Багато виробничих процесів супроводжуються статичною електризацією матеріалів, які обробляються, і технологічного устаткування, тобто створенням зарядів статичної електрики. Іноді ці заряди швидко переходять у землю, розсіюються або нейтралізуються. У інших випадках заряди накопичуються і створюють поле з високою електричною напруженістю, що обумовлює появу електричних розрядів (пробоїв повітря або середовища).
Несприятливі впливи статичної електрики можна класифікувати наступним чином. По-перше, у виробництвах, пов'язаних із застосуванням ГР, ЛЗР, ГГ, іскрові розряди статичної електрики можуть викликати вибух і пожежу (електростатична іскронебезпечність). По-друге, статична електрика викликає брак продукції, перешкоджає підвищенню швидкості роботи машин і апаратів. По-третє, за певних умов розряди статичної електрики можуть впливати на обслуговуючий персонал (вплив електростатичних полів та іскрових розрядів).
З 46 вибухів заземлених резервуарів, зареєстрованих за певний період у США, 44 виникло при наливанні і перемішуванні продукту, а два - при відстої крапельок води.
Розряди статичної електрики є причиною вкрай руйнівних вибухів на цукрових заводах, у зерносховищах, при транспортуванні вугілля. Деякі автори вважають, що 60% усіх вибухів на виробництвах з тонкороздрібленими речовинами відбувається з цієї причини.
Умови виникнення зарядів статичної електрики, їх пожежна небезпека. Утворення зарядів статичної електрики відбувається при деформації, роздрібненні (розприскуванні) речовин, відносному переміщенні двох тіл, що знаходяться в контакті, прошарків рідких або сипучих матеріалів, при інтенсивному перемішуванні, кристалізації, випару речовин.
Електризація - комплекс фізичних і хімічних процесів, що призводять до поділу в просторі зарядів протилежних знаків з наступним накопиченням на одній з поверхонь зарядів одного знака.
Утворення і накопичення зарядів на поверхнях обумовлено такими чинниками:
1) при контакті двох різнорідних тіл, внаслідок різниці робіт виходу електрона, відбувається перехід носіїв з однієї поверхні на іншу. Так виникає подвійний електричний прошарок. Подвійний електричний прошарок - просторовий розподіл електричних зарядів на межі зіткнення речовин, що знаходяться у різних агрегатних станах. Товщина подвійного прошарку приблизно дорівнює діаметру іона, тобто 10-10 м.
Рис.10.1- До процесу утворення зарядів статичної електрики.
2) одна з контактних поверхонь повинна бути діелектриком.
Розмір контактних потенціалів поверхонь дуже різноманітний і залежить від діелектричних властивостей поверхонь, стану поверхонь, тиску, з яким вони притискаються одна до одної, а також від вологості і температури навколишнього повітря, швидкості поділу поверхонь.
Експериментально встановлено, що з двох поверхонь позитивно заряджається та, у якої діелектрична проникність більше. При поділі поверхонь, між якими виникла контактна електризація, кожна поверхня зберігає свій заряд, і контактна різниця потенціалів за мірою зменшення ємності при поділі може досягати 1000 В.
Заряди статичної електрики утворюються при поділі будь-яких тіл, але на одних тілах ці заряди не накопичуються в силу великої їхньої електропровідності, а на інших тілах, що володіють малою електропровідністю, відбувається накопичення зарядів. Потенціал між цими поверхнями збільшується за мірою накопичення зарядів. Відомо, що накопичувати заряди можуть тіла і матеріали, що володіють питомим об'ємним електричним опором більше 105 Ом×м (поверхні, що мають питомий об'ємний електричний опір не більше 105 Ом×м, вважаються електропровідними) при таких процесах:
- при терті твердого або рідкого діелектрика по твердому діелектрику (шерсть або шовк об пластмасу на текстильних верстатах, борошно об скляні труби, бензин по гумовому шлангу та інше);
- при терті твердого або рідкого діелектрика по провіднику (пил деревини по повітропроводу у деревообробних цехах, гумова транспортерна стрічка по валиках, нафтопродукти по стінках сталевих труб, резервуарів, цистерн і т.п.)
- при розпиленні рідких діелектриків (розпилення лакофарбових матеріалів, при наливі нафтопродуктів);
- при розірванні злиплих матеріалів (розмотування прогумованої тканини, при нанесенні прошарку гумового клею та інше);
- при стиску горючих газів і прямування їх по трубах.
Такі процеси частіше усього зустрічаються в нафтогазовій, хімічній, текстильній, поліграфічній галузях промисловості.
Таким чином, можливість накопичення небезпечних кількостей статичної електрики визначається інтенсивністю виникнення зарядів та умовами стікання зарядів.
Інтенсивність виникнення зарядів у технологічному устаткуванні визначається фізико-хімічними властивостями речовин, що переробляються, і матеріалів, з яких виготовлене устаткування, а також параметрами технологічного процесу.
Процес стікання зарядів визначається в основному електричними властивостями речовин, що переробляються, і матеріалів, з яких виготовлене устаткування.
Тепловий імпульс електричної іскри розряду статичної електрики залежить:
1) від розміру потенціалу (чим вище потенціал, тим більше тепловий імпульс);
2) від відстані між частинами, де проскочила іскра (чим більше відстань, тим менше тепловий імпульс);
Дослідження показали, що розмір потенціалу (тобто напруга відносно землі) у цілому ряді технологічних процесів досягає великих значень, наприклад:
- при виробництві кіноплівки - біля 15 кВ;
- при розмеленні пшеничного борошна - до 10-15 кВ;
- при розбризкуванні фарб з пульверизатора - до 10 кВ;
- при прямуванні гумової стрічки транспортера зі швидкістю 4 м/сек - до 45 кВ;
- при терті целюлози - до 40 кВ;
- при фільтрації бензину з домішкою асфальту крізь шовк - до 335 кВ.
Умовою електростатичної іскробезпеки об'єкта є виконання співвідношення:
, (10.1)
де W, [Дж] - максимальна енергія розрядів, що можуть виникнути усередині об'єкта або його поверхні;
k - коефіцієнт безпеки, що вибирається з умов припустимої (безпечної) можливості запалювання (у випадку неможливості визначення приймають рівним 0,4);
Wmin, [Дж] - мінімальна енергія запалювання речовин і матеріалів. Мінімальна енергія запалювання деяких речовин приведена в додатку до Правил [21]( наприклад, для пароповітряної суміші етилового спирту при температурі 25°С Wmin=0,25 мДж, для пилоповітряної суміші цукрової пудри Wmin=106 мДж). На спроможність електричної іскри, що запалює, впливає ряд чинників. Найбільш істотними є концентрація, температура, тиск вибухонебезпечної суміші.
Енергію іскри, яка спроможна виникнути під дією напруги між пластиною і яким-небудь заземленим предметом (іскри статичної електрики), обчислюють за запасеною конденсатором енергією з формули:
, (10.2)
де Wi- енергія іскри, Дж;
С - ємність конденсатора (коли на поверхні речовини в результаті порушення контакту утворюються електричні заряди, ці поверхні стають пластинами конденсатора), Ф;
U - напруга, В (в реальних умовах виробництва різницю потенціалів між зарядженим тілом і землею вимірюють електрометрами).
Якщо
, (10.3)
то іскру розряду статичної електрики розглядають як джерело запалювання.
Реальну небезпеку має “контактна” електризація людей, які працюють з діелектричними матеріалами , що рухаються. При зіткненні людини з заземленим предметом виникає іскра з енергією від 2,5 до 7,5 мДж.
Вимоги пожежної безпеки щодо захисту від розрядів статичної електрики. Захист від шкідливих і пожежонебезпечних проявів статичної електрики проводиться обов'язково у вибухо- і пожежонебезпечних приміщеннях і зонах зовнішніх установок, віднесених за класифікацією ОНТП 24-86 до категорій А, Б, В, Г, Д або за класифікацією ПУЕ до зон класів - усі вибухонебезпечні і пожежонебезпечні - П-I, П-II, П-III. У інших випадках захист здійснюється у випадку, коли статична електрика негативно впливає на людину, технологічний процес або якість продукції.
Заходи щодо захисту від розрядів статичної електрики:
- зниження інтенсивності генерації заряду статичної електрики.
- відвід заряду шляхом заземлення устаткування і комунікацій, а також забезпечення постійного електричного контакту з заземленням тіла людини.
- відвід заряду шляхом зменшення питомого об'ємного і поверхневого електричного опору.
- нейтралізація заряду шляхом використання різноманітних способів захисту від статичної електрики.
Відвід заряду шляхом заземлення (основний засіб). Пристрій, що заземлює, для захисту від статичної електрики, доцільно об'єднувати з пристроєм захисного заземлення. Опір пристрою, що заземлює і призначений винятково для захисту від статичної електрики, повинен бути не більше 100 Ом.
Усе струмопровідне устаткування та електропровідні неметалічні предмети повинні бути заземлені незалежно від того, чи застосовуються інші методи захисту від статичної електрики.
Неметалічне устаткування вважається електростатично заземленим, якщо опір розтіканню струму на землю з будь-яких точок внутрішньої і зовнішньої поверхні не перевищує 107 Ом за відносної вологості повітря 50% і температури 23о.
Протяжна технологічна лінія повинна являти собою на усьому протязі безупинне електричне коло, яке у межах цеху повинно приєднуватися до основного контуру заземлення через кожні 40÷50 м, але не менше, ніж у двох місцях.
Окремими відгалуженнями повинні приєднуватися об'єкти, на поверхні або усередині яких може утворюватися заряд: апарати, ємності, агрегати, у яких відбувається роздрібнення, розпилення, розприскування продуктів, емальовані ємності, окремо розташовані машини, агрегати, апарати, не приєднані трубопроводами до загальної системи апаратів і ємностей.
Резервуари і ємності об’ємом більше 50 мз, за винятком вертикальних резервуарів діаметром до 2,5 м, повинні приєднуватися до заземлювача за допомогою не менше 2 провідників у діаметрально розташованих точках.
У фланцевих з'єднаннях забороняється застосування шайб, виготовлених з діелектричних матеріалів і пофарбованих неелектропровідними фарбами.
Гнучкі провідники, що заземлюють, перерізом не менше 6 мм2 повинні постійно бути приєднані до металевих корпусів автоцистерн і танків наливних судів і мати на кінці струбцину або наконечник під болт для приєднання до заземлюючого пристрою. За відсутності постійно приєднаних провідників заземлення автоцистерн і наливних судів повинно здійснюватися інвентарними провідниками в такому порядку: заземлюючий провідник спочатку приєднується до корпусу цистерни (або танка), потім до заземлюючого пристрою.
Гумові або інші шланги з неелектропровідних матеріалів з металевими наконечниками, які використовуються для наливу рідин у залізничні цистерни, автоцистерни, наливні суди, повинні бути обвиті мідним дротом діаметром не менше 2 мм (або мідним тросом з перерізом не менше 4 мм2) та кроком витка 100-150 мм. Один кінець проводу з'єднується паянням або болтом з заземленою трубою, а другий - з наконечником шланга.
Розсіяння заряду шляхом зменшення питомого об'ємного і поверхневого електричного опору. Якщо заземлення не ефективне, то слід вживати заходів для зменшення питомого об'ємного або поверхневого опору матеріалів, що переробляються, за допомогою використання зволожуючих пристроїв або антистатичних речовин. Вологість повинна підвищуватися до 55-80%. У рідини можуть добавлятися антиелектростатичні присадки.
Нейтралізація заряду на поверхні твердих діелектричних матеріалів. Якщо не можливо досягти відводу заряду способами, описаними вище, то рекомендується здійснювати нейтралізацію заряду шляхом іонізації повітря в безпосередній близькості від поверхні зарядженого матеріалу.
Суть цього способу полягає в нейтралізації поверхневих електричних зарядів іонами різного знака, що створюють спеціальні прилади, - нейтралізатори. Існують нейтралізатори двох типів: електричним полем з високою напруженістю Е і радіоактивним випромінюванням. Нейтралізатори електричним полем з високою напруженістю, у свою чергу, розділяються на індукційні і високовольтні.
Індукційні нейтралізатори бувають з гострицями і дротові (струнні). Конструкція індукційного нейтралізатора з гострицями приведена на рис.10.2. На дерев'яному або металевому стрижні закріплені заземлені гостриці, тонкі дротики або фольга.
Рис.10.2 - Конструкція індукційного нейтралізатора з гострицями.
Конструкція індукційного дротового нейтралізатора приведена на рис.10.3.
Рис.10.3 - Конструкція індукційного дротового нейтралізатора
Застосовується тонкий сталевий дріт, натягнутий поперек зарядженого матеріалу, що рухається.
Дія індукційних нейтралізаторів, заснованих на використанні електричного поля наелектризованого тіла, стороннього джерела напруги не потребується. Під дією сильного електричного поля поблизу розрядного електрода відбувається ударна іонізація, у результаті якої утворюються іони обох знаків (рис.10.4).
|
|
Рис.10.4 - Індукційні нейтралізатори, засновані на використанні електричного поля наелектризованого тіла.
Основним недоліком індукційних нейтралізаторів є той факт, що вони діють, якщо потенціал наелектризованого тіла досягне декількох кіловольт.
Індукційні високовольтні нейтралізатори бувають трьох типів: на змінному струмі, на постійному струмі, на струмі високої частоти. Принцип дії всіх трьох іонізаторів однаковий - іонізація повітря високою напругою. Звичайно відстань між нейтралізатором і матеріалом, що нейтралізується, складає 20-30 см.
Достоїнство: достатня іонізуюча дія при низьких потенціалах статичної електрики. Недолік: наявність джерела струму та іскор, спроможних запалити вибухонебезпечну суміш. Тому для вибухонебезпечних зон такі нейтралізатори випускаються у вибухобезпечному виконанні.
Принцип роботи радіоактивних нейтралізаторів заснований на властивостях радіоактивної речовини створювати випромінювання, що іонізує повітря. Існують нейтралізатори з a-розпадом і b-розпадом (з g-розпадом не застосовуються через високу спроможність випромінювання і небезпеку для людей). Достоїнство: простота, відсутність джерела живлення. Недолік: негативний вплив радіоактивного випромінювання на організм людини, малий іонізаційний струм.
У випадках, коли матеріал (плівки, тканина, стрічка) електризується настільки сильно, що застосування радіоізотопних нейтралізаторів не забезпечує нейтралізації заряду статичної електрики, припускається установка комбінованих (індукційно-радіоізотопних) або вибухозахищених індукційних і високовольтних (постійної і змінної напруги) нейтралізаторів.
Запобігання небезпечних розрядів із рідин. Безпечним є транспортування рідин по заземлених трубопроводах. При цьому:
- для рідин із питомим об'ємним електричним опором до 105 Ом×м безпечна швидкість до 10 м/с;
- для рідин із питомим об'ємним електричним опором до 109 Ом×м безпечна швидкість до 5 м/с;
- для рідин із питомим об'ємним електричним опором більше 109 Ом×м припустимі швидкості транспортування і витікання встановлюються для кожної рідини окремо; безпечною швидкістю витікання таких рідин з заземлених металевих трубопроводів діаметром 0,1 м і більше у заземлені металеві резервуари (апарати) є 1 м/с.
У якості пристроїв для відводу заряду з рідкого продукту можуть використовуватися :
- індукційні нейтралізатори;
- релаксаційні ємності (горизонтальна ділянка трубопроводу збільшеного діаметра). При цьому діаметр цієї ділянки трубопроводу нормується.
В якості пристроїв для відводу заряду усередині апарата (резервуара), що заповнюється, можуть застосовуватися:
- клітини з заземленої металевої сітки, що охоплюють деякий об’єм у кінця завантажувального патрубка таким чином, щоб заряджений потік з патрубка надходив усередину клітини. Об’єм клітини нормується;
- спеціальні насадки на кінці завантажувального патрубка;
- нейтралізатори заглибного типу (товстостінна труба з діелектрика з встановленими у неї повздовжніми електродами-струнами).
Для забезпечення відводу заряду з потоку рідини, що електризується, у широкому діапазоні змін питомого об'ємного електричного опору від 109 до 1013 Ом·м може застосовуватися автономна система пристроїв захисту від статичної електрики, що складається з індукційного струнного нейтралізатора та пристрою для забезпечення релаксації.
Для запобігання небезпечних іскрових розрядів слід не припускати наявності на поверхні горючих і легкозаймистих рідин в апаратах і резервуарах незаземлених електропровідних плаваючих предметів.
Понтони з електропровідних матеріалів, призначені для зменшення втрат рідини від випаровування, повинні бути заземлені за допомогою не менше ніж двох гнучких провідників, приєднаних до понтона в діаметрально протилежних точках.
Відвід заряду при переробці сипучих і мілкодисперсних матеріалів. Переробку сипучих матеріалів слід виконувати в металевому або неметалевому електропровідному обладнанні.
В установках з транспортування і розмелення матеріалів у повітряних потоках повинно бути зволоження в такій мірі, щоб відносна вологість повітря на виході з пневмотранспорту, а також у місці розмелення матеріалу становила не менше 65%. Якщо за технологічними умовами збільшення відносної вологості повітря неприпустиме, то рекомендується застосовувати його іонізацію. При цьому найбільш бажаними для використання є індукційні нейтралізатори.
З метою поліпшення умов стікання зарядів з тканинних рукавів, застосовуваних для затарювання гранульованих та інших сипучих матеріалів і зчленування рухливих елементів устаткування з нерухомими, а також з рукавним фільтром, варто просочувати їх відповідними розчинами поверхнево-активних речовин.
Захист неметалевого обладнання. Зовнішня поверхня діелектричних трубопроводів, по яких транспортуються речовини і матеріали з питомим об’ємним електричним опором більше 105 Ом·м, повинна металізовуватися або фарбуватися електропровідними емалями і лаками. При цьому повинен бути забезпечений електричний контакт між електропровідним прошарком і заземленою металевою арматурою.
Замість електропровідних покриттів припускається повивати трубопроводи металевим дротом перерізом не менше 4мм2 з кроком намотки 100-150 мм, який повинен бути приєднаний до заземленої металевої арматури.
Відвід заряду, що виникає на людях, пересувних ємностях і апаратах. При заповненні пересувних посудин наконечник шланга повинен бути опущений до дна посудини на відстань не більше 20 см.
Якщо діаметр горловини посудини ємністю більше 10 л не дозволяє опустити шланг усередину, необхідно використовувати заземлену лійку з міді або іншого електропровідного матеріалу, що не іскрить, кінець якого повинен знаходитися на відстані не більше 200 мм від дна посудини. У випадку застосування лійки до кінця її повинен бути приєднаний ланцюжок з електропровідного матеріалу, що не іскрить та стійкий до рідини, що переливається. При опусканні лійки в посудину ланцюг повинен лягати на його дно.
Забороняється проведення робіт усередині ємностей і апаратів, де можливо створення вибухонебезпечних паро-, газо- і пилоповітряних сумішей, у комбінезонах, куртках та іншому верхньому одязі з матеріалів, що електризуються.
Відвід заряду від обертових частин обладнання і ремінних передач. Слід застосовувати в підшипниках електропровідне мастило.
При використанні ременів, виготовлених з матеріалів із питомим об'ємним електричним опором більше 105 Ом·м, слід застосовувати один з наступних способів захисту:
- збільшення відносної вологості повітря не менше ніж на 70%;
- електропровідні покриття ременів (мастило у виді суміші гліцерину і сажі, яка наноситься на ремінь не рідше 1 разу на тиждень);
- іонізація повітря за допомогою нейтралізаторів, встановлених з внутрішньої сторони ременя, можлива ближче до точки його сходу зі шківа.
| « Глава 10. Статична електрика. Блискавкозахист. | 10.2 Блискавкозахист. » |