آشنایی با سیستم های ضد انفجار جدید :
محصولاتی فلزی از جنس و نوع
فويل آلومينيوم آلياژي مخصوص و مقاوم در برابر خوردگي كه به صورت شبكه توري يا گوي كروي در آمده و در سطوح زیاد توليد شده و در صنایع تولید، نگهداری، ایمنی سوخت از هر نوع گازی و مایع بکار میروند.
فویل
آلیاژ آلومینیوم از نوع 3003 می باشد. نمودار مقاومت خوردگی در زیر آمده است.
در نمودار فوق اساس نامگذاری آلیاژهای آلومینیوم و نوع سختی آن و بر اساس آن نامگذاری آنها معرفی شده است. در نمودار زیر بطور خلاصه مقاومت خوردگی و خستگی بر اساس همان نامگذاری آلیاژها معرفی شده است که نشان میدهد محصول از نظر ساختار تولید، نوع آلیاژ، مقاومت خوردگی در کدام دسته قرار می گیرد.
انواع محصولات: شامل دو نوع زیر می باشد.
الف) تولید Aluminium Mesh از Aluminium Foil :
در این مرحله فویل آلومینیوم برش داده می شود و سپس جهت استفاده بعدی رول میشود.
*وزن هر لیتر Alumesh: حدود 0.035 کیلوگرم می باشد.
*هر کیلوگرم فویل آلیاژی آلومینیوم: 57/28 لیتر Alumeshمیدهد.
ب) تولید محصول Mesh ball از محصول رول شده:
این کار توسط دستگاهی خاص صورت میگیرد. و از محصول Perforated Alufoil بند الف به عنوان Feed در آن استفاده میشود.
*وزن هر لیتر Mesh ball: حدود 0.0625 کیلوگرم می باشد.
*قطر هر دانه Mesh ball: در رنج 18 – 22mm میباشد.
تعدادی از شماره های استاندارد NFPA در رابطه با ایمنی بصورت زیر میباشد:
National Fire Protection Association, NFPA (NFPA 68, 69, 85, 484, 499, 654, and 664) and FM Global safety data pamphlet FM 7-76.
استانداردهای عمومی در زمینه جلوگیری از اشتعال و انفجار توسط انجمن ملی حفاظت در برابر آتش آمریکا (NFPA69) وجود دارد. با وجود استفاده از این استانداردها هنوز آمار حوادث و سوانح در این زمینه بسیار زیاد بوده و از جمله دلایل آن میتوان به عدم توانایی در از بین بردن عوامل آتش ، مانند جرقه یا وجود اکسیژن اشاره نمود. انرژی افروزش مورد نیاز برای مخلوط سوخت های (هیدروکربنی/ هوا) حدود 2/0 مگا ژول می باشد و تخلیه گازهای حاصل از انفجار نیز در این زمان محدود عملی نمی باشد.
با استفاده از دستورالعمل های مندرج در استاندارد NFPA69 و استفاده از مواد پر کننده مخازن، یعنی محصولات فلزی توسعه یافته (Expanded metal) از جنس آلیاژ آلومینیوم نوع 3003 با دانسیته پایین (30 تا 50 کیلوگرم بر متر مکعب) و سطح ویژه بالا در واحد حجم (تقریباً 400m2/m3) می توان پتانسیل خطر را کاهش داد و از حوادث و سوانح جلوگیری نمود.
استفاده از محصولات فلزی توسعه یافته ، بخصوص در مخازن و کانتینر های سوخت مایع و گاز در اروپا گسترش یافته است ولی هنوز در آمریکا و سایر کشور ها هنوز بطور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است.
به عنوان نمونه، نظـــیر این گونــه محصـــولات تحــت نام تجاری DETO-STOP توســط شـــرکت آلمانی:
Texoga GmbH & Co KG
جهت مصارف گوناگون، مانند درون باک های سوخت تانک ها و سایر خودرو های نظامی، صنایع هواپیمایی در مخازن سوخت هلیکوپتر، هواپیما، و جت و ... ، در مخازن سوخت های گاز و مایع تانکر ها و بونکر ها و نیز مخازن ثابت بنزین و گاز و گازوییل ساخته شده و توسط شرکت های خریدار و مصرف کننده مطرح اروپایی که اسامی تعدادی از آنها در زیر آمده است بطور عمده خریداری شده و مورد استفاده قرار میگیرد.
1-Krauss-Maffei-Wegmann: Munich, Germany
2-Rheinmetall Landsystems: Kassel, Germany
3-GLS Gesellschaft für logistische Systeme: Munich, Germany
4-Hägglunds Vehicle A.B.: Örnsköldsvik, Sweden
5-FIAT: Turin, Italia
6-Achleitner Vehicle Industry: Wörgl, Austria
7-Wendler Security Cars: Reutlingen, Germany
8-Cantiere Navale – Shipyard: Galipoli, Italia
شرکت های فوق الذکر تعدادی از مصرف کنندگان خارجی این گونه محصولات بوده که در دنیا مطرح می باشند.
همچنین از بین شرکت های شرق آسیا ، معدودی از شرکت های چینی، ژاپنی، و ... دیده میشوند که این نوع محصولات را تولید نموده و به فروش میرسانند.
به عنوان مثال: محصولی که با نام تجاری AMPUTE به فروش مــیرسد، توسط یک شرکت چینــی به نام:
Jiangsu Ampute Explosion Prevention Technology Company Ltd
تولید میگردد که همان محصول Alumesh و Mesh Ball میباشد. که موارد استفاده از آنها توسط آن شرکت به صورت زیر اعلام شده و مطابق استاندارد های ملی چین با شماره هایAQ3001-2005,AQ3002-2005 و AQ3002-2005تولید و پر میشود.
AMPUTE products have been accepted and used by many industries like
1. Storage and transportation of inflammable liquids, gases, hazardous chemicals
2. Gas stations, mobile filling station, fuel tanker
4. Helideck of helicopter
5. Military armouring and civilian armouring
انفجار گاز (Gas Explosion) فرایندی است که توده گازی پیش مخلوط شده ای مانند سوخت-هوا، یا سوخت-اکسیدایزر میسوزد و سبب افزایش فشار میگردد. انفجار گازها میتواند در داخل تجهیزات فرایندی و یا در لوله ها، در ساختمانها یا در مخازن سوخت یا در سطوح محدود دیگر رخ دهد. هنگامیکه در باره انفجار گاز به عنوان یک حادثه صحبت میکنیم اصطلاح عمومی مد نظر است. دیاگرام زیر را ببینید.
Figure: An event tree showing typical consequences of accidental releases of combustible gas or evaporating liquid into the atmosphere
انفجار گاز های محدود به یک محیط بسته، انفجار ناشی از گاز های محدود شده ، انفجارهای درون تانک ها ، تجهیزات فرایندی، لوله ها ی فاضلاب، اتاق های بسته و دیگر نظیر آن می باشد. که انفجارهای داخلی نامیده میشوند.
Figure: Confined explosion within a tank
سرعت اشتعال و شدت سوختن:
سرعت اشتعال S به صورت تندی اشتعال نسبت به نقطه ای ثابت مانند زمین، یا قاب ثابت شده دیگر بیان میشود.
تندی سوختن، U، تندی شعله رو به جلو بوده و متناسب است با گاز نسوخته ای که مستقیماً در جلوی شعله می باشد.
رابطه بین سرعت شعله ، S، و تندی سوختن ، U، بصورت زیر می باشد.
S = U + u
S = The flame speed
U= The burning velocity
u = Velocity of the unburned gas just ahead of the flame
Figure: Flame propagation in a tube. The flame speed, S, is defined as the velocity of the flame relative to the ground or another fixed frame. u is the velocity of the unburned gas ahead of the flame.
اصطلاح deflagration:
سوزاندن (deflagration)، بصورت انتشار موح سوختن با سرعت مافوق صوت نسبت به گاز نسوخته ای که بلافاصله در امتداد و در جلوی شعله قراردادرد تعریف میشود. که سرعت سوختن ، U، کمتر از سرعت صوت ، C، در کاز نسوخته است. تندی گاز نسوخته در امتداد شعله توسط انبساط محصولات سوختنی ایجاد میشود.
در یک اتفاق انفجار گاز، سوزاندن (deflagration) وجه معمول انتشار شعله است. در این طریق، سرعت شعله، S، رنج هایی از 1m/s تا 500 -1000 m/s مطابق با فشار انفجار بین چند mbar تا چند bar خواهد داشت. در deflagration های قوی، امواج شوک ممکن است جلوتر از deflagration پخش شوند.
(به عبارتی deflagrationیعنی انتشار ناحیه سوختن با سرعتی کمتر از سرعت صوت در ماده سوخت عمل نکرده)
اصطلاح detonation:
انفجار(detonation) بصورت انتشار موج سوزاندن در سرعت مافوق صوت نسبت به گاز نسوخته بلافاصله در امتداد و جلوی شعله تعریف میشود، که تندی detonation ، D، بزرگتر از سرعت صوت ، C، در گاز نسوخته می باشد. به بیان ساده تر، یک موج انفجار(detonation) میتواند بصورت یک موج شوک که مستقیماً توسط شعله دنبال میشود بیان می گردد.
(به عبارتی detonationیعنی انتشار ناحیه سوختن با سرعتی بیش از سرعت صوت در ماده سوخت عمل نکرده)
شوک تراکم، گاز را گرم کرده و بلافاصله میسوزاند. بااین حال یک موج detonation واقعی یک موج شوک سه بعدی دارد که توسط ناحیه واکنش دنبال میشود.
Figure: A detonation wave can be described as a shock wave immediately followed by a flame (ZND theory)
برای مخلوط هوا-سوخت در فشار محیط سرعت انفجار (detonation) می تواند تا2000m/s و حد اکثر فشار تولید شده تا 20bar برسد.
یک انفجار(detonation) میتواند توسط هر یک از موارد زیر ایجاد شود:
1-بطور مستقیم با انفجار خوراک با قابلیت انفجار بالا آغاز شود.
2-هنگامی که سوختن (deflagration) به علت مانع و حبس شدن، و وجود یک مقاومت شتاب گرفته و به صورت انفجار(detonation ) در آید.
اصطلاح BLEVE:
BLEVEاختصاری از حروف اول کلمات Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion بوده که انفجاری به سبب فلش کردن سیالات هنگامی که یک ظرف با ماده ای با فشار بخار بالا می شکند. شکست ظرف اغلب به علت یک آتش خارجی مانند آنچه در شکل آمده می باشد. اگر ماده آزاد شده سوخت باشد BLEVE می تواند بصورت توپهای آتش بسیار بزرگی در آید.
Figure1: A situation that can lead to a BLEVE
Figure2: Fire balls and rocketing vessels are often the main hazards of a BLEVE
موج شوک:
موج شوک در گاز می تواند بصورت یک موج فشرده کاملاً توسعه یافته با دامنه ای بزرگ توصیف شود که دانسیته، فشار، و سرعت ذره ای بطور موثر در میان آن تغییر میکند. ------------(McGraw-Hill, 1978)
منظور از ضخامت یک موج شوک ، میانگین مسیر آزادی است که در آن بصورت منقطع عمل می شود.
Figure: A shock wave followed by a rarefaction wave
توده گاز و جرقه:
برای روشن شدن توده گاز نیاز به منبع جرقه با قدرت کافی می باشد. حد اقل انرژی جرقه بستگی به غلظت و نوع سوخت دارد.
Figure: Minimum Ignition Energy
Figure: A weak ignition source may ignite the cloud as the release reservoir is emptied
سوختن در حجم ثابت و در فشار ثابت:
هنگامی که توده پیش مخلوط شده گاز میسوزد، دمای گاز افزایش خواهد یافت. از قانون گاز های ایده آل داریم:
P/(ρ*T)=Constant
می دانیم که افزایش دما سبب افزایش فشار ،P ، یا کاهش دانسیته، ρ، (در انبساط) یا ترکیبی از هر دو خواهد شد. پارامترهای توصیف کننده فشار و انبساط به ترتیب اطلاعاتی برای سوختن در حجم ثابت و سوختن در فشار ثابت هستند . این دو وضع در شکل زیر توضیح داده شده اند.
Figure: Constant volume and pressure combustion
تعدادی از نسبت های فشار و انبساط را میتوان در جدول زیر یافت:
Table :Pressure, P, (absolute) and volume ratio (V/V0) for Stoichiometric fuel-air mixture at initial conditions 25° C and 1 atm (1.013 bar) (Baker et al. 1983)
شبکه های فلزی توسعه یافته اساساً یا از جنس فویل های آلومینیوم (تقریباً با ضخامت 80Micrometers و دانسیته حدود 40kg/m3) و یا از جنس فویل های استیل (تقریباً با ضخامت 25Micrometers و دانسیته حدود 100kg/m3) ساخته میشوند. این شبکه ها معمولاً سطح ویژه ای حدود 400m2/m3-1000m2/m3 داشته و به مقدار 1.3-1.5% از حجم مفید مخزن را اشغال می کنند.
آلیاژهای آلومینیوم و استیل از لحاظ شیمیایی خنثی بوده و مقاومت الکتریکی آنها مناسب است. تعدادی از خواص آنها در جدول زیر آمده است.
نسبت سطح ویژه به حجم توسط رابطه 1 و ∅ نسبت ظرفیت حرارتی در رابطه زیر آورده شده است.
A/V=ρE/ρM*(2*10^6)/δ
∅=(ρE.CM)/([1-(ρE/ρM) ]*ρg*Cg)
مقدار ∅ بالا نشانگر افزایش کمتر دما در مخازن حاوی این محصول می باشد. دمای تعادلی بین شبکه فلزی توسعه یافته و محصولات حاصل از انفجار از رابطه زیر با صرف نظر کردن از ظرفیت حرارتی ، محصولات حاصل از واکنش انفجار بدست می آید:
∆T=∆H/((V(F,M) *ρM *CM))
در جدول زیر مقادیر افزایش دما برای چندین مخلوط سوخت / هوا در شبکه های حاوی فویل مخصوص آلومینیوم و استیل داده شده است.
همچنانکه دیده میشود این شبکه های فلزی قادر به تحمل دماهای ناشی از سوختن مخلوط سوخت/هوا هستند. کلید موفقیت آنها در تعدیل یا از بین بردن انفجار به سرعت بالای انتقال حرارت آنها در انتقال حرارت ناشی از انفجار به بیرون برمیگردد. با در نظر گرفتن اینکه ثابت زمانی –حرارت برای محصولات حاصل از انفجار از درجه 10-2s، یعنی در همان محدوده انفجار است. بنا بر این فرض انتقال حرارت هدابتی در این خصوص توجیه کننده مسئله نمی باشد. و می توان انتظار داشت که مکانیسم غالب در انتقال حرارت بالا مکانیسم تشعشع باشد.
از شبکه های فلزی توسعه یافته در خاموش کردن شعله های با دمای بالا ، مانند شعله های حاصل از احتراق مخلوط های هیدروکربنی / هوا (که دمای شعله آدیاباتیک در آنها حدود 2500K است) به صورت زیر قابل توضیح است.
Ti = (TAl + TH)/ (1+β)
که در آن T
Al حدود 300oK و T
H حدود 250oK بوده و βاز رابطه زیر بدست می آید:
β =[ (k.ρ.C)H/ (k.ρ.C)Al] ½
مقدار β حدود 10-3 است بنا بر این Ti حدود 302oK بدست می آید. که از دمای اولیه 300oK اندکی بیشتر است. که از نقطه ذوب آلومینیوم فاصله زیادی دارد (933 درجه کلوین نقطه ذوب).
بنا بر این می توان گفت استفاده از شبکه های فلزی توسعه یافته سبب تعدیل یا حذف انفجار خواهد شد. در حالت تعدیل می توان بسته به حد مورد نیاز کاهش فشار بخار، از شبکه های فلزی توسعه یافته داخل مخازن استفاده کرد. تاثیر شبکه فلزی آلومینیومی بر مخازن سوخت با مدل سازی مخازن بسته نشان داده میشود.
افزایش فشار جزئی متناسب با جرم ماده سوختنی است:
P/Pmax=mb/m=Vb/V
Vb =Volume of gas that burns,m3
V =Total Volume of vessel,m3
Mb =mass of gas that burns,kg
P =Final Explosion Pressure,bar
Pmax =Maximum possible Pressure when mb=m,bar
در صورتی که حجم گاز سوختنی برابر حجم مخزن بدون شبکه فلزی (VC) باشد فشار نهایی (با صرف نظر از حجم شبکه فلزی) برابر است با:
P/Pmax=Vc/V
حال اگر کل حجم مخزن با شبکه فلزی پر شود پتانسیل انفجار حذف می شود. به عبارتی دیگر مخلوط گاز قابل اشتعال و منبع افروزش از بین خواهد رفت. مطابق آزمایشات تجربی انجام گرفته تنها با افزودن مقداری برابر نصف حجم از شبکه فلزی به مخزن، فشار بخار تا 75% تعدیل میشود.
Vc/V=0.5
همانطور که در جدول زیر ملحوظ است با استفاده از این شبکه ها می توان حدود بالا و پایین غلظت حجمی مخلوط سوخت /هوا و همچنین فشار حد اکثر حاصل از انفجار را به اندازه کافی کاهش داد.
جدول نتایح تست احتراق:
در جدول فوق ستون آخر سمت راست نسبت Vc/V را نشان می دهد.
در مورد مصرف برای کپسول های گاز که وزن آنها 11 کیلوگرم بوده و 24.2 لیتر حجم دارند قابل ذکر است با توجه به B.D. اعلام شده برای محصول Meshballs و نیز دانسیته اعلام شده برای آلیاژ آلومینیوم مقدار وزنی حدود 1.5 کیلو گرم به هر کپسول اضافه میشود. و فضایی کمتر از 3% را اشغال خواهد کرد. که حسن این محصول می باشد.
این محصول را میتوان در کارخانجات روغن کشی برای تانک های حلال هگزان از جهت ایمنی بالایی که ایجاد میکند به راحتی بکار برد.
به علت ایجاد یک مانع بین دو فاز ، تغییر در مقدار تبخیر، ایجاد مانع در برابر رسیدن آتش به سوخت غیر مشتعل، انتقال حرارتی بالای فلز و سطح گسترده در حجم آن از انفجار خطر ناک جلوگیری می کند.
در باک های بنزین خودرو های مختلف جهت انواع سوخت از گاز تا بنزین و گازوییل، سوخت هواپیما، جت، تانک، هلی کوپتر ، در جایگاههای پمپ بنزین، تانکر ها و مخازن ثابت و متحرک دیگر چه کوچک و چه بزرگ در انواع Alumesh، Meshball, Mesh round قابل استفاده میباشد. گاهاً فقط چند لایه فقط در سطح سوخت یا ترکیب قابل احتراق کفایت نموده و یا بر حسب نظر کارشناس ظرف مربوطه لازم است از یکی از انواع محصولات پر گردد.
