Boya Üretim Tesislerinde Endüstriyel Patlamalara Karşı Havalandırma Önlemi

Özet

6331 sayılı İş Sağlığı ve Güvenliği Kanunu’na dayanılarak yayımlanan “İş Sağlığı ve Güvenliği Risk Değerlendirmesi Yönetmeliği” 8.madde 1. fıkra (r) bendinde ifade edilen, ayrıca aynı kanuna dayanılarak yayımlanan “Çalışanların Patlayıcı Ortamların Tehlikelerinden Korunması Hakkında Yönetmelik”’in 10. maddesi gereğince patlayıcı ortam oluşma ihtimali bulunan işyerlerinde “Patlamadan Korunma Dokümanı” hazırlanması zorunludur.

Bu doküman o işyerinde patlama riskinin nasıl yönetildiğinin belli yazılı bir düzende ifade edilmesidir. İşyerlerinde patlama riski yönetilirken uygulanacak önlemlerden en öncelikli olanı doğal olarak patlayıcı ortamın oluşmasının önlenmesidir.

Etkin bir havalandırma sistemi mevcut ise tutuşabilen yakıt ve hava karışımının meydana gelmesi önlenebilir. Havalandırma sisteminin etkinliği, sistemin kullanılabilirliği ve tutuşabilen yakıt ve hava karışımının ortamda kalma süresi ile birlikte değerlendirilmelidir.

TS EN 60079-10-1:2015 standardı patlayıcı gaz atmosferlerde tehlikeli bölgelerin sınıflandırması hakkında takip edilmesi gereken metodoloji ile bu değerlendirmenin uygulanmasını tanımlar.

Proses koşulları bu metodoloji çerçevesinde değerlendirilirken karşılaşılan sorunlar, havalandırma sisteminin etkinliğinin değerlendirmesi, patlayıcı ortamlarda çalıştırılacak havalandırma sistemlerinde tehlike sınıflandırmasına uygun elektrikli ekipman seçimi ve ilave çözüm kaynakları bu çalışmada sunulmaktadır.

1. Giriş

Tehlikeli kimyasal madde kullanılan bir proseste çalışma ortamına ve/veya atmosfere gaz fazında yayılma gerçekleşir. Söz konusu kimyasal madde yanıcı veya oksitleyici özelliğe sahipse çalışma ortamında oluşacak hava + kimyasal madde karışımının patlama olasılığı vardır.

Kimyasal maddenin güvenlik bilgi formunda yer alan alt patlama sınırı değeri o gazın hava ile patlayıcı karışım oluşturabileceği anlamına gelmektedir.

Örneğin akü şarj işlemi sırasında ortama  hidrojen gazı yayılır. Ortam hacmindeki  hava ile bu hacmin yüzde 4’ü kadar hacim oluşturan hidrojen gazının karışımı yeterli tutuşma enerjisi ile buluşursa patlayacaktır. Bu patlama sonucunda prosesin gerçekleştiği ortamdaki çalışanlar, ekipman ve bina zarar görecektir.

Bir kimyasalın malzeme güvenlik bilgi formunda yer alan fiziksel özelliğe ait rakamsal değerler laboratuvar ortamında veya kontrollü ideal şartlarda belirlenmektedir.
Dolayısıyla alt patlama sınırı olarak belirtilen rakamsal değeri ortam sıcaklığı ve basıncına bağlı olarak azalıp yükselecektir.

Aynı zamanda yanıcı kimyasal maddenin kısa süreli alev cebi oluşturduğu tutuşma sıcaklığı da ortam koşullarına göre değişiklik gösterebilir ve alt yanma limitinin çok altında bir değerde yanma sürecinin kendini devam ettirmesine neden olarak patlama gerçekleşebilir.

“Çalışanların Patlayıcı Ortamların Tehlikelerinden Korunması Hakkında Yönetmelik” te; yanıcı maddelerin gaz, buhar, sis ve tozlarının atmosferik şartlar altında hava ile oluşturduğu ve herhangi bir tutuşturucu kaynakla temasında tümüyle yanabilen karışım patlayıcı ortam olarak tanımlanmaktadır.

6/12/1999 tarihli ve 1999/92/EC sayılı Avrupa Parlamentosu ve Konseyi Direktifi gereğince International Electrotechnical Commission tarafından hazırlanan ve Türk Standartları Enstitüsü tarafından yayımlanan TS EN 60079-10-1:2015 Patlayıcı Ortamlar- Bölüm 10-1: Tehlikeli Bölgelerin Sınıflandırılması-Patlayıcı Gaz Atmosferler standardı içeriğinde; süreç gereği düzenli olarak çalışma ortamına yanıcı kimyasal madde yayılması olan koşullarda alt patlama sınırının yüzde 25’i olan değer emniyetli değer olarak tanımlanmaktadır [1].

Gazın veya sıvının boşalması ile patlayıcı atmosfer oluşumu havalandırma ile özellikle suni havalandırma ile güvenli seviyelere çekilebilir. Havalandırma etkinliğine bağlı olarak tehlike bölgesi şu şekilde belirlenir:

•Patlayıcı gaz ortamının ciddi seviyede birikmesini önlemek için gereken asgari havalandırma oranının mertebesinin belirlenmesi,

•Havalandırmanın hızı ve buharın ortama yayılma karakteristiği ile seyrelmenin hesaplanması,

•Buharın ortama yayıldığında kalıcılık zamanı mertebesinin belirlenmesi,

•Havalandırmanın seyreltme etkinliğini, kullanılabilirliğini ve patlayıcı ortamın çalışma alanında kalma süresi değerlerini kullanarak tehlike bölgesinin tespit edilmesi,

•Tehlike bölgesi ile kalıcılık zamanının tutarlı olduğunun kontrol edilmesi.

•Suni havalandırma ile aşağıdakilerin elde edilmesi mümkün olabilir:

•Tehlike bölgesinin daha az tehlikeli bölge olarak belirlenmesi ve yayılma sınırlarında azalma,

•Patlayıcı gaz ortamlarının kalıcılık süresinin azalması,

•Patlayıcı gaz ortamının oluşmasının önlenmesi.

•Patlama önleme amacıyla tasarımlanan bir suni havalandırma sistemi aşağıdaki şartları karşılamalıdır:

•Etkinliği kontrol edilmeli ve izlenmelidir.

•Çekme sisteminin içindeki ve çekme sistemi boşaltma noktasının ve çekme sisteminin diğer açıklıklarının hemen dışındaki sınıflandırma dikkate alınmalıdır.

•Tehlikeli bölge havalandırması için havalandırma havası normal olarak tehlikesiz bir bölgeden çekilmeli ve etraftaki bölge üzerindeki emme etkisi dikkate alınmalıdır.

•Havalandırma sisteminin ebatları ve tasarımı belirlenmeden önce boşalmanın yeri, derecesi ve hızı tespit edilmelidir.

Ayrıca, aşağıdaki hususlar havalandırma sisteminin kalitesini etkiler:

•Yanıcı gazlar ve buharlar genellikle havadan ağır yoğunluklara sahiptir. Bundan dolayı kapalı alanın zemin döşemesine veya tavanına yakın yerlerde birikme eğiliminde olur. Buralarda hava hareketi oldukça azdır.

•Gaz yoğunluğu sıcaklıkla değişir.

•Engeller hava hareketini azaltabilir veya tamamen durdurabilir. Bundan dolayı bölgenin bazı bölümlerinde havalandırma olmayabilir.

Patlayıcı gaz ortamının dağılması ve kalıcılığı konusunda havalandırma sisteminin etkinliği havalandırmanın derecesi ve kullanılabilirliği ile sistemin tasarımına bağlıdır. Örneğin, bir havalandırma sistemi patlayıcı gaz ortamının oluşmasını önlemek için yeterli olmayabilir, fakat kalıcılığını önlemek için yeterli olabilir.

Patlayıcı ortamın çalışma alanında mevcut olması önlenemiyorsa bütün enerjilendirilmiş ekipman ve makinenin patlayıcı ortama uygun hale getirilmesi gerekir.

Enerjilendirilmiş ekipman sadece elektrik enerjisini ifade etmemektedir, pnömatik sistemler, sıvı ve gaz akışkan ileten sistemlerde tesisat üzerinde statik elektrik oluşturduğu için enerjilendirilmiş sistem olarak değerlendirilmelidir.

Statik elektrik sadece ekipman üzerinde meydana gelmemektedir. Çalışanlar bir çalışma mesaisi içinde rutin faaliyetleri sırasında üzerlerinde 15000 Volt hatta 30000 Volt’a kadar yükselen potansiyel fark oluşturacak şekilde yüklenebilirler. Dolayısıyla bu enerjinin kontrol edilmesi gerekir.

Topraklama tesisatı, topraklama bağlantıları ve eş potansiyel bağlantıları ile bu kontrol sağlanabilir. Bu kontrol sağlanamadığı taktirde çalışma alanına yayılmış olan patlayıcı ortamı oluşturan gaz veya buhar tutuşarak patlama hadisesi gerçekleşecektir.

2. Materyal ve Yöntem

Bu çalışma hazırlanırken bildiri yazarının daha önce gerçekleştirmiş olduğu patlamadan korunma dökümanı hazırlığında karşılaşılan bulgular biraraya getirilmiştir.

Boyar madde üretim tesisleri tipik olarak hammadde depolama, ilk karıştırma, pigment/pasta hazırlama, formül tamamlama, ambalaj dolum ve ürün depolama bölümlerinden meydana gelmekte olup bu alanlarda yürütülen işlerde ortaya çıkan patlama riski değerlerinin havalandırma sistemi ile nasıl azaltılacağı anlatılmıştır.

Gerçek tesisler ve gerçek çalışma koşullarından elde edilen bu bulgular yasal mevzuatın belirlediği çerçevede bir akış ile değerlendirilmiştir.

3.Bulgular

Patlayıcı ortam olarak belirlenen karışımın çalışma ortamında ne kadar yayılacağı havalandırma sisteminin seyreltme etkinliği ile değerlendirilmektedir. Ortama yayılan gaz veya yanıcı sıvının buharının debisi, yoğunluğu, alt yanma sınırı ve emniyet katsayısı arasındaki fonksiyon havalandırmanın karakteristiğini belirler.

Havalandırma karakteristiği ile ortamda bulunan hava hızı arasındaki ilişki ise havalandırma sisteminin seyreltme derecesini belirler. Havalandırma derecesi ilgili standartta yüksek, orta, düşük olarak belirlenmiştir.

Yüksek Seyreltme:

Hava değişim sayısının yüksek olduğu ve çalışma hacminin küçük olduğu alanlarda sözkonusu olmaktadır. Patlayıcı ortam oluşması beklenen çalışma alanının küçük tutulması bir önlem olarak değerlendirilebilir.

Orta Havalandırma:

Havalandırmanın yanıcı sıvı buharını bir mertebeye kadar seyreltebildiği ancak çalışma alanındaki fiziki engeller, ortam havası sıcaklığı, ortam havası basıncı gibi etkenler yüzünden tam olarak ortamdan uzaklaştırılamadığı durumları belirtir.

Bu ortamlarda statik elektrik dahil bütün tutuşma kaynaklarına karşı önlemler yerine getirilmelidir.

Düşük Havalandırma:
Havalandırma sisteminin patlayıcı ortamı seyreltemediği durumları ifade eder. Proses üzerinde mühendislik çözümleri dahil değişiklikler değerlendirilmelidir.

Patlayıcı gaz ortamını seyreltme etkinliği cinsinden havalandırmanın verimi f değeri ile ifade edilir. Bu f-değeri f=1 (ideal durum) ile tipik olarak f=5 (engellenmiş hava akışı) arasında değişir.

Dolayısıyla bir havalandırma sisteminde kanalların ucunda yer alan menfezlerin yeri, şekli, menfez önünde yer alan engellerin varlığı son derece önemlidir. Şöyle ki, f-değerindeki bir değişim ortama verilmesi gereken hava debisinin misli ile değişmesi anlamına gelmektedir.

Havalandırma etkinlik katsayısı ile birlikte birim zamandaki hava değişim sayısı C, seyreltme etkinliğini doğrudan etkilemektedir. Hava değişim sayısı arttıkça ortama yayılan kimyasalın seyreltilmesi o kadar hızlı gerçekleşecektir.

Basınç altında tesisat içinde iletilen bir gaz fazında kimyasalın flanş kısmında meydana gelecek bir arıza sonucu ne kadar gazın ortama yayılabileceği hesaplanırken aşağıdaki eşitlik kullanılır:

Bu eşitlikte yayılmanın gerçekleştiği kesitin alanı S, tesisat içindeki basınç p ve gazın yayılma kabiliyetini ifade eden politropik indeks değeri belirleyici unsurlardır. Görüleceği üzere havalandırma sistemine bağlı koşullar eşitlikte yer almamaktadır.

Normal çalışma koşullarında yanıcı madde depolanan bir bina içerisinde, örneğin numune almak gibi veya büyük varilden küçük kaba kimyasal aktarma gibi elleçleme işlemleri yürütülmüyorsa kimyasal madde yayılması beklenmez. Dolayısı ile patlayıcı ortam oluşumu beklenmez.

Ancak “Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik”’in 118. maddesi yanıcı ve parlayıcı kimyasalların depolandığı hacimleri 1. tehlike bölgesi (Zone 1) olarak tanımlamaktadır.

Böyle bir depoda normal koşullarda yukarıda belirtildiği gibi işlemler yapılırken zeminde oluşan dökülmeler veya taşıma sırasında devirme sonucu zeminde oluşacak dökülmeler sonucu kimyasal madde yayılması tali olarak beklenebilir.

Zeminde oluşan atmosfer basıncındaki serbest yayılmanın yani buharlaşmanın hangi miktarda gerçekleşmenin hesaplanması için aşağıdaki eşitlik kullanılabilir [2]:

Bu eşitlikte; uw değeri yayılan kimyasal yüzeyine etkiyen hava hızı değeridir. Hava hızının yüksek olması buharlaşma oranını doğrusal olarak artırmakta dolayısıyla yayılan kimyasalın konsantrasyonunu patlama aralığının altında tutabilmek için daha fazla debide havanın ortama verilmesi gerekmektedir.

Eğer kanal kesiti ve menfez kesiti doğru boyutlandırılmazsa hava hızı artacaktır.

Havalandırma seyreltme derecesi ile birlikte havalandırma sisteminin her daim devrede olabilme koşulları ve prosesteki yayılmanın sürekliliği beraber değerlendirilerek çalışma ortamında kullanılacak ekipmanın tehlike sınıflandırması yapılabilir. Tablo 1’de yer alan matris bu değerlendirme için kullanılabilecek bir araçtır.

Tablo 1 kullanılarak bulunan tehlike bölgesi nihai sonuç olmamalıdır. Ortama yayılan kimyasalın yayılma durduktan sonra ne kadar sürede emniyetli konsantrasyon değerine seyreldiğinin bilinmesi gerekir.

Pratikte, kimyasal yayılması 15 dakikadan daha uzun süre seyrelmiyorsa o yayılmanın kalıcı olarak kabul edilmesi gerekir. Bir kimyasal yayılmasının kalıcılığı şu denklem ile hesaplanabilir:

Denklemde yer alan Xb ve Xc değerleri havalandırma etkinlik katsayısı belirlerken kullanılan konsantrasyon değerleri olup havalandırma debisinin etkin olarak ortama iletildiğinin belirlenmesinde kullanılır ve bu değerler ortam hacminde gerçekleştirilecek ölçümlerle doğrulanmalıdır.

Konsantrasyon değerleri ile hava değişim sayısı (C), kalıcılık süresini doğrudan etkileyen unsurlardır. Menfez yerleşimi ve sistem debisinin doğru ve yeterli değerde belirlenmesi gerekir.

3.1. Patlama Şiddetinin Belirlenmesinde Ortam Koşullarının Etkisi

Trinitrotoluen (TNT) kimyasalı hem maden işlerinde, hem yol açma işlerinde hem de askeri mühimmat olarak uzun zaman boyunca kullanılmaktadır.

Dolayısıyla TNT kimyasalı patlamaları ve bu patlamaların etkisi hakkında yeterli miktarda araştırma mevcut olduğundan bir yakıt buharı + hava karışımını patlaması durumunda ortaya çıkacak enerji, patlama etki menzilindeki basınç artışı gibi değerleri “Eşdeğer TNT Modeli” kullanarak hesaplamak mümkündür [3].

eşitliği kullanılarak belirlenen menzilde bulunan kişi, ekipman veya bina üzerine etkiyecek basınç artışı değeri hesaplanabilir. Bu eşitlikte; Z-değeri ölçeklenmiş menzil değerini ifade eder.

Ölçeklenmiş menzil değerini hesaplayabilmek için yayılan kimyasalın kütlesinin ne kadar TNT kimyasalına eşdeğer olduğunun hesaplanarak indirgenmesi gerekir.

Çalışma ortamına yayılan kimyasal buharı+hava karışımının hacmi hesaplanabilmektedir. Eğer bu kimyasalın buharının kısmi basınç değeri biliniyorsa ideal gaz denklemi kullanılarak o hacmi oluşturan kimyasalın mol değeri hesaplanır, ardından kimyasalın özgül kütle değeri kullanılarak o hacimdeki kimyasalın ne kadar bir kütleye karşılık geldiği bulunur.

Bu yöntem kullanılırken hangi kısmi basınç değerinin seçileceği çalışma ortamı sıcaklığı ve basıncına bağlı olduğundan havalandırma sisteminin çalışma değerlerinin stabil tutulması ve ölçümlerle takibinin yapılması son derece önemlidir.

Havalandırma sisteminden kaynaklanan durumlar sonucu çalışma ortamı havasındaki dalgalanmalar olası bir patlamanın şiddetini doğrudan etkilemekte, zararın artmasına neden olabilmektedir.

Patlamanın oluşturması beklenen zarara karşı önlemler belirlenirken tutarlı çalışan bir sistem ve o sisteme ait veriler tasarımın doğruluğunu etkileyecektir. Bir patlamanın oluşturacağı basınç artışının nasıl bir zarara karşılık geldiği Tablo 2.’de yer almaktadır

4.Tartışma, Sonuç ve Öneriler

Bir patlayıcı ortamın oluşmasının engellenmesi veya kısa sürede emniyetli konsantrasyon değerine seyreltilmesi yeterli debide ve doğru boyutlandırılmış havalandırma sistemi ile sağlanabilir. Hava değişim sayısının (C) fazla olması sistem debisini dolayısıyla sisteme enerji veren motorun boyutunu doğrudan etkilemektedir.

Hava hızının (u) fazla olması yayılan kimyasalın oluşturacağı tehlikeyi artırmaktadır. Kanal ve menfezin dar seçilmemesi gerekir ancak maliyet açısından optimum değer gözetilmelidir. Menfezin yanlış yerleştirilmesi veya sistem motorunun düzensiz çalışması havalandırma etkinliği değerini (f) değiştirmektedir.

Havalandırma etkinliği değerindeki her değişim hava debisinin misli ile artmasına neden olacaktır. Menfez doğru ve engelsiz yerleştirilmelidir.

Pratikte; boya üretim tesislerinde ilk karıştırma işleminin yürütüldüğü alanlar başta olmak üzere, pigment/pasta hazırlama ve formül tamamlama alanlarında meydana gelecek patlayıcı ortamlarda kullanılacak karıştırıcı motoru, sirkülasyon pompası motoru, kontrol panosu, priz, şalter, aydınlatma armatürü gibi elektrikli ekipmanın örneğin Zone 2 tehlike bölgesine uygun olması için gerekli maliyet 1 birim ise Zone1 tehlike bölgesine uygun olması için gerekli maliyet 5 birime kadar farkedebilmektedir. Yanlış boyutlandırılmış ve yerleştirilmiş kanal ve menfezler ile yetersiz debi kapasitesine sahip havalandırma sistemi, tehlikeli bölgede çalıştırılacak elektrikli ekipman maliyetini önemli ölçüde artıracaktır.

Öğr. Gör. Dr. Serdar Gültek  / Mülkiyet Koruma ve Güvenlik Bölümü / İstanbul Üniversitesi Teknik Bilimler MYO

5. Kaynakça
[1] TS EN 60079-10-1:2015 Patlayıcı Ortamlar- Bölüm 10-1: Tehlikeli Bölgelerin Sınıflandırılması-Patlayıcı Gaz Atmosferler, Türk Standartları Enstitüsü, Aralık 2015.
[2] Zalosh, R., “Industrial Fire Protection Engineering”, Wiley, 2003.
[3] Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis, American Institute of Chemical Engineers, 2001.
[4] Areal Locations of Hazardous Atmospheres Software, Technical Documentation, Amerika Birleşik Devletleri Ticaret Bakanlığı, 2013.