INTRODUÇÃO. Neste trabalho procuramos enfocar os efeitos dos incêndios e explosões que acontecem com poeiras em suspensão ou acumuladas ao longo das jornadas de trabalho. Inicialmente, daremos um enfoque técnico, abrangendo os materiais objeto de nosso trabalho. Como nossa atividade está bastante vinculada à agroindústria e à indústria de MDF e MDP, nossos exemplos são destas áreas. Porém, lembramos que situações tão ou mais graves com poeiras explosivas acontecem também nas indústrias química, farmacêutica e metal mecânica, dentre outras. Eng. Ary de Sá Especialista em controle de poeiras explosivas, higiene ocupacional e ventilação industrial End. arysa@cpovo.net. Fones 51 3212 3427 / 9982 6564 Atualmente, com a implementação da NR 33, bem como das áreas classificadas, temos sido consultados com frequência sobre os efeitos das poeiras explosivas nos Espaços Confinados, e nas áreas classificadas bem como sobre os efeitos das substâncias tóxicas ali presentes ou formadas durante trabalhos realizados nestes espaços. Resolvemos incrementar nosso trabalho, destacando o item 12 para abordar estes temas sob nosso ponto de vista na segurança e saúde do trabalho. Temas por demais importantes, pois, em função das dificuldades existentes para uma evacuação rápida, a ocorrência de situações de risco provocadas podem redundar em eventos fatais para os ocupantes, como tem sido noticiado na mídia nos últimos tempos. Ainda sobre os questionamentos, podemos asseverar, sem sombra de dúvidas, que estes episódios, quando ocorrem em espaços confinados, têm efeitos largamente ampliados, em face da resistência oferecida ao crescimento dos fenômenos causados pelo aumento das pressões internas geradas pela expansão gasosa dos combustíveis na forma de poeiras, gases ou vapores combustíveis. Isto ocorre em virtude da resistência oferecida pelos materiais usados em sua construção, culminando em destruições que podem inviabilizar o empreendimento. Ver imagens abaixo referentes a acidente em uma agroindústria no item 4.3. destrutividade de explosões com poeiras deste trabalho. O porquê destas situações: partículas de poeiras decantadas e em combustão (fogo sem chama), ou com um foco de calor presente, em um espaço confinado, se evolucionadas por qualquer ocorrência, como um movimento brusco no ambiente que provoque agitação na zona e que seja suficiente para colocá-las em suspensão e contato intimo. Por já haver, no Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 1/39
ambiente, os três elementos necessários para a explosão, esta ocorrerá inicialmente como uma micro explosão, de pequena proporção, mas suficiente para provocar agitação nas cercanias, onde mais material depositado é colocado em suspensão. Então, ocorrerão explosões sucessivas e que percorrerão os elementos de transferência e movimentação da carga, efetuando explosões cada vez mais rigorosas, com um crescimento passível de provocar a destruição das construções através dos elementos de interligação das instalações (transportadores de esteiras, redlers, roscas transportadoras e tubulações de ventilação). Abaixo, gráficos de sinistros com poeiras ocorridos em todo o mundo e sua principais causas. Trabalho elaborado por empresa especializada nesta área. Fontes da revista STAHL Neste gráfico, atualizado, podemos verificar as ocorrências, registradas em todo o planeta, de explosão de grãos, sendo cada parcela referente a um tipo de poeira explosiva. As poeiras de madeira lideram os eventos, sendo seguidas pelas de origem vegetal: os grãos alimentícios. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 2/39
Fontes da revista STAHL Neste gráfico, podemos verificar os fatores responsáveis pelos eventos, que têm sua predominância nas situações de faíscas mecânicas, isto é, faíscas provocadas nas ocorrências de paradas de manutenção onde o uso de ferramentas de corte, solda, esmerilhamento, etc., são comuns. Os demais fatores são de menor proporção, porém, compõem o cenário atual no planeta. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 3/39
DEFINIÇÕES. Em um complexo industrial, no qual se processam produtos na forma de grãos, durante os processamentos podem ser geradas finas poeiras pelo atrito entre eles. Se os grãos tiverem propriedades combustíveis, estas poeiras podem ser explosivas. Um teste prático exposto neste trabalho, no Item 3., poderá ajudar a definir suas propriedades. Caso estas poeiras produzidas entrem em suspensão ou fiquem depositadas sobre estruturas ou locais de difícil acesso, elas poderão se transformar em elementos combustíveis, isto é, que podem entrar em combustão quando atendido o triângulo do fogo: material combustível, oxigênio e foco calorífico. Na sequência, apresentamos, de forma sucinta, os fenômenos de incêndios e explosões, bem como a interação entre eles. 1. INCÊNDIOS Os incêndios ocorrem com quaisquer materiais combustíveis; porém, para que isso aconteça, é necessário que a quantidade de material combustível seja muito grande e que as partículas tenham pouco espaço entre si, impedindo um contato direto e abundante com o oxigênio do ar. As partículas devem, entretanto, estar afastadas entre si, de maneira que, apesar da existência da fonte de ignição e da consequente combustão local, não seja permitida a propagação instantânea do calor de combustão às partículas localizadas nas camadas mais internas, devido à insuficiência de ar. Desta forma, a queima se dá por camadas, em locais onde as poeiras estejam depositadas ao longo das jornadas de trabalho, ou em uma das seguintes formas: Empilhadas. Armazenadas em tulha. Depósitos. Outros. A ignição que ocorre em camadas deve ser controlada com cuidado, para evitar que o material depositado em estruturas, tubulações e locais de difícil visualização e limpeza seja colocado em suspensão, formando a nuvem de poeira, que evoluirá para explosão, pois há, no ambiente, os fatores de deflagração da mesma, isto é, fogo e energia. O incêndio por camadas, outrossim, é de difícil extinção, podendo se prolongar por várias horas após sua extinção. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 4/39
2. EXPLOSÕES Ocorrem frequentemente em unidades processadoras em referência, onde as poeiras tenham propriedades combustíveis; é necessário, porém, que as mesmas estejam dispersas no ar e em concentrações adequadas. Isto ocorre em pontos das instalações onde haja moagem, descarga, movimentação, transporte, etc., desde que sem controle de exaustão e que, obviamente, existam os fatores desencadeantes. Geralmente, ocorrem em instalações onde são processados: Farinhas de: trigo, milho, soja, cereais, e mais uma grande gama de produtos agrícolas, sendo alguns destacados no item 6.5.1. Ainda particulados: açúcar, arroz, chá, cacau, couro, carvão, madeira, enxofre, magnésio, eletro metal (ligas). Gases: inflamáveis, dentro dos limites preconizados na NR.16. LIE (limite inferior de explosividade) e LSE (limite superior de explosividade). Devem merecer cuidados semelhantes aos das poeiras, observando-se que as suas reações são mais rápidas e devastadoras do que as das poeiras. 2.1. EXPLOSÕES PRIMÁRIAS E SECUNDÁRIAS A poeira depositada ao longo do tempo nos mais diversos locais da planta industrial, quando agitada ou colocada em suspensão e na presença de uma fonte de ignição com energia suficiente para a primeira deflagração, poderá explodir, causando vibrações subsequentes pela onda de choque. Isto fará com que mais pó depositado entre em suspensão e mais explosões aconteçam, cada qual mais devastadora do que a anterior, causando prejuízos irreversíveis ao patrimônio, paradas no processo produtivo... E, o que é pior, vidas são ceifadas ou ficam alijadas de sua capacidade laborativa, com as consequências por todos conhecidas (incapacidades totais e permanentes). 3. TRANSFORMAÇÃO DE INCÊNDIO EM EXPLOSÃO A mudança de incêndio para explosão pode ocorrer facilmente, desde que poeiras depositadas nas cercanias do fogo sejam agitadas, entrem em suspensão e ganhem concentração mínima. Como o local já contém os ingredientes necessários, o próximo passo é o desencadeamento das subsequentes explosões. Ao contrário, se as poeiras em suspensão causam uma explosão, as partículas de poeira que estão queimando saem da suspensão e espalham o fogo. Nestes termos, os danos podem ser consideravelmente maiores, evoluindo, Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 5/39
ainda, para incêndios após a destruição dos elementos resistentes, das maquinarias e dos condutos de movimentação do grão. Fruto de nosso trabalho, durante um levantamento em que ocorreu explosão com poeiras, onde fomos contratados para investigar as causas, efetuamos o ensaio abaixo, a fim de averiguar a quantidade de poeira gerada durante o processo, uma vez que, nestas condições, houve o acidente com grande destruição. A amostra tomada à esquerda, em quantidade de 500 gr., foi passada por peneiras, resultando na quantidade de 70 gr. Portanto, a geração de poeira corresponde a (70/500)x 100=14%. Posteriormente, testamos sua combustividade, no que obtivemos êxito. Portanto, trata-se de uma poeira explosiva e com quantidade significativa de pó gerada na movimentação. ENSAIO DE COMBUSTIVIDADE COM POEIRAS. Este ensaio visa qualificar e quantificar, em caso de urgência, o pó em uma amostra, bem como demonstrar suas características inflamáveis. É um teste prático, que nos fornece parâmetros em quantidade de material por unidade de volume e informa se o produto é inflamável. O exemplo ilustrado foi obtido em uma de nossas avaliações. Em um caso de explosão de silos de armazenagem de malte, ocorrida longe de centros tecnológicos, precisávamos conferir se o pó teria propriedades inflamáveis, pois, se tivesse, seria o elemento responsável pela explosão, o que se confirmou. O material no prato à esquerda, com 500g de grãos de malte, após passar por uma peneira resultou em 70g de pó (à direita), poeira esta de propriedades inflamáveis, obtida em laboratório para ensaio, para fins de testes de explosividade. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 6/39
Teste de combustividade do material. Embora não haja contato entre a chama e o material depositado no disco de amianto, o pó libera seus voláteis que, com um fator inicializante adequado, podem entrar em combustão, ou, em ambientes confinados, resultar em explosões. As misturas combustíveis finamente pulverizadas são, em geral, muito perigosas. Os depósitos de poeiras combustíveis sobre vigas e máquinas em torno dos locais de transferência no transporte são suscetíveis de incendiar com chamas. Ao entrarem em ignição, as poeiras combustíveis suspensas no ar podem produzir fortes explosões. Por outra parte, se as poeiras são agentes oxidantes e se acumulam sobre superfícies combustíveis, o processo de combustão se acelera consideravelmente no caso de incêndio. Se um agente oxidante finamente pulverizado é misturado com outras poeiras combustíveis, a violência da explosão resultante será muito mais grave do que se faltasse tal agente oxidante. Para sufocar ou deter os incêndios ou deflagrações de poeiras combustíveis se empregam materiais inertes, tais como a pedra cal, gases inertes, etc. Embora as explosões de poeiras tenham se contabilizado desde 1795 e os métodos para controlá-las tenham sido publicados, ainda hoje elas seguem produzindo graves acidentes. Em menos de uma semana, no mês de dezembro de 1977, produziram-se importantes explosões em armazéns de grãos, com 54 vítimas fatais. Nos meses seguintes, foram contabilizadas outras explosões, com número adicional de mortes. O ensaio acima serve como parâmetro para quantificação do material que é gerado em uma planta, durante sua movimentação e processamento. As imagens foram feitas durante uma análise que efetuamos em indústria que sofreu processos de explosão. Assim, pudemos definir as concentrações de poeiras passíveis de se formar e, no caso das explosões, quantificar seus efeitos destruidores, como se fosse uma carga explosiva previamente definida para implodir um prédio, uma ponte, etc. 3.1. FATORES QUE INFLUEM SOBRE A EXPLOSÃO DE PÓ A possibilidade da explosão de uma nuvem de pó está condicionada à dimensão de suas partículas e sua concentração, às impurezas, à concentração de oxigênio e à potência da fonte de ignição. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 7/39
As explosões de pó se produzem frequentemente em série. Muitas vezes, a deflagração inicial é muito pequena em quantidade; porém, possui suficiente intensidade para colocar o pó das cercanias em suspensão ou romper peças de máquinas ou instalações dentro do edifício, como os coletores de pó, com o que se criam nuvens cada vez maiores, através das quais podem se propagar explosões secundárias e terciárias, cada qual mais devastadora do que a anterior. Não é raro produzir-se uma série de explosões, as quais se propaguem de um edifício a outro, desde que haja comunicação por elementos de transporte entre eles, como esteiras, tubulações, elevadores de canecas, roscas transportadoras, dentre outros. O perigo de uma classe determinada de poeira está relacionado com sua facilidade de ignição e com a gravidade da explosão resultante. Para tal, foi desenvolvido nos EUA um equipamento experimental para testar poeiras explosivas, com sensores diversos que permitem conhecer as características das poeiras explosivas. A sensibilidade de ignição se dá em função da temperatura de ignição e da energia necessária, enquanto que a gravidade da explosão vem determinada pela pressão máxima de explosão e pela máxima velocidade de crescimento da pressão. Para facilitar as comparações dos dados de explosividade derivados dos ensaios mencionados, todos os resultados se relacionam com uma poeira de carvão conhecida como Pittsburg, tomando-se uma amostra com concentração de 0,5 kg/m 3 (kg de pó de carvão por m 3 de ar), exceto nos pós metálicos. 3.1.1. DIMENSÕES DA PARTÍCULA. Quanto menor for a dimensão da partícula de pó, torna-se mais fácil para a nuvem entrar em ignição, visto ser maior a superfície exposta por unidade de peso da matéria (superfície específica). As dimensões da partícula influem também sobre a velocidade de crescimento da pressão: para uma dada concentração de pó em peso, um pó formado por partículas grossas mostra uma velocidade de aumento de pressão mais baixa do que o mesmo pó fino. A concentração mínima necessária para que haja explosão, a temperatura de ignição e a energia necessária para a ignição, por sua vez, diminuem conforme se reduz a dimensão da partícula de pó. Numerosos estudos indicam este efeito em grande variedade de poeiras. A dimensão da partícula faz aumentar também a capacidade elétrica das nuvens de pó, ou seja, o tamanho das cargas elétricas que podem se acumular na partícula da nuvem. Como a capacidade elétrica dos sólidos se dá em função de sua superfície, a possibilidade que se produzam descargas eletrostáticas de suficiente intensidade para colocar em ignição a nuvem de pó aumenta ao se reduzir a dimensão média da partícula. Porém, para que se produzam descargas eletrostáticas, são requeridas, dentre outros, consideráveis quantidades de pó em grandes volumes, com forças dielétricas relativamente altas, e, consequentemente, longos períodos de relaxação. A causa de uma explosão de pó também pode ser atribuída a outros fatores, a não ser que existam provas definitivas a demonstrar ter sido esta a causa provável. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 8/39
3.1.2. CONCENTRAÇÃO. Como acontece com os vapores e os gases inflamáveis, existe uma margem específica de concentração de pó dentro da qual pode ocorrer a explosão. Os valores da concentração podem se expressar em peso por unidade de volume, embora, ao não se conhecer a dimensão da partícula da amostra, esta expressão seja pouco significativa. Os valores apresentados no ensaio acima foram obtidos na passagem do pó através de uma peneira com malha de 200 mesh, que corresponde a partículas ou = a 74 microns, tamanho ideal para o fenômeno de explosões. A pureza da amostra, a concentração de O2, a potência da fonte de ignição, a turbulência da nuvem e a uniformidade da dispersão influem também nos limites inferiores de explosividade da nuvem (LIE). O limite superior de explosividade (LSE) das nuvens de pó não foi determinado devido a dificuldades experimentais; também se questiona se ele existe para poeiras e, do ponto de vista prático, sua utilidade é duvidosa. As curvas que se obtêm ao relacionar graficamente a Pmp. e a Vmp. com a concentração demonstram que estes valores são mínimos no limite inferior de explosividade e que, depois, aumentam até seu valor máximo, ao dar-se a concentração ótima, em cujo ponto começam a diminuir lentamente. Igualmente se verifica que a Pmp. e a Vmp. não se dão precisamente em igual concentração. O efeito destrutivo se determina em primeiro lugar pela Vmp. Observa-se que as explosões mais violentas se produzem com uma concentração ligeiramente superior à necessária para que se tenha a reação com todo o oxigênio existente na atmosfera. As concentrações menores geram menos calor e criam menores pressões de ponta. Com concentrações maiores das que causam explosões violentas, a absorção do calor pela poeira não queimada devido ao excesso presente no ambiente, bem como seu grau de umidade, podem ser as razões para que se produzam pressões menores de explosão do que as indicadas nas tabelas em referência (item 6.5.4). 3.1.3. UMIDADE A umidade contida nas partículas de pó faz com que seja necessário aumentar a temperatura de ignição, devido ao calor absorvido, para a vaporização da água contida nelas. A umidade do ar tem pouco efeito sobre a deflagração. Depois que se produz a ignição, existe, porém, uma relação direta entre o conteúdo de umidade, a energia mínima necessária para a ignição, a concentração de explosão mínima, a Pmp. e a Vmp. Por exemplo, a temperatura de ignição do amido de milho pode aumentar até 50 º C. com um aumento de umidade de 1,6 a 12,5%. Do ponto de vista prático, a umidade não pode ser considerada como meio efetivo de prevenção contra explosões, pois a maior parte das fontes de ignição proporciona energia suficiente para Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 9/39
aquecer e evaporar a umidade que pode estar presente no pó. Para que a umidade seja um meio de proteção provisório, ela deve ser extremamente alta (a partícula deverá estar encharcada), a fim de que o a energia convencional não seja suficiente para a evaporação, volatilização e inflamação da mesma. 3.1.4. MATERIAIS INERTES. A presença de um sólido inerte no pó reduz a combustividade do mesmo, pois absorve calor. Porém, a quantidade necessária para impedir a explosão é considerada maior do que as concentrações que podem ser encontradas ou toleradas como corpos estranhos ao processo. A adição de corpos inertes reduz a Vmp. e aumenta a concentração mínima de pó necessária para a explosão. Um exemplo é a pulverização de rocha nas minas de carvão para impedir as explosões dos pós combustíveis. Geralmente a pulverização se faz na entrada das minas com uma concentração de poeira de rocha de 65% da quantidade total do pó. O gás inerte é eficaz na prevenção das explosões de pós, uma vez que dilui o O2 a uma concentração muito baixa. Ao selecionar o gás inerte mais adequado, deve-se cuidar para que este não reacione com o pó; é o caso de certas poeiras metálicas que reacionam com o CO2 ou com o N2. Neste caso, deve se usar o Hélio(He) ou Argônio (A). 3.1.5. CONCENTRAÇÃO DE O2, TURBULÊNCIA E EFEITO DE GASES INFLAMÁVEIS. As variações da concentração do O2 afetam a facilidade de ignição das nuvens de pó e suas pressões de explosão. Ao diminuir a pressão parcial de O2, a energia necessária para explosão aumenta; a temperatura, também; e as Pmp., diminuem. O tipo de gás inerte empregado como diluente para reduzir a concentração do O2 tem um efeito aparentemente relacionado com a capacidade molar. A combustão do pó se produz na superfície das partículas. A velocidade de reação, portanto, depende do íntimo contato do pó com o O2. Por este motivo, o fator turbulência propicia explosões mais violentas do que as ocorridas em atmosferas mais tranquilas. A adição de uma pequena quantidade de gás inflamável à nuvem de pó põe em ignição o aerossol resultante, reforçando a violência da explosão, sobretudo a baixas concentrações. As Vmp. resultantes são mais altas do que as previsíveis em condições normais. Sem contar o pó, a fração restante do total do combustível suspenso no ar, representada pelo vapor inflamável, estaria, por si só, abaixo de seu (LIE). Em algumas operações de secagem que impliquem na evaporação de uma substância inflamável extraída da poeira combustível, se produzem explosões muito mais violentas do que as consideradas apenas pelo vapor inflamável. Têm acontecido, ainda, explosões em misturas de vapor inflamável-pó combustível-ar em que a proporção da mistura de ar vapor estava abaixo do (LIE). Ante tal situação, é necessário prever Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 10/39
medidas de proteção especial, tal como a diluição com gás inerte, utilização de supressores de explosão, instalação de elementos de ventilação de grandes dimensões e adoção de métodos cuidadosamente estudados de eliminação da eletricidade estática (aterramento). 3.1.6. FONTES DE IGNIÇÃO DAS NUVENS DE POEIRA As nuvens de poeira podem incendiar-se pela ação de chamas abertas, luzes, produtos defumadores, arcos elétricos, filamentos incandescentes, faíscas de fricção, condutos de vapor de alta pressão e outras superfícies quentes, faíscas eletrostáticas, aquecimento espontâneo, solda e corte oxi-acetilênico e faíscas procedentes destas operações. A maior parte das temperaturas necessárias para pôr em ignição as nuvens de pó, que está nas tabelas, situa-se entre 300 e 600 º C. e a grande maioria das potências está entre 10 e 40 milijoules. Comparando-se estes dados com as energias de ignição necessárias para inflamar vapores, que são de 0,2 a 10 milijoules, verifica-se que as poeiras necessitam de 20 a 50 vezes mais energia do que os gases. Como a temperatura e a fonte de ignição necessárias para explodir poeiras são muito mais baixas do que as produzidas pela maior parte das fontes de ignição comuns, a eliminação de todas as fontes é um principio básico na prevenção de acidentes por explosão. Estas fontes estão identificadas e descritas nas normas NFPA. 3.2. EFEITOS DA VELOCIDADE DE AUMENTO DE PRESSÃO. A Vmp. pode definir-se como a relação entre o aumento de pressão de explosão e o período de tempo em que sucede. É o fator mais importante para avaliar os riscos de uma poeira e determinar a gravidade da sua deflagração. Também é importante como dado para calcular as dimensões dos elementos de ventilação para casos de explosão. Uma Vmp. (velocidade máxima de aumento de pressão) demasiadamente alta indica, com frequência, que a instalação dos elementos de ventilação são ineficientes. Os dados empíricos de ge. (gravidade de explosão) tabelados acima são indicadores de grande valor na análise do projeto. Índices entre 2 e 4 demonstram a necessidade de elementos de ventilação muito grandes, além de cuidado da resistência do edifício e dos equipamentos das máquinas. Um índice maior do que 4 exclui, na maioria dos casos, a possibilidade de projetar-se um sistema de alívio de explosões e exige o emprego de dispositivos de proteção com o uso de gases inertes e outros sistemas de supressão de explosões. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 11/39
3.2.1. PRESSÕES INTERNAS. As pressões mostradas nas tabelas acima são, em sua grande maioria, maiores do que 3,5 kg/cm 2 e, em alguns casos, chegam a 7 kg/cm 2. Considerando que uma parede comum é projetada para resistir a pressões de 0,07 kg/cm 2, fica evidente que não seria prático construir edifícios que pudessem resistir a tais fenômenos. Uma das razões pelas quais o grau de destruição de muitas explosões de pó não chega a ser maior reside no fato de que o pó não se encontra dispersado uniformemente através do volume circundante. Raras vezes se incendeia uma nuvem de pó em condições ideais para a formação de pressões observadas empiricamente. 3.2.2. EFEITOS DA DURAÇÃO DA SOBREPRESSÃO O tempo durante o qual a sobre pressão atua sobre o espaço circundante está intimamente relacionado com a pressão máxima e com a velocidade máxima de aumento de pressão. A área que fica abaixo da curva de pressão-tempo determina o impulso total exercido. O impulso total, e não a força exercida em um dado momento, é que determina a grandeza da destruição. A relação entre a destrutividade e o impulso total demonstra, em parte, porque as explosões de pó, que, em geral, têm velocidades de aumento de pressão mais baixas do que as explosões de gases, podem ser mais destrutivas. 4. DEFLAGRAÇÃO E DETONAÇÃO 4.1. DEFLAGRAÇÃO É o fenômeno de explosão que ocorre com velocidade de chama de 1 a 100 m/s e é o que acontece com maior freqüência nas indústrias. 4.2. DETONAÇÃO É o fenômeno de explosão em que a velocidade da chama é igual ou superior à velocidade do som, chegando aos 1000 m/s. No caso das explosões em cadeia, a deflagração inicial evolui para detonação nas fases posteriores. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 12/39
4.3. DESTRUTIVIDADE DAS EXPLOSÕES DE POEIRAS. Embora a destrutividade das explosões de poeiras dependa fundamentalmente da Vmp., outros fatores intervêm, como a pressão máxima desenvolvida durante a sobre pressão, o grau de confinamento do volume da explosão e a concentração de oxigênio. Explosões recentes causadas por poeiras de cereais. Neste caso, os danos provocados foram aos pavilhões, aos equipamentos de beneficiamento e aos elementos transportadores, o que evidencia que a explosão iniciou dentro, internamente, ganhando propagação e aumentando seus efeitos até atingir os pavilhões, que foram os últimos atingidos pela explosão. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 13/39
5. GASES TÓXICOS. As chamas e os efeitos do aumento de pressão numa explosão não são os únicos problemas a enfrentar. Na atmosfera do evento ocorre uma deficiência de oxigênio e a formação de gases tóxicos em virtude da combustão, particularmente o CO. A concentração de gases pode ser suficientemente alta durante alguns momentos e, assim causar inconsciência, ainda que momentânea, às pessoas presentes e conduzi-las à morte por asfixia. Desta feita, o ingresso nestes locais só deve acontecer por pessoas treinadas e com equipamento autônomo de ar mandado. 6. ANÁLISE DE UM MODELO SIMULADO: Um dos locais mais suscetíveis a eventos desastrosos nas plantas de grãos são os túneis subterrâneos, com a movimentação e transporte dos cereais sob as moegas de grãos. Nestes, estão localizados os transportadores responsáveis pelo recolhimento do cereal e seu destino à planta. Durante a movimentação e as mudanças de direção, os grãos se fragmentam, gerando, pelo atrito entre eles, uma poeira muito fina e muito inflamável. Este é o local onde mais ocorrem acidentes com explosões nas plantas da agroindústria. Isto ocorre porque tais indústrias não estão providas de equipamentos de controle de emissões aéreas localizadas, e o pó gerado com o tempo vai se depositando sobre as estruturas, o piso e as paredes. Quando movimentado e em presença de calor, pode evoluir para explosões. 6.1. Simulação de uma explosão com poeiras de cereais. Este exemplo visa levar ao leigo o conhecimento de situações que, quando ocorrem, provocam estragos imensos e até a morte de ocupantes. O modelo testado representa um túnel de moega de grãos com dimensões usuais. A conclusão deste exemplo visa conduzir o leitor aos valores das explosões causadas pelo crescimento das ondas geradas e contidas pelo túnel. Como dimensões, adotaremos um túnel de movimentação com 2 m de altura por 1,5 m de largura por 30 m de comprimento, localizado sob as moegas, a uma profundidade que varia de 6 a 20 m. Para caracterizar bem nosso exemplo e suas conseqüências, adotaremos quatro tipos de poeiras, comuns nestas plantas da agroindústria: arroz, milho, soja e trigo. Os dados informados na tabela N.º I, em negrito, foram retirados das tabelas anexas a este trabalho, da NFPA no item 6.5.4. tabela de poeiras explosivas. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 14/39
Dados: Túnel de descarga da moega com: 2 x 1,5 x 30 m. Volume interno do túnel = 90 m 3 Área interna das paredes do túnel = 210 m 2 Peso de Mat. = Material necessário para uma explosão =Conc. x v. arroz milho soja trigo = 50,3 x 90 = 4527grs. ou 5,57 kg. de pó por explosão. = 25 x 90 = 2250 grs. ou 2,25 kg. de pó por explosão. = 35,5 x 90 = 3195grs. ou 3,195 kg. de pó por explosão. = 65 x 90 = 5850grs. ou 5,87 kg. de pó por explosão. P.Int. = Pressão interna exercida no sistema pela explosão = Pmp. x 10 = Kg/m 2 P.par. = Pressão exercida nas paredes durante a explosão = Pmp. x S/1000 = Toneladas Força sobre a superfície do túnel P.h. = Pressão da explosão sobre o homem com S=1m 2 = Pmp./1000 = Toneladas Força exercida sobre um operário envolvido no evento. 6.2. Tabelas de referência do fenômeno causado pelos três grãos testados. - - - Kg/cm 2 Kg/cm 2 ºC Joules Gr./m 3 Tipo de pó Ie Si Ge Pmp Vmp T E Conc. Arroz 0,3 0,5 0,5 3,3 49 510 0,10 50,3 Milho 6,9 2,3 3,9 5,27 218,15 480 0,04 25 Soja 0,7 0,6 1,1 6,6 56 550 0,10 35,5 Trigo 2,6 1,0 2,6 6,43 154,8 500 0,06 65 Tabela I Kg. kg./m 2 Ton. Ton. Tipo de pó P.mat. P.int. P. par P.h. ie si ge. Arroz 5,6 33 6930 33 M M M Milho 2,25 52,7 11067 74 F F MF Soja 3,2 66 13860 66 M M F Trigo 5,9 64,3 13503 68 F F MF Tabela II Efeito das explosões do exemplo Tipo da Explosão ie. si ge. (P) Pequena 0,1 0,2 0,5 (M) Moderada 0,1-1,0 0,2-1,0 0,5-1,0 (F) Forte 1,0-10 1,0-5,0 1,0-2,0 (MF) Muito forte 10 5,0 2,0 Tabela III, Reatados para análise comparativa, parâmetros de comparação. 6.4. Conclusões: 6.4.1. Ordem de grandeza dos produtos. Comparando os nossos valores com os índices da tabela parâmetro, temos que: ie (índice de explosividade) seqüência em ordem crescente: arroz, soja, trigo e milho. si (sensibilidade de ignição) seqüência em ordem crescente: arroz, soja, trigo e milho. ge (grau de explosividade) seqüência em ordem crescente: arroz, soja, trigo e milho. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 15/39
Concluindo que o pó de milho é o que produz efeitos mais catastróficos no túnel analisado, seguido pelo trigo, pela soja e pelo arroz (menor índice), os quais também provocam resultados danosos. A tabela I apresenta a compilação dos dados conforme as tabelas de propriedades dos cereais, anexas a este trabalho (item 6.5.4); a tabela II retrata nosso exemplo para as situações adotadas; e a tabela III compara os dados e indica, para cada produto, seu grau de segurança, a ser observado na proteção. 6.4.2. Efeitos nos operários envolvidos. Antes de tecermos nossos comentários, anexamos a esta um quadro resumo dos efeitos das explosões nos elementos envolvidos em sinistros: 6.4.3. Efeito de explosões em seres humanos PRESSÃO ( bar ) PARA PESSOAS 0,35 3500 mmca Limite ruptura tímpano 0,70/0,85 7000 a 8500 mmca Limite danos nos pulmões 1,05/1,4 10500 a 14000 mmca Ruptura tímpano 50% casos 2,11/2,95 21100 a 29500 mmca Limite mortal 2,95/4,00 29500 a 40000 mmca Morte 50% dos casos 4,0/5,0 40000 a 50000 Morte 100% dos casos 6.5. Conseqüências. Em nosso exemplo, com pressões internas de até 3,3 kg/cm² ou 30000 mmca, teríamos a morte de 50% dos envolvido na planta de arroz; nas demais, todos morreriam. 6.5.1. Danos ao patrimônio. EFEITO DE EXPLOSÕES EM ESTRUTURAS PRESSÃO ( bar ) Efeito em <0,07 700 mmca Quebra de vidros 0,07/0,150 500 a 1500 mmca Destruição de galpões 0,15/0,250 1500 a 2500 mmca Remoção de batentes 0,20/0,30 2500 a 3000 mmca Esmagamento de tanques 0,35/0,50 3000 a 5000 mm Ruptura de estruturas de madeira 0,50/0,90 5000 a 9000 mmca Destruição de prédios 0,90/2,00 9000 a 20000 Ruptura de estruturas de concreto Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 16/39
6.5.2. Processos e origens de acidentes recentes. PROCESSO % FONTE % Armazenagem 21,3 Faísca metálica 29,6 Moagem 13,1 Ptos. incandescentes 9,3 Transport. mecânicos 11 Desc. eletrostática 9,3 Filtragem 11 Fricção 8,9 Secagem 8,6 Chama aberta 8,2 Combustão 6,2 Superfícies aquecidas 6,5 Mistura 5,2 Autocombustão 5,8 Polimento, Revto. 5,2 Soldagem, equt. ele. 8,2 Outros 18,6 Outros 14,1 Total 100% total 100% 6.5.3. Da Simulação. No nosso exemplo prático, todos os materiais analisados seriam catastróficos para as edificações, equipamentos e participantes do evento. 6.5.4. Tabela de algumas poeiras explosivas ensaiadas nos laboratórios da NFPA. 6.5.4.1. POEIRAS AGRÍCOLAS Poeira Ie. Si. Ge. Pmp Vmp T1 T2 E C P Açúcar em pó 9,6 4 2,4 7,6 350 370 400 (3) 0,03 46,7 - Algodão bruto 0,1 0,1 0,1 5,1 28 520-1,9 519 C21 Alho desidratado 0,2 0,2 1,2 4 91 360-0,24 104 - Amido de milho 9,5 2,8 3,4 7,4 525 400-0,04 46,7-23,2 4,3 5,4 10 665 390 350 0,03 41,5 C11 Amido de milho malha 325 Amido de trigo 17,7 5,2 3,4 7 455 430-0,03 46,7 C12 Amido de trigo tratado 35 10,6 3,3 8,2 455 380-0,03 31,1 - Arroz 0,3 0,5 0,5 3,3 49 510 450 0,1 88,2 - Cacau 0,6 0,5 1,1 4,8 84 510 240 0,1 77,8-19% gordura Café Instantâneo 0,1 0,1 0,1 4,8 35 410 350-290 - Café torrado 0,1 0,2 0,1 2,7 10,5 720 270 0,2 88,2 C17 Canela 5,8 2,5 2,3 8,5 273 440 230 0,03 62,2 - Casca de amêndoa 0,3 0,9 0,3 7,1 98 450 210 0,08 67,4 - Casca de amendoim 4 2 2 8,2 560 460 210 0,05 46,7 - Casca de arroz 2,7 1,6 1,7 7,6 280 450 220 0,05 57 - Casca de coco 4,2 2 2,1 8,1 2,9 470 220 0,06 36,3 - Casca de noz de 13,7 3,6 3,8 5,4 231 470 370 0,03 41,5 - cacau Casca de semente de pêssego 7,1 3,1 2,3 8,1 329 440 210 0,05 31,1 - Casca noz preta 5,1 3 1,7 7,9 280 450 220 0,05 31,1 - Cebola desidratada 0,1 0,1 0,1 2,5 35 410 - - 135 - Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 17/39
Celulose 2,8 1 2,8 9,1 315 480 270 0,08 57,4 C13 Celulose alfa 10 2,7 4 8,2 560 410 300 0,04 46,7 - Chá seco 0,1 0,1 =0,1 3,4 28 580 340 (2) - - Clara de ovo 0,1 0,1 0,2 4,1 35 610-0,7 145 - Dextrina de milho cru 12,1 3,1 3,9 8,7 385 410 390 0,04 41,5 - Erva de cereais 0,1 0,1 0,1 4,6 28 620 230 0,8 208 - Farinha de alfafa 0,1 (4) 0,1 (4) 1,2 4,6 77 530-0,3 109 - Farinha de ervilha 4 1,8 2,2 4,8 133 560 260 0,04 51,9 - Farinha de pinho 9,9 3,1 3,2 7,9 385 470 260 0,04 36,3 - branco Farinha de soja 0,7 0,6 1,1 6,6 56 550 340 0,1 62,2 C15 Farinha de trigo 4,1 1,5 2,7 6,8 196 440 440 0,06 51,9-1,1 0,9 1,2 7,3 154 540-0,08 57,4 - Farinha semente de algodão Fécula de batata dextrinada Folhas de crisântemo moída 20,9 5,1 4,1 8,4 560 440-0,03 46,7-0,4 0,6 0,6 6,7 105 460 210 0,08 104 - Goma arábica 1,1 0,7 1,6 5,9 105 500 260 0,1 62,2 - - 1 - - - 520-0,08 51,9 C15 Goma de glúten de trigo Grão de café 0,1 0,1 0,1 2,3 10,5 650 280 0,3 156 C17 Leite desnatado 1,4 1,6 0,9 6,7 161 490 200 0,05 51,9 N15 Linho verde 0,2 0,7 0,3 7,6 105 430 230 0,08 81 - Malte de cevada 5,5 2,6 2,1 6,7 308 400 250 0,04 57 - Milho 6,9 2,3 3 7,9 420 400 250 0,04 57-2 2 1 7,3 154 460 240 0,05 46,7 - Musgo de turfa secado ao sol Musgo irlandês 0,1 0,1 0,1 2,5 28 480 230 - - - Palha de trigo 5 1,6 3,1 8,2 420 470 220 0,05 57 - Pectina 10,3 2,2 4,7 9,2 560 410 200 0,04 77,8 - Pele de cítricos 0,6 0,7 0,9 3,6 84 500 330 0,1 62,2 - Pelugem de celulose 8,7 2,3 3,8 7,8 490 460 260 0,04 57 C13 Pó cereal trigo 9,2 2,8 3,3 9,2 490 430 230 0,03 57 - inverno, milho e aveia Pó de cortiça -10 3,6 3,3 6,7 525 460 210 0,04 36,3 - Proteína de soja 4 1,2 3,3 6,9 455 540-0,06 51,9 C15 Sacarose 9,6 4 2,4 7,6 350 370 400 (3) 0,03 46,7 - Sacarose pura 3,3 1,1 3 5,3 175 420 470 (3) 0,1 46,7 - Semente erva azul 0,1 0,1 0,1 3,6 28 490 180 0,3 301 - Semente cereja 4,4 2 2,2 7,9 308 430 220 0,08 31,1 - semente de damasco 1,9 1,6 1,2 7,6 280 440 230 0,08 36,3 - Sêmola de espiga de 5,5 2,5 2,2 8,9 259 450 240 0,05 46,7 - milho Talo tabaco 0,1 0,1 0,1 3,7 28 420 230 (2) - - Trigo bruto 2,6 1 2,6 5 154 500 220 0,06 67,4 - Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 18/39
6.5.4.2. POEIRAS CARBONÍFERAS Poeira Ie. Si. Ge. Pmp Vmp T1 T2 E C P Alcatrão 4 2,8 1,4 5,8 266 630-0,03 46,7-10 4 2,8 6,2 420 710-0,02 36,3 - Alcatrão carvão betuminoso Asfalto de petróleo 6,2 2,8 2,2 6 350 510 550 0,04 36,3 - Carvão antracita 0,1 0,1 - - - 730-0,1 67,4 - Carvão betuminoso 4,1 2,2 1,8 7,1 280 610 180 0,03 51,9 - Carvão de Pittsburgh 1 1 1 6,3 161 610 170 0,06 57 - (mina experimental) Carvão vegetal lignito ativado Carvão de mistura de madeiras Carvão ativado de lodos ácidos de petróleo 0,1 (4) 0,1 (4) - 2,9 7 670 370-2074 - 1,3 1,4 0,9 5,8 91 530 180 0,02 145-0,1 (4) 0,1 (4) - - - 760 490 - - - Coque de petróleo 0,1 (4) 0,1 (4) - - 14 670 - - 1037 - Eletrodo de carbono 0,1 (4) 0,1 (4) 2,2 - - - 710 - - - Clisolita de Utah 1,1 6,9 1,5 5,5 315 580 500 0,03 20,7 - Grafite 0,1 (4) 0,1 - - - (5) 580 - - - Lignito da Califórnia 10 5 3,8 6,6 560 450 200 0,03 31,1 - Negro de fumo 0,1 (4) 0,1 - - - 730 - - - - (1) Os valores desta coluna indicam a porcentagem de oxigênio, enquanto que o prefixo lateral indica o gás diluente. Ex.: C13 = diluição de até 13% de O 2 com CO 2. Os prefixos são: C= CO 2, N= N 2, A= Argônio, H= Hélio. (2) Não se produz ignição a 8,3 J. (3) A ignição sobrevém com chama. (4) Designação de riscos por incêndio. 7. MÉTODOS DE PROTEÇÃO CONTRA EXPLOSÕES DE POEIRAS. 7.1. MEDIDAS DE SEGURANÇA. Industrialmente, precauções devem ser tomadas na presença de fontes de ignição. Em alguns casos, as mesmas estão presentes por fazerem parte do processo, como é o caso dos secadores de cereal que usam o fogo direto na secagem. A proteção não poderá ser obtida após o início de uma explosão ou incêndio. Portanto, conclui-se que não pode ser feita uma generalização de métodos de proteção em relação ao risco de explosão, porque tais métodos dependerão das propriedades da poeira, tipo de projeto, planta industrial, equipamentos existentes, risco de instalações vizinhas e valor do equipamento em risco. Por estes motivos, os métodos são agrupados em seis categorias, mas os mesmos não são todos alternativos: alguns, se usados em conjunto, podem conferir mais segurança à indústria foco. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 19/39
7.1.1. CONFINAMENTO. Quando se produz uma explosão de pó, se formam produtos gasosos e se libera calor, que faz aumentar a temperatura do ar contido no recinto. Como os gases expandem-se ao aquecerem, exercem pressões destrutivas no espaço circundante, a não ser que se proporcionem áreas de alívio suficientes para evacuar os gases quentes antes que atinjam níveis de pressão perigosos. Desta forma, um sistema de alívio adequado deve ser previsto, para aliviar os gases formados no início, evitando danos maiores. Em algumas situações, estas medidas não são práticas, sendo aconselhado processar estas operações em ambientes abertos, atmosferas inertes ou supressores automáticos. Os supressores consistem em um sistema formado por detectores de pressão ou de chamas e um agente extintor, que deve atuar rapidamente na fase incipiente de explosão. 7.1.2. INERTIZAÇÃO. Uma das medidas adotadas para reduzir os efeitos das explosões é a inertização, isto é, redução da quantidade de oxigênio no espaço. Os ensaios levantados indicam que a redução do O2 na atmosfera de trabalho e uma mistura de poeira inerte ou a umidificação no pó combustível reduzem a Pmp. e a Vmp., como pode ser visto nas curvas abaixo. Elas mostram poeiras de amido de milho concentrado a 0,5 kg/m 3 de ar. Em relação à pressão de explosão, uma ligeira redução na concentração de O2, a adição de uma pequena quantidade de pó inerte ou a umidade reduzem os efeitos. 7.1.3. MINIMIZAÇÃO DA FORMAÇÃO DE NUVENS. Deve ser dada atenção à eliminação completa das poeiras dos edifícios que compõe a planta industrial, pois as explosões secundárias nos prédios vizinhos são potencialmente mais destruidoras. A acumulação de poeira pode ser prevenida combinando-se um bom projeto de limpeza. Quando há formação de depósitos de poeira, a limpeza deve ser feita tanto mais cedo quanto possível. Quando pós se acumulam com exceção das unidades previstas para o seu armazenamento, tais como silos, os depósitos destes pós devem ser removidos regularmente. Esta exigência se aplica também para unidades de despoeiramento como: filtros, ciclones, precipitadores, câmaras inerciais, etc., que recebem e acumulam as poeiras coletadas. Estas devem ser retiradas nos intervalos definidos para não causarem entupimento e consequente vazamento das poeiras para o ambiente. Eng. Ary de Sá CREA SP 69064 fone (051) 9982 6564 e-mail arysa@cpovo.net fl. 20/39