Дефицит и обогащение кислорода: основы криогенной безопасности

Дефицит кислорода при работе с криогеникой возникает потому, что азот и аргон бесцветны, не имеют запаха, а малый объем жидкости превращается в большой объем газа. В замкнутом помещении этот газ вытесняет воздух без каких-либо предупреждающих признаков. Жидкий кислород создает обратную проблему, обогащенную атмосферу, в которой возгорание начинается и распространяется легче.

Оба состояния хорошо изучены, и оба контролируются одними и теми же базовыми мерами: держать криогенное оборудование на открытом воздухе или в правильно вентилируемых помещениях, контролировать содержание кислорода там, где бывают люди, и выводить сбросы в безопасное место.

В статье разобран механизм каждой из опасностей, физические риски контакта с холодной жидкостью и холодными поверхностями, а также практические меры, которые должны видеть эксплуатирующие организации и покупатели оборудования.

Что такое опасность дефицита кислорода?

В воздухе примерно 20,9 процента кислорода по объему. Опасность дефицита кислорода возникает всякий раз, когда что-либо вытесняет часть этого воздуха и снижает долю кислорода там, где работают люди. В производственной практике атмосферу обычно считают кислорододефицитной ниже 19,5 процента кислорода, и многие национальные нормы используют это или близкое значение. Уточните порог и уставки сигнализации, действующие в вашей юрисдикции.

Опасность здесь не в токсичности. Азот и аргон не токсичны. Опасность в том, что они занимают место, которое иначе занял бы воздух, а организм не дает надежного сигнала о падении доли кислорода. Нет запаха, нет цвета, нет раздражения, а способность здраво рассуждать может нарушиться до того, как человек поймет, что что-то не так. Именно поэтому дефицит кислорода контролируют техническими средствами и приборами, а не расчетом на внимательность людей.

Почему азот и аргон так быстро вытесняют кислород?

Криогенные жидкости расширяются в огромное число раз при нагреве до окружающих условий. Один объем жидкого азота дает примерно 696 объемов газа при стандартных условиях, а жидкий аргон расширяется примерно в 847 раз. Поэтому количество жидкости, которое на полу выглядит небольшим, способно заполнить закрытое помещение инертным газом.

• Холодный пар сначала плотнее теплого воздуха, поэтому он скапливается в приямках, траншеях, подвалах и низких точках
• По мере нагрева он перемешивается и рассеивается, поэтому установки на открытом воздухе безопаснее по своей природе
• Обычные потери на испарение идут непрерывно, поэтому даже без утечки газ накапливается в закрытом помещении со временем
• Сбросы через предохранительные и продувочные устройства выпускают газ по проекту, а не по неисправности, и должны заканчиваться в безопасном месте
• Продувка и захолаживание выпускают инертный газ намеренно и требуют тех же мер контроля

Если нужны расчетные величины для подбора вентиляции или для оценки рисков, справочник по коэффициентам расширения криогенных жидкостей в газ приводит цифры и порядок их применения.

Где реально возникает риск на газовой площадке?

Наружные резервуарные установки на открытом воздухе, это обычный и малорисковый случай. Риск концентрируется там, где газ может накапливаться или где люди работают рядом с точкой выброса.

• Наполнительные цеха баллонов, насосные и закрытые технологические участки с криогенной жидкостью
• Приямки, зумпфы, траншеи, подвалы и смотровые камеры рядом с зоной резервуара
• Замкнутые пространства, включая сосуды и трубопроводы, куда входят для обслуживания
• Кабины машин, фургоны и закрытые грузовые отсеки, перевозящие сосуды с криогенной жидкостью
• Холодильные камеры, лаборатории и закрытые склады с сосудами Дьюара или емкостями MicroBulk
• Зоны рядом со свечой сброса или выпуском предохранительного устройства, особенно в безветренную погоду

Отдельного внимания заслуживает вход в замкнутые пространства. В сосуде, продутом азотом, кислорода практически нет, и процедуры входа существуют именно потому, что атмосфера внутри не дает никаких ощутимых предупреждений.

Почему обогащение кислородом от LOX создает риск пожара?

Жидкий кислород создает обратное состояние. Сам кислород не горит, но поддерживает горение, и в обогащенной атмосфере материалы воспламеняются при меньшей энергии и горят быстрее и жарче, чем в обычном воздухе. Одежда, впитавшая кислород, может легко загореться. Обогащение возникает при сбросах, мелких утечках в соединениях, проливах при переливе и при наполнении в плохо проветриваемых помещениях.

• Держите масла, смазки, топливо и горючие материалы вдали от оборудования LOX и от грунта под ним
• Применяйте только смазки, уплотнения и герметики, допущенные для кислородной службы
• Поддерживайте контактирующие с продуктом детали чистыми по кислороду и очищайте заново любой элемент, вскрытый при обслуживании
• Вентилируйте любую зону, где может накапливаться кислород, и держите источники зажигания на расстоянии, которого требуют местные нормы
• Каждый, кто находился в обогащенной кислородом атмосфере, должен проветрить одежду на свежем воздухе, прежде чем приближаться к источнику зажигания
• Размещайте знаки кислородной опасности и ограничивайте доступ в зону резервуара

Руководство по безопасности и подбору резервуаров для жидкого кислорода подробнее разбирает кислородную очистку, совместимость материалов и размещение для тех, кто задает спецификацию на оборудование LOX.

Как газоанализаторы кислорода и вентиляция контролируют опасность?

Вентиляция удаляет накопившийся газ, а приборы сообщают людям, что атмосфера изменилась. Они работают вместе. Одна вентиляция может отказать незаметно, если остановится вентилятор, а один прибор ничего не делает с тем состоянием, которое обнаруживает.

• Датчики устанавливаются там, где газ действительно скапливается, с учетом того, что холодный пар сначала оседает вниз
• Звуковая и световая сигнализация как внутри помещения, так и у входа, чтобы никто не вошел в зону, где уже сработала тревога
• Уставки сигнализации согласованы с применимыми национальными нормами
• Калибровка и проверка контрольным газом с интервалом, установленным изготовителем, с ведением записей
• Персональные газоанализаторы кислорода для тех, кто спускается в приямки или входит в зоны без стационарных датчиков
• Механическая вентиляция, рассчитанная на объем помещения и на вероятный выброс, спроектированная профильным инженером
• Сбросы и выпуски предохранительных устройств выведены наружу, вдали от дверей, окон, воздухозаборников и проходов
• Процедуры входа, замер атмосферы перед входом и наблюдающий, где это требуется

Это практическая причина, по которой криогенные резервуары размещают на открытом воздухе везде, где возможно. Открытая установка устраняет сам механизм накопления, а не управляет им, поэтому компоновка площадки, это решение по безопасности не в меньшей степени, чем по логистике. Статья о монтаже и размещении криогенных резервуаров разбирает компоновочную сторону.

Каковы риски холодового контакта и поведения материалов?

Холодовые ожоги и обморожение

Контакт с криогенной жидкостью, холодным паром или неизолированным холодным трубопроводом вызывает повреждение тканей, похожее на ожог. Кожа может примерзнуть к неизолированной холодной поверхности, и повреждение успевает произойти до того, как человек отдернет руку. Особую тревогу вызывают брызги в глаза, поэтому при переливе применяют защиту лица.

Хрупкое разрушение материалов

Многие материалы, пластичные при комнатной температуре, становятся хрупкими при криогенной температуре и могут внезапно разрушиться под нагрузкой. Поэтому низкотемпературная служба требует испытаний на ударную вязкость, как правило Charpy V-notch, для материалов, применяемых ниже примерно минус 150 C. По той же причине пролитую криогенную жидкость нельзя допускать на обычную конструкционную сталь, бетон и асфальт, которые при охлаждении могут растрескаться.

Запертая жидкость и рост давления

Криогенная жидкость, запертая между двумя закрытыми клапанами, нагреется и расширится, не имея пути для сброса. Именно поэтому участки линий, которые можно отсечь с двух сторон, оснащают предохранительными устройствами, а сами эти устройства никогда не перекрывают и не отсекают во время работы.

Какие СИЗ применяются при работе с криогенными жидкостями?

СИЗ, это последний рубеж, а не первый. Основную работу делают размещение, вентиляция, приборный контроль и регламент. Перечисленное ниже, это стандартный набор для перелива, подключения и обслуживания, а конкретные требования должны следовать из вашей оценки рисков и местных правил.

• Защитный щиток поверх очков для любых операций, где возможны брызги
• Свободно сидящие криогенные перчатки, которые можно быстро стряхнуть, если внутрь попадет жидкость
• Длинные рукава и брюки поверх закрытой обуви из невпитывающего материала
• Отсутствие манжет, открытых карманов и отворотов, в которых может задержаться жидкость
• Персональный газоанализатор кислорода там, где нет стационарных датчиков
• Для кислородных работ одежда без следов масла и смазки

Обучение значит не меньше оснащения. Операторы должны знать свойства продукта, с которым работают, расположение датчиков и сигнализации, маршрут эвакуации и правило: никто не входит в помещение со сработавшей сигнализацией ради спасения коллеги без дыхательного аппарата и плана спасения.

Как выбор оборудования снижает эти опасности?

Правильно подобранное оборудование убирает штатные сбросы, а не управляет ими. Резервуар с целым вакуумом и работающим контуром экономайзера сбрасывает намного меньше, чем резервуар с деградировавшей изоляцией, а исправно обслуживаемая система предохранительных устройств срабатывает только тогда, когда должна.

• Исправная вакуумная изоляция удерживает потери на испарение в обычном диапазоне примерно 0,2, 0,6 процента в сутки для современных стационарных резервуаров
• Работающий контур подъема давления и экономайзера использует газ испарения вместо сброса в атмосферу
• Линии сбросов и предохранительных устройств выведены в безопасную точку выпуска, а не заканчиваются у резервуара
• Правильный подбор арматуры и уплотнений под рабочую среду, включая кислородосовместимые материалы для LOX
• Замер вакуума каждые 6, 12 месяцев, чтобы деградация обнаруживалась до того, как превратится в постоянные сбросы
• Сертификация под рынок: PED 2014/68/EU с EN 13458 для стационарных сосудов с вакуумной изоляцией или ASME там, где применяется американский код

Рост потерь на испарение, иней или отпотевание на наружном кожухе и более быстрый, чем обычно, набор давления указывают на потерю вакуума, а она увеличивает сбросы и, значит, объем газа, попадающего в окружающую зону. Статья о потере вакуума в криогенных резервуарах объясняет, как это распознать и подтвердить.

KAF Cryogenics поставляет резервуары для хранения, транспортное оборудование и газификаторы новыми по спецификации и как сертифицированные единицы б/у, прошедшие осмотр, NDT, а также вакуумные и пневмогидравлические испытания, с комплектом документации и письменной гарантией. Если площадка меняет оборудование, которое сбрасывает слишком много, сертифицированная единица б/у может быть отгружена со склада за недели вместо месяцев, которые обычно занимает новое изготовление.

Часто задаваемые вопросы

Читайте также

• коэффициентам расширения криогенных жидкостей в газ
• безопасности и подбору резервуаров для жидкого кислорода
• монтаже и размещении криогенных резервуаров
• потере вакуума в криогенных резервуарах
• график обслуживания криогенного резервуара
• криогенные резервуары для хранения