ELEKTRYCZNOŚĆ STATYCZNA W PROCESACH TECHNOLOGICZNYCH

Transkrypt

1 ELEKTRYCZNOŚĆ STATYCZNA W PROCESACH TECHNOLOGICZNYCH Zasady prognozowania, identyfikacji, oceny i likwidacji zagrożeń dr Jan Maria Kowalski Zakład Bezpieczeństwa Chemicznego i Elektryczności Statycznej INSTYTUT PRZEMYSŁU ORGANICZNEGO ul. Annopol 6; Warszawa bce@ipo.waw.pl; kowalski@ipo.waw.pl tel.: w. 215 fax:

2 1. WSTĘP Zjawisko elektryczności statycznej stwarza niebezpieczeństwo powstawania pożarów lub wybuchów, wywołuje zakłócenia w procesie produkcji i w sferze użytkowania wyrobów stanowi przyczynę licznych zdarzeń wypadkowych Konsekwencją powstawania silnych pól elektrostatycznych i towarzyszących im wysokoenergetycznych wyładowań, zwłaszcza iskrowych, jest bezpośrednie zagrożenie dla życia, zdrowia i mienia człowieka, a zarazem pośrednie zagrożenie dla środowiska (ekologiczne skutki awarii) Wielu pożarów i wybuchów oraz towarzyszących im zdarzeń wypadkowych można uniknąć przez zastosowanie skutecznej ochrony antyelektrostatycznej W tym celu niezbędna jest świadomość genezy i warunków powstawania określonych zagrożeń Obowiązek realizacji ochrony przed elektrycznością statyczną w przestrzeniach zagrożonych wybuchem nakładają wymagania zawarte w Dyrektywach Unii Europejskiej: ATEX 94/9/WE (ATEX 100a) i ATEX USERS 199/92/WE (ATEX 137) oraz w odpowiednich rozporządzeniach organów krajowych

3 2. INFORMACJE PODSTAWOWE W materiale / wyrobie nienaelektryzowanym istnieje stan równowagi elektrycznej, tzn. ładunki elektryczne dodatnie i ujemne będące w równej liczbie wzajemnie się kompensują (równoważą, znoszą). Brak stanu naelektryzowania materiału / wyrobu wyklucza możliwość oddziaływania ładunku elektrycznego na otaczające środowisko. Stan naelektryzowania powstaje pod wpływem zewnętrznych oddziaływań energetycznych na struktury elektryczne atomów i cząsteczek. Oddziaływania te zaburzają istniejącą w nich pierwotnie równowagę ładunków obydwóch znaków i w efekcie pojawia się nadmiarowy ładunek elektryczny, wywołujący w otoczeniu różnorodne zakłócenia.

4 ELEKTRYZACJA MATERIAŁÓW / WYROBÓW / OBIEKTÓW Czynniki wywołujące stan naelektryzowania materiału

5 ELEKTRYZACJA MATERIAŁÓW / WYROBÓW / OBIEKTÓW Niektóre czynności i procesy warunkujące powstawanie nadmiarowego ładunku elektrycznego : Wzajemny kontakt materiałów stałych i towarzyszące mu tarcie; Oddziaływania międzyfazowe oraz oddziaływania między cząstkami cieczy, nie tworzących jednorodnej mieszaniny; Kontakt nie naelektryzowanego materiału lub obiektu z materiałem lub obiektem naelektryzowanym (przejęcie części wytworzonego ładunku); Gwałtowna zmiana stanu skupienia; Destrukcja materiałów (kruszenie, rozrywanie, rozbryzgiwanie rozpylanie itp.); Indukcja w stałym polu elektrycznym (elektryzowanie przez wpływ, influencja); Polaryzacja cząsteczek w stałym polu elektrycznym; Efekt fotoelektryczny (oddziaływanie fotonów); Efekt piroelektryczny (oddziaływanie wysokich temperatur); Efekt piezoelektryczny (oddziaływanie mechaniczne na struktury krystaliczne); Jonizacja; Adsorpcja jonów; Procesy elektrochemiczne (elektroforeza, elektroosmoza i inne).

6 ŁADUNEK ELEKTROSTATYCZNY (Q) 4 (ŁADUNEK ELEKTRYCZNY W STANIE SPOCZYNKU ) Nadmiarowy, dodatni lub ujemny, ładunek elektryczny wytworzony pod wpływem oddziaływań energetycznych na materiale o małej przewodności elektrycznej lub na odizolowanym od ziemi obiekcie przewodzącym (wg PN-E-05200:1992) definiuje się jako: Przez ładunek nadmiarowy należy rozumieć ładunek elektryczny o określonej biegunowości, nie zrównoważony (nie skompensowany) ładunkiem przeciwnego znaku. Termin: ładunek elektryczny statyczny wskazuje na ograniczoną ruchliwość tego ładunku, uwarunkowaną niewielką przewodnością elektryczną materiału lub dużą rezystancją upływu rozpatrywanego obiektu

7 NEGATYWNE SKUTKI WYSTĘPOWANIA ZJAWISKA ELEKTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ W PROCESACH I OPERACJACH TECHNOLOGICZNYCH Zagrożenia / zakłócenia uwarunkowane są oddziaływaniem : sił pola elektrostatycznego, określonych prawem Coulomba oraz wysokoenergetycznych wyładowań, powstających w polu elektrostatycznym o odpowiednio dużym natężeniu

8 SKUTKI WYSTĘPOWANIA ZJAWISKA ELEKTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ Zagrożenie pożarem lub wybuchem powodowane przez wyładowania elektrostatyczne w przestrzeniach z mediami palnymi; Zakłócenia w przebiegu procesu produkcji (np. plątanie się i zrywanie przędzy, zbrylanie materiałów sypkich, zlepianie cienkich folii itp.); Pogorszenie jakości i zmniejszenie trwałości (skrócenie żywotności) wielu wyrobów (zanieczyszczanie powierzchni przez przyciągane cząstki pyłów, destrukcyjne działanie wyładowań); Nieszczęśliwe wypadki - jako konsekwencja niekontrolowanych przez człowieka odruchów bezwarunkowych; Szkodliwe oddziaływanie pól elektrostatycznych na organizm człowieka (obniżenie sprawności personelu); Zaburzenia w funkcjonowaniu przyrządów elektronicznych (komputery, aparatura diagnostyczna, teletransmisyjna i sterująca) oraz uszkodzenia elementów mikroelektroniki; Dyskomfort odczuwany przez osoby przebywające wewnątrz pomieszczeń lub korzystające ze środków transportu, zwłaszcza przy niskiej wilgotności powietrza, np. w sezonie grzewczym (rażenie prądem w wyniku wyładowań).

9 ELEKTRYZACJA KONTAKTOWA Mechanizm powstawania stanu naelektryzowania Q = CU A U = Q/C C = e 0 e r S/d B C Q k = Q 0 = C k U k U k = Q 0 /C k C k = e 0 e r S/d k U k = d k Q 0 /e 0 e r S Przy Q = const., S = const. i e r = const.: U k ~ d k Q = Q 0 = CU C = e 0 e r S/d Przy S = const. i e r = const.: C ~ 1/d U = Q 0 /C Przy Q 0 = const.: U ~ d d > d k U > U k Oznaczenia: Q ładunek elektrostatyczny U napięcie elektrostatyczne C pojemność elektryczna e przenikalność elektryczna S pole powierzchni d odległość

10 ELEKTRYZACJA KONTAKTOWA Stan naelektryzowania Q = CU; U = Q/C Energia układu: W = ½ CU 2 = ½ Q 0 U = ½ Q 02 /C

11 ELEKTRYZACJA KONTAKTOWA Zanik stanu naelektryzowania = R u C = e 0 e r v [s] Q t = Q 0 e -t/ = Q 0 e -t/ruc = Q 0 e -t/e 0 e r v [C] przy t = : Q = Q 0 /e 0,37Q 0

12 INDUKCJA ELEKTROSTATYCZNA A B C A: Naładowanie ciała człowieka w stałym polu elektrycznym B: Odprowadzenie z ciała człowieka ładunku jednego znaku, w obecności pola C: Odprowadzenie ładunku drugiego znaku, poza zasięgiem pola

13 POWSTAWANIE ŁADUNKU ELEKTROSTATYCZNEGO Ciało człowieka Ciało człowieka ulega naelektryzowaniu w wyniku: Chodzenia w nie przewodzącym obuwiu i/lub chodzenia po nieprzewodzących podłogach (następujący na przemian kontakt spodów obuwia z powierzchnią posadzki i oddalanie od niej stopy); Tarcia odzieży zewnętrznej o ciało lub tkaninę bielizny oraz jej kontaktu z włosami w czasie zdejmowania ubrań; Tarcia zewnętrznej powierzchni noszonej odzieży lub innych środków ochrony osobistej, zachodzącego w wyniku wymuszonego bądź przypadkowego ich kontaktu z materiałem przedmiotów albo obiektów znajdujących się w otoczeniu człowieka (np. pędzel lub szczotka użyta do oczyszczenia albo odkurzenia powierzchni ubrania, odzież innego pracownika, sprzęt znajdujący się w wyposażeniu pomieszczenia); Kontaktu z naelektryzowanym materiałem lub wyrobem, np. folią z tworzywa sztucznego, materiałem sypkim i in.; Przebywania w stałym polu elektrycznym (indukcja)

14 POWSTAWANIE ŁADUNKU ELEKTROSTATYCZNEGO Materiały stałe o płaskiej powierzchni Materiały o płaskiej powierzchni (płyty, pasy, taśmy, folie itp. z tworzyw sztucznych, tkanin, gumy, papieru etc.) uzyskują ładunek elektrostatyczny m.in. w wyniku: Prasowania i następnego rozładunku wsadów; Rozwijania rulonów; Przemieszczania formatów (płyt, arkuszy) w czasie ich układania i zdejmowania ze stosów; Prowadzenia wyrobów za pomocą walców i innych systemów transportu; Czyszczenia, szlifowania oraz polerowania powierzchni; Nawiewu powietrza, zanieczyszczonego cząstkami pyłu. Elektryzacja materiałów o płaskiej powierzchni występuje na urządzeniach technologicznych takich, jak: walcarki, kalandry, powlekarki, szlifierki, polerki, drukarki itp.

15 POWSTAWANIE ŁADUNKU ELEKTROSTATYCZNEGO Materiały stałe w postaci sypkiej i materiały włókniste Materiały stałe w postaci sypkiej (w stanie rozdrobnienia) takie, jak: pyły, granulaty, płatki, włókno cięte itp. ulegają naelektryzowaniu w czasie: Mieszania w różnego typu urządzeniach technologicznych; Przesypywania (operacje wykonywane manualnie lub realizowane w urządzeniach mechanicznych do transportu grawitacyjnego); Dozowania w różnego typu urządzeniach dawkujących, podających i zasilających; Przesiewania w urządzeniach sitowych; Rozpylania (np. w suszarniach rozpyłowych); Transportu wymuszonego w strumieniu gazu (np. - w urządzeniach do transportu pneumatycznego) Materiały włókniste (przędza, nici itp.) elektryzują się w trakcie: Wytwarzania i przerobu na przędzarkach, snowarkach, zgrzeblarkach, krosnach tkackich i podobnych urządzeniach technologicznych; Użytkowania odpowiednich wyrobów

16 POWSTAWANIE ŁADUNKU ELEKTROSTATYCZNEGO Ciecze i gazy (płyny) elektryzują się podczas: Przepływów w rurociągach i innych urządzeniach technologicznych; Wypływów z pojemników i aparatów technologicznych, zwłaszcza pod ciśnieniem; Opróżniania / napełniania zbiorników; Mieszania; Ciecze i gazy Jonizacji i zgrupowania jonów określonego znaku ładunku Uwaga: Elektryzacja przy przepływach gazów zachodzi tylko wtedy, gdy zawierają one zanieczyszczenia fazą stałą lub ciekłą, co praktycznie zawsze jednak ma miejsce

17 Elektryzowanie się cieczy Elektryzacja cieczy zachodzi : W warunkach dynamicznych, podczas jej przemieszczania grawitacyjnego albo wymuszonego (np. za pomocą pompy) - przy przepływach lub wypływach w procesach i operacjach technologicznych takich, jak: przelewanie albo przetłaczanie (napełnianie / opróżnianie zbiorników bądź opakowań) oraz mieszanie, przy czym: 1. Szczególnie intensywna elektryzacja zachodzi przy burzliwych przepływach (turbulencje), podczas rozbryzgiwania, rozpylania ( atomizacji ) lub wytrysku cieczy oraz przy zawartości w niej nie rozpuszczalnych zanieczyszczeń w postaci cząstek o różnym stanie skupienia (kropelki innej cieczy, pęcherzyki gazu lub cząstki fazy stałej); 2. Naelektryzowaniu ulega zarówno sama ciecz, jak też stykający się z nią materiał ścian aparatu technologicznego (równym ładunkiem, lecz o przeciwnym znaku); 3. Ciecz o małej przewodności elektrycznej może się elektryzować zarówno w kontakcie z materiałem nieprzewodzącym (izolatorem), jak też w kontakcie z materiałem przewodzącym uziemionym lub nieuziemionym np. metalem; 4. Ciecz przewodząca może ulegać naelektryzowaniu tylko w kontakcie z materiałem nieprzewodzącym, uniemożliwiającym odpływ wytworzonego w niej ładunku oraz w przypadku, gdy następuje jej rozbryzg / rozpylenie w fazie gazowej, w postaci dyspersji; 5. O stopniu naelektryzowania cieczy decyduje sposób i szybkość wykonywania operacji technologicznej; W warunkach statycznych, jeżeli znajduje się ona pod wpływem silnego, zewnętrznego pola elektrostatycznego.

18 POWSTAWANIE ŁADUNKU ELEKTROSTATYCZNEGO Układy wielokomponentowe i wielofazowe W układach wielofazowych i wielokomponentowych, tzn. - przy jednoczesnym występowaniu znacznej liczby składników o różnym stanie skupienia (układy takie tworzą np. chmury burzowe, aerozole, zawiesiny cząstek stałych w fazie ciekłej, emulsje itp.) elektryzacja zachodzi w efekcie wzajemnych oddziaływań komponentów oraz ich oddziaływań z materiałem urządzeń lub obiektów. Przykładem podobnych oddziaływań są zjawiska atmosferyczne zachodzące w chmurach burzowych, pola elektrostatyczne powstające w pobliżu wodospadów, elektryzacja kadłuba samolotu w locie (kontakt z cząstkami mgły, lodu i zanieczyszczeń), elektryzacja występująca przy malowaniu natryskowym lub podczas mycia zbiorników za pomocą ciśnieniowych agregatów natryskowych W praktyce szczególnie intensywną elektryzację wywołują wzajemne oddziaływania cząstek oraz ich oddziaływania z materiałem konstrukcyjnym urządzeń technologicznych, co ma miejsce m. in. podczas: Rozpylania lub napylania materiałów stałych; Rozbryzgiwania ("atomizacji") i natrysku cieczy; Wypływu pary wodnej, zwłaszcza pod ciśnieniem; Wypływu gazu zawierającego zanieczyszczenia w postaci cząstek fazy stałej lub ciekłej

19 POWSTAWANIE ŁADUNKU ELEKTROSTATYCZNEGO Obiekty przewodzące, odizolowane od ziemi Odizolowane od ziemi obiekty, wykonane z materiału przewodzącego, jak np. wózki na ogumionych kołach, pojemniki metalowe ustawione na izolacyjnym podłożu, obracające się części maszyny (np. walce prowadzące izolowane przez smar w łożyskach itp.), mogą ulegać naelektryzowaniu na skutek: Kontaktu z materiałem izolacyjnym w czasie przemieszczania się (np. przetaczania, przesuwania itp.) wózka, pojemnika, walca; Kontaktu z naelektryzowanym materiałem, np. w czasie napełniania pojemnika metalowego naładowaną cieczą lub materiałem sypkim; Indukcji w polu elektrostatycznym, zachodzącej przy usytuowaniu takiego obiektu w zasięgu działania pola

20 Elektryzowanie się elementów urządzeń technologicznych Elementy urządzeń technologicznych osiągają stan naelektryzowania na skutek: Kontaktu z cieczą w efekcie jej przepływu lub napełnienia zbiornika (aparatu technologicznego); Kontaktu z materiałem sypkim, wprowadzanym do aparatu technologicznego z cieczą przez ręczny lub mechaniczny zasyp (opróżnianie zasobników i opakowań); Tarcia dowolnym materiałem stałym (np. w celu oczyszczenia powierzchni); Indukcji w polu elektrostatycznym (dotyczy zwłaszcza odizolowanych od ziemi elementów metalowych), przy czym Ładunek elektrostatyczny powstaje na: elementach wykonanych z materiału izolacyjnego oraz elementach metalowych, odizolowanych od ziemi

21 ZDOLNOŚĆ DO ELEKTRYZACJI MATERIAŁÓW / WYROBÓW Zdolność do elektryzacji definiuje się jako: Zdolność materiału, wyrobu lub obiektu do osiągania i utrzymywania stanu naelektryzowania Zdolność do elektryzacji zależy od: właściwości fizyko chemicznych materiału oraz od warunków, w których przebiega proces elektryzacji (Na podstawie PN-E-05200:1992)

22 OCENA ZDOLNOŚCI DO ELEKTRYZACJI MATERIAŁÓW / WYROBÓW Stan naelektryzowania charakteryzują m.in. następujące parametry (wielkości fizyczne): Ładunek elektrostatyczny całkowity (Q) [C]; Ładunek odniesiony do powierzchni jednostkowej (Q/S = ) [C/m 2 ]; Ładunek odniesiony do objętości jednostkowej (Q/V = q v ) [C/m 3 ]; Ładunek odniesiony do masy jednostkowej (Q/m = q m ) [C/kg]; Potencjał ładunku (V) lub napięcie elektrostatyczne (U) [V]; Natężenie pola elektrostatycznego (E) [V/m]; Energia naładowania izolowanego obiektu przewodzącego (W) [J] tworzącego względem ziemi pojemność elektryczną (C) [F] Zdolność zachowania stanu naelektryzowania określają wielkości: Rezystancja upływu (R u ) [ ] opór elektryczny, mierzony między rozpatrywanym obiektem a ziemią (magistralą uziemienia); Rezystancja / rezystywność powierzchniowa materiału lub wyrobu (R s / s ) [ ] Rezystancja / rezystywność skrośna materiału lub wyrobu (R v / v ) [ / m] Przenikalność elektryczna materiału (e) [F/m] Czas relaksacji ładunku elektrostatycznego ( = e 0 e v ) [s]

23 3. ZAGROŻENIA / ZAKŁÓCENIA WYWOŁYWANE PRZEZ ELEKTRYCZNOŚĆ STATYCZNĄ Zagrożenie pożarem / wybuchem Zagrożenie pożarem i/lub wybuchem powstaje, gdy energia wyładowania elektrostatycznego osiąga wartość co najmniej porównywalną z tzw. minimalną energią zapłonu W z min środka palnego, jaki znajduje się lub może się znaleźć w rozpatrywanym obszarze. Wielkość ta charakteryzuje zdolność zapłonową materiału. Minimalna energia zapłonu W z min - jest to najmniejsza wartość energii wyładowania elektrostatycznego, zdolnego wywołać zapłon danej substancji palnej lub zainicjować wybuch mieszaniny tworzonej przez tę substancję z powietrzem bądź tlenem (aerozole). Substancją taką może być materiał stały, zwłaszcza w postaci pylistej, ciecz lub gaz. Mieszaniny gazów lub par z powietrzem wykazują na ogół niższą energię zapłonu (większą zdolność zapłonową) w porównaniu z mieszaninami pyłów z powietrzem, bądź osadami pyłowymi Szczególnie niebezpieczne są wyładowania elektrostatyczne, pochodzące z obiektów przewodzących, odizolowanych od ziemi, np. - z ciała człowieka, ze względu na ich ekstremalnie dużą energię. Jeżeli takie wyładowanie jest odczuwalne, to znaczy, że jego energia wynosi co najmniej ok. 1 mj (próg reakcji fizjologicznej organizmu ludzkiego). Energia ta najmniej kilkakrotnie przekracza wartość minimalnej energii zapłonu mieszanin wybuchowych, tworzonych przez pary większości cieczy organicznych, gazy palne i niektóre pyły przemysłowe z powietrzem lub tlenem. Minimalna energia zapłonu (W z min ) mieszanin wybuchowych par lub gazów z powietrzem jest na ogół rzędu wielkości 10-4 J, a niekiedy nawet o jeden do dwóch rzędów wielkości niższa. Minimalna energia zapłonu mieszanin pyłów z powietrzem jest natomiast przeważnie rzędu 10-2 J, czasem rzędu 10-3 J, a w niektórych przypadkach (np. materiały wybuchowe inicjujące) osiąga ekstremalnie niskie wartości rzędu mikrodżuli.

24 ZDOLNOŚĆ ZAPŁONOWA WYŁADOWAŃ ELEKTROSTATYCZNYCH Zdolność zapłonowa wyładowania zależy od jego postaci, a postać wyładowania zależy od rodzaju, kształtu i stopnia naelektryzowania materiału lub obiektu, z którego zostaje uwolniony ładunek Podstawowe typy wyładowań Wyładowanie niezupełne, wyładowanie ulotowe, ulot, świetlenie, wyładowanie koronowe lub korona mające postać poświaty. Wyładowanie takie ma na ogół niewielką energię (W) i praktycznie nie jest zdolne do wywoływania zapłonów. Wyładowanie iskrowe z towarzyszącym efektem świetlnym, zachodzące między przedmiotami przewodzącymi w atmosferze, innym gazie lub cieczy. Energia tego rodzaju wyładowań określona jest zależnością W = 0,5 CU 2 i osiąga wartość do kilkuset milidżuli (mj); Wyładowanie snopiaste (lub snopiące) z towarzyszącym efektem świetlnym, pochodzące z powierzchni naelektryzowanego przedmiotu nie przewodzącego lub pojawiające się w pobliżu elektrody jako efekt jonizacji udarowej. Wyładowanie takie zachodzi w polu o dużej niejednorodności. Jest postacią pośrednią między wyładowaniem ulotowym a wyładowaniem iskrowym. Energia wyładowań snopiastych osiąga wartość do ok. 4 mj; Wyładowanie snopiaste (snopiące) rozprzestrzeniające się (propagacyjne) przejawia się jako jasno świecący kanał wyładowania na powierzchni materiału nie przewodzącego (izolacyjnego, dielektrycznego), jeżeli warstwa takiego materiału o grubości do ok. 8 mm, znajdująca się np. na powierzchni uziemionego podłoża metalowego, ulega silnemu naelektryzowaniu, przy czym na obydwóch stronach tej warstwy powstaje ładunek przeciwnego znaku. W praktyce układ taki tworzy m.in. wewnętrzna powierzchnia ścianek aparatu technologicznego emaliowana lub powleczona tworzywem sztucznym). Energia tego typu wyładowań jest ekstremalnie duża i osiąga rząd wielkości dżuli (!); Wyładowanie typu burzowego - powstające z chmur ładunku przestrzennego, np. naelektryzowanych aerozoli, zawierających fazę stałą i/lub ciekłą, gdy natężenie pola elektrostatycznego, wytworzonego przy krawędzi chmury o średnicy powyżej 1m, osiąga wartość co najmniej V/m. Podobny układ występuje w praktyce np. podczas mycia zbiorników po produktach naftowych za pomocą urządzeń rozpylających pod znacznym ciśnieniem używane do tego celu ciekłe środki czyszczące. Analogiczne niebezpieczeństwo powstaje także podczas pneumatycznego piaskowania powierzchni zbiorników

25 ZDOLNOŚĆ ZAPŁONOWA WYŁADOWAŃ ELEKTROSTATYCZNYCH Podstawowe typy wyładowań (c.d.): Wyładowanie stożkowe - wyładowanie snopiaste pochodzące ze stożka materiału sypkiego o rezystywności powierzchniowej powyżej 10 10, zazwyczaj skierowane ku metalowej ściance zasobnika lub innego aparatu technologicznego. Wyładowania stożkowe powstają np. podczas napełniania silosów granulatami - z reguły przy objętości materiału powyżej 1 m 3,. Energia wyładowań stożkowych zależy od uziarnienia proszku i wzrasta z objętością materiału. Wartość energii wyładowania stożkowego wynosi do ok. 25 mj, czyli osiąga rząd minimalnej energii zapłonu wielu pyłów przemysłowych

26 ZDOLNOŚĆ ZAPŁONOWA WYŁADOWAŃ ELEKTROSTATYCZNYCH Niebezpieczeństwo zapłonu, wywoływane przez wyładowania elektrostatyczne (wg I. Berta Static Electricity Hazards ; Hanbook of Electrostatic Processes - red. J.S. Chang; New York, Basel, Hong Kong 1995)

27 ZAGROŻENIA / ZAKŁÓCENIA Zakłócenia w procesie produkcji Zakłócenia w przebiegu procesu produkcji oraz w sferze użytkowania wyrobów uwarunkowane są zarówno oddziaływaniem sił pola elektrostatycznego, jak też destrukcyjnym działaniem wyładowań elektrostatycznych, zwłaszcza iskrowych. Charakterystyczne przejawy takich oddziaływań, to m.in.: Jeżenie" się włókna, splątywanie i zrywanie przędzy; Zlepianie się lub odpychanie cienkich folii z tworzyw sztucznych (trudności w przerobie, cięciu, układaniu i sortowaniu); Zbrylanie się (aglomerowanie) cząstek lub nadmierne kurzenie się materiałów sypkich; Zanieczyszczanie powierzchni wyrobów przez cząstki pyłów, przyciągane z otoczenia; Przebicia mechaniczne materiału przez wyładowania iskrowe; Uszkadzanie struktury materiału i niszczenie wyrobów w efekcie silnie utleniającego działania reaktywnego tlenu in statu nascendi, z reguły towarzyszącego wyładowaniom iskrowym; Zaburzenia w funkcjonowaniu elektronicznych przyrządów pomiarowo-kontrolnych, aparatury diagnostycznej, systemów EPD (np. komputerów), aparatury teletransmisyjnej oraz urządzeń sterujących i regulacyjnych (uszkadzanie i niszczenie elementów mikroelektroniki, zakłócenia w odbiorze i przetwarzaniu sygnałów, błędne wskazania przyrządów) Poza zakłóceniami wpływającymi na zmniejszenie wydajności procesu produkcji, zjawisko elektryczności statycznej wywołuje często obniżenie jakości oraz skrócenie żywotności wyrobów

28 ZAGROŻENIA / ZAKŁÓCENIA Efekty biologiczne Szkodliwe oddziaływania biologiczne elektryczności statycznej wynikają z wpływu na organizm człowieka stałych pól elektrycznych i powstających w nich wyładowań. Efekty te nie zostały dotychczas dostatecznie rozpoznane. Wiadomo jednak, że nie są one dla organizmu człowieka obojętne. Człowiek najczęściej odczuwa tylko bezpośrednie skutki wyładowań elektrostatycznych, przejawiające się jako mniej lub bardziej dotkliwe rażenie prądem elektrycznym, od lekkiego ukłucia do dość silnego wstrząsu. Pomimo znacznych różnic potencjałów, sięgających niekiedy dziesiątek kilowoltów, wyładowania takie z reguły nie wywołują żadnych szkodliwych następstw w organizmie człowieka, ani też urazów ciała, ze względu na bardzo małe natężenia prądu. Wyjątek stanowią sytuacje, gdy wyładowania odczuwane są w sposób ciągły, przy czym atakują one stale ten sam obszar ciała. Silne wyładowania, powstające z reguły przy obsłudze większości maszyn, przeznaczonych do przetwórstwa tworzyw sztucznych, gumy, włókien syntetycznych itp. oraz przy operowaniu takimi materiałami (np. rozwijanie rulonu folii) mogą wywołać u pracownika gwałtowny, niekontrolowany odruch bezwarunkowy, a w efekcie - spowodować nieszczęśliwy wypadek, jeżeli pracownik ten wykonuje czynności przy maszynie z ruchomymi lub ostrymi elementami (walce, koła zębate, noże itp.) lub pracuje na wysokości. Stwierdzono również, że długotrwałe oddziaływanie sił pola elektrostatycznego na organizm człowieka może wywołać zmiany w układzie krążenia oraz w układzie nerwowym, a także w obrazie morfologicznym krwi. W efekcie następuje pogorszenie się stanu zdrowia oraz obniżenie sprawności i wydajności pracy. Konstatacje te wymagają jednak potwierdzenia w gruntowniejszych badaniach

29 Mechanizm oddziaływania skutków elektryzacji na człowieka

30 Uwarunkowania stanu zagrożenia w środowisku pracy Zjawisko elektryczności statycznej wywołuje stan zagrożenia w przypadku jednoczesnego spełnienia przytoczonych warunków:

31 OCENA ZAGROŻEŃ Kryteria oceny (parametry decydujące o możliwości powstawania stanu zagrożenia) KRYTERIA OCENY ZAGROŻEŃ MOGĄ BYĆ ZARAZEM STOSOWANE DO OCENY SKUTECZNOŚCI OCHRONY ANTY(ELEKTRO)STATYCZNEJ Bazują one z reguły na granicznych, tzn. najwyższych lub najniższych dopuszczalnych wartościach parametrów, określających m. in.: Właściwości materiałów, na przykład mediów reakcyjnych i tworzywa konstrukcyjnego aparatury technologicznej (przewodność i przenikalność elektryczna, kształt, wymiary i in.); Właściwości otaczającego środowiska (wilgotność i temperatura powietrza, minimalna energia zapłonu gazów, par lub pyłów, tworzących mieszaninę wybuchową z powietrzem); Warunki przebiegu procesu technologicznego (np. temperatura i ciśnienie, prędkości przepływów cieczy, gazów lub aerozoli, prędkości przemieszczania materiałów na maszynach walcowych); Stopień naelektryzowania materiału / wyrobu / obiektu; Czas utrzymywania się stanu naelektryzowania; Energię wyładowań elektrostatycznych

32 OCENA ZAGROŻEŃ Podstawowe parametry charakteryzujące stan zagrożenia Podstawowe parametry, stosowane do prognozowania i oceny zagrożenia oraz skuteczności ochrony, to wielkości fizyczne charakteryzujące stopień naelektryzowania materiału, wyrobu lub obiektu oraz jego zdolność do odprowadzania (zaniku) ładunku Napięcie elektrostatyczne U [V] Natężenie pola elektrostatycznego E [V/m] Energia naładowania / wyładowania W n /W w [J] Opór elektryczny właściwy skrośny (rezystywność skrośna) v [Ω m] Opór elektryczny właściwy powierzchniowy (rezystywność powierzchniowa) s [Ω] Opór elektryczny upływu (rezystancja upływu) R u [Ω] Czas relaksacji ładunku elektrostatycznego [s]

33 OCENA ZAGROŻEŃ Typowa procedura stosowana do oceny i likwidacji zagrożeń wywoływanych zjawiskiem elektryczności statycznej

34 4. OCHRONA PRZED ELEKTRYCZNOŚCIĄ STATYCZNĄ (OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA) Zawiera POLSKA NORMA PN-E-05204:1994 ustanowiona w październiku 1994 r. ogólne i szczegółowe wymagania w zakresie: zasad organizacji i realizacji ochrony przed elektrycznością statyczną obiektów, instalacji i urządzeń technologicznych ze szczególnym uwzględnieniem stref zagrożenia wybuchem Obejmuje : Wymagania ochrony antyelektrostatycznej, dotyczące: Wyposażenia obiektów; Konstrukcji i warunków użytkowania urządzeń technologicznych; Warunków przebiegu procesu produkcji; Warunków magazynowania surowców i wyrobów; Transportu międzyoperacyjnego; Personelu produkcyjnego NORMA ZOSTANIE WYCOFANA PO IMPLEMENTACJI ODPOWIEDNICH UREGULOWAŃ UE Na razie brak adekwatnych dokumentów zamiennych

35 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM W ŚWIETLE PN-E-05204:1994 Podstawowe środki ochrony (1) których stosowanie w strefach zagrożenia wybuchem w każdym przypadku jest bezwzględnie konieczne, to: Tworzenie w instalacjach technologicznych układów ekwipotencjalnych przez wprowadzenie wspólnego systemu uziemień ochrony antyelektrostatycznej w odniesieniu do wszelkich elementów metalowych i elementów wykonanych z modyfikowanych materiałów niemetalowych o podwyższonej przewodności elektrycznej; Zapewnienie ochrony antyelektrostatycznej personelu zatrudnionego w strefach zagrożenia wybuchem (podłogi, ubrania i obuwie antyelektrostatyczne)

36 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM W ŚWIETLE PN-E-05204:1994 Podstawowe środki ochrony (2) Uziemienia części metalowych - Wymagania Połączenie elektryczne ( zmostkowanie ) i uziemienie wszelkich elementów metalowych urządzenia technologicznego, o pojemności elektrycznej w stosunku do ziemi C > 3 pf (strefy zagrożenia wybuchem 0 i 1 oraz zawsze, gdy operuje się materiałami o minimalnej energii zapłonu W z min 0,1 mj); Zmostkowanie i uziemienie wszelkich elementów metalowych, tworzących pojemność w stosunku do ziemi C > 10 pf, jeżeli urządzenia znajdują się w strefach zagrożenia wybuchem 2, 20, 21 i 22, w obecności mediów o W z min > 0,1 mj; Niezbędnym warunkiem skutecznego uziemienia jest zapewnienie: Ciągłości obwodów elektrycznych, Niezawodności kontaktów w miejscach połączeń elementów metalowych i przyłączeń przewodów uziemiających Rezystancji całkowitej sieci uziemiającej: R uz

37 SPOSÓB UZIEMIENIA ELEMENTÓW UKŁADU W CZASIE WPROWADZANIA MATERIAŁU SYPKIEGO DO ZBIORNIKA ZAWIERAJĄCEGO CIECZ PALNĄ (wszystkie elementy układu metalowe) wg: Beispielsammlung zu den Richtlinien Statische Elektrizität ; BG CHEMIE, Jedermann Verlag, Heidelberg 1988.

38 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM W ŚWIETLE PN-E-05204:1994 Podstawowe środki ochrony (3) Uziemienia elementów przewodzących niemetalowych - Wymagania Uziemienia wymagają przedmioty / wyroby, wykonane z materiałów o odpowiednio zmodyfikowanym składzie i/lub strukturze, w celu zwiększenia ich przewodności elektrycznej (np. wykładziny, okładziny, posadzki, materiały odzieżowe, opakowania itp.), których rezystywność elektryczna powierzchniowa ρ s nie przekracza Ω i/lub rezystywność elektryczna skrośna ρ v nie przekracza 10 8 Ω m ; Rezystancja upływu (rezystancja uziemienia) R u elementów wykonanych z materiału przewodzącego, nie metalowego, powinna spełniać warunek: R u

39 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM W ŚWIETLE PN-E-05204:1994 Podstawowe środki ochrony (4) Ochrona antyelektrostatyczna personelu - Wymagania Ochrona antyelektrostatyczna personelu jest realizowana w celu: Wyeliminowania zagrożenia wywołanego możliwością powstawania niebezpiecznych wyładowań elektrostatycznych z ciała człowieka; Ochrony człowieka przed skutkami powstawania pól i wyładowań elektrostatycznych Ochrona personelu ma szczególne znaczenie ze względu na ekstremalnie dużą energię wyładowań (do ok. 50 mj), pochodzących z naelektryzowanego ciała człowieka

40 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM W ŚWIETLE PN-E-05204:1994 Podstawowe środki ochrony (5) Ochrona antyelektrostatyczna personelu - Wymagania Skuteczną ochronę zapewniają: Przewodząca lub nieelektryzująca się odzież oraz środki ochrony indywidualnej; Zakaz zakładania i zdejmowania ubrań w strefach zagrożenia wybuchem; Podłoga i obuwie o rezystancji elektrycznej upływu R u ; Unikanie wykonywania czynności mogących wywołać naelektryzowanie zewnętrznych powierzchni materiału noszonych ubrań i środków ochrony osobistej (omiatanie, strzepywanie, ocieranie się o powierzchnię mebli i innych przedmiotów znajdujących się w otoczeniu człowieka)

41 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM W ŚWIETLE PN-E-05204:1994 Ogólne środki ochrony (1) Następujące środki ochrony przed elektrycznością statyczną powinny być stosowane zawsze, jeżeli jest to możliwe i dopuszczalne Unikanie stosowania nieprzewodzących materiałów konstrukcyjnych; Utrzymywanie podwyższonej wilgotności powietrza (pożądane min. 50 %); Zmniejszanie intensywności procesów i operacji technologicznych (np. - zmniejszanie prędkości grawitacyjnego lub wymuszonego przemieszczania cieczy, gazów i materiałów stałych, zmniejszanie ilości przelewanej jednorazowo cieczy lub przesypywanego materiału, spowolnienie wszelkich wykonywanych czynności, unikanie rozbryzgiwania cieczy lub pylenia się materiału sypkiego, ograniczenie powierzchni wzajemnego kontaktu materiałów oraz występującego między nimi tarcia); Unikanie obecności w cieczy cząstek stałych lub pęcherzyków gazu, a w mediach gazowych cząstek stałych lub ciekłych

42 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM W ŚWIETLE PN-E-05204:1994 Ogólne środki ochrony (2) Unikanie stosowania nieprzewodzących materiałów konstrukcyjnych Aparatura technologiczna stosowana w strefie EX, w miarę możliwości, powinna być metalowa Skuteczną ochronę w danych warunkach zapewnia także użycie odpowiednio zmodyfikowanych, niemetalowych materiałów konstrukcyjnych, wykazujących rezystywność elektryczną: skrośną i/lub powierzchniową ρ v 10 8 Ω m ρ s Ω

43 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM W ŚWIETLE PN-E-05204:1994 Ogólne środki ochrony (3) Zwiększanie wilgotności powietrza Wzrost wilgotności powietrza wpływa na zwiększenie przewodności elektrycznej materiałów i przyspiesza zanik stanu naelektryzowania; Każde zwiększenie wilgotności powietrza jest korzystne; Wilgotność powietrza należy utrzymywać możliwie najwyższą tzn. technicznie osiągalną w danych warunkach i zarazem dopuszczalną przez technologię procesu; Pożądane jest utrzymanie wilgotności względnej powietrza powyżej 60%

44 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM W ŚWIETLE PN-E-05204:1994 Ogólne środki ochrony (4) Optymalizacja procedur technologicznych Wykonywanie operacji / czynności technologicznych w sposób minimalizujący elektryzację; np. zmniejszanie ilości przelewanej jednorazowo cieczy lub przesypywanego materiału, spowalnianie wykonywanych czynności, unikanie rozbryzgiwania cieczy lub pylenia się materiału, ograniczanie powierzchni kontaktu materiałów oraz występującego między nimi tarcia, zmniejszanie prędkości przepływów i przemieszczania mediów) Ograniczanie zawartości zanieczyszczeń, zwłaszcza cieczy i gazów

45 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM W ŚWIETLE PN-E-05204:1994 Szczególne środki ochrony (1) Szczególne środki ochrony przed elektrycznością statyczną nie mają z reguły uniwersalnych zastosowań. Są one jednak przydatne do efektywnego zapobiegania niebezpiecznym skutkom elektryzacji w niektórych procesach i urządzeniach technologicznych Są to m. in. następujące metody: Dobór materiałów konstrukcyjnych ścian aparatury technologicznej, zmniejszających elektryzację stykających się z nimi mediów ciekłych lub sypkich; Ograniczanie gabarytów (pole powierzchni, średnica, grubość) elementów w aparaturze technologicznej, wykonanych z tworzyw nieprzewodzących; Stosowanie stref relaksacji ładunku (spowolnienia przepływu liniowego) w rurociągach przesyłowych, zwłaszcza do cieczy i gazów; Stosowanie środków anty(elektro)statycznych do preparacji powierzchniowej (materiały stałe) lub jako domieszek (materiały stałe i ciecze); Wykorzystanie efektu jonizacji powietrza do neutralizacji ładunku elektrostatycznego

46 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM Szczególne środki ochrony (2) Optymalizacja konstrukcji urządzeń technologicznych i parametrów przebiegu procesu w celu zmniejszenia zachodzącej w nim elektryzacji Dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych; Ustalenie optymalnej wielkości i ukształtowania elementów urządzeń wywołujących elektryzację (np. średnicy przewodów rurowych lub walców prowadzących); Odpowiednie rozmieszczenie (geometria układu) elementów; Stosowny dobór parametrów procesu technologicznego (ciśnienie, temperatura, szybkość przemieszczania mediów itp.)

47 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM Szczególne środki ochrony (3) Ograniczanie gabarytów elementów Wykonanych z materiału nieprzewodzącego (pole powierzchni, grubość powłoki izolacyjnej na powierzchni metalowej, średnica pręta lub rury) Idea metody polega na ograniczeniu odpowiedniego gabarytu do takiej wielkości, aby przy założeniu najwyższej wartości osiągalnego w praktyce stopnia naelektryzowania (np. maksymalnej gęstości powierzchniowej ładunku) wyładowanie elektrostatyczne z powierzchni danego elementu nie miało zdolności zapłonowej

48 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM Na przykład: Szczególne środki ochrony (4) Skuteczną ochronę przed szczególnie niebezpiecznymi wyładowaniami snopiastymi rozprzestrzeniającymi się (propagacyjnymi) zapewnia spełnienie następujących warunków: Rezystancja skrośna warstwy materiału izolacyjnego (dielektryka) R iz 10 9 ; Wytrzymałość na przebicie warstwy izolacyjnej U 4 kv (wg EN ) Grubość warstwy materiału izolacyjnego (ścianki lub powłoki) d 8 mm

49 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM Szczególne środki ochrony (5) Stosowanie materiałów / wyrobów anty(elektro)statycznych Materiał anty(elektro)statyczny - to materiał o odpowiednio zmodyfikowanym składzie i/lub strukturze, w celu obniżenia jego zdolności do elektryzowania się i/lub zwiększenia ich przewodności elektrycznej (na przykład wykładziny, okładziny, posadzki, materiały odzieżowe, materiały konstrukcyjne, opakowania itp.); Materiał / wyrób anty(elektro)statyczny nie ulega niebezpiecznemu naelektryzowaniu w warunkach jego użytkowania; Rezystancja upływu (rezystancja uziemienia) elementów wykonanych z materiału przewodzącego, niemetalowego, powinna spełniać warunek: R u Określone efekty uzyskuje się m.in. przez zabieg tzw. antystatyzacji

50 OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM Szczególne środki ochrony (6) Zabieg antystatyzacji Cel zabiegu: Obniżenie zdolności elektryzowania się materiału / wyrobu do poziomu uznawanego w danych warunkach za bezpieczny (ryzyko tolerowane), przy zastosowaniu substancji chemicznych o specyficznych właściwościach

51 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (7) Zabieg antystatyzacji PREPARATY / ŚRODKI ANTY(ELEKTRO)STATYCZNE SUBSTANCJE CHEMICZNE, KTÓRYCH UŻYCIE W CHARAKTERZE DOMIESZKI DO MATERIAŁU LUB PREPARACJI POWIERZCHNIOWEJ WYWOŁUJE ZMNIEJSZENIE ZDOLNOŚCI TEGO MATERIAŁU DO OSIĄGANIA I UTRZYMYWANIA STANU NAELEKTRYZOWANIA ŚRODKI WYKAZUJĄCE DZIAŁANIE, KTÓREGO EFEKTEM DOMINIUJĄCYM JEST ZWIĘKSZENIE PRZEWODNOŚCI ELEKTRYCZNEJ MATERIAŁU, A ZARAZEM SKRÓCENIE CZASU ZACHOWYWANIA PRZEZEŃ STANU NAELEKTRYZOWANIA ŚRODKI WYKAZUJĄCE DZIAŁANIE, KTÓREGO EFEKTEM DOMINIUJĄCYM JEST OGRANICZENIE ZDOLNOŚCI MATERIAŁU DO ELEKTRYZOWANIA SIĘ Proste związki chemiczne: organiczne i nieorganiczne sole higroskopijne, różne substancje o charakterze elektrolitycznym, środki przewodzące. Klasyczne anty(elektro)statyki: związki chemiczne lub ich mieszaniny o stosunkowo złożonej budowie i wielostronnym działaniu.

52 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (8) Zabieg antystatyzacji MECHANIZM DZIAŁANIA PREPARATU ANTY(ELEKTRO)STATYCZNEGO NA PRZYKŁADZIE SOLI SODOWEJ KWASU LAURYLOWEGO (środek powierzchniowo czynny anionowy) wg M. Bühlera; TEXTIL-PRAXIS XI-XII Model cząsteczki laurynianu sodowego C 12 H 25 COONa CZĘŚĆ HYDROFOBOWA (wydłużony łańcuch alifatycznej reszty kwasowej) CZĘŚĆ HYDROFILOWA (polarna grupa karboksylowa z kationem sodu ulegającym dysocjacji)

53 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (9) Zabieg antystatyzacji MECHANIZM DZIAŁANIA PREPARATU ANTY(ELEKTRO)STATYCZNEGO NA PRZYKŁADZIE SOLI SODOWEJ KWASU LAURYLOWEGO (środek powierzchniowo czynny anionowy) wg M. Bühlera; TEXTIL-PRAXIS XI-XII Zachowanie się laurynianu sodowego w roztworze wodnym a) układ (orientacja) cząsteczek przy mniejszym stężeniu preparatu b) układ (orientacja) cząsteczek przy 2-krotnie większym stężeniu preparatu a) b)

54 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (10) Zabieg antystatyzacji MECHANIZM DZIAŁANIA PREPARATU ANTY(ELEKTRO)STATYCZNEGO NA PRZYKŁADZIE SOLI SODOWEJ KWASU LAURYLOWEGO (środek powierzchniowo czynny anionowy) wg M. Bühlera; TEXTIL-PRAXIS XI-XII Zachowanie się cząsteczek laurynianu sodowego wobec fazy stałej (materiał ziarnisty M), wprowadzonej do wodnego roztworu preparatu

55 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (11) Zabieg antystatyzacji MECHANIZM DZIAŁANIA PREPARATU ANTY(ELEKTRO)STATYCZNEGO NA PRZYKŁADZIE SOLI SODOWEJ KWASU LAURYLOWEGO (środek powierzchniowo czynny anionowy) wg M. Bühlera; TEXTIL-PRAXIS XI-XII Zachowanie orientacji cząsteczek antystatyku względem powierzchni materiału po odsączeniu roztworu i wysuszeniu materiału (A i B). I - bez zastosowania preparacji antystatycznej, II - po zastosowaniu preparacji antystatycznej A A B I B II d > d 0

56 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (12) Zabieg antystatyzacji PODSTAWOWE CZYNNIKI WPŁYWAJACE NA EFEKT ANTYSTATYCZNY UZYSKIWANY PRZY ZASTOSOWANIU ŚRODKÓW POWIERZCHNIOWO CZYNNYCH: Zmiana właściwości fizyko-chemicznych powierzchni materiału, a tym samym - zmiana warunków kontaktu, w szczególności zmniejszenie tarcia między cząsteczkami materiału; Zwiększenie odległości między powierzchniami stykających się materiałów, a tym samym utrudnienie przemieszczania się między nimi nośników ładunków i zwiększenie ich pracy wyjścia; Zwiększenie przenikalności elektrycznej środowiska między powierzchniami zetkniętych materiałów, a tym samym - zwiększenie pojemności elektrycznej danego układu oraz zmniejszenie natężenia pola elektrostatycznego, wytwarzanego w przestrzeni granicznej

57 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (13) Zwiększanie pojemności elektrycznej obiektów przewodzących odizolowanych od ziemi Obiekty przewodzące odizolowane od ziemi, to np.: wózki z metalowym nadwoziem na kołach z tworzywa izolacyjnego, ciało człowieka chodzącego w nieprzewodzącym obuwiu, pojemniki metalowe ustawione na nieprzewodzącym podkładzie. Przy danym ustalonym stopniu naelektryzowania obiektu (wartość ładunku elektrostatycznego Q = const.) na wytworzone napięcie (U) wpływa pojemność elektryczna danego obiektu (C), zgodnie z zależnością: U = Q/C Wzrost pojemności (C) uzyskuje się przez zwiększenie przewodności elektrycznej materiału oddzielającego rozpatrywany obiekt od ziemi (np. w efekcie obniżenia rezystywności materiału posadzki, spodów obuwia, ogumienia kół, podkładek, uszczelek itp.)

58 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (14) Zapewnienie warunków dla relaksacji ładunku Stworzenie warunków umożliwiających szybki zanik wytworzonego ładunku elektrostatycznego w efekcie odpowiedniego wydłużenia czasu przebywania naelektryzowanego materiału wewnątrz aparatu technologicznego, np. przez: Rozszerzenie fragmentu rurociągu przesyłowego z cieczą, gazem lub materiałem sypkim w strefie poprzedzającej wprowadzenie transportowanego medium do zbiornika; Stosowanie wymaganych przerw między wykonywaniem kolejnych operacji technologicznych Efektywny czas relaksacji ładunku wynosi: gdzie: e 0 = 8, F/m, e r względna przenikalność elektryczna materiału, v rezystywność elektryczna skrośna materiału r = 5e 0 e r v Za wystarczający uważa się na ogół czas relaksacji r = 10 min

59 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (15) Jonizacja powietrza Ruchliwe jony gazowe, tzn. naładowane dodatnio lub ujemnie cząsteczki gazów zawartych w powietrzu, umożliwiają efektywną neutralizację ładunku elektrostatycznego o przeciwnym znaku; Jony gazowe wytwarzane są najczęściej pod wpływem emisji promieniowania jądrowego (zwłaszcza i w mniejszej mierze ) lub w efekcie elektrycznych wyładowań niezupełnych; Efekt jonizacyjny może być wywoływany w pobliżu powierzchni naelektryzowanego materiału lub też zjonizowane powietrze może być kierowane do strefy powstawania ładunku elektrostatycznego z pewnej odległości, przez nadmuch. Urządzenia techniczne, wyzyskujące zjawisko jonizacji powietrza do zobojętniania (neutralizacji) ładunku elektrostatycznego, noszą nazwę: jonizatorów, eliminatorów lub neutralizatorów ładunku elektrostatycznego

60 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (16) Mechanizm działania indukcyjnych (a) i wysokonapięciowych (b) neutralizatorów ładunku elektrostatycznego Oznaczenia: I 2 > I 1 I z materiał izolacyjny; E elektrody jonizujące (igłowe); ZWN zasilacz wysokiego napięcia stałego (- 5 kv) Uwaga: Przy ładunku ujemnym Q - - mechanizm działania neutralizatora jest analogiczny, ale kierunek ruchu jonów - odwrotny

61 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (17) Mechanizm działania radioizotopowych neutralizatorów ładunku elektrostatycznego Cechy charakterystyczne: Jonizacja bipolarna; efektywność neutralizacji ładunku dodatniego i ujemnego jest porównywalna; Natężenie prądu jonowego zależne od aktywności źródła promieniowania Oznaczenia: I z R materiał izolacyjny; źródło promieniowania lub (warstwa materiału radioaktywnego na bazie Po-210, Pu-239, Sr-90, Tl-204 i in)

62 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (18) Mechanizm działania wysokonapięciowych (WJP) I radioizotopowych jonizatorów powietrza (RJP) (dmuchawy zjonizowanego powietrza) Oznaczenia: S silnik (dmuchawa); O naelektryzowany obiekt; R źródła promieniowania; I elementy jonizujące (igły) Strzałki wskazują kierunek przepływu powietrza

63 SZCZEGÓLNE ŚRODKI OCHRONY ANTYELEKTROSTATYCZNEJ (19) Ekranowanie pól elektrostatycznych Uziemione ekrany metalowe ciągłe (płyta) lub ażurowe (np. siatka) należy stosować na stanowiskach obsługi urządzeń technologicznych w przypadku, jeżeli natężenie pola elektrostatycznego w danej strefie przekracza wartość: V/m Cel: - Zapobieganie indukowaniu się ładunku na ciele pracownika i na elementach (obiektach) przewodzących, odizolowanych od ziemi; - Zapobieganie oddziaływaniu pola na systemy elektroniczne

64 OCHRONA PRZED ELEKTRYCZNOŚCIĄ STATYCZNĄ IDEA PROCEDURY PRZECIWDZIAŁANIA ZAPŁONOWI WYWOŁANEMU PRZEZ WYŁADOWANIE ELEKTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ

65 OCHRONA PRZED ELEKTRYCZNOŚCIĄ STATYCZNĄ Niektóre wymagania ochrony antyelektrostatycznej (wg PN-E do PN-E-05205)

66 5. ELEKTRYCZNOŚĆ STATYCZNA W STREFACH ZAGROŻENIA WYBUCHEM Analiza przyczynowo skutkowa wybranych zdarzeń wypadkowych OKOLICZNOŚCI POŻARÓW / WYBUCHÓW WYWOŁYWANYCH W PRAKTYCE WYŁADOWANIAMI ELEKTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ (wybrane przykłady)

67 WYŁADOWANIE ELEKTROSTATYCZNE POWSTAJĄCE W CZASIE PRZEMIESZCZANIA TAŚMY Z MATERIAŁU NIE PRZEWODZĄCEGO ZA POMOCĄ METALOWYCH WALCÓW PROWADZĄCYCH (POWLEKARKI, DRUKARKI itp.); F folia, tkanina, papier itp., W metalowe walce prowadzące, M korpus maszyny, P/ D strefa powlekania / druku

68 WYŁADOWANIE ELEKTROSTATYCZNE W INSTALACJI TRANSPORTU PNEUMATYCZNEGO Z SYPKIM MATERIAŁEM PALNYM; Przewód rurowy (M) z naprzemiennie usytuowanymi odcinkami metalowymi oraz łącznikami rękawowymi (R) z elastycznego tworzywa sztucznego

69 MOŻLIWOŚĆ WYWOŁANIA WYBUCHU AEROZOLU SUBSTANCJI PALNEJ PRZEZ WYŁADOWANIE ELEKTROSTATYCZNE POWSTAJĄCE PODCZAS STOSOWANIA URZĄDZEŃ NATRYSKOWYCH LUB ROZPYLAJĄCYCH 1) Wyładowanie z naelektryzowanej chmury aerozolu. Zdarzenie możliwe w przypadku stosowania urządzeń rozpylających, sterowanych zdalnie, wytwarzających chmurę aerozolu pod dużym ciśnieniem fazy nośnej gazowej (w szczególności powietrza) 2) wyładowanie z izolowanego korpusu urządzenia; sytuacja dotyczy głównie urządzeń obsługiwanych ręcznie

70 WYŁADOWANIA ELEKTROSTATYCZNE POWSTAJĄCE PRZY NIENALEŻYCIE UZIEMIONYCH URZĄDZENIACH DO PRZESIEWANIA MATERIAŁÓW PALNYCH / WYBUCHOWYCH; S sito, O odbieralnik materiału, P podkład z materiału izolacyjnego

71 WYŁADOWANIE ELEKTROSTATYCZNE POWSTAJĄCE MIĘDZY IZOLOWANĄ SIATKĄ SITA A JEGO UZIEMIONĄ OBUDOWĄ; (Przesiewanie substancji organicznej o dużym stopniu rozdrobnienia); S sito trzęsakowe (zespół), I tworzywo izolacyjne, w którym osadzono metalową siatkę sita

72 WYŁADOWANIE ELEKTROSTATYCZNE MIĘDZY IZOLOWANYM POJEMNIKIEM Z NAELEKTRYZOWANĄ CIECZĄ PALNĄ A CIAŁEM OPERATORA UZIEMIONYM PRZEZ KONTAKT Z APARATEM TECHNOLOGICZNYM; Napełnianie cieczą pojemnika metalowego ustawionego na palecie drewnianej (ciecz spływa grawitacyjnie z zawieszonego zbiornika międzyoperacyjnego); ZB zbiornik metalowy, P pojemnik metalowy, I podest z materiału izolacyjnego

73 MOŻLIWOŚĆ POWSTAWANIA WYŁADOWAŃ ELEKTROSTATYCZNYCH W ZBIORNIKACH ZAWIERAJĄCYCH NAELEKTRYZOWANĄ CIECZ; A między uziemionym próbnikiem a lustrem cieczy lub między izolowanym próbnikiem (naładowanym przez indukcję) a krawędzią króćca uziemionego zbiornika; B między krawędzią uziemionego przewodu rurowego (przepust do pomiaru poziomu), a lustrem naelektryzowanej cieczy, znajdującej się poniżej wylotu tego przewodu

74 WYŁADOWANIE ELEKTROSTATYCZNE MIĘDZY CIAŁEM CZŁOWIEKA NAELEKTRYZOWANYM W KONTAKCIE Z SIEDZENIEM SAMOCHODU A METALOWYM PISTOLETEM URZĄDZENIA DO NALEWANIA PALIWA

75 WYBUCH MIESZANINY GAZU ŚWIETLNEGO Z POWIETRZEM, WYWOŁANY WYŁADOWANIEM ELEKTROSTATYCZNYM Z CIAŁA CZŁOWIEKA

76 NIEKONTROLOWANE POBUDZENIE ZAPALNIKA ELEKTRYCZNEGO W EFEKCIE PRZEPŁYWU PRĄDU PRZEZ MOSTEK ŻAROWY, SPOWODOWANEGO RÓŻNICĄ POTENCJAŁÓW MIĘDZY CIAŁEM CZŁOWIEKA NAELEKTRYZOWANYM W KONTAKCIE Z SIEDZENIEM KRZESŁA, A KOŃCÓWKĄ PRZEWODU ZETKNIĘTĄ Z UZIEMIONYM BLATEM METALOWYM STOŁU MONTAŻOWEGO; MONTAŻ ZAPALNIKÓW ELEKTRYCZNYCH (ELEKTRODETONATORÓW)

77 WYŁADOWANIE ELEKTROSTATYCZNE MIĘDZY WYKŁADZINĄ METALOWĄ (M) SKRZYNI DREWNIANEJ (D) A CIAŁEM CZŁOWIEKA OPRÓŻNIAJĄCEGO OPAKOWANIE (O) WYKONANE Z TWORZYWA SZTUCZNEGO NAPEŁNIANIE MIESZANINĄ PIROTECHNICZNĄ (PRZEZ ZASYP) SKRZYŃ DREWNIANYCH, WYŁOŻONYCH BLACHĄ

78 WYŁADOWANIE ELEKTROSTATYCZNE Z CIAŁA OPERATORA, OPRÓŻNIAJĄCEGO OPAKOWANIE Z MATERIAŁEM SYPKIM (S) DO MIESZALNIKA (M), ZAWIERAJĄCEGO CIECZ ŁATWOZAPALNĄ (C);

79 EKSPLOZJA SPOWODOWANA WYŁADOWANIEM Z CIAŁA CZŁOWIEKA NAELEKTRYZOWANEGO W EFEKCIE GWAŁTOWNEGO WYPŁYWU STRUMIENIA GAZU PALNEGO POD CIŚNIENIEM (USZKODZENIE ZAWORU BUTLI)

80 ZAPŁON PAR BENZYNY W WYNIKU WYŁADOWANIA ELEKTROSTATYCZNEGO MIĘDZY NAELEKTRYZOWANYM CIAŁEM OPERATORA (INDUKCJA, ROZBRYZG CIECZY) A UZIEMIONYM ELEMENTEM URZĄDZENIA NALEWOWEGO W CZASIE NAPEŁNIANIA CYSTERN KOLEJOWYCH

81 6. DYREKTYWY ATEX A OCHRONA ANTYELEKTROSTATYCZNA ATEX = ATMOSPHERE EXPLOSIBLE = ATMOSFERA WYBUCHOWA PROBLEMATYKA OCHRONY PRZED ELEKTRYCZNOŚCIĄ STATYCZNĄ w Dyrektywach 94/9/WE (ATEX 100a) oraz 1999/92/WE (ATEX 137) - potraktowana w sposób ogólnikowy Odpowiednie zapisy sprowadzają się w zasadzie do stwierdzenia, że: potencjalne zagrożenie wybuchem ze strony wyładowań elektrostatycznych należy zidentyfikować oraz przedsięwziąć odpowiednie środki zaradcze

82 K O N K L U Z J A : DYREKTYWY UNII EUROPEJSKIEJ ATEX - 94/9/WE (ATEX 100a) i 199/92/WE (ATEX 137) uznają wyładowanie elektryczności statycznej za jedno z potencjalnych źródeł zapłonu atmosfer wybuchowych oraz obligują użytkownika urządzeń technologicznych do podejmowania niezbędnych działań w zakresie oceny prawdopodobieństwa uaktywnienia się danego źródła stosowania środków ograniczających określone zagrożenie Wymaganie to dotyczy wszelkich instalacji technologicznych z mediami palnymi

83 DOKUMENT ZABEZPIECZENIA PRZED WYBUCHEM Rozporządzenie wprowadzające Dyrektywę ATEX 137 zobowiązuje pracodawcę do opracowania DOKUMENTU ZABEZPIECZENIA PRZED WYBUCHEM, który powinien zawierać: Informację o identyfikacji atmosfer wybuchowych i ocenę ryzyka wystąpienia wybuchu; Informacje o podjętych odpowiednich środkach zapobiegających wystąpieniu zagrożeń wybuchem, sporządzone w formie zestawienia; Wykaz miejsc pracy zagrożonych wybuchem wraz z ich klasyfikacją; Deklarację, że stanowiska pracy i narzędzia pracy, a także urządzenia zabezpieczające i alarmujące, są zaprojektowane, używane i konserwowane z uwzględnieniem zasad bezpieczeństwa. W świetle prezentowanych informacji, istnieje wystarczająca baza danych do opracowania Dokumentu Zabezpieczenia przed Wybuchem, biorąc pod uwagę jako potencjalne źródło zapłonu wyładowanie elektryczności statycznej. Podstawę formalną realizacji ochrony antyelektrostatycznej powinny stanowić stosowne rozporządzenia jednostek centralnych, wynikające z wprowadzenia Dyrektyw ATEX, a źródło odpowiednich informacji merytorycznych - pakiet przedmiotowych Polskich Norm.