Simulácia výbuchov

“Na MTF STU sa nachádza výbuchová komora, ktorá je jediná na Slovensku. Dokonca, čo sa týka konštrukčného riešenia a podporných systémov, môžeme ju považovať za celosvetový unikát.“ Rozhovor so zástupcom riaditeľa Ústavu integrovanej bezpečnosti a zároveň vedúcim katedry Bezpečnostného inžinierstva na Materiálovotechnologickej fakulte v Trnave – docent Richard Kuracina.

Pracujete na katedre bezpečnostného inžinierstva, mohli by ste nám v skratke predstaviť Vaše pracovisko?

Katedra bezpečnostného inžinierstva sa zaoberá hlavne priemyselnou bezpečnosťou. Zaoberáme sa analýzou, hodnotením a riadením rizík. Zaoberáme sa aj nebezpečnými látkami, konkrétne ich chemickou stránkou. V oblasti pracovnej bezpečnosti hodnotíme či sú pracovné podmienky vyhovujúce alebo nevyhovujúce a to z pohľadu hluku, vibrácií a pod.

Ktorej z týchto činností sa venujete práve vy?

Na fakulte sa venujem už 12 alebo 13 rokov skúmaniu parametrov výbuchov rozvírených prachov. Je to vec, ktorá je v podstate unikátna na Slovensku z toho pohľadu, že to neriešime teoreticky, ale reálne.

Je nejaký rozdiel medzi výbuchom a požiarom?

Bežná populácia si pri výbuchu asi predstaví Semtex, ale čo sa týka oblasti nášho záujmu, výbuch považujeme za dej, pri ktorom zhorí veľmi rýchlo rozvírený oblak prachu. Pri horení a výbuchu je rozdiel iba v rýchlosti horenia. My to máme teda Výbušnosť hodnotíme v uzavretom priestore, ak sú splnené určité podmienky, za horenie považujeme aj horenie bežného polienka dreva.

Pri príprave na tento rozhovor som narazil na jednu tragickú nehodu, bol to výbuch plynu v Prešovskej bytovke z roku 2019. Sú toto situácie v praxi, kde viete poskytnúť jasnejší pohľad na okolnosti situácie?

Určite áno, aj keď teda v Prešove nešlo o výbuch rozvíreného prachu, bol to výbuch plynu. Človek sa však v bežnom živote skôr stretne s výbuchom plynu ako s výbuchom prachu. Plyn jednoducho môže byť kdekoľvek, tam stačia obmedzenejšie podmienky, nejaké 3-4.  V prípade rozvíreného prachu je potrebné splniť špecifické podmienky, aby nastal výbuch. Takže v podstate áno, vieme k tomu zaujať nejaké stanovisko, ale nie je to naša primárna oblasť záujmu. Avšak uvidíme, čo nám prinesie budúcnosť v rámci nášho pracoviska.

Aká je kauzálna príčina týchto udalostí, napr. čo sa toho plynu týka, dá sa to nejak zosumarizovať alebo je to vždy individuálne?

Môžeme to aj zosumarizovať, no zároveň je to aj veľmi individuálne. Ako som spomenul, vždy je potrebné splniť isté podmienky nato, aby k výbuchu mohlo vôbec dôjsť. Podmienky v každom prostredí sú vždy špecifické. Keď si vezmeme ten Prešov, človeku napadne, že plyn unikal pravdepodobne v nejakom byte. Človeku nenapadne, ako sa po čase zistilo, že ten plyn unikal mimo budovy, len tam jednoducho boli tie podmienky také, aké boli.

Toto je výbuch, čo sa týka plynu. Spomínali ste, že pri výbuchu prachu sú potrebné špecifické podmienky. Ja som zachytil že na našej fakulte sa nachádza výbuchová komora. Je to zariadenie, ktoré tieto ideálne podmienky simuluje?

Dá sa povedať, že áno. Výbuchová komora však nie je jediným prístrojom, ktorý sa tým zaoberá. V rámci výbuchov rozvírených prachov je viac parametrov na preskúmanie, preto je potrebných viac zariadení na komplexnejšie ohodnotenie. Na fakulte sa nachádza výbuchová komora, ktorá je jediná na Slovensku. Dokonca, čo sa týka konštrukčného riešenia a podporných systémov, môžeme ju považovať za celosvetový unikát.

Ako taká výbuchová komora vyzerá? Nachádza sa v nejakej miestnosti alebo treba na to špeciálne zariadenie?

Treba na to špeciálne zariadenie, pretože výbuch rozvíreného prachu vygeneruje celkom slušný pretlak. Nie je tam rázová vlna ako pri výbušnine, tam sa rozpínajú plyny a nemá to veľmi dobrý vplyv na statiku. Naša komora je guľového tvaru, je to tlaková oceľová nádoba. Hrúbka steny sa pohybuje okolo 22-23 mm, vydrží teda hrubé zaobchádzanie. Vygenerovaný tlak pri výbuchu, nejakých 10 alebo 15 Barov, nie je nejaký ohromný, no musíme brať do úvahy, že ten dej prebehne v  časovom rozmedzí 10 – 15 – 20 – 50 milisekúnd, takže je to veľmi rýchle.

Načo výbuchová komora slúži?

Slúži nato, aby sme vedeli vyhodnotiť bezpečnosť parametrov pri nejakom konkrétnom prachu. Je potrebné zmerať dolnú medzu výbušnosti, to je v podstate minimálna koncentrácia potrebná na horenie a výbuch. Skúmame výbuchový tlak, skúmame rýchlosť nárastu tlaku. Tie sú merané klasickým tlakovým prevodníkom, teda nie úplne klasickým. Keďže dej prebieha nejakých 10-20 milisekúnd, potrebujeme rýchle zariadenia, zvyčajne pracujeme s rýchlosťou záznamu 10 000 záznamov za sekundu. Zariadenie odmeria tlak a my z toho zistíme aký bol tlak v komore, zistíme ako rýchlo to narastalo ako deriváciu. Na základe zistení riešime opatrenie protivýbuchovej prevencie, zatrieďujume priestory do kategórií podľa toho či sa tam vyskytuje často, menej často a podľa tých parametrov, ďalej riešime ako zabrániť prípadnému výbuchu. Výbuchu sa nedá vždy úplne zabrániť, no do určitej miery je to možné a to úplne bezproblémovo.

Na spracovanie dát slúži nejaký software, ktorý je prepojený s výbuchovou komorou?

Dá sa povedať, že áno. V tomto smere je to pre nás trošku problematické, pretože je stále v procese vývoja. Vyvíja sa tých 10 rokov, odkedy sa zaoberáme našou komorou. Dá sa povedať, že začiatky boli veľmi jednoduché až primitívne. Fungovali sme len s nejakými dvoma vypínačmi, ktorý teda rozviroval prach a aktivoval zapaľovač. Momentálne to funguje, dá sa povedať, automaticky. Kedysi jednoduché merania a grafy boli o tom, ako sa k tomu jednotlivec postavil, teraz to však vyhodnotí Mat-Lab.

Koľko trvá proces experimentu a čo všetko k simulácií výbuchu potrebujete?

Musíme rozlišovať, či za experiment považujeme zistenie parametrov celej vzorky alebo v podstate iba jeden výbuch. Ak sledujeme iba výbuch, do komory sa vložia dva zapaľovače, vzorka s hmotnosťou zodpovedajúcou koncentrácií a celé sa to aktivuje. Tento experiment trvá 2-3 minúty. Pokiaľ však chceme hodnotiť celú vzorku, tých experimentov musí byť viac. Vo výbuchovej komore je nutné uskutočniť približne 20-30 výbuchov na stanovenie výbuchovej konštanty, maximálneho tlaku a dolnej medze výbušnosti. Ďalšími parametrami sú rezistivita, granulometria prachu, hustota prachu alebo sypná hustota, minimálna iniciačná energia, atď. Takýto experiment celej vzorky môže trvať nejaké dva až tri dni.

Je nebezpečné pracovať s výbuchovou komorou?  

Ako sa to vezme. Keď sa stanovujú iba parametre prachu ako takého, tak to nebezpečné nie je. Zapaľovač v sebe samozrejme obsahuje pyrotechniku, ktorá nie je veľmi užívateľsky prívetivá, takže tam nejaká miera rizika je, ale to súvisí skôr s manipuláciou s lóžou. Zapaľovač je už manipulačne na inej úrovni. V rámci nášho výskumu však vyvíjame vlastné zapaľovače, nakoľko tie originálne, podľa americkej normy, sú celkom ekonomicky náročná záležitosť. Tie už teda také bezpečné byť nemusia. Minulý rok sme mali publikovaný článok, kde sme skúšali, či je možné rozvírený prach zapáliť a nechať vybuchnúť bežnou výbušninou. Takou tou, čo si niektorí dobrodruhovia vyrábajú sami na Silvestra a zistili sme, že to teda možné je.

Táto komora je záležitosť iba bezpečnostného inžinierstva alebo kooperujete  aj s inými odbormi, napr. programátori, konštruktéri?

Čo sa týka samotného použitia, je to výhradná záležitosť bezpečnostného inžinierstva. Naša komora však nemá bežné konštrukčné riešenie, snažíme sa ho neustále zlepšovať a keďže musíme spĺňať určité normy, tak spolupracujeme hlavne so strojármi. Čo sa týka informatikov a automatizácie, tam je to horšie. My v podstate pracujeme na čistom poli, kde máme komoru a snažíme sa ju v rámci našich vlastných síl vyvíjať. Niekedy si poviem, že by to mohlo byť nejako takto, no keď to docielime, zistím, že veľmi dobre to nie je a prerába sa to 3-4 krát.

Využíva sa v praxi táto komora aj na výskum inej oblasti ako oblasti požiarneho inžinierstva?

Vo svojej podstate asi nie. My ju vyvíjame z toho dôvodu, že na Slovensku je problém s rozvírenými prachmi a týmito záležitosťami. Komora sa dá použiť aj na iné účely, to bol aj pôvodný zámer. Urobili sa tam však nejaké zásahy, ktoré znížili jej úžitkovosť. Komora bola zakúpená na sledovanie vplyvu výbuchov na materiály. Oficiálne je to výbuchová komora pre bežné výbušniny, zvládne nejakých 150g TNT.

Z akých oblastí by mal mať človek poznatky, aby mohol s takouto komorou pracovať?

Osobne si myslím, že práca s komorou je veľmi jednoduchá. Vo svojej podstate nepotrebujete na to nič, bežnú matematika a rátanie jednoduchých koncentrácií na základe objemu komory. To si myslím, že ľuďom nerobí problém. Skôr je tam problém výskumu, pretože niekedy pracujeme s nebezpečnými vecami. Jednoducho, ja sa bojím aj doktorantovi dať do ruky niektorý typ zapaľovača, pretože som si vedomý, že nesprávny prístup môže mať zlé následky.

Takže študenti bežne neprichádzajú do styku s komorou?

Nemám problém študenta nechať robiť prácu na tejto komore. Študent si celý ten experiment, celé to stanovenie urobí sám. Myslím, že je to v celkom bezpečnom stave, aj keď mali sme už menšie nehody, napr. prasknuté tesnenie. Určite by som však nedával študentom do ruky nejaké výbušniny.  Z hľadiska spracovania diplomovej/ bakalárskej práce to ale určite ide.

Čo by mohlo byť pre  študentov, či už stredoškolských alebo vysokoškolských, takým lákadlom pôsobiť v tejto oblasti?

Osobne si myslím, že výbuchy ako také sú celkom lákavé. Jednoducho stretnúť sa s niečím takýmto na Slovensku sa vo svojej podstate ani nedá. Celkovo je po Európe alebo aj po svete takýchto pracovísk relatívne malé množstvo, keďže je nato potrebné celkom drahé vybavenie. Sme jediné miesto na Slovensku, kde je šanca prísť do styku s niečím takým. Osobne si myslím, že mať možnosť priniesť si z domu práškovú látku a vyskúšať či vybuchuje, je celkom zaujímavé.

Čiže aj takéto sú možnosti?

Áno. Veľmi často riešime so študentmi, ktorý sa prihlásia na tému diplomovej/bakalárskej práce či majú možnosť zohnať si látku, ktorej výbušnosť by bola pre nich zaujímavým experimentom. Klasicky múka, múka je v podmienkach komory výbušná. Mali sme aj študentku, ktorá skúšala výbušnosť cukru ale druhýkrát už to nechcem podstúpiť. Komora bola po tomto experimente celá skaramelizovaná. Múka, cukor, kakao – čokoľvek, na čo si spomeniete. Síce taký piesok výbušný nie je ale čokoľvek kvázi organického pôvodu je výbušné. Plasty sú výbušné takmer úplne všetky, pokiaľ sú v práškovom stave.

Aké máte prepojenie s praxou? Spolupracujete s nejakými podnikmi?

Áno, spolupracujeme s podnikmi, minulý rok sme dokonca získali projekt APVV, kde jeden z hlavných cieľov je spolupráca s praxou. Momentálne sú zainteresované dve firmy – firma vyrábajúca liečivá a firma produkujúca práškové látky. Z hľadiska výskumu je to pre nás prínosné, pretože získať liečivo na experiment je bez tej spolupráce priam nemožné. Druhá vec je, že podniky potrebujú na prevádzku výroby, v ktorej sa vyskytujú práškové látky doklad pre inšpektorát práce, ktorý musí vydať súhlasné stanovisko, že je možné vyrábať dané látky z bezpečnostných dôvodov. Bez aplikovania nejakých princípov protivýbuchovej prevencie je prevádzka nemožná.

Čo najviac vyhľadávajú firmy keď vstupujú do takejto spolupráce?

Dá sa povedať, že overenie v chemickom priemysle. Veľmi často sa však stáva, že firmy vyrábajú povedzme, že polroka nejaký práškový produkt a príde im požiadavka na prípravu úplne inej látky. Potrebujú vedieť aké má daná látka parametre, či netreba vylepšiť protivýbuchovú prevenciu, preto nás musia kontaktovať. Chceme v rámci projektu APVV vytvárať databázu parametrov vzoriek slovenských podnikov a práve vďaka riešeniu tohto projektu im to vieme urobiť za relatívne nízky peniaz.

Spomínali ste, že výbuchová komora je stále v procese vývoja. Aké máte pre ňu vízie?

Vízií máme viacej. Aktuálne sa to týka viac výstupov tých projektov, keďže sme k niečomu viazaní. Výbuchová komora je takmer v ideálnom stave, tam sa budú riešiť už len drobné záležitosti ako teda prívod impulzu pomocou tyčí. Momentálne teda pracujeme na zariadení, ktoré je určené na stanovenie minimálnej iniciačnej energie. Čo sa týka tej mechanickej časti, je to sklenená trubica, v ktorej zapalujeme rozvírený prach iskrou s určitou energiou. To je tá jednoduchšia časť, tá prebieha v spolupráci s našim Ústavom výrobných technológií. Tá náročnejšia časť sa týka vysokonapäťového obvodu, na ktorý síce máme potrebné súčasti, len to nie je také jednoduché pokiaľ sa človek stretne s napätím 20 000V. To by mohlo byť prvý aj posledný krát.

Čo by ste chceli odkázať študentom Materiálovotechnologickej fakulty?

Chcem popriať všetkým študentom, aby sa im darilo pri štúdiu. Veľmi by som si želal, aby sa všetci, či už na začiatku alebo počas štúdia, dostali do stavu, kedy ich štúdium na škole bude baviť. Pretože keď učiteľ vidí, že študenta baví štúdium, aj on má z toho väčšiu radosť.