Blog

Aby doszło do wybuchu, muszą zaistnieć jednocześnie trzy czynniki: utleniający (powietrze, a ściśle – zawarty w nim tlen), palny (gaz, pył lub para cieczy o stężeniu zawartym pomiędzy dolną a górną granicą wybuchowości) oraz źródło zapłonu. W takiej sytuacji wybuch na pewno nastąpi, natomiast jego mechanizm będzie zależał od szeregu warunków. Wybuch chemiczny może mieć charakter homogeniczny (jednoczesny wybuch całej masy) lub heterogeniczny (przemieszczanie się strefy reakcji).

dr Aleksander Stukowski

W zależności od szybkości przemieszczania się tej strefy mamy do czynienia z deflagracją (szybkość do 100 m/sek.) lub detonacją (ponad 1000 m/sek.). Czy wybuch w fazie początkowej będzie miał charakter deflagracji czy detonacji, zależy od źródła zapłonu, w szczególności od jego energii. Różnice są tu bardzo znaczne, bo aby wywołać deflagrację, wystarczy energia około 10 4J, natomiast do bezpośredniego zainicjowania detonacji niezbędna jest energia około 106J.

Mechanizm wybuchu

Zapłon i dalsze spalanie mieszaniny palnego składnika z powietrzem jest możliwe w określonym zakresie stężeń obu tych składników. Zakres ten jest określony dolną (DGW) i górną (GGW) granicą wybuchowości. Wewnątrz tego zakresu znajduje się punkt odpowiadający stężeniu stechiometrycznemu mieszaniny, tj. odpowiadającemu teoretycznemu równaniu reakcji chemicznej całkowitego spalania. Ważna z punktu widzenia oceny zagrożenia wybuchem jest minimalna energia zapłonu (MEZ), czyli najmniejsza energia zdolna wywołać zapłon palnej mieszaniny w określonych warunkach. Jej wielkość zależy nie tylko od rodzaju palnego składnika, ale również od jego stężenia  – im bliżej granic wybuchowości, tym energia ta osiąga wyższą wartość.
Źródła zapłonu mogą być różne, a ich wspólną cechą jest zdolność do wytworzenia odpowiednio wysokiej temperatury. Dzielimy je na punktowe (iskry elektryczne, elektrostatyczne, mechaniczne), liniowe (wyładowania elektryczne snopiące, łuk elektryczny), powierzchniowe (gorące powierzchnie, materiały piroforyczne, fale uderzeniowe, promieniowanie świetlne i cieplne, iskry spawalnicze) i pojemnościowe (gorące gazy, reakcje chemiczne, otwarty ogień, sprężenie adiabatyczne).

Mechanizm wybuchów gazów i par cieczy palnych

Dla cieczy granice wybuchowości związane są z parowaniem. Ciśnienie pary nasyconej jest funkcją temperatury powierzchni cieczy. Jednocześnie ciśnienie pary wyznacza wartość jej stężenia w fazie gazowej nad cieczą, po osiągnięciu w układzie stanu równowagi. Zatem poniżej pewnej temperatury ciśnienie pary nad cieczą będzie zbyt niskie, aby jej stężenie osiągnęło dolną granicę wybuchowości. Temperatura ta – zdefiniowana jako dolna temperaturowa granica wybuchowości, jest na ogół równa temperaturze zapłonu, poniżej której ciecz nie stwarza zagrożenia wybuchowego. Jeśli natomiast stężenie pary nasyconej nad cieczą przekroczy górną granicę wybuchowości, jej mieszanina z powietrzem będzie zbyt bogata w składnik palny (a jednocześnie zbyt uboga w utleniacz), zatem będzie niewybuchowa.
Granice wybuchowości dla mgieł (aerozoli) zależą od wielkości cząstek cieczy. Nie ma tu prostej zależności, bo dla pewnych zakresów rozmiarów cząstek DGW może być niższa niż dla par tej cieczy.
Wartości granic wybuchowości dla gazów i par wyrażamy w % objętościowych.
Granice wybuchowości odnoszą się do stężeń palnych substancji w powietrzu, ale w procesie spalania bierze udział tylko jeden jego składnik – tlen, którego zawartość w powietrzu wynosi w warunkach normalnych około 21%. Zmiana stężenia tlenu znacząco wpływa na zakres wybuchowości mieszaniny. Jeśli stężenie tlenu spadnie poniżej granicznego (GST), mieszanina staje się niewybuchowa. Zjawisko to wykorzystuje się w procesie inertyzacji, czyli zapobieganiu tworzenia się mieszaniny wybuchowej poprzez rozcieńczanie jej gazem obojętnym.
Do wybuchu niekoniecznie musi dojść w przestrzeni zamkniętej. Znane jest zjawisko określane jako vapour cloud explosion (VCE) – wybuch chmury oparów. Polega ono na tym, że w pierwszym etapie, wskutek awarii np. zbiornika magazynowego wydostaje się z niego palny gaz lub pary palnej cieczy, tworząc w powietrzu chmurę, będącą mieszaniną palnego składnika z powietrzem. Chmura osiąga duże rozmiary. Gdy stężenie palnego składnika wewnątrz chmury osiągnie wartość w granicach wybuchowości, a następnie dojdzie do zapłonu (jego przyczyny mogą być różne), nastąpi wybuch w postaci fali ciśnieniowej o znacznej sile niszczącej.

Warunkiem koniecznym do powstania wybuchu VCE jest opóźnienie zapłonu w stosunku do uwolnienia się ze zbiornika palnej substancji – chmura musi zdążyć się uformować. Wybuch VCE jest najbardziej prawdopodobny, gdy czas opóźnienia wynosi 1–5 minut. Jeśli zapłon nastąpi wcześniej, nie zdąży powstać mieszanina wybuchowa i uwolniona substancja po prostu ulegnie spaleniu. Najbardziej chyba znany jest wybuch VCE, zaistniały w 1974 r. w zakładzie NYPRO w Flixborough (Wielka Brytania), gdzie z instalacji kaprolaktamu uwolniło się w wyniku awarii około 30–40 ton cykloheksanu. Powstała chmura miała objętość ponad 400 tys. m3, długość 300 m i szerokość 130 m. Zapłon nastąpił po upływie około 1 minuty. W wyniku wybuchu zginęło 28 osób, a 89 zostało rannych. Całkowitemu zniszczeniu uległ zakład i 1821 domów zlokalizowanych w jego pobliżu.

Mechanizm wybuchu pyłu

DGW obłoku pyłu to jego najniższe stężenie w powietrzu, przy którym płomień może jeszcze przemieszczać się samoczynnie. Wartości granic wybuchowości dla pyłów wyrażamy w gramach na 1 m3 powietrza. DGW większości palnych pyłów wynosi od kilkunastu do kilkuset g/m3.
Pomiędzy wybuchem mieszanin gazowych a wybuchem palnych pyłów jest kilka różnic. W pierwszym przypadku wybuch ogranicza się do spalenia istniejącej mieszaniny, natomiast w drugim  – wybuchająca mieszanina pyłowo powietrzna uruchamia kolejne złoża pyłu zalegające na podłodze, konstrukcjach, maszynach itp., powstaje kolejna mieszanina, wybucha – i w ten sposób może ulec zniszczeniu cały duży obiekt. Może też wystąpić przypadek wybuchu pyłu w pomieszczeniu, w którym nie ma mieszaniny pyłowo powietrznej, jest natomiast pył zaległy na podłożu. Taka warstwa pyłu podlega utlenianiu, co prowadzi do wzrostu jej temperatury. Wzrost temperatury przyspiesza reakcję utleniania, a jej gazowe produkty mogą uwolnić się w drodze tzw. wyfuknięcia, czyli szybkiej reakcji niebędącej jeszcze wybuchem, ale wystarczającej do uniesienia pyłu z podłoża i utworzenia chmury. Jeśli stężenie pyłu w chmurze przekroczy DGW, może dojść do wybuchu. Własności wybuchowe pyłów zależą nie tylko od ich rodzaju, ale również od stopnia rozdrobnienia. Im pył jest drobniejszy, tym mniejsza energia jest potrzebna do jego zapłonu (drobny pył ma bardzo rozwiniętą powierzchnię ziaren, co sprzyja łatwiejszemu utlenianiu), ale nie jest to regułą. Na przykład ziarna skrobi, znajdujące się w roślinach, mają różne rozmiary – spośród najczęściej spotykanych najdrobniejsza jest skrobia ryżowa, najgrubsza ziemniaczana, a kukurydziana ma wymiary pośrednie. Jednak skrobia kukurydziana jest bardziej wybuchowa niż ryżowa, ponieważ zawiera tłuszcz.

Wybuch typu BLEVE

BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion – wybuch rozprężającej się pary wrzącej cieczy) jest zjawiskiem fizycznym. Jego mechanizm jest następujący. W dużym zamkniętym zbiorniku znajduje się ciecz, ulegająca podgrzaniu wskutek działania czynnika zewnętrznego, np. pożaru. Jednocześnie wzrasta ciśnienie wewnątrz zbiornika. Jeśli temperatura cieczy przekroczy jej temperaturę wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym (ciecz w zbiorniku w tych warunkach nie wrze, gdyż ciśnienie w nim jest wyższe od atmosferycznego), a następnie ulegnie zniszczeniu zbiornik (wskutek pożaru lub przekroczenia wytrzymałości jego ścian), uwolniona ciecz znajdzie się pod ciśnieniem atmosferycznym i ulegnie wrzeniu tak gwałtownemu, że powstanie fala uderzeniowa o dużej sile niszczącej. Zjawisko ma zatem charakter czysto fizyczny, a ciecz wcale nie musi być palna. Jeśli jednak jest palna, powstająca chmura może ulec zapłonowi, wskutek działania siły wyporu może unieść się w górę i przybrać kształt kulisty. Zjawisko to określa się jako fireball (kula ognista). Niszczące działanie kuli ognistej wynika przede wszystkim z emitowanej przez nią energii cieplnej. Przykładem takiej katastrofy jest zdarzenie zaistniałe w 1984 r. w Mexico City. W magazynie LPG nastąpił wyciek, powstała chmura uległa zapłonowi, który spowodował serię wybuchów, w tym również typu BLEVE. W ich wyniku śmierć poniosło około 500 osób, 7 tys. zostało rannych, a ponad 200 tys. ewakuowano. Zniszczeniu uległa instalacja składająca się z kilkudziesięciu zbiorników oraz zabudowania na przyległym terenie.

Skutki wybuchu

Nadciśnienie spowodowane wybuchem powoduje obrażenia u ludzi i uszkodzenia obiektów. Zależność rozmiarów tych skutków od wielkości nadciśnienia przedstawiono w tabeli.

Jak widać z powyższych danych, organizm ludzki jest bardziej odporny na działanie podmuchu niż konstrukcje budowlane. Stosunkowo niewielu ludzi ginie wskutek bezpośredniego działania nadciśnienia. Większość ginie wskutek oparzeń, uderzenia miotanymi odłamkami oraz gwałtownego przemieszczenia ciała i uderzenia o przeszkody. Do tego dochodzą zatrucia toksycznymi produktami spalania.

Literatura
M. Borysiewicz, B. Kucnerowicz Polak: Zagrożenia pożarowe i wybuchowe, CIOP, Warszawa 1998.
R. Porowski, E. Ziębaczewski: Wybuchy chemiczne gazów i par cieczy palnych, „Przegląd Pożarniczy”, nr 7, 2005.
T. Ostrowski: Wybuchy pyłów w przemyśle, IW CRZZ, Warszawa 1980.
S. Nowak: Przestrzenie zagrożone wybuchem, cz. I, „Magazyn Ex”, nr 1, 2006. R. Porowski, E. Ziębaczewski: Ogniste kule śmierci, „Przegląd Pożarniczy”, nr 1, 2006.

dr Aleksander Stukowski

stały współpracownik redakcji