Opasnosti u kriogenici

Opasnost od niske temperature

    Ovde ću razmotriti fizičke, hemijske i fiziološke opasnosti u kriogenici.

Ljudi koji su povezani sa opasnošću rada sa kriogenim materijalom su stručnjaci u toj oblasti, tehničari, vozači koji prevoze, studenti, rukovaoci postrojenja, medicinski profesionalci, svi oni koji se koriste tim materijalom svakodnevno u svom radu.

U većoj meri te opasnosti proizilaze iz:

- Ekstremne hladnoće kriogenih materijala

- Zapaljivosti nekih kriogenih materijala (vodonik, LNG)

- Pojačane eksplozivnosti ako neki kriogeni materijali dođu u kontakt sa tečnim kiseonikom

- Istiskivanja kiseonika prilikom ključanja gasa kriogenih materijala

- Visokog pritiska koji se može stvoriti pri ekspanziji zapremine kriogene materije pri sobnim temperaturama.

Dodatni izazov proizilazi iz ponašanja materijala na kriogenim temperaturama. Mnogi materijali nisu pogodni za primenu u kriogenici, mogu da popuste u radu i tako predstavljaju opasnost. Da se ne lažemo, oblast rada u kriogenici može biti opasna i uzrok povreda i smrti.

I pored opasnosti, na kriogenim temperaturama je moguće raditi sigurno, ako se dobro poznaje materija i ako se ima dovoljno iskustva. Uvek se mora istaći da je sigurnost pre svega odgovornost pojedinca.

Mora se naglasiti da rad u kriogenici povlači moralnu, legalnu i finansijsku odgovornost pojedinca.

Daleko najčešći uzrok gubitka ljudskih života dolazi usled gušenja, direktno povezanog sa korišćenjem tečnih kriogenika u skučenim prostorima.

Postoji studija o posledicama incidenata u svim tipovima industrija koja od prilike pokazuje sledeće, uzima se 641 kao broj prijavljenih incidenata:

- U 600 incidenata šansa da ne dođe do povreda ili izbegnutih povreda

- U 30 incidenata šansa da ne dođe do povreda ali dođe do materijalnih šteta

- U 10 incidenata šansa da će doći do lakših povreda

- U 1 incidentu da će doći do težih povreda ili smrtnog slučaja

Kada se govori o temperaturama koje okružuju čoveka možemo napraviti spisak sa pojedinim slučajevima i stanjima:

- 373K Temperatura ključanja vode

- 329,7K Najviša zabeležena temperatura na Zemlji (Death Valley, USA, 1913)

- 313K Stanje hipertermije čoveka

- 310K Normalna temperatura čoveka

- 294K Stanje hipotermije čoveka

- 184K Najniža zabeležena temperatura na Zemlji (Sovjetska Vostok Stanica, Antartic,1983)

- <111K Kriogene temperature (temperatura ključanja tečnog prirodnog gasa)

Fizička opasnost

Kao što je opšte poznato, u opremi koja se koristi za postizanje niskih temperatura, kao i u opremi za skladištenje gasova, postoje razne komponente koje sadrže gasove na pritisku koji je iznad atmosferskog.

Energija uskladištena u kompresovanim gasovima može da bude ogromna, mehanička greška može da ima ozbiljne posledice, veoma je važno pratiti sigurnosne principe bez razmišljanja, treba izbegavati želju da se traže "sporedni" putevi i "prečice", u želji da se ubrza, u nedostatku opreme i slično.

Kupljene komponente moraju imati atest da su sigurne na naznačenim radnim pritiscima. Što se tiče izbora materijala od kojeg se delovi i komponente prave na korisniku kriogenog sistema je. (Mora se napomenuti i obratiti pažnja da se za niske temperature ne upotrebljavaju ugljenični čelici zbog njihove unutrašnje strukture). Za cevi važi princip da radni pritisak ne prelazi petinu pritiska pucanja.

Mora se naglasiti da se i pored izbora dobrih komponenti, materijala i metoda mora uraditi hidraulični test celog sistema.

Pravilo pisca je da se ispituje na dvostrukom radnom pritisku, ali se to može pripisati prevelikoj brizi, faktor od 1,5 puta je više u inženjerskoj praksi.

Ručna hidraulična test pumpa koja radi na vodu nije skup alat za koji uvek ima mesta u kriogenoj laboratoriji.

Sistem pod visokim pritiskom gasa ako je dobro osmišljen, napravljen i testiran je sam po sebi siguran, ali obično se nalazi u vezi sa sistemom koji se nalazi pod niskim pritiskom. Ako je to slučaj, uvek se moraju tražiti putevi koji bi doveli do povišenja pritiska koji bi ugrozio sistem sa niskim pritiskom (na primer, u slučaju kvara ventila visokog pritiska u kombinaciji sa slučajno zatvorenim ventilom niskog pritiska, došlo bi do ne bezbednog povećanja pritiska u određenom fiksnom volumenu, zapremini).

U svakom od tih slučajeva mora se ugraditi sigurnosti ventil.

Jednom kada se sistem pod visokim pritiskom pusti u rad ne može se smatrati sigurnim neodređeno vreme. Proizvođači skladišnih posuda pod pritiskom rade inspekciju i testiranje posuda najmanje svake pete godine. To spada u njihov posao a ne u posao korisnika.

Posebnu pažnju treba obratiti na pucanje bakarnih cevovoda, pošto one posle nekog vremena oslabe usred upotrebe, mada se to retko dešava kod dobro projektovanih sistema. Postoje izveštaji da su bakarne cevi popustile kao rezultat preteranog poliranja.

Prenosne posude pod pritiskom mogu predstavljati opasnost ako se sa njima ne manipuliše oprezno. To je dobro poznato ljudima koji ih dostavljaju, nikako ne smeju da ih ispuste na betonsku ili bilo koju drugu čvrstu podlogu. Ipak se dešava kod slobodno stojećih posuda da se slučajno sruše, i ventil pri padu udari krutu podlogu. Zbog toga se posude (cilindri) vezuju najbolje lancima i ne ostavljaju se u prostorima gde bi mogli biti slučajno srušeni, čak i kada su prazni. Najbolje ih je transportovati kolicima sa točkovima, koja dozvoljavaju postavljanje posude bez potrebe za dizanjem, na kojima se ne može desiti da ispadnu, ili prouzrokuju gubljenje balansa.

Kod sistema koji su inače pod niskim pritiskom ako postoji mogućnost rasta pritiska usled zagrevanja neophodno je ugraditi sigurnosni ventil (na primer prečistač gasa helijuma). Teoretski u slučajevima zagrevanja cilindra sa tečnim rashladnim sredstvom pri konstantnom volumenu dolazi do ogromnog povećanja pritiska, na primer za tečni helijum pritisak naraste teoretski na više od 1000 atm. Cilindri za transport rashladnih fluida imaju obično u svojoj konstrukciji mehanički oslabljena mesta kako bi se pritisak oslobodio na način koji obuhvata najmanji rizik od povreda i šteta.

Usled nepravilnog rukovanja često se dešava da vlaga iz vazduha nađe put kroz ventil u cilindar sa rashladnim sredstvom (što se dešava i u najbolje regulisanim laboratorijama) na sobnoj temperaturi, dolazi tada do blokade cevi unutar cilindra, kao i blokade ventila, usled toga može doći do znatnog povećanja pritiska, iz tih razloga se pored ventila postavlja i sigurnosni ventil.

Kod ispuštanja tečnog kiseonika ili gasovitog kiseonika, koji je teži od vazduha, dolazi do njegovog skupljanja na podu, rovu i sličnim prostorima, u tim prostorima postoji opasnost od eksplozije, zato se ti prostori trebaju dobro provetravati.

Pri eksplozijama se stvaraju udarni talasi povećanog pritiska koji mogu ošteti slušni, respiratorni i gastrointestijalni sistem tela. Takav udarni talas pritiska od samo 1psi (0,07bara) dovoljan je da obori čoveka, udarni talas pritiska 5psi (0,35bara) vrlo verovatno će ošteti bubne opne, za poređenje udarni talas pritiska od 35psi (2,4bara) je prag preko kojeg dolazi do smrtnih slučajeva.

Pouka cele priče je da svi koji dizajniraju, rukuju opremom za kriogeniku moraju dopustiti sebi na maštu sve situacije u kojima može doći do curenja, blokade, kako bi mogli preduzeti odgovarajuće korake zaštite.

Odnos ekspanzije nekih kriogenih supstanci (zapreminski odnos kada su u tečnom stanju na temperaturi ključanja naspram gasovitog stanja pri temperaturi okoline i normalnom atmosferskom pritisku):

- Tečni metan 1:623

- Tečni azot 1:710

- Tečni helijum 1:780

- Tečni vodonik 1:865

- Tečni kiseonik 1:875

- Tečni neon 1:1470

- Tečni argon 1:860

- Tečni CO2 1:790

Hemijska opasnost

Tečni kiseonik se danas retko koristi u rashladu. Ali ako postoji korist po pitanju cene ne može se zanemariti, bez obzira na razloge sigurnosti.

Kod kiseonika se mora voditi računa da se izbegne koncentracija gasa koja bi izazvala požar u toj situaciji, a bez te određene koncentracije ne. Dva definitivna slučaja gde se tečni kiseonik ne sme upotrebiti su kada je vodonik prisutan, ili ako se upotrebljavaju uljno zaptivne pumpe, pošto može doći do eksplozivne reakcije sa uljem. To se istovremeno zabranjuje i u slučaju tečnog vazduha.

Kod upotrebe vodonika mora se voditi računa da se on lako može ispustiti u atmosferu u slučaju slabijeg curenja pri manipulaciji. Sledeći slučaj opasnog incidenta je kada sistem nekontrolisano ispusti vodonik, preporuka je da se sistem napaja tečnim vodonikom iz cilindra. Kod rada sa vodonikom moraju se koristiti visoki standardi održavanja odgovarajući izabrane i održavane opreme.

U nekim slučajevima kada se dozvoljava vodoniku da izađe iz sistema u atmosferu, to se samo dešava u striktno određenom vremenskom periodu i to u malim količinama kada se to radi, postoji mogućnost pojave zapaljive mešavine u malom prostoru. (više od 4% koncentracije vodonika u vazduhu predstavlja zapaljivu mešavinu). U tim slučajevima moraju se preduzeti mere opreza da se ne pojave mogući uzroci paljenja u tim trenucima. Pretpostavlja se da niko nije toliko glup da u tim slučajevima koristi običnu električnu opremu, pali šibicu i slične stvari, tako da možemo preći na dva verovatna izvora iskre koji se mogu stvoriti.

Prvi izvor iskre može biti elektrostatički, kada se elektrostatički naboj osobe isprazni u prostoru gde se nalazi zapaljiva mešavina vodonika. Oni koji žive u suvljim klimatskim uslovima, nose obuću sa đonom od neke elektroizolacijske materije, sintetičkom odećom su u većoj opasnosti da se napune elektrostatičkim elektricitetom, takođe određeni podovi dovode do istog problema elektrostatičkog naboja.

Jednostavni uređaj može da se napravi, koji bi služio za merenje električne otpornosti prema zemlji, i ako merenje pokazuje manje od 2 megaoma nemamo razloga za brigu, obezbeđivanjem poda koji je tako dobar provodnik. Lično punjenje čoveka elektrostatičkim nabojem se može izbeći nošenjem provodne obuće. Elektrostatički naboj opreme se takođe može pojaviti, na primer kada se metalna uzemljena Dewar posuda puni iz velikog pokretnog rezervoara na sintetičkim točkovima. Primećena je iskra između transportne cevi i cilindra koji se puni, vodonik se zapalio, nije bilo eksplozije a plamen se lako ugasio aparatom za gašenje požara sa ugljendioksiodom. Prilikom istrage je ustanovljeno da je veliki rezervoar bio izolovan od zemlje sa više od 100 megaoma. Problemi ove vrste se lako rešavaju priključcima za uzemljenje.

Ako je prostor zapaljive koncentracije vodonika lokalizovan i privremen, bez izvora paljenja, onda se tečni vodonik može koristiti u pogonu bez specijalne predostrožnosti. (Uz pretpostavku da je stakleni kriostat dewar koji sadrži vodonik stvar prošlosti).

Kada se koncentracija vodonika od 4% ne može izbeći u zatvorenom prostoru mora se koristiti drugačiji pristup. Tamo gde se mora koristiti električna aparatura moraju se primenjivati odgovarajući standardi (na primer British stadards institute code of practice 1003) koji preporučuje relativno jeftine električne aparate koji se nalaze pod pritiskom. Filozofija takvog koncepta je da u slučaju curenja u zaptivkama dolazi do isticanja inertnog gasa pod pritiskom umesto ulaska zapaljive okolne atmosfere. Taj standard koji obrađuje ovakvu opremu nikako ne obuhvata atmosferu koja u sebi sadrži vodonik. Električna oprema koja radi sa malim strujama i naponima koja zadovoljava standard BSS 1259 je označena kao "suštinski bezbedna" to jest korisnik može da je koristi a da ona ne upali zapaljivi miks gasova unutar ili okolo nje.

U nekim slučajevima može da dođe do obogaćivanja kiseonikom tečnog helijuma i azota, pošto oni imaju manju temperaturu ključanja, zato se mora voditi računa da oni ne dođu u kontakt sa uljima, mastima i ostalim zapaljivim materijalima, kao prevenciju uvek moramo razmišljati o postupcima koji neće dovesti do obogaćivanja tečnog helijuma i azota kiseonikom, kako iz vazduha ili drugih izvora.

Fiziološka opasnost

Ako ostavimo po strani povrede koje se dešavaju kao posledica eksplozije usled situacija koje smo razmotrili, i ako znamo da niko nije toliko glup da potopi šaku u tečni azot da vidi šta će se desiti, postoji par uzroka rizika za ljude u radu sa kriogenom tehnikom. Ako postoje staklene Dewar posude još u upotrebi treba razmišljati o mogućnosti povrede očiju usled pucanja stakla, zato se mora nositi zaštitna oprema za oči, kako bi se zaštitili od letecih komada stakla. Oftamološki hirurzi su izneli stav da ljudi koji normalno nose naočare nisu u opasnosti, dok su za ostale adekvatne zaštitne naočare bez zaštitnih štitova sa strane.

Ozbiljne promrzline od hladnih objekata ili rashladnih sredstava su retke. Manje prskanje tečnog azota ne pravi štetu osim u slučajevima kada se zadrži na površini blizu palca.

Podmuklija je opasnost smanjenja koncentracije kiseonika u vazduhu, posebno u slučajevima viška azota. Pod normalnom koncentracijom kiseonika u vazduhu se smatra 20,8% a pod minimalno mogućom koncentracijom kiseonika pri kojoj se može ući u radni prostor generalno se uzima 19,5%. Sve ispod toga se smatra nebezbedno i zabranjenjuje se ulazak ljudi.

Poznat je i Lajdenfrostov efekat (pojava kapljice tečnosti koja lebdi iznad povrsine čija je temperatura znatno iznad tačke ključanja tečnosti i služi kao toplotni izolator) koji na sreću omogućava da se odmah ne naprave teške promrzline u kontaktu sa malim količinama kriogenog materijala pri prosipanju i posipanju, samo u veoma kratkom vremenskom periodu, zonu kontakta sa kriogenom materijom odmah treba oprati i odeću zasićenu kriogenom materijom odmah skinuti, to se najviše odnosi na rukavice koje veoma brzo mogu da zadrže kriogeni materijal u sebi i oštete tkivo.

Koncentracija kiseonika i njegovo dejstvo na osobu:

18-19,5% Može uticati na fizičke i intelektualne performanse bez znanja osobe

15-18% Smanjuje sposobnost za naporan rad. Može oštetiti koordinaciju i može izazvati simptome kod osoba sa koronarnim, plućnim ili cirkulatornim problemima

12-15% Dublje disanje, ubrzan puls i poremećena koordinacija, percepcija i rasuđivanje

10-12% Dalje povećanje brzine i dubine disanja, dalje povećanje brzine pulsa, neuspjeh performansi, vrtoglavica, lose prosuđivanje, plave usne

8-10% Mentalni zastoj, mučnina, povraćanje, nesvestica, pepeljasto lice, plave usne

6-8% Gubitak svijesti u roku od nekoliko minuta,reanimacija je moguća ako se izvrši odmah

0-6% Gubitak svijesti skoro odmah, smrt sledi, oštecenja mozga čak i ako se spasi.

Neki od principa najbolje prakse u radu:

1. Na kriogenim temperaturama upotrebljavati samo materijale koji dokazano mogu da izdrže te temperature.

2. Pobrinuti se da pri dizajnu i izradi razna svojstva materijala na tim temperaturam uđu u obzir.

3. Uvek raditi analizu nedostatka kiseonika u vazduhu, kada se upotrebljavaju kriogeni fluidi ili inertni gasovi, bez obzira koliko im je mala količina.

4. Uvek uzeti u obzir širenje i zbog toga porast pritiska kriogenih fluida pri određenim temperaturama. Odraditi odgovarajući sistem oslobađanja pritiska.

5. Nositi uvek ličnu zaštitnu opremu, uključujući i zaštitu očiju kada se rukuje kriogenim fluidima bez obzira o kojoj se količini radi.

6. Pobrinuti se da ventilacione linije i sigurnosni ventili ne ispuštaju gas prema ljudima ili materijalima koji nisu predviđeni da rade na niskim temperaturama.

7. Izbegavati hodanje u ili kroz vidljivi oblak isparenja kriogenog fluida.

8. Uvek uzeti u razmatranje opasnost od požara pri radu sa vodonikom, LNG i drugim ugljovodonicima.

9. Uzimati u razmatranje unikatnu opasnost pri radu sa kiseonikom.

10. Izolovati vodove i hladne površine tako da se vlaga iz vazduha ne bi kondenzovala na njima.

11. Pri izradi uvek uzeti u razmatranje termičko skupljanje koje se pojavljuje pri hlađenju mnogih materijala u zoni kriogenih temperatura.