Шищенко И.И., Щеглов П.П., Алексанянц С.К.

Проблема безопасности при роспуске с сортировочных горок цистерн и крытых вагонов с опасными грузами

На сети железных дорог России эксплуатируются большое количество сортировочных горок, расположенных на сортировочных станциях. Многие сортировочные горки оснащены устройствами механизации.

Для устойчивого роста грузопотока на Российских железных дорогах необходима разработка новых технических средств механизации и автоматизации сортировочных станций, увеличение их перерабатывающей способности. При этом решаются как традиционные задачи: обеспечение безопасности движения, сохранность вагонов и грузов, так и новые: информационное обеспечение систем управления станционного, дорожного и сетевого уровней.

Среди перевозимых грузов значительная доля (более 25%) приходится на опасные грузы, многие из которых имеют на перевозочных документах штемпель: "С горки не спускать" или "Спускать с горки осторожно". Это приводит к необходимости выполнения на сортировочных станциях дополнительного объема маневровых работ, что снижает эффективность работы сортировочных горок, увеличивает время простоя вагонов на станциях, увеличивает сроки доставки грузов. Накопление вагонов с опасными грузами повышает риск пожаров и взрывов на станции.

Критерии оценки опасности грузов, при наличии которых вагоны с грузом нельзя или можно спускать с сортировочной горки, в литературе отсутствуют.

Таким критерием может быть опасность, которую представляет опасный груз при аварийной ситуации (проливе, просыпании, утечки газа).

1. Опасность при аварийной ситуации опасных грузов различного агрегатного состояния.

1.1 Газообразные грузы

Перевозка газообразных грузов осуществляется в сжатом состоянии, сжиженном под давлением, сжиженном охлажденном и растворенном под давлением состояниях.

Все газообразные грузы, перевозимые в цистернах, на документах имеют штемпель: "С горки не спускать" [1].

Негорючие и неядовитые газообразные грузы (инертные газы, азот) опасны при утечке тем, что разбавляют концентрацию кислорода воздуха до опасных для человека значений (ниже 17%).

Основным видом опасности при утечке горючих неядовитых газов является их способность образовывать взрывоопасные смеси с воздухом. Кроме этого газы оказывают на человека удушающее действие вследствие понижения концентрации кислорода в воздухе (ниже 17%).

Радиус взрывоопасной зоны, ограниченный нижним концентрационным пределом распространения пламени, можно оценить по формуле [3]:

где Х_нкпрп - расстояние по горизонтали от источника, ограниченное нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПРП), м;

М_р - масса газа, поступившего в окружающее пространство, кг;

С_нкпрп - нижний концентрационный предел распространения пламени, % (об);

Р_п - плотность газа, кг/м³.

Радиус взрывоопасной зоны 1тонны газа при температуре 20^оС приведён в табл. 1.

Таблица 1

Вещество	Радиус взрывоопасной зоны, м
Этилхлорид	35,4
Бутан	46,9
Этан	49,4
Пропан	49,6

Кроме этого опасность газообразных веществ определяется также их температурой самовоспламенения. Чем ниже температура самовоспламенения, тем большую опасность представляет газообразное вещество, так как расширяется диапазон возможных источников воспламенения

Для сравнительной оценки опасности горючего газообразного груза, необходимо учитывать одновременно концентрационные пределы распространения пламени, температуру самовоспламенения и плотность газа по воздуху. Для этого можно использовать показатель пожарной опасности:

П_{пож. оп.}^. = Д

где Т_св. – температура самовоспламенения газообразного груза, градусы К;

973 – максимально возможная температура самовоспламенения газообразного груза, ^оК;

DС – разность между верхним и нижним концентрационными пределами распространения пламени;

99 – максимальная разность между верхним и нижним концентрационными пределами распространения пламени;

Д – плотность газа по воздуху.

Например, для ацетилена показатель пожарной опасности будет составлять:

П_{пож. оп.}^. = 0,89 =2.13

Показатели пожарной опасности для некоторых других газообразных грузов показаны в таблице 2.

Таблица 2

Вещество	Показатели пожарной опасности (3)
1	2
Тетрафторэтилен	8,37
Хлорэтан	3,02
Диметиловый эфир	2,88
Пропан	2,07
Бутан	3,0
Ацетилен	2,13
Метан	0,71
Водород	0,13
Циклопропан	1,94
1-бутен	3,02
Бутадиен	2,75

Чем выше значение показателя пожарной опасности, тем груз более опасен при разгерметизации тары. Из приведенных примеров наиболее опасным является тетрафторэтилен (8,95), хлорэтан (3,0), бутан (3,0) и диметиловый эфир (2,88), наименее опасными являются циклопропан (1,94), метан (0,71), и водород (0,13).

Все ядовитые газы тяжелее воздуха, следовательно, при аварийной ситуации они будут концентрироваться в приземном пространстве и медленнее рассеиваться.

Для сравнительной оценки опасности ядовитых газов целесообразно использовать показатель токсичности:

П_токс.= ×Д

Где 0,005 – минимальная концентрация ПДК,мг/м³;

ПДК – предельно допустимая концентрация газа, мг/м³

500 – коэффициент увеличения показателя токсичности;

Д – плотность газа по воздуху.

С повышением плотности газа по воздуху понижается коэффициент диффузии, газ медленнее рассеивается, более длительное время сохраняется и токсичная концентрация.

Например, плотность фосгена по воздуху составляет 3,41, ПДК=0,5, тогда показатель токсичности будет составлять:

П_токс.= 3,41 = 17,05

Для некоторых других ядовитых газов показатель токсичности составляет:

Хлор........................6,1;

Сернистый газ........0,41;

Хлора трифторид....19,87

Бора трифторид........5,85

Хлороводород..........0,62

Если газообразный груз является горючим и ядовитым (сероводород, аммиак и др.), необходимо учитывать горючесть и ядовитость.

1.2 Легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ)

Основным видом опасности ЛВЖ является способность создавать над своей поверхностью горючую или взрывоопасную и токсичную концентрацию паров, так как некоторые ЛВЖ являются ядовитыми веществами.

Площадь разлива, скорость испарения и масса паров, поступающих в воздух в течение часа с площади разлива 1 тонны некоторых ЛВЖ,  приведены в таблице 3

Таблица 3.

Наименование вещества	Скорость испарения, кг/м^2*мин при скорости ветра 0,2 м/с,	Площадь разлива 1 т ЛВЖ, м^2	Масса паров, поступившая в воздух в течение 1 ч с площади разлива 1 т, кг
ЛВЖ, запрещенные к роспуску с сортировочных горок
Ацетальдегид	0,140	25,53	214,01
Изопентан	0,137	32,28	264,67
Диэтиловый эфир	0,106	28,03	178,22
Изопрен	0,105	29,37	185,53
Пентан	0,101	32,19	194,75
Метанол	0,015	25,42	23,13
Сероуглерод	0,073	15,87	69,18
Пиперилен (пентадиен)	0,077	29,24	134,74
ЛВЖ, разрешенные к роспуску с сортировочных горок
Этилмеркаптан	0,098	24,00	139,52
Пропилена оксид	0,094	23,28	131,48
Бензин АИ-93 (зимний)	0,052	27,00	86,15
Акролеин	0,059	23,78	84,08
Диэтиламин	0,045	28,17	75,84
Метилацетат	0,042	21,44	53,40
Ацетон	0,039	25,29	59,57

Из данных таблицы видно, что площадь разлива одной тонны ЛВЖ зависит от плотности ЛВЖ составляет от 15,8 до 32,2 м².

Скорость испарения у рассматриваемых жидкостей, рассчитанная по формуле:

W_исп = 10^-6×h×ÖМ×Р_н ,

где h - коэффициент, зависящий от скорости потока воздуха и температуры;

М - молекулярная масса ЛВЖ, кг/моль;

Р_{н -} давление насыщенного пара, кПа.

имеет значение от 0,014 до 0,14 кг/м²*мин.

Согласно данным таблицы 3 некоторые ЛВЖ, разрешенные к роспуску с сортировочных горок, имеют более высокую скорость испарения и за единицу времени в воздух поступает большая масса паров. По этим показателям пропилена оксид, бензины, диэтиламин при аварийной ситуации более опасны, чем запрещенные к роспуску с сортировочных горок сероуглерод и метанол.

Радиусы взрывоопасных и токсичных зон и их высоты рассчитываются по формулам:

R=3.2×, м

Z= 0,12×, м

где радиус (R_НКПРП, м) и высота (Z_НКПРП, м) зоны, ограничивающие область концентраций, превосходящих нижний концентрационный предел распространения пламени при неподвижной воздушной среде;

m_п – масса паров ЛВЖ, поступивших в открытое пространство за время испарения, не более 3600 с, кг;

r_П – плотность паров ЛВЖ при расчетной температуре, кг/м³;

Р_Н – давление насыщенных паров при расчетной температуре, кПа;

К= Т/3600;

Т = продолжительность поступления паров в открытое пространство, с.

Радиусы взрывоопасных и токсичных зон паров ЛВЖ разрешенных и неразрешенных к роспуску с сортировочных горок, образующихся при разливе 1 тонны ЛВЖ, приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Наименование вещества	Радиус взрывоопасной зоны, м	Радиус токсичной зоны, м
ЛВЖ запрещенные к роспуску с сортировочной горки
Метанол	6,48	115,9
Диэтиловый эфир	53,9	23,3
Ацетальдегид	47,8	731,4
Сероуглерод	50,5	221,2
Изопентан	84,5	124,8
Изопрен	60,5	121,3
Пентан	61,6	72,8
ЛВЖ, разрешенные к роспуску с сортировочных горок
Акролеин	22,2	1469,6
Ацетон	19,6	13,5
Пропилена оксид	36,2	22,3
Диэтиламин	28,6	80,2
Акрилонитрил	13,8	894,01
Ацетонитрил	7,6	639,7
Бензин	21,4	10,5

Из данных таблицы 4. следует:

–радиусы взрывоопасных зон у ЛВЖ, запрещенных к роспуску с сортировочных горок, в большинстве своем превышают радиусы взрывоопасных зон ЛВЖ, разрешенных к роспуску с сортировочных горок. Исключение из представленных ЛВЖ составляет метанол;

–радиусы токсичных зон весьма различны. У многих ЛВЖ, разрешенных к роспуску с сортировочных горок, радиусы токсичных зон превышают радиусы токсичных зон ЛВЖ, запрещенных к роспуску с сортировочных горок;

–у некоторых ЛВЖ радиусы взрывоопасных зон превышают радиусы токсичных зон (ацетон, бензин, диэтиловый эфир), у других наоборот (акролеин, метанол, ацетальдегид, сероуглерод и др.).

Поэтому оценить опасность легковоспламеняющихся жидкостей при аварийной ситуации по какому-либо одному показателю (пожарной опасности или ядовитости) не представляется возможным, так как у одних ЛВЖ превалирует пожарная опасность, у других - ядовитость.

Оценить опасность ЛВЖ при аварийной ситуации можно по комплексному показателю, учитывающему пожарную опасность, токсичность и скорость испарения жидкости:

,

где К_П – комплексный показатель опасности ЛВЖ;

– показатель пожарной опасности = , где С_п - концентрация насыщенного пара, г/м³ ; НКПРП – нижний концентрационный предел распространения пламени, г/м³;

– показатель токсичности = где ПДК – предельно допустимая концентрация паров жидкости, г/м³; ПДК×500 – летальная концентрация паров при экспозиции 5-10 минут;

W_исп – скорость испарения, кг/м²×с.

Результаты расчетов приведены в таблице 5.

Таблица 5

Наименование ЛВЖ	Ктокс.оп.*Wисп	Кпож.оп.*Wисп	КП
ЛВЖ, неразрешенные к роспуску с сортировочных горок
Ацетальдегид	101,25	3,37	104,62
Сероуглерод	18,00	2,84	20,84
Изопентан	12,40	7,60	20,00
Изопрен	8,94	3,71	12,66
Этилмеркаптан	9,77	2,03	11,79
Пентан	6,76	3,83	10,58
Диэтиловый эфир	1,26	3,61	4,87
Метанол	1,02	0,03	1,05
ЛВЖ, разрешенные к роспуску с сортировочных горок
Акролеин	145,13	0,78	145,91
Акрилонитрил	21,13	0,08	21,21
Ацетонитрил	9,33	0,04	9,36
Пропилена оксид	1,10	2,02	3,12
Диэтиламин	2,24	0,62	2,86
Бензин АИ-93 (зимний)	1,05	1,20	2,25
Метилакрилат	0,85	0,10	0,95
Метилацетат	0,58	0,30	0,88
Ацетон	0,23	0,35	0,58

Из данных таблицы 5 следует, что по величине комплексного показателя наиболее опасными жидкостями являются ацетальдегид, акролеин, акрилонитрил, сероуглерод, изопентан, имеющие комплексный показатель 20 и выше. При этом некоторые ЛВЖ, запрещенные к роспуску с сортировочных горок, менее опасны при аварийной ситуации, чем разрешенные к роспуску ЛВЖ.

Выводы

1. Возможность или невозможность роспуска газообразных грузов в крытых вагонах и цистернах с сортировочных горок целесообразно оценивать по опасности, которую они могут представлять при аварийной ситуации.

2. Наиболее опасными газообразными грузами являются грузы, которые имеют более высокие значения индексов пожарной опасности.

3. Если принять бензин за эталон, который не имеет запрета на роспуск с сортировочных горок при всех температурах перевозки, то, сравнивая опасность ЛВЖ при аварийных ситуациях с бензином, можно предложить:

а) к роспуску с сортировочных горок вагонов с легковоспламеняющимися жидкостями целесообразно подходить с учетом температуры окружающей среды. При температуре окружающей среды, равной 0^оС и ниже, с ЛВЖ, имеющих комплексный показатель как у бензина или ниже, запрет на роспуск с сортировочных горок можно снять.

б) у наиболее опасных ЛВЖ – ацетальдегид, изопентан, сероуглерод и изопрен при температурах 0^о и ниже использовать штемпель: "С горки спускать осторожно".

4.Комплексный показатель более объективно оценивает опасность легковоспламеняющихся жидкостей при аварийных ситуациях, так как учитывает их пожарную и токсическую опасность, скорость испарения.

5. Требования к роспуску с сортировочных горок опасных грузов целесообразно пересмотреть с учетом свойств опасных грузов.

Литература

1. Правила перевозки грузов железнодорожным транспортом. Сборник–книга 1. Москва 2003, 709с.

2. Правила перевозок опасных грузов железнодорожным транспортом М "Транспорт" 1997. 250с.

3. Руководство по определению зон воздействия опасных факторов аварий с сжиженными газами, горючими жидкостями и аварийно химически опасными веществами на объектах железнодорожного транспорта. МПС РФ, М, 1997, 124с

4. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения (справочник). М. "Химия" 1990, 800с.