Защита взрывоопасных установок от разрядов статического электричества

Введение

Большинство процессов производства во взрывоопасной промышленности сталкиваются с таким явлением как статическая электризация. При трении диэлектриков о металл или трении двух диэлектриков друг об друга, образуется статическое электричество. Электрические заряды, при этом, накапливаются на их поверхностях. При большом накоплении таких зарядов создаются электрические разряды, которые имеют искры. Если помещение относится к разряду взрывоопасных, там могут возникнуть взрывы и пожары. Так же можно сказать, что статическое электричество является одной из основных причин усиления коррозии металла и оказывается отрицательное влияние на организм человека. Все мероприятия по ограничению образования и накопления зарядов статического электричества на любом взрывоопасном предприятии разрабатывают в соответствии с «Правилами защиты от проявлений статического электричества на предприятиях и в организациях газовой промышленности».
При транспортировке сжиженного и природного газов по трубопроводам, резиновым шлангам и других работах связанных с газом, так же создаются заряды статического электричества. Если человек носит одежду из синтетической ткани, то такие заряды могут накапливаться прямо на теле человека.
К основным способам предупреждения разрядов такого электричества относятся: ионизация среды; уменьшение скорости движения газов или жидкостей по трубопроводам; установка заземлений; увеличение поверхностной проводимости жидкостей. Основным способом предупреждения возникновения статического электричества для оборудования, коммуникаций и емкостей, в которых возникает статическое электричество при движении по ним газов или жидкостей является заземление. Исходя из действующей нормативно-технической документации существует необходимость в заземлении всех металлических конструкций машин и аппаратов, резервуаров, трубопроводов, сливно-наливных устройств итак далее. Местоположение конструкций не имеет значения. Заземляться должны как конструкции находящиеся внутри помещения, так и те что находятся вне его и предназначенные для хранения горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей.
Все оборудование (трубопроводы, аппараты, непосредственно само оборудование) должны присоединяться к заземляющим устройствам, как непрерывная электрическая сеть. При этом не будет необходимости в установке специальных шунтирующих перемычек, так как фланцевые соединения будут создавать достаточные для электрической проводимости контакты. Если установки находятся в среде повышенной агрессивности, то места присоединения защитного заземления необходимо защитить от коррозии.
Заземление в двух местах и более должно присутствовать если резервуар вместимостью более 50м3. Резервуары не должны иметь поплавковых измерителей уровня, потому что на поплавке может возникнуть искровой разряд. Это происходит в случае приближения поплавка к стенке резервуара в результате накопления статического электричества.
Так же к заземлению должны присоединяться автоцистерны и наливные суда, пред тем как будет произведен слив или налив в них жидкостей подверженных горению или сжиженых газов. Для того чтобы убрать статическое электричество во время передвижений, автоцистерны должны быть оборудованы постоянным заземлением, которое имеет вид металлической цепочки, касающейся дорожного покрытия.
Еще статическое электричество имеет свойство образовываться в резиновых рукавах, при сливе по ним конденсата. Для того чтобы исключить заряды этого электричества используют цветные наконечники из металла, присоединенные к корпусу цистерны через тросики или спирали рукавов. Эти наконечники надевают на рукава.
Наливать конденсат свободно падающей струей в емкости нельзя. Наливная труба при этом опускается до дна наполняемого сосуда, направление струи должно быть вдоль стенки сосуда.
Для защиты от статического электричества заземляющие устройства должны иметь сопротивление не более 10 ом. Это связано с тем, что при статической электризации разрядные токи достаточно малы.
Для устранения статической электризации у диэлектриков увеличивают их поверхностную проводимость. Достигается это повышением относительной влажности воздуха и применением антистатических примесей. Все мы знаем, что если относительная влажность воздуха достаточно высока, то на поверхности электризующихся материалов адсорбируется пленка влаги. Как правило, она должна содержать достаточное количество ионов, которые возникают из загрязнений и растворенных веществ. Именно в связи с этим и увеличивается поверхностная проводимость веществ. Тогда образовывающиеся заряды стекают и нейтрализуются. Для того чтобы этого достичь, влажность воздуха должна быть не ниже 70%, но в некоторых определенных случаях и при конкретных условиях она должна быть изменена. Это зависит от таких факторов как: влажность воздуха; скорость его перемещения; температура обрабатываемого материала и так далее. Поверхностная пленка с достаточной электрической проводимостью (будь то временная или постоянная) возникает при нанесении электропроводящих веществе на поверхность диэлектрика. Её наносят путем разбрызгивания, распыления или растворения металла в вакууме и другими подобными методами. Для достижения необходимой поверхностной проходимости лучшими для применения считаются окиси олова и хлорида олова. Так же можно применить полупроводниковые керамические покрытия, которые имеют достаточно высокую и устойчивую проводимость.


Защита взрывоопасных установок от разрядов статического электричества.
Появление статического электричества далеко не самый простой процесс. Он зависит от многих факторов. На данный момент еще никто не вывел такой теории, которая могла бы объяснить это явление целиком и полностью. Широкое распространение получила теория о контактной электризации материалов и веществ. Исходя из этой гипотезы, электризация происходит в случае соприкосновения двух веществ разного рода. Эти вещества должны обладать разными атомными и молекулярными силами притяжения на поверхности соприкосновения. Обязательно одно из веществ должно являться диэлектриком, тогда электроны или ионы веществ перераспределяются и образуют двойной электрический слой с зарядами противоположных знаков.
Если на поверхности веществ находятся загрязнения или они имеют различную температуру тел или на них оказывают влияние другие факторы, возможно образование двойных электрических слоев и у веществ одинакового диэлектрического материала. Если тело находится в контакте с двойным электрическим слоем на границе раздела, то оно остается нейтральным. Это значит, что заряд системы будет равен нулю. Произойдет это только в том случае, если тело не несло избыточного заряда до соприкосновения. Плотность заряда возникшего двойного электрического слоя будет равна плотности заряда каждого из контактирующих тел. Заряды взаимодействующих тел будут иметь противоположные знаки. Если во время того как заряд разрушится между телами будет небольшое время релаксации зарядов, то они останутся на поверхности тел после разделения.
Для того чтобы оценить наэлектризованность заряда используют удельную поверхностную (если диэлектрики твердые) или объемную (если они жидкие или сыпучие) плотность заряда, иногда удельный заряд, приходящийся на единицу длины. Силовое воздействие друг на друга оказывают наэлектризованные тела (или их участки), имеющие заряды статического электричества. В пространстве, которое их окружает, появляется электрическое поле. Его действие обнаруживается (проявляется), только при погружении в него нейтральных и заряженных предметов. Потенциалы отдельных точек электрического поля и его напряженность считаются основными параметрами, которые характеризуют электрическое поле зарядов.
Контактная разность потенциалов зависит от диэлектрических свойств соприкасающихся материалов, их физического состояния, величины давления поверхностей друг на друга, а также от влажности, температуры поверхности и окружающей среды и не бывает одинаковой. Если поверхности с возникшей контактной электризацией разделить, то заряд каждой из них будет сохранен, а контактная разность потенциалов между поверхностями, по мере уменьшения, может достигать десятков и сотен киловольт. Этим можно объяснить встречающиеся во взрывоопасном производстве высокие потенциалы. В процессе проведения экспериментов, так же было установлено, что из двух трущихся веществ, то у которого диэлектрическая проницаемость больше, заряжается положительно. Заряды не будут возникать в том случае, если у обоих веществ одинаковая диэлектрическая проницаемость.
При статической электризации, токи обычно достаточно малы и составляют всего несколько микроампер или даже меньше. При протекании к цистернам бензина по трубопроводу, ток оказывается пропорционален скорости течения бензина и при измерении составляет от 1 до 10 мкА.
Гипотеза о контактной разности потенциалов не может дать количественной, а иногда и качественной оценки процесса электризации. Не смотря на это, имеются и другие гипотезы, в которых образование двойного электрического слоя объясняется поверхностной ориентацией нейтральных молекул, содержащих электрические диполи, пьезоэлектрическими явлениями, трением или образованием электролита на контактирующих поверхностях и так далее

. Исходя из этого, можем сказать, что при статической электризации наблюдаются не до конца изученные на данный момент процессы. Поэтому, чтобы исключить негативное воздействие статического электричества в определенных условиях и процессах необходимо проводить экспериментальные исследования и проверять целесообразность применения уже предложенных мер защиты.
Способы устранения опасности статического электричества.
Статическое электричество на обычном производстве требуется разработки мер защиты только в том случае, если оказывает отрицательное воздействие на качество продукции, технологический процесс или несет опасность для обслуживающего персонала. Но во взрывоопасном и пожароопасном производствах, с наличием зон классов В-I, В-Iа, В-II, B-IIa, П-I и П-II и применением веществ с удельным объемным электрическим сопротивлением выше 105 Омм, защита от статического электричества должна осуществляться в обязательном порядке. Особой эффективностью и частотой применения отличаются несколько способов защиты от статического электричества. Рассмотрим их подробнее.
Заземление.
Цель заземления-не допустит формирование электрических разрядов на проводящих элементах оборудования. Именно в связи с этим, все оборудование и его проводящие части должны быть заземлены, не смотря на то, применяются ли другие меры защиты от статического электричества. Следуя закону электростатической индукции, заземлены должны быть абсолютно все части оборудования, а не только те, что участвуют в генерировании. Чаще всего именно индуцированные заряды несут большую опасность, чем те, которые явились причиной их появления.
Если оборудование состоит из проводящих электрический ток материалов, то наличие заземления считается достаточным средством защиты от статического электричества. Но в случае, если на оборудовании имеется отложение непроводящих веществ (осадки, смолы, пленки), заземление только создает видимость защиты. И в таком случае не будет достаточно надежным и безопасным. Так же оно не будет эффективным, если во время работы с оборудованием будут применяться аппараты с неэлектропроводящим покрытием. При относительной влажности воздуха не выше 60 % и сопротивлении растекания тока с любых точек поверхностей оборудования не выше 107 Ом, неметаллическое оборудование будет считаться электростатически заземленным.
Электрическая проводимость фланцевых соединений трубопроводов и аппаратов считается достаточно высокой, что не требует установки специальных параллельных перемычек. Но при этом все трубопроводы и оборудование, на всем своем протяжении, должны представлять собой непрерывную электрическую сеть, присоединенную к заземляющим устройствам.
Системы, состоящие из трубопроводов и другой аппаратуры, которые находятся в пределах цеха, должны заземляться в двух и более метах, так же это касается и резервуаров емкостью более 50 м3 и диаметром более 2,5 м. Поверхность горючих жидкостей должна быть очищена от плавающих предметов. Надежное соединение между собой и заземление должно так же иметь и железнодорожные рельсы и наливные стояки эстакад, находящиеся в пределах сливоналивного фронта. Если контактное устройство, для присоединения заземляющих проводников не имеет средств взрывозащиты, оно должно быть установлено на расстоянии не менее 5 метров от мест налива и слива, за пределами взрывоопасной зоны. В этом случае последовательность присоединения проводников должна быть следующая: сначала они должны присоединяться к корпусу заземляемого объекта и только потом к заземляющему устройству. Магниты, розетки, зажимы и другие простейшие устройства, применяемые для этого, не соответствуют требованиям электростатической искробезопасности и соответственно не имеют необходимых разрешительных документов на право их применения во взрывоопасной зоне.
Заземление автозаправочных станций общего пользования и автозаправочных комплексах и автоцистерн на нефтебазах имеют существенные конструктивные отличия. Так же имеются различия заземляющего оборудования для автоцистерн, конструктивно непригодного для использования при наливе топлива на нефтебазе или автозаправочном комплексе. В связи с этим, то оборудование, которое применяется для этих целей в данный момент, не обеспечивает необходимого уровня пожаровзрывобезопасности при проведении работ по наливу и сливу топлива и других легковоспламеняющихся жидкостей. Чтобы достичь необходимого уровня безопасности и устранить нарушения пожарной безопасности были разработаны специальные устройства заземления автоцистерн. Они изготовлены согласно требований ГОСТов и являются взрывозащищенными. Так же, они имеют необходимые разрешительные документы на их изготовление и применение: разрешение и лицензию Госгортехнадзора, свидетельство о взрывозащищенности и электростатической искробезопасности. Заземляющее устройство УЗА имеет с одной стороны наконечник, который закрепляется на автоцистерне болтом М6, а с другой у него находится специальный ключ. Устанавливается оно в зоне сливного устройства автозаправочной станции или в зоне наливного стояка автозаправочного комплекса. Еще устройство УЗА имеет специальный держатель, закрепленный на автоцистерне. За его счет обеспечивается предохранение специального ключа в транспортном положении. Основных видов УЗА два: 1-УЗА-2МИ; 2-УЗА-2МК.
1-используется для заземления автоцистерны, блокировки систем налива и слива и для передачи информации о наличии заземления, для этого в УЗА-2МИ используется светоиндикатор. Основное применение нашел на нефтебазах и автозаправочных станциях при проведении операций по наливу и сливу топлива.
2-имеет те же функции что и УЗА-2МИ и еще контролирует целостность цепи «транспортная емкость – УЗА».
Принимая во внимание то, что при статической электризации токи разрядов достаточно малы, сопротивление заземляющего устройства допускается до 100 Ом. Но если сопротивление определяется скоростью накопленных электрических зарядов, оно может составлять107 Ом. В этом случае заряды, накапливающиеся со скоростью 100 мкКл/с, удаляются. Довольно часто скорость накопления зарядов намного и ниже и равняется одному или нескольким микрокулонам в секунду. Устранить возникновение зарядов статического электричества, можно дополнительно заземлив объект от вторичных воздействий молний, используя общее заземление.
К заземлению проводящего неметаллического оборудования с проводящей футеровкой применяются те же требования, что и к заземлению металлического оборудования.
Не во всех случаях заземления полностью исключает влияние статического электричества. Если резервуар заполнен наэлектризованной жидкостью, то заземление только исключает накопление заряда и никак не влияет на процесс его рассеивания в жидкости. Происходит это потому, что скорость релаксации зарядов статического электричества в объеме диэлектрической жидкости определяется постоянной времени релаксации .
Уменьшение объемного и поверхностного удельных электрических сопротивлений.
Способность диэлектрика отводить заряды статического электричества и соответствующая электропроводность достигается путем снижения объемного и поверхностного сопротивлений. Этот способ считается одним из лучших для устранения статической электризации диэлектриков. Это достигается при помощи повышения влажности воздуха, химической обработки поверхности, применения присадок и электропроводных покрытий.
Повышение относительной влажности воздуха. На зимний период, как правило, приходится большая часть пожаров, возникших от искр статического электричество. Влажность воздуха в этот период низкая. Как показывает практика, число вспышек и загораний резко снижается и достигает своего минимума при относительной влажности воздуха 65-70%.
Высокое появление электростатических зарядов при высокой влажности воздуха происходит потому, что на поверхности гидрофильных диэлектриков адсорбируется тонкая пленка влаги. Как правило она содержит огромное количество растворенных веществ и ионов, появившихся из загрязнений. За счет этого образуется большая поверхностная электропроводность электролитического характера. Электропроводность пленки на прямую зависит от относительной влажности воздуха потому, что определяется её толщиной. Чем выше влажность воздуха, тем толще пленка. Пленки достаточно низкой толщины невозможно обнаружить не вооруженным глазом, но не смотря на это они увеличивают поверхностную электропроводность диэлектрика и образуют утечку зарядов. Помимо влажности воздуха высокое влияние на образование пленки оказывает температура. Так если температура выше той, при которой пленка может удерживаться на поверхности, она не станет проводящей вне зависимости от влажности воздуха. Так же проводимость не будет достигнута, если заряженная поверхность диэлектрика гидрофобна или скорость перемещения поверхности больше, чем та скорость, с которой образуется пленка