladiny koncentrace kyslíku již výbuch není možný.

Teplota vznícení

Je to nejnižší teplota, při které se optimální směs par nebo plynů dané látky se vzduchem za předepsaných podmínek vznítí. Jedná se tedy o teplotu, při které dojde ke vznícení plynu pouze působením tepla bez přítomnosti vnějšího iniciačního zdroje. Hodnota teploty vznícení je důležitá pro správný návrh elektrických zařízení a provedení elektrických instalací v prostředí s nebezpečím výbuchu. Dále je důležitá pro posouzení nebezpečí vznícení plynů od horkých povrchů zařízení. Dle teploty vznícení se plyny dělí do jednotlivých tříd (Tabulka 1).

Tabulka 1: Teplotní třídy plynů

Teplotní třída	Teplota vznícení [°C]	Příklad
T1	nad 450	metan, vodík
T2	nad 300 do 450	butan
T3	nad 200 do 300	hexan, heptan
T4	nad 135 do 200	acetaldehyd
T5	nad 100 do 135	sirouhlík
T6	nad 85 do 100	ethylnitrit

Klasifikace prostorů s nebezpečím výbuchu

Dle požadavků nařízení vlády č. 406/2004 Sb. je na základě provedeného hodnocení rizik zaměstnavatel povinen klasifikovat prostory na prostory s nebezpečím výbuchu (prostory, ve kterých se může výbušná atmosféra vyskytnout v takovém množství, že jsou zapotřebí bezpečnostní opatření) a na prostory bez nebezpečí výbuchu, kde se výskyt výbušné atmosféry v takovémto množství nepředpokládá [1]. Prostory s nebezpečím výbuchu se dle pravděpodobnosti výskytu a délky přítomnosti výbušné atmosféry zařazují do zón, které uvádí NV v příloze č. 1.

Pro výbušné atmosféry, které jsou tvořené směsí vzduchu s hořlavými látkami ve formě plynu, páry, či mlhy jsou to zóny 0, 1, a 2.

Tabulka 2: Zóny pro prostory s nebezpečím výbuchu hořlavých plynů a par [1]

Typy Zón	Charakter prostoru
Zóna 0	Prostor, ve kterém je výbušná atmosféra přítomna trvale nebo po dlouhou dobu nebo často.
Zóna 1	Prostor, ve kterém je občasný výskyt výbušné atmosféry pravděpodobný.
Zóna 2	Prostor, ve kterém výskyt výbušné atmosféry není pravděpodobný, a pokud dojde k jejímu vzniku, je přítomna pouze po krátký časový úsek.

Iniciační zdroje výbušných atmosfér

Není-li možné spolehlivě zabránit vytváření nebezpečné výbušné atmosféry, je nutno zabránit její iniciaci. Toho lze dosáhnout preventivními opatřeními snižujícími pravděpodobnost výskytu iniciačních zdrojů. Jednotlivé druhy iniciačních zdrojů výbušných atmosfér jsou uvedeny v ČSN EN 1127-1 ed.3.

Mechanicky vznikající jiskry

K vývinu mechanických jisker, schopných iniciovat výbušnou atmosféru, dochází zejména při řezání a broušení materiálu. Zvláště zápalné jiskry vznikají při tření a vzájemných nárazech zkorodovaných a lehkých kovů. Ochrana před vznikem mechanických jisker spočívá zvláště v zamezení vnikání cizích těles do zařízení a vhodné volbě materiálů pro zařízení s rotujícími součástmi, kde vzniká nebezpečí úderů nebo tření. Důležitá je také volba vhodného (tzv. nejiskřivého) nářadí pro provádění údržby [2].

Horké povrchy

Výbušná atmosféra může být vznícena prostřednictvím horkých povrchů topných těles nebo horkých povrchů elektrických či mechanických zařízení. K vývinu značných teplot může docházet například při zahřívání ložisek průchozích hřídelí strojů v důsledku nedostatečného mazání či vniknutí cizích částic.

Ochranným opatřením je v tomto případě omezení teploty horkých povrchů, které mohou přijít do styku s výbušnou atmosférou. Pro elektrická zařízení platí v tomto směru požadavky ČSN EN 60079-14 ed.4.

Elektrická zařízení

Jako iniciační zdroje mohou působit elektrické jiskry a horké povrchy elektrických zařízení. Elektrické jiskry vznikají při spínání a rozpínání kontaktů a obvodů nebo v důsledku uvolnění spojů. Elektrická zařízení, určená pro použití do prostředí s nebezpečím výbuchu, musí v obecné rovině splňovat požadavky evropské směrnice 2014/34/EU, která byla do českého právního řádu implementována jako nařízení vlády č. 116/2016 Sb. Dle tohoto nařízení se jednotlivá zařízení zařazují do skupin a kategorií, které vyjadřují pravděpodobnost existence účinného iniciačního zdroje. V jednotlivých zónách prostorů s nebezpečím výbuchu smí být použita zařízení těchto kategorií:

1. v zóně 0 zařízení kategorie 1,
2. v zóně 1 zařízení kategorie 1 a 2,
3. v zóně 2 zařízení kategorie 1, 2 a 3.

Přitom na zařízení kategorie 1 se uplatňují nejpřísnější požadavky z hlediska ochrany proti výbuchu.

Statická elektřina

K vývinu elektrostatických výbojů může docházet z akumulovaného náboje na neuzemněných vodivých částech, na nabitých částech z nevodivých materiálů (plasty). Elektrostatický náboj se také může akumulovat na osobách, které jsou izolovány od země. Ochrannými opatřeními jsou zejména účinná uzemnění všech vodivých částí technologie a instalací, vyloučení materiálů s nízkou elektrickou vodivostí a nošení vhodného oděvu a obuvi v prostorách s nebezpečím výbuchu.

Osobní ochranné pracovní prostředky (OOPP) určené pro používání v prostředí s nebezpečím výbuchu musí být navrženy a vyrobeny tak, aby nebyly zdrojem elektrického nebo elektrostatického oblouku nebo jiskry nebo mechanicky vyvolané jiskry, které mohou způsobit vznícení výbušné směsi. OOPP musí být certifikovány pro použití v daném prostředí – ve stanovených zónách prostředí s nebezpečím výbuchu. Požadavky na provedení a zkušební postupy na ochranné oděvy určené pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu jsou dány normami řady ČSN EN 1149. Požadavky na obuv jsou dány normou ČSN EN ISO 20345.

Plameny a horké plyny (včetně horkých částic)

Spalovací procesy jsou doprovázeny vysokými teplotami a v některých případech vývinem žhavých částic. Nebezpečí hrozí zejména při svařování, řezání a porušování zákazu kouření v nebezpečných prostorách.

Adiabatická komprese

K adiabatické kompresi dochází například při rychlém uvolnění vysokotlakého plynu do potrubí. U plynů, které nejsou stabilní (acetylén), může dojít při teplotách, které mohou vznikat při adiabatické kompresi, k jejich rozkladu. Acetylén samotný nemůže dosáhnout teploty vznícení, avšak ve směsi s dusíkem nebo vzduchem k tomuto rozkladu již dojít může, což je způsobeno vyšší teplotou adiabatické komprese dusíku. Z toho důvodu je nutno při připojování lahví na sběrné potrubí zabránit vstupu vzduchu do potrubního vedení a hadic vysokotlakého acetylénu, např použitím zpětných ventilů, používáním správného způsobu profukování apod. [4]

Další typy iniciačních zdrojů, které uvádí ČSN EN 1127-1 ed. 3 jsou následující:

• Exotermické reakce včetně samovznícení prachů
• Úder blesku
• Rozptylové elektrické proudy, katodová ochrana proti korozi
• Vysokofrekvenční elektromagnetické vlny od 10⁴ do 3×10¹² Hz
• Elektromagnetické vlny od 3×10¹¹ do 3×10¹⁵ Hz
• Ionizující záření
• Ultrazvuk

Požadavky na skladování technických plynů

Požadavky na plnění, vyprazdňování, skladování, dopravu obsluhu a údržbu nádob na plyny s nejvyšším dovoleným tlakem vyšším než 0,5 bar a pro zařízení související s tímto provozem jsou uvedeny v ČSN 07 8304. Tato norma řeší rovněž požadavky pro objekty a prostory, v nichž jsou tato zařízení umístěna.

U skladů hořlavých plynů je pro prevenci vzniku výbušné atmosféry nutno vždy zajistit dostatečné větrání. Jako nejvhodnější je z tohoto hlediska skladování v otevřených skladech na volném prostranství. U uzavřených skladů s hořlavými plyny je vždy nutno zajistit minimálně trojnásobnou výměnu vzduchu za hodinu. Trojnásobnou výměnu vzduchu u uzavřených skladů je možno zajistit přirozeným větráním, zajištěným otvory pro přívod čerstvého vzduchu o velikosti min. 1% podlahové plochy, umístěnými nejvýše 0,15 m nad úrovní podlahy a odváděcími otvory o velikosti min. 1,3% podlahové plochy, umístěnými co nejblíže pod stropem (pokud možno na protější straně skladu). V případě plynů těžších než vzduch bude přítok vzduchu pod stropem a odtok plynů u podlahy. Velikost otvorů se přitom uvádí volnou aerodynamickou plochou [3].

Sklady musí být dále chráněny proti účinkům blesku a mohou se vytápět pouze ústředním vytápěním teplovodním, nebo parním nízkotlakým, popř. teplým vzduchem nebo elektrickým vytápěním. Teplota ve skladu přitom nesmí překročit hodnotu, při které by mohlo dojít k roztržení tlakové nádoby s jakýmkoliv druhem plynu [3].

Následuje výpis vybraných opatření pro zacházení s nádobami s plyny dle kapitoly 7 normy ČSN 07 8304 Tlakové nádoby na plyny – Provozní pravidla:

• Prázdné lahve musí být skladovány za stejných podmínek jako plné lahve. Ve skladech, kde jsou skladovány společně v jedné místnosti plné a prázdné lahve, musí být uloženy odděleně. Místa uložení lahví musí být označena tabulkami PLNÉ LAHVE a PRÁZDNÉ LAHVE.
• Samostatně stojící lahve musí být chráněny a zajištěny proti nárazu a pádu. Samostatně stojící lahve se skladují v oddílech, přičemž kapacita oddílu nesmí přesáhnout 100 lahví.
• Umístění lahví od topných těles a sálavých ploch musí být takové, aby povrchová teplota lahví nepřekročila 50°C. Od zdroje otevřeného ohně musí být lahve vzdáleny nejméně 3 metry.
• V jedné provozní místnosti umístěné ve vícepodlažním objektu může být uloženo nejvýše 12 lahví přepočteno na lahve s vodním objemem 50 l stejného nebo různého druhu plynu. Jestliže požární úsek obsahuje více provozních místností, nesmí být celkový počet lahví v jednom požárním úseku větší než 24 lahví, přepočteno na lahve s vodním objemem 50 l. V jedné provozní místnosti umístěné v jednopodlažním objektu není pro netoxické a nežíravé plyny počet lahví omezen, pokud mezi jednotlivými skupinami nádob (u hořlavých a hoření podporujících plynů max. 6 nádob přepočteno na nádoby s vodním objemem 50 litrů) je vzdálenost nejméně 10 m.
• Zakazuje se umisťovat provozní a zásobní nádoby na místa, kde mohou představovat bezpečnostní rizika, např. ve sklepích a suterénních prostorech, v průchodech a průjezdech, na únikových cestách a schodištích, na půdách, v kancelářích, šatnách, kuchyních, jídelnách, sociálních zařízeních, garážích, kotelnách, světlících, v objektech s hořlavými konstrukcemi, v nevětraných a obtížně přístupných prostorech a na veřejně přístupných místech,
• Zásobní i prázdné obaly opatřené snímatelným kloboučkem musí mít tento klobouček nasazený.
• Pokud jsou v uzavřeném skladu více než 4 nádoby (přepočteno na lahve s vodním objemem 50 l), které spolu tvoří výbušnou směs, musí být skladovány odděleně v samostatných požárních úsecích, které musí být samostatně větratelné. V otevřených skladech je nutno nádoby s těmito plyny skladovat na samostatných plochách, oddělených od sebe plochou pro skladování inertních plynů, či uličkou o šířce min. 1 m. [3]

Havárie v minulosti

Výbuch v Plané u Mariánských Lázní

Dne 30. června 2017 došlo k výbuchu nahromaděného propan – butanu ve skladu technického plynů v Plané u Mariánských Lázní. Následně došlo k řetězovým explozím uskladněných tlakových lahví. Jako pravděpodobná příčina výbuchu bylo zjištěno nepovolené přepouštění plynů z jedné nádoby do druhé, které prováděl zaměstnanec, jenž při explozi zahynul [5].

Výbuch propanu v Indianapolis

K výbuchu propanu došlo dne 31. října 1963 ve sportovní hale Indiana State Fairgrounds Coliseum ve městě Indianapolis, Indiana (USA). Výbuch si vyžádal 74 obětí na životech a téměř 400 zraněných. K výbuchu došlo během představení Holiday on Ice, kterému přihlíželo více než 4 000 návštěvníků. K úniku propanu, který byl používán pro ohřev popcornu, došlo v důsledku vadného ventilu nádrže. Unikající plyn se následně hromadil v nevětraných částech haly, k iniciaci plynu došlo pravděpodobně elektrickým strojem na popcorn [6].

Závěr

Požáry a výbuchy, spojené s neodbornou manipulací a skladováním hořlavých plynů, nejsou v průmyslu nijak výjimečné. Při skladování hořlavých plynů je, v souladu s požadavky nařízení vlády č. 406/2004 Sb., nutno provést analýzu rizik a na jejím základě zařadit skladovací prostory do příslušných zón. V těchto prostorech je následně nutno provést hodnocení možného výskytu účinných zdrojů iniciace výbušné atmosféry a stanovit technická a organizační opatření pro snížení rizika výbuchu. Výstupy analýzy rizik, klasifikace prostorů a stanovení opatření je nutno uvést v písemné Dokumentaci o ochraně před výbuchem. Velmi důležité je rovněž udržování povědomí zaměstnanců o nebezpečných vlastnostech hořlavých plynů a o požadavcích na jejich bezpečné skladování a manipulaci s nimi.

POUŽITÁ LITERATURA:

1. Nařízení vlády č. 406/2004 Sb., o bližších požadavcích na zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci v prostředí s nebezpečím výbuchu.
2. ČSN EN 1127-1 ed.3 - Výbušná prostředí – Prevence a ochrana proti výbuchu - Část 1: Základní koncepce a metodika
3. ČSN 07 8304 – Tlakové nádoby na plyny – provozní pravidla.
4. Česká asociace technických plynů – Praktická příručka acetylén – IGC Doc 123/04/CZ
5. V Plané na Tachovsku došlo k explozi ve skladu technických plynů, byl vyhlášen zvláštní stupeň poplachu [html dokument] dostupný z https://www.pozary.cz/clanek/166413-v-plane-na-tachovsku-doslo-k-explozi-ve-skladu-technickych-plynu-byl-vyhlasen-zvlastni-stupen-poplachu/
6. 1963 Coliseum explosion [html dokument] dostupný z https://indianapublicmedia.org/momentofindianahistory/1963-coliseum-explosion/
7. Česká asociace technických plynů – Acetylén v lahvích a svazcích – Dokument 1/98