Surse de aprindere de natura mecanica

Surse de aprindere de natura mecanica

Spre deosebire de scanteile electrice, care sunt de tipul descarcarilor electrice, scanteile mecanice sunt particule materiale, de dimensiuni mici (de ordinul micronilor), provenite din diferite operatii de prelucrare a metalelor sau din ciocniri mecanice. Desi, ca sursa de aprindere intervin prin potentialul lor termic, sunt individualizate prin natura activitatilor mecanice ce le genereaza.

Numarul incendiilor datorate unor surse de aprindere de natura mecanica (frecare, scantei) este redus, in comparatie cu alte surse.

1. Frecarea

Frecarea este un proces de natura moleculara-mecanica-energetica, care are loc intre doua suprafete in contact, in miscare relativa, supuse la o forta normala de apasare. Frecarea este intotdeauna insotita de incalzirea corpurilor in contact - caldura disipata fiind rezultat al lucrului mecanic depus pentru invingerea rezistentei de frecare. Forta de frecare se poate exprima prin formula: F = μN (N), unde μ este coeficientul de frecare, iar N - forta de apasare care actioneaza normal pe suprafata deplasata.

Pentru o forta constanta, frecarea este proportionala cu coeficientul de frecare μ, care are cea mai mare valoare in momentul inceperii miscarii si scade odata cu cresterea vitezei. Coeficientul de frecare nu depinde de marimea suprafetelor de contact, ci de natura si prelucrarea acestora

Tabelul 12. Valori orientative ale coeficientului de frecare μ

Prin frecare, suprafete in contact ajung la temperaturi suficient de ridicate (200 - 300sC) pentru a initia aprinderea unor materiale combustibile aflate in vecinatate. In alte cazuri, caldura degajata in procesul de frecare este suficienta pentru descompunerea unor substante a caror componenti volatili se aprind ulterior cu usurinta. Este cazul agentilor porogeni cu ajutorul carora se produce cauciucul expandat sau materiale plastice expandate, sau a sarurilor diaze care se folosesc la producerea indigoului.

Situatiile in care frecarea poate duce prin caldura disipata la initierea unor incendii sunt:

- lipsa lubrefiantului sau ungerea necorespunzatoare a unor piese de diverse mecanisme, cel mai frecvent in cazul conlucarii unui lagar cu un arbore;

- orice lagara care nu este lubrefiat corespunzator poate deveni o sursa de aprindere pentru un material combustibili din vecinatate;

- gripajul - un fenomen periculos ce se manifesta sub forma de puncte de sudura locale si smulgeri cu rizuri adanci sau blocaj total; in cazul motoarelor electrice fenomenul este insotit si de acumularea unor tensiuni importante prin autoinductie;

- prezenta, intre suprafetele in contact, a unor corpuri straine (nisip, praf, particule de metal etc.);

- montarea defectuoasa a lagarelor si a arborelui, ce poate duce la frecarea arborelui pe carcasa; in acest caz intervine o tocire intensa a arborelui si a carcasei, combinata cu o incalzire locala intensa a acestor elemente; pot fi observate scantei;

- montarea necorespunzatoare a elementelor aflate in rotatie poate duce la lovirea lor de elementele fixe; fenomenul este periculos indeosebi la rotoare de mare viteza (in cazul avioanelor), cand caldura disipata poate topi carcasa;

- frecarea in ferodoul autovehiculelor sau blocarea sabotului de franare pe tambur dezvolta caldura suficienta pentru aprinderea cauciucului; analog, franele vagoanelor de cale ferata se pot supraincalzi, provocand aprinderea materialelor componente.

Incalzirea lagarului la temperaturi ridicate (500 - 800sC), poate constitui sursa de aprindere in doua imprejurari favorizante:

- fie suprafata de temperatura ridicata initiaza aprinderea unor combustibile din vecinatate (praf, material lemnos) sau a unor amestecuri gaz-aer inflamabile;

- fie se poate atinge temperatura de topire a metalului, ceea ce provoaca topirea cuzinetilor sau a diferilor impuritati.

O sursa de aprindere, de acest tip, poate provoca incendii cu urmari grave, mai ales atunci cand in componenta instalatiei mecanice intra un recipient (rezervor) cu combustibil petrolier lichid.

Fenomenul supraincalzirii unor elemente in contact se manifesta mai intai prin zgomote neobisnuite: izbituri, scartait, scanteieri s.a. Observarea incipienta a acestor simptome permite inlaturarea cauzei fara consecinte negative (completarea lubrefiantului, eliminarea corpurilor straine, inlocuirea lagarului s.a.).

Ciocnirea este fenomenul mecanic in care impulsurile (Nˉ = mVˉ) obiectelor implicate variaza brusc. La un soc frontal, indeosebi la o forta de soc redusa, energia rezultata din ciocnire se consuma, in cea mai mare parte, in deformatii plastice sau elastice. La o ciocnire oblica exista o probabilitate mai mare de producere a scanteilor. Este cazul, mai ales, a unor operatiuni de prelucrare, cand se urmareste producerea unui lucru mecanic de deformare maxim, deci sa se piarda cat mai mult energie cinetica pentru a putea fi transformata in lucru mecanic de deformare. Corpul prelucrat are masa mare, iar corpul incident masa mica, fiind si mult mai dur.

Scanteile se formeaza, de regula, pe seama metalului mai moale. Marimea si energia scanteilor formate depinde de energia cinetica consumata la ciocnire, viteza de ciocnire a pieselor metalice, rezistenta metalelor.

Potentialul energetic al scanteilor formate este influentat si de natura metalelor implicate in ciocnire. In ordinea crescanda a periculozitatii se pot enumera: otel aliat, otel de constructii, otel ruginit, metale usoare (aluminiu s.a.). Cuprul, beriliul, mangalul, nichelul, plumbul, ca si bronzul nu produc scantei prin lovire sau frecare.

Cacacitatea metalelor si a aliajelor acestora de a produce scantei periculoase depinde, in special, de proprietatile lor chimice si mai ales, de afinitatea lor fata de oxigen. Astfel, nu toate particulele separate de metale prin soc sau frecare poseda energie suficienta pentru a initia un proces de aprindere a unui amestec combustibil gazos, chiar daca temperatura lor ajunge la valori ridicate (1000sC). In urma unei reactii de oxidare in aer a particulelor, acestea pot insa acumula energie suficienta pentru initierea aprinderii, datorita caracterului puternic exoterm al procesului rapid de oxidare. Astfel, temperatura medie masurata a unui fascicul de scantei otel-carbon de 1300 - 1800sC a crescut pe distanta de 15 cm pana la 2300sC.

Factorii care influenteaza acest proces sunt: natura metalului, viteza de zbor a particulei si continutul de oxigen al mediului de lucru. Viteza de zbor a scanteii depinde de energia disipata la ciocnire si, in cazul unor valori mari, implica traiectorii lungi si corespunzator, o durata mai mare de contact cu mediul, ceea ce permite intensificarea arderii si schimbului de caldura.

Conditiile cele mai favorabile pentru aprinderea unei particule se creaza atunci cand, pe parcursul traiectoriei, temperatura ei depaseste temperatura de topire a oxidului, avand loc ruperea peliculei superficiale de oxid si eruptia masei lichide, care, la metalele usoare, se transforma in gaz.

Formarea unei pelicule etanse de oxid la suprafata scanteii (ca in cazul otelurilor aliate cu crom, siliciu etc.) impiedica disiparea caldurii in mediul inconjurator. In cazul otelurilor obisnuite sau cu rugina, cedarea caldurii nu este impiedicata, stratul de oxid prezentand numeroase fisuri.

In cazul otelului ruginit, corodat, formarea scanteilor este favorizata de rugozitatea care impiedica sudarea la rece a suprafetelor, impactul realizandu-se in prima faza prin varfurile proeminentelor.

Metalele usoare si aliajele lor produc mult mai greu scantei prin frecare sau soc intre ele, datorita rezistentei mecanice reduse, care face posibile deformatii plastice ce ingreuneaza ruperea particulelor. Existenta peliculei de oxid cu o temperatura de topire ridicata (la Al₂O₃ - 2030sC) elimina si mai mult pericolul aprinderii particulelor.

Atunci cand impactul are loc intre metale usoare (de exemplu aluminiu) si otel, in special otel corodat, se produc scantei cu un potential termic ridicat, capabile sa aprinda amestecuri combustibile.

Capacitatea mare de aprindere a scanteilor de aluminiu rezulta din reactia exotermica:

2 Al + Fe₂O₃ = 2 Fe + Al₂O₃ + 770 kJ,

pentru producerea careia este suficienta prezenta unei mici cantitati de rugina.

In multe cazuri, energia disipata prin ardere incalzeste particulele de metal pana la temperaturi mult superioare temperaturii de vaporizare, arderea continua in faza gazoasa, sub forma de flacara sau temperaturi mult ridicate decat a scanteilor de otel de acelasi diametru.

In acest caz are loc o oxidare directa a aluminiului dupa reactia:

2 Al + 3/2 O₂ = Al₂O₃ + 1420 J

Excesul de caldura rezultat prin arderea aluminiului este aproximativ de doua ori mai mare decat in cazul arderii fierului sau magneziului (69,38 J fata de 30,09 J, respectiv 37,20 J).

Ca urmare, scanteile produse prin soc (si frecare) intre aluminiu si hotel corodat prezinta un pericol ridicat de inflamare a amestecurilor gazoase combustibile. Prin experimentari s-a reusit aprinderea indeosebi a hidrocarburilor parafinice si aromatice (metan, etan, propan, butan, pentan, respectiv benzen, toluen, xilen, stire s.a.).

Limita inferioara de inflamare a amestecurilor gazoase in cazul aprinderii prin scantei mecanice este apropiata ca valoare de cazul aprinderii prin scantei electrice (inclusiv descarcari electrostatice).

Natura metalelor implicate influenteaza, intr-o masura mai mare, numai limita superioara de inflamabilitate, care este sub cea determinata pentru scantei electrice.

Energia necesara unei scantei de otel pentru aprinderea unui amestec de hidrogen-aer este de minim 3,5 J, dar peste 30 J in cazul unui amestec gaz metan-aer.

Scanteile rezultate in urma utilizarii uneltelor de aluminiu pot aprinde o serie de substante combustibile (sulfura de carbon, acetilena, hidrogen, etilena, benzen) la un nivel energetic mai coborat decat scanteile de otel. De exemplu, pentru aprinderea unui amestec de gaz metan-aer energia necesara pentru o scanteie de aluminiu este de 3,5 J.

Scanteile mecanice pot provoca si aprinderea unor amestecuri de aer cu diferite pulberi. Experiementarile au dus la urmatoarele rezultate:

- pulberile de aluminiu, magneziu, titan, zirconiu, aliaje de metale usoare, unele pulberi de fier se aprind usor;

- pulberea de zinc se aprinde numai uneori;

- pulberea de sulf se aprinde cel mai usor dintre pulberile nemetalice, inclusiv de la scanteile de otel produse de dispozitivele de rectificat;

- scantei cu energia de minimum 3,5 J pot initia explozia unor compusi pirotehnici pulverulenti;

- aprinderea amestecurilor cu aerul a hidrocarburilor saturate, alcoolilor, altor compusi organici (faina, zahar, carbune, lemn, pluta) de la energia scanteilor mecanice nu a putut fi reprodusa in laborator, fara ca aprinderea acestora sa poata fi complet inlaturata ca posibilitate in conditii deosebite de temperatura si concentratie;

b) Scantei de frecare. Scanteile insotesc un numar redus de procese de frecare. Potentialul lor termic este mai scazut decat al scanteilor de soc sau abraziune. Determinari experimentale (la frecarea otelului cu un disc de carborund) au stabilit o valoare medie a temperaturilor scanteilor produse prin frecare de 900sC, cu valori maxime in jur de 1600sC. Scanteile de frecare pot aprinde numai amestecurile cu aer ale hidrogenului, acetilenei, etilenei, oxidului de carbon, sulfurii de carbon.

c) Scantei de aschiere si abraziune. In urma operatiilor mecanice de aschiere si polizare a metalelor se produc cantitativ mai multe scantei decat in celelalte cazuri. Scanteile generate au diametrul intre 50 - 200 μm si temperaturi peste 800sC. In cazul unor traiectorii mai lungi si la durate de 2 - 3 s pot fi atinse temperaturi mai ridicate care pot initia aprinderea unor amestecuri combustibile.

3. Recomandari preventive

a) In incaperile in care este posibila formarea amestecurilor explozive:

- se vor utiliza numai scule speciale, din metale sau aliaje care nu produc scantei capabile sa aprinda amestecuri explozive (bronz, cupru, beriliu);

- protejarea zonelor potabile de impact sau frecare cu diferite materiale care nu produc scantei (garnituri de cauciuc, klingherit, mase plastice), imersare in lichide de racire;

- inlocuirea, din zonele probabile de impact cu aluminiul, a otelului, de regula, corodat, cu un alt material sau, in conditii limita, chiar cu aluminiul;

- suprimarea sau substituirea unor operatii si manevre periculoase si combaterea neglijentelor in efectuarea acestora;

- paletele ventilatoarelor sa fie executate din materiale neferoase;

- pardoselile trebuie sa fie de tip antiscantei (asfalt, calupuri de lemn);

- piesele si elementele in contact trebuie protejate cu carcase nemetalice, mentinute curate, lubrifiate frecvent si supuse unor inspectii periodice.

b) La masinile si aparatele cu piese in miscare:

- se va evita patrunderea in interior a unor piese metalice: cuie, suruburi s.a. (separatoare magnetice);

- se vor inlatura operativ cauzele ce provoaca fenomene sau zgomote neobisnuite in lagare sau in zone de contact;

- se vor inlatura materialele combustibile din apropiere (indeosebi la masinile de mare turatie sau viteza).

c) Operatiuni mecanice cum ar fi: polizarea , rectificarea s.a. nu trebuie efectuata in locuri in care scanteile rezultate ar putea intra in contact cu materiale combustibile sau amestecuri explozive.

d) Se va asigura transportul in conditii de siguranta, fara socuri si frecari, a materialelor care se descompun usor.