Черкасов В.Н., Костарев Н.П. Пожарная безопасность электроустановок

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Глава 9

ЗАЩИТА ВЗРЫВООПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ОТ РАЗРЯДОВ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Ряд производственных процессов с участием твердых, жидких или газообразных диэлектрических сред сопровождается статической электризацией, т.е. возникновением и разделением положительных и отрицательных зарядов. Иногда эти заряды быстро стекают в землю, рассеиваются или нейтрализуются. В других случаях они накапливаются и создают поле с высокой электрической напряженностью, обусловливающее электрические разряды (пробои воздуха или среды). В производствах, связанных с применением легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, газов с наличием горючих пылей и волокон, искровые разряды статического электричества могут вызвать взрыв и пожар. В некоторых случаях статическое электричество приводит к браку продукции, препятствует увеличению скорости работы машин и аппаратов и, следовательно, повышению производительности труда. При определенных условиях разряды статического электричества причиняют травмы обслуживающему персоналу.

9.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ

Возникновение статического электричества – сложный процесс, зависящий от множества факторов, и в настоящее время нет еще единой теории, объясняющей это явление. Наиболее распространена гипотеза о контактной электризации веществ и материалов. Согласно этой гипотезе, электризация возникает при соприкосновении двух разнородных веществ, обладающих различными атомными и молекулярными силами притяжения на поверхности соприкосновения. Одна из контактирующих поверхностей должна быть из диэлектрического материала. При этом происходит перераспределение электронов или ионов веществ, образующее двойной электрический слой с зарядами противоположных знаков.

Однако образование двойных электрических слоев возможно при контакте тел и из одинаковых диэлектрических материалов за счет наличия на их поверхностях загрязнений, различной температуры тел и т.д. Находящиеся в контакте тела с образовавшимся на границе раздела двойным электрическим слоем остаются электрически нейтральными, т.е. суммарный заряд системы может быть равен нулю, если до соприкосновения тела не несли избыточного заряда. Каждое из контактирующих тел приобретает электрический заряд, плотность которого равна плотности заряда, возникшего двойного электрического слоя. Знаки зарядов взаимодействующих тел противоположны. Заряды будут оставаться на поверхности тел после их разделения, если время разрушения контакта между ними будет меньше времени релаксации зарядов.

При оценке наэлектризованности пользуются удельной поверхностной (у твердых диэлектриков) или объемной (у сыпучих и жидких диэлектриков) плотностью заряда, а в некоторых случаях удельным зарядом, приходящимся на единицу длины. Наэлектризованные тела или их участки, несущие заряды статического электричества, оказывают силовое воздействие друг на друга. В окружающем их пространстве образуется электрическое поле, действие которого проявляется и обнаруживается при внесении в него заряженных и нейтральных предметов. Основными параметрами, характеризующими электрическое поле зарядов, являются напряженность электрического поля и потенциалы его отдельных точек.

Контактная разность потенциалов не одинакова и зависит от диэлектрических свойств соприкасающихся материалов, их физического состояния, величины давления поверхностей друг на друга, а также от влажности, температуры поверхности и окружающей среды. При разделении поверхностей с возникшей контактной электризацией каждая из них сохраняет свой заряд, а контактная разность потенциалов по мере уменьшения емкости между поверхностями может достичь десятков и сотен киловольт. Так, при максимальной плотности (30 мкКл/м2 и более) увеличение расстояния между наэлектризованными поверхностями на 1 см повышает разность потенциалов на десятки киловольт. Этим и объясняются высокие потенциалы, встречающиеся в производстве. Экспериментами установлено также, что из двух трущихся веществ положительно заряжается то, у которого диэлектрическая проницаемость больше. Если вещества имеют одинаковую диэлектрическую проницаемость, то заряды не возникнут. В ряде технологических процессов потенциал относительно земли (или проводящих металлических тел, связанных с землей) при статической электризации достигает десятков киловольт. Ниже приведены потенциалы от электрического поля статического электричества, кВ.

 

В кинофотопленочной промышленности

15 и выше

На предприятиях резиновой промышленности и искусственной кожи

10-15

В производствах, связанных с размолом, тонким добавлением и т.д.

10-15

При разбрызгивании красок

10

При трении целлулоида

40

При движении резиновой ленты транспортера (со скоростью 4 м/с)

45

При фильтрации смеси бензина с асфальтом через шелк

335

 

Токи при статической электризации составляют обычно несколько микроампер и даже меньше. Так, при протекании к цистернам бензина по трубопроводу был измерен ток от 1 до 10 мкА и этот ток оказался прямо пропорционален скорости течения бензина.

Статическое электричество может накапливаться и на людях, особенно если на человеке обувь с непроводящими электричество подошвами, одежда и белье из шерсти, шелка и искусственного волокна, а также при движении по токонепроводящему полу и при выполнении ручных операций с диэлектриками. Потенциал изолированного от земли тела человека может превышать 7 кВ. Иногда (в зависимости от вида полимера и интенсивности трения частей костюма) этот потенциал может достигать 14-45 кВ.

Гипотеза о контактной разности потенциалов не может дать количественной, а иногда и качественной оценки процесса электризации. Однако наряду с этой гипотезой имеются и другие, где образование двойного электрического слоя объясняется поверхностной ориентацией нейтральных молекул, содержащих электрические диполи, пьезоэлектрическими явлениями, трением или образованием электролита на контактирующих поверхностях и т.д. Таким образом, при статической электризации могут наблюдаться процессы, которые пока еще изучены недостаточно, поэтому для борьбы со статическим электричеством в конкретных условиях требуются предварительные экспериментальные исследования и проверка предложенных защитных мер.

9.2. ВОСПЛАМЕНЯЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ИСКР СТАТИЧЕСКОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И ЕГО ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Когда на разделенных поверхностях веществ образуются электрические заряды Q и эти поверхности становятся пластинами конденсатора с емкостью С, между ними возникает напряжение U, равное

U = Q / C,                                                 (9.1)

где U – напряжение, В; С – емкость, Ф; Q – заряд, Кл.

Энергия искры (Wи, Дж), способной возникнуть под действием этого напряжения (или напряжения между пластиной и каким-либо заземленным предметом), может быть оценена по запасенной конденсатором энергии

Wи = 0,5 СU2,                                             (9.2)

поэтому воспламеняющую способность искровых зарядов характеризуют в основном их энергией. Однако формула (9.2) не может быть использована для расчета энергии разряда между заряженными диэлектрическими поверхностями, так как только часть накопленного заряда на диэлектрике может быть перенесена в разряде.

Энергия dWи, рассеиваемая при переносе бесконечно малого заряда dq с заряженной поверхности, при разряде равна

dWи = U.dq,                                               (9.3)

где U – разность потенциалов между начальной и конечной точками траектории разряда.

Полная энергия определяется по формуле

Wи=.                                               (9.4)

Определение полной энергии, выделенной в разряде, представляет значительную трудность, так как заряженные диэлектрики имеют неэквипотенциальную поверхность. Кроме того, поверхность заряженного диэлектрика, которая отдает заряд, не имеет точных размеров. В этом случае энергию электростатического разряда можно приближенно определить, если принять в формуле (9.4) вместо переменной U максимальный потенциал на диэлектрической поверхности, рассчитанный по пробивному расстоянию для данной конфигурации электродов. Для определения полного заряда, переносимого в единичном разряде с заряженного диэлектрика, можно использовать метод осциллографирования.

В некоторых случаях для приближенной оценки энергии разрядов статического электричества с диэлектрических поверхностей применяют методы непосредственного контроля искровых разрядов статического электричества (на слух, по физиологическому воздействию, визуально и фотографированием и др.), аналитические методы, а также экспериментальное воспламенение горючих смесей электростатическими разрядами. Следует отметить, что экспериментальное исследование воспламеняющей способности электростатических разрядов является наиболее объективным методом оценки их энергии.

Реальная воспламеняющая способность электрической искры зависит от концентрации, температуры и давления взрывоопасной смеси. Условием воспламенения (взрыва) такой смеси от искры статического электричества является следующее:

WиWмин,                                                 (9.5)

где Wи – энергия разряда статического электричества с заряженного материала (зависит от свойств материала, конструкции аппарата, технологического процесса и др.); Wмин – минимальная энергия зажигания горючей смеси, образование которой возможно в данном технологическом процессе (зависит только от свойств горючей смеси и является характеристикой чувствительности ее к воспламенению), определяется экспериментально.

Обычно минимальная энергия, необходимая для воспламенения пылевоздушных взрывоопасных смесей, выше энергии, воспламеняющей паровоздушные взрывоопасные смеси. Например, для многих паро- и газовоздушных взрывоопасных смесей Wмин составляет 0,009…2 мДж, а для пылевоздушных – 2…250 мДж. Примеры минимальных энергий приводятся в прил. 1 и 2 [3], а также в правилах [4]. Разряды статического электричества не в состоянии воспламенять смеси с минимальной энергией воспламенения 100 мДж и выше.

Средняя напряженность электрического поля, при которой возможен разряд, составляет 4×102…5×102 кВ/м для резко неоднородного, 1,5×102…20×102 кВ/м для слабонеоднородного и до 30×102 кВ/м для однородного электрического поля.

При разности потенциалов 3 кВ искровой разряд может воспламенить почти все горючие газы, а при 5 кВ также большую часть горючих пылей.

Степень электризации предмета (машины, аппарата и т.п.) или вещества является безопасной, если измеренная поверхностная плотность заряда , напряженность поля Е или потенциал V на любом участке этой поверхности не превосходит допустимых значений в этой среде. При этом допустимыми считаются такие значения , E и V, при которых максимально возможная энергия разряда с поверхности данного предмета или вещества не превосходит 1/4 минимальной энергии воспламенения окружающей среды (например, смеси горючих паров жидкости с воздухом).

Таким образом, статическое электричество может вызвать воспламенение взрывоопасной смеси при совокупности следующих условий:

наличии источника статических электрических разрядов;

накоплении значительных зарядов на контактирующих поверхностях;

достаточной разности потенциалов для электрического пробоя среды;

наличии достаточной запасенной электрической энергии;

возможности возникновения электрических разрядов.

Отсутствие любого из условий исключает пожаровзрывоопасные последствия статического электричества.

Условие безопасности от статического электричества может быть выражено неравенством

Wи  0,4Wмин.                                              (9.6)

В пожаро- и взрывоопасных производствах реальную опасность представляет «контактная» электризация людей, работающих с движущимися диэлектрическими материалами (при прорезинивании тканей, покрытии резиной кордов на каландрах, обработке синтетических тканей и нитей, полимерных пленок и т.д.). На человеке накапливается статическое электричество, которое при соприкосновении человека с заземленным предметом вызывает искры и воспламенение смеси. Энергия разряда этой искры может составлять 2,5-7,5 мДж. Кроме того, такое электричество оказывает неприятное физиологическое воздействие на человека, вызывая слабые, умеренные или сильные уколы или удары, зависящие от энергии разряда. Так как ток при этом незначителен, уколы и удары непосредственную опасность для
человека не представляют. Но известны случаи с тяжелым исходом, когда искра, проскакивающая между телом человека и заряженным объектом, вызывает испуг, сопровождающийся непроизвольными нескоординированными движениями и соприкосновением с неогороженными вращающимися частями машин, падение с высоты и т.п. Длительное воздействие статического электричества является причиной ряда заболеваний.

Расчетная зависимость, показывающая, при каком значении будет существовать опасность физиологического воздействия на человека и при каком потенциале возникает опасность воспламенения некоторых горючих смесей, представлена на рис. 9.1. Границы зон видов физиологического воздействия несколько условны, так как это воздействие зависит от особенностей человеческого организма и специфики производства. Поэтому допустимым потенциалом на человеке по физиологическому воздействию считают Vдоп = 4…6 кВ. Допустимый же потенциал по пожаро- и взрывоопасности для некоторых сред определяется непосредственно по кривой (см. рис. 9.1).

 

 
  Надпись: Энергия электрического разряда, ДжНадпись: Разряд ощутимНадпись: Острый уколНадпись: Легкая судорогаНадпись: Средняя судорогаНадпись: Острая судорогаНадпись: Легкий укол

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.1. Зависимость энергии электрического разряда с тела человека
и физиологического воздействия от потенциала зарядов
статического электричества

 

Чтобы исключить формирование воспламеняющих разрядов с человека, необходимо обеспечить быструю утечку зарядов. С этой целью уменьшают сопротивление обуви и пола. В производствах, где существует опасность воспламенения взрывоопасных смесей разрядом с человека, необходимо обеспечивать работающих электропроводящей (антистатической) обувью (например, с кожаным верхом и подошвой из электропроводящей резиновой пластины).

Обувь считается электропроводящей, если электрическое сопротивление между электродом в форме стельки, находящимся внутри обуви, и наружным электродом меньше 107 Ом.

Покрытие пола считается электропроводящим из бетона толщиной 3 см, спецбетона или пенобетона, ксилолита, настила из антистатической резины и т.д.

Особое внимание устранению электрического заряда с человека следует уделять при выполнении некоторых ручных операций (промывка, чистка, протирка, проклеивание, прорезинивание) с применением бензина, бензола, ацетона, резинового клея и т.п.

9.3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СТАТИЧЕСКОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Электрические измерения необходимы для изучения причин и условий электризации и постоянного контроля электростатических величин: разности потенциалов U между заряженным телом и землей или заземленными предметами; поверхностной плотности электрических зарядов  и напряженности электрического поля Е.

Указателями электрических потенциалов служат различные механические (лепестковые, стрелочные, струнные, квадрантные) и электронные электрометры. В механических электрометрах измеряемый заряд подается на один из пары электродов, кулоновское взаимодействие которых фиксируется различными методами. Например, принцип действия квадрантных электрометров положен в основу электростатических вольтметров. Электростатический заряд воздействует на подвижный секторный электрод, который под воздействием кулоновских сил перемещается. По углу поворота судят о величине измеряемого напряжения. При этом потенциал, показываемый прибором, нельзя считать потенциалом заряженного тела, так как входная емкость его переменна и вносит погрешность. Основные характеристики выпускаемых промышленностью электростатических вольтметров приведены в табл. 9.1. Время успокоения у всех – 6 с, класс точности – 1.

Таблица 9.1

Тип прибора

Конечное значение рабочей части шкалы, кВ

Входная емкость, пФ

С50/1

0,08

10

С50/2

0,075

7

С50/3

0,15

7

С50/4

0,3

7

С50/5

0,6

4

С50/6

1,0

4

Окончание табл. 9.1

Тип прибора

Конечное значение рабочей части шкалы, кВ

Входная емкость, пФ

С50/7

1,5

4

С50/8

3,0

4

С50/9

0,45

4

С196

7,5-15-30

12

 

Примечание. Выпускаются приборы С53 класса точности 0,5, имеющие такую же модификацию, как приборы типа С50.

 

Электронные электрометры позволяют измерять электростатические величины без непосредственного контакта с заряженным телом. В простейших статических индукционных электрометрах с преобразованием входного сигнала удаленный от заряженной диэлектрической поверхности конец проводника-датчика соединен с сеткой электрометрической лампы или полевого транзистора. Поэтому индуцированный на нем заряд определяет ток анода лампы (ток транзистора).

По такому принципу работает прибор ПК2-3А, созданный научно-исследовательским институтом охраны труда. Прибор проградуирован в единицах поверхностного потенциала и плотности заряда. Диапазон 0,1-50 кВ (0,2-20 мкКл/м2) перекрывается тремя пределами: 0,1-1 кВ; 0,5-10 кВ; 1,0-50 кВ. Перейти с одного предела на другой можно с помощью сменных насадок с дисковыми диафрагмами, надеваемых на переднюю цилиндрическую часть прибора, внутри которой находится электрометрическая лампа в герметичном стальном экране. Прибор не может применяться во взрывоопасных зонах. Характеристики некоторых приборов приведены в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Прибор

Характеристика прибора и измерения

Индикатор статических зарядов типа:

     ИСПИ-4

 

     МИЭП-1 и МИЭП-2

 

Статический вольтметр с датчиком

     СМ-2/С-95

Электрометр электронного типа:

     ПК-2-3А

 

     П2-1

 

     П2-2

 

 

Потенциал заряженной поверхности до 50 кВ.

Питание батарейное. Взрывозащищенный.

Потенциал до 40 кВ. Без питания.

Взрывозащищенный

Напряжение 0,03-3 кВ. Питание батарейное 1,6 В. Взрывозащищенный

 

Потенциал поверхности и тела человека до 50 кВ. Поверхностный заряд 0,2-20 мкКл/м2

Напряженность электрического поля до 50 кВ/м. Питание 3-127-220 В

Напряжение до 2,5 кВ. Питание батарейное 1,6 В. Взрывозащищенный

Окончание табл. 9.2

Прибор

Характеристика прибора и измерения

     ИСЭП-9

 

 

Динамический электрометр с вращающимся экраном:

     ВИНЭП-2

 

 

     ИНЭП-1

 

     ПЗСЭ-73

Напряженность электрического поля до 260 кВ/м. Питание батарейное 1,5 В. Взрывозащищенный

 

 

Напряженность электрического поля
3-2400 кВ/м. Питание батарейное 9 В. Взрывозащищенный

Напряженность электрического поля
4-2500 кВ/м. Питание 127/220 В.

Напряжение до 15 кВ. Питание 220 В. Сжатый воздух 4 кПа

 

По условиям пожаро- и взрывобезопасности приборы для электростатических измерений во взрывоопасных зонах должны иметь соответствующий уровень и вид взрывозащиты, а их датчики (в частности, у переносных приборов) должны соответствовать требованиям электростатической искробезопасности. Датчик прибора считают искробезопасным для данной взрывоопасной смеси, если искровой разряд на него с металлического электрода, имеющего потенциал 50 кВ и емкость 60-100 пФ, вызывает воспламенение этой смеси с вероятностью не более 10-3 (либо энергия этих зарядов, по крайней мере, в 2,5 раза меньше энергии воспламенения смеси).Так, датчик прибора ИСПИ-4 с отклонением электронного потока в вакууме покрыт толстым слоем диэлектрика (фторопластом), что обеспечивает электростатическую искробезопасность. В приборе СМ-2/С-59 взрывозащита достигнута путем заключения электростатического вольтметра С-53 во взрывонепроницаемый корпус, а специальное покрытие датчика (например, фторопласт) обеспечивает его электростатическую безопасность. Взрывобезопасность процесса измерения достигается в том случае, когда во взрывоопасной зоне применяется искробезопасный датчик, а сам прибор (например, статический вольтметр любого типа) устанавливается в невзрывоопасной зоне.

9.4. СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ ОПАСНОСТИ СТАТИЧЕСКОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Согласно действующим правилам [4], защита от разрядов статического электричества должна осуществляться во взрыво- и пожароопасных производствах с наличием зон классов В-I, В-Iа, В-II, B-IIa, П-I и П-II, в которых применяются и вырабатываются вещества с удельным объемным электрическим сопротивлением, превышающим 105 Ом×м. В остальных случаях защита осуществляется лишь тогда, когда статическое электричество представляет опасность для обслуживающего персонала, отрицательно влияет на технологический процесс или качество продукции. Основными способами устранения опасности от статического электричества (в соответствии со степенью эффективности и частотой применения) являются:

заземление оборудования, коммуникаций, аппаратов и сосудов, а также обеспечение постоянного электрического контакта с заземлением тела человека;

уменьшение удельного объемного и поверхностного электрического сопротивления путем повышения влажности воздуха или применения антистатических примесей;

ионизация воздуха или среды, в частности, внутри аппарата, сосуда и т.д.

Кроме этих способов прибегают к дополнительным, дающим в конкретных случаях нужный эффект при операциях с жидкими, газообразными и сыпучими материалами и веществами: предотвращение образования взрывоопасных концентраций, ограничение скорости движения жидкости, замена ЛВЖ на негорючие растворители и т.д.

Практический способ устранения опасности от статического электричества выбирается с учетом эффективности и экономической целесообразности.

Заземление

Заземление – наиболее часто применяемая мера защиты от статического электричества, его целью является устранение формирования электрических разрядов с проводящих элементов оборудования. Поэтому все проводящие части оборудования и электропроводные неметаллические предметы подлежат обязательному заземлению, независимо от того, применяются ли другие способы защиты от статического электричества. Заземлять следует не только те части оборудования, которые участвуют в генерировании, но и все другие, так как они могут зарядиться по законам электростатической индукции. Во многих случаях индуцированные заряды более опасны, чем заряды, которые являются причиной их образования.

В случаях, когда оборудование выполнено из проводящих электрический ток материалов, заземление является основным и почти всегда достаточным способом защиты. Особенно эффективно заземление токопроводящих частей оборудования при переработке веществ с удельным сопротивлением не более 108 Ом×м для жидкостей и 107 Ом×м для твердых тел. Если же на внешней поверхности или внутренних стенках металлических аппаратов, резервуаров и трубопроводов образуются отложения непроводящих веществ (смолы, пленки, осадки), заземление становится неэффективным и создается ложное впечатление о надежности и безопасности. Заземление не устраняет опасности и в случае применения аппаратов с эмалированными и другими неэлектропроводящими покрытиями.

Неметаллическое оборудование считается электростатически заземленным, если сопротивление растеканию тока на землю с любых точек его внешней и внутренней поверхности не превышает 107 Ом при относительной влажности воздуха не выше 60 %. Такое сопротивление обеспечивает необходимое значение постоянной времени релаксации в пределах десятой доли секунды в невзрывоопасной и тысячные доли секунды во взрывоопасной среде. Постоянная времени релаксации t связана с сопротивлением r заземления предмета или оборудования и его емкостью С соотношением t = rС.

Если емкость С мала, сопротивление растеканию тока может быть выше 107 Ом. С учетом этой величины рассчитываются максимально допустимые значения сопротивлений заземляющих устройств.

Трубопроводы наружных установок (на эстакадах или в каналах), оборудование и трубопроводы, расположенные в цехах, должны представлять на всем протяжении непрерывную электрическую цепь и присоединяться к заземляющим устройствам. Считается, что электрическая проводимость фланцевых соединений трубопроводов и аппаратов, соединений крышек с корпусами аппаратов и т.п. достаточно высока (обычно не более 10 Ом) и не требуется установки специальных параллельных перемычек.

Каждая система аппаратов и трубопроводов в пределах цеха должна быть заземлена не менее чем в двух местах. Все резервуары и емкости вместимостью более 50 м3 и диаметром более 2,5 м заземляют не менее чем в двух противоположных точках. На поверхности горючих жидкостей в резервуарах не должно быть плавающих предметов.

Наливные стояки эстакад для заполнения железнодорожных цистерн и рельсы железнодорожных путей в пределах сливоналивного фронта должны быть электрически соединены между собой и надежно заземлены. Автоцистерны, наливные суда, самолеты, находящиеся под наливом или сливом горючих жидкостей и сжиженных газов, должны также заземляться. Контактные устройства (без средств взрывозащиты) для присоединения заземляющих проводников должны быть установлены за пределами взрывоопасной зоны (не менее 5 м от места налива или слива [1]). При этом проводники вначале присоединяются к корпусу объекта заземления, а затем к заземляющему устройству. Применяемые для этих целей зажимы, розетки, магниты и другие примитивные устройства и приспособления не отвечают требованиям электростатической искробезопасности и не имеют соответствующих разрешительных документов (лицензии, свидетельство об электростатической искробезопасности и взрывозащите, сертификаты качества и т.д.) на право их изготовления и применения во взрывоопасной зоне.

Кроме того, имеют место существенные конструктивные различия устройств для заземления автоцистерн (АЦ) на нефтебазах и автозаправочных комплексах (АЗК) от аналогичных на автозаправочных станциях (АЗС) общего пользования и ведомственных пунктов заправки топливом.

Подобные различия существуют и при оборудовании АЦ заземляющими проводниками, конструктивно непригодными для применения при наливе топлива на нефтебазе (или АЗК) или при сливе его на АЗС.

Таким образом, применяемые до сих пор для этих целей заземляющие устройства не обеспечивают требуемого уровня пожаровзрывобезопасности технологии налива или слива топлива и других ЛВЖ.

В целях устранения указанных недостатков и нарушений требований пожарной безопасности [35, 36, 37] в настоящее время разработаны и серийно выпускаются специальные устройства заземления автоцистерн (УЗА) типов УЗА-2МИ, УЗА-2МК и УЗА-2МК-03. УЗА соответствуют требованиям ГОСТов [14, 18, 20, 38, 39], являются взрывозащищенными с маркировкой соответственно 1ЕхsIIТ6 и 1ЕхsibIIСТ6 могут устанавливаться во взрывоопасных зонах класса В-Iг [1]. УЗА имеют необходимые разрешительные документы на их изготовление и применение: разрешение и лицензию Госгортехнадзора, свидетельство о взрывозащищенности и электростатической искробезопасности.

УЗА состоит из самого заземляющего устройства, устанавливаемого в зоне наливного стояка нефтебазы (или АЗК) или сливного устройства АЗС, заземляющего проводника, имеющего с одной стороны наконечник, закрепляемый жестко на автоцистерне болтом М6, а с другой стороны – специальный ключ. Предохранение ключа в транспортном положении обеспечивается специальным держателем, закрепленным на АЦ.

УЗА выполняет следующие функции:

УЗА-2МИ заземляет автоцистерну, блокирует систему налива (слива) и информирует о наличии заземления при помощи светоиндикатора. Применяется при наливе или сливе нефтепродуктов на нефтебазах (или АЗК) и АЗС.

УЗА-2МК* заземляет автоцистерну, блокирует запуск системы налива (слива), контролирует целостность цепи «транспортная емкость – УЗА» и индицирует при помощи светоиндикатора о заземлении АЦ. Применяется при наливе или сливе нефтепродуктов на нефтебазах (или АЗК) и АЗС.

Технические характеристики УЗА приведены в табл. 9.3.

С учетом малых разрядных токов при статической электризации допускается сопротивление заземляющего устройства до 100 Ом. Однако допустимое сопротивление заземления, определяемое скоростью накопления электрических зарядов, может составлять 107 Ом. При таком сопротивлении удаляются заряды, накапливающиеся со скоростью 100 мкКл/с.
Обычно же скорость накопления зарядов, например, при перекачке жидких углеводородов, значительно ниже и часто равна одному или нескольким микрокулонам в секунду. Если объект защищают одновременно и от вторичных воздействий молнии (с использованием общего заземления), то сопротивление такого заземления устранит формирование зарядов статического электричества.

Таблица 9.3

№ п/п

Характеристика

УЗА-2МИ

УЗА-2МК

1

Световая сигнализация о заземлении

Есть

Есть

2

Контакты для схемы блокировки

Есть

Есть

3

Контроль цепи «транспортная емкость – УЗА»

Нет

Есть

4

Электропитание

220 В, 50 Гц

12 В

5

Ток потребления, не более, А

0,008

0,3

6

Потребляемая мощность, не более, ВА

2,0

9,0

7

Нагрузочная способность контакта для схемы блокировки:

     напряжение, В

     ток, не более, А

 

 

220

1,0

 

 

220

1,0

8

Маркировка по взрывозащите

1ExsIIT6

1ExsibIICT6

 

Если для защиты от статической электризации проводящего неметаллического оборудования с проводящей футеровкой применяется заземление, к нему применяются те же требования, что и к заземлению металлического оборудования. Например, заземление трубопровода из диэлектрического материала, но с проводящим покрытием (краска, лак) может выполняться присоединением его к заземляющему контуру с помощью металлических хомутов и проводников через 20-30 м.

Заземление не всегда решает проблему защиты от статического электричества. Так, заземление резервуара, заполняемого наэлектризованной жидкостью, лишь исключает накопление заряда (натекающего из объема жидкости) и на его стенках, но не ускоряет процесс рассеяния заряда в жидкости. Это объясняется тем, что скорость релаксации зарядов статического электричества в объеме диэлектрической жидкости нефтепродуктов определяется постоянной времени релаксации t. Следовательно, в заполняемом наэлектризованными нефтепродуктами резервуаре в течение всего времени закачки жидкости и в течение времени, приблизительно равном 3t, после ее окончания существует электрическое поле зарядов независимо от того, заземлен этот резервуар или нет. Именно в этот промежуток времени может существовать опасность воспламенения паровоздушной смеси нефтепродуктов в резервуаре разрядами статического электричества.

Особую опасность, в свете указанного, представляет собой забор проб из резервуара сразу после его заполнения. Однако через промежуток времени, примерно равный 3t, после окончания заполнения заземленного резервуара заряды статического электричества в нем практически полностью релаксируют, электрическое поле исчезает и проведение каких-либо манипуляций по забору проб жидкости становится безопасным. Поэтому в целях исключения разрядов при заполнении стационарных резервуаров или железнодорожных цистерн на пробоотборник при отборе проб через люк из резервуара или на наливную трубу в процессе ее извлечения из цистерны необходимо выдержать промежуток времени, равный [3]

Т = 3Кt,                                                (9.7)

где t - постоянная времени релаксации нефтепродукта, с; К – коэффициент, учитывающий увеличение времени релаксации за счет поверхностного заряда нефтепродукта.

Для светлых нефтепродуктов, имеющих низкий уровень электропроводности (при rv > 1011 Ом×м), необходимое время выдержки Т, обеспечивающее безопасность дальнейших операций, должно быть не менее 10 мин после успокоения жидкости. Заземление резервуара и выдержка необходимого времени после заполнения не дадут нужного эффекта безопасности в случаях, когда в резервуаре имеются плавающие на поверхности жидкости изолированные предметы, которые могут приобрести заряд статического электричества в ходе заполнения резервуара и сохранять его в течение времени, значительно превышающем 3t. В этом случае приближение к плавающему предмету заземленного проводящего тела может сопровождаться опасным искрообразованием.

Уменьшение объемного и поверхностного удельных
электрических сопротивлений

Снижением объемного и поверхностного сопротивлений обеспечивается соответствующая электропроводность и способность диэлектрика отводить заряды статического электричества. Устранение опасности статической электризации диэлектриков этим способом является весьма эффективным и может быть достигнуто повышением влажности воздуха, химической обработкой поверхности, применением электропроводных покрытий и антистатических веществ (присадок).

Повышение относительной влажности воздуха. Большинство пожаров от искр статического электричества происходит обычно зимой, когда относительная влажность воздуха низка. При относительной влажности воздуха выше 65-70 %, как показывают исследования и практика, число вспышек и загораний становится незначительным.

Ускорение стекания электростатических зарядов с диэлектриков при высокой влажности воздуха связывают с тем, что на поверхности
гидрофильных диэлектриков адсорбируется тонкая пленка влаги, содержащая обычно большое количество ионов из загрязнений и растворенного вещества, за счет которых обеспечивается достаточная поверхностная электропроводность электролитического характера. Электропроводность адсорбированной пленки влаги при прочих равных условиях определяется ее толщиной и в связи с этим в значительной степени зависит от относительной влажности воздуха. Чем она выше, тем толще пленка. Водные пленки толщиной 10-5 см визуально нельзя обнаружить, однако они увеличивают поверхностную электропроводность диэлектрика и способствуют утечке зарядов. Поэтому поверхностное сопротивление диэлектрика уменьшается. Однако если материал находится при более высокой температуре, чем та, при которой пленка может удерживаться на поверхности, указанная поверхность не может стать проводящей даже при очень высокой влажности воздуха. Эффект также не будет достигнут, если заряженная поверхность диэлектрика гидрофобна (сера, парафин, масла и другие углеводороды) или скорость ее перемещения больше, чем скорость образования поверхностной пленки. Таким образом, способ увлажнения воздуха не всегда эффективен.

Увеличение влажности воздуха достигается распылением водяного пара или воды, циркуляцией влажного воздуха, а иногда свободным испарением с поверхности воды.

В некоторых случаях желаемый эффект достигается местным увлажнением паров или охлаждением электризующейся поверхности до температуры на 10 оС ниже температуры окружающей среды.

Химическая обработка поверхности, электропроводные покрытия. Снижение удельного поверхностного сопротивления полимерных материалов может быть достигнуто химической обработкой поверхности кислотами (например, серной или хлорсульфоновой). В результате этого поверхности полимера (полистирол, полиэтиленовые и полиэфирные пленки) окисляются или сульфируются. При этом удельное поверхностное сопротивление снижается до 106 Ом при относительной влажности воздуха 75 %.

Положительный эффект достигается и при обработке изделий из полистирола и полиолефинов погружением образцов в петролейный эфир при одновременном воздействии ультразвуком. Методы химической обработки эффективны, но требуют точного соблюдения технологических условий.

Иногда необходимый эффект достигается нанесением на диэлектрик поверхностной хорошо проводящей пленки. Например, металлические тонкие пленки получают распылением, разбрызгиванием или испарением в вакууме или наклеиванием металлической фольги. Пленки на углеродной основе получают распылением углерода в жидкой среде или порошка (частицы меньше 1 мкм).

Применение антистатических веществ. Большинство горючих и легковоспламеняющихся жидкостей характеризуется высоким удельным электрическим сопротивлением. Поэтому при некоторых операциях, например с нефтепродуктами, происходит накопление зарядов статического электричества, которое не только препятствует интенсификации технологических операций, но и служит источником многочисленных взрывов и пожаров на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях.

Движение жидких углеводородов относительно твердого, жидкого или газообразного тела может привести к разделению электрических зарядов на поверхности соприкосновения. При движении жидкости по трубе слой находящихся на поверхности жидкости зарядов уносится ее потоком, а заряды противоположного знака остаются в трубе и, если металлическая труба заземлена, стекают в землю. Если металлический трубопровод изолирован или изготовлен из диэлектрических материалов, он приобретает положительный заряд, а жидкость – отрицательный.

Степень электризации нефтепродуктов зависит от состава и концентрации содержащихся в них активных примесей, физико-химического состава нефтепродуктов, состояния внутренней поверхности трубопровода (коррозии и т.д.) или технологического аппарата, диэлектрических свойств, вязкости и плотности жидкости, а также от скорости движения жидкости, диаметра и длины трубопровода. Так, присутствие 0,001 % механических примесей превращает инертное углеводородное топливо в электризуемое до опасных пределов.

Один из наиболее эффективных методов, позволяющих устранить электризацию нефтепродуктов, - введение специальных антистатических веществ. Добавление присадок в тысячных и десятитысячных долях процента позволяет на несколько порядков уменьшить удельное сопротивление нефтепродуктов и обезопасить операции с ними. Электрическую проводимость углеводородов и нефтепродуктов наиболее эффективно повышают олеаты и нафтенаты хрома и кобальта, соли хрома синтетических жирных кислот, присадка «Сигбаль» и другие вещества. Так, присадка на основе олеиновой кислоты олеат хрома повышает электропроводность бензина Б-70 в 1,2×104 раза. Широкое применение в операциях по промывке деталей нашли присадки «Аккор-1» (10-15 г присадки на 100 л жидкости) и АСП-1.

Для получения «безопасной» электропроводности нефтепродуктов в любых условиях необходимо вводить 0,001-0,005 % присадок. Они обычно не влияют на физико-химические свойства нефтепродуктов.

Для получения проводящих растворов полимеров (клеев) также применяют антистатические присадки, растворимые в них, например соли металлов переменной валентности высших карбоновых и синтетических кислот.

Положительные результаты достигаются при использовании антистатических веществ на предприятиях по переработке синтетических волокон. Наиболее важным свойством антистатических веществ является способность увеличивать ионную проводимость и тем самым снижать электрическое сопротивление волокнистых материалов. Обработку волокнистых материалов антистатическими веществами производят до процесса либо непосредственно в процессе их изготовления.

Есть несколько главных групп химических препаратов, применяемых для приготовления антистатических материалов, которые влияют на электрические свойства волокон: углеводороды парафинового ряда, жиры, масла, гигроскопические вещества, поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Углеводороды парафинового ряда, жиры и масла влияют на электрический контакт между волокнами и частями машин, способствуя образованию проводящих масляных пленок между ними. Гигроскопические вещества образуют на поверхности волокон пленку влаги, снижая таким образом трение. При наличии влаги и веществ, обладающих свойствами электролитов, образуются ионы. Поверхностно-активные вещества при добавлении в воду снижают ее поверхностное натяжение, в результате улучшается смачивание, пенообразующие, моющие и другие важные для текстильной промышленности свойства воды.

Эффективность антистатических веществ используют в промышленности полимеров, например при обработке полистирола и полиметилметакрилата. Обработка полимеров антистатическими добавками производится как поверхностным нанесением, так и введением в расплавленную массу. В качестве антистатических добавок применяют, например, некоторые образцы ионогенных поверхностно-активных веществ. При поверхностном нанесении ПАВ обладают хорошим антистатическим эффектом. Удельное поверхностное сопротивление полимеров при этом снижается на 5-8 порядков, но срок эффективного действия незначителен (до одного месяца). Введение антистатических добавок внутрь более перспективно, так как антистатические свойства полимеров стабильны во времени (несколько лет), менее подвержены действию растворителей, истиранию и т.д. Для каждого диэлектрика оптимальные концентрации ПАВ различны: например, для полиэтилена низкого давления 0,05-0,1 %, полиэтилена высокого давления 0,2-0,3 %, полипропилена 0,5 %, поливинилхлорида твердого 0,5-1,5 %, полиакрила 2-3 %, полистирола 1,5-2,5 %.

Широкое применение труб для пневмотранспорта, продуктопроводов и других устройств из полимеров (например, полиэтилена низкой и высокой плотности) привело к созданию полупроводящих полимерных композиций путем введения наполнителей (ацетиленовой сажи, алюминиевой пудры, графита, цинковой пыли).

Лучший наполнитель – ацетиленовая сажа, хорошо распределяемая в полимере и снижающая сопротивление на 10-11 порядков даже при 20 % от массы полимера. Оптимальная массовая концентрация ацетиленовой сажи для создания электропроводящего полимера составляет 25 %. Для пневмотранспорта могут быть рекомендованы неметаллические трубы из проводящей полиэтиленовой композиции.

В народном хозяйстве широко используются резинотехнические изделия, обычно диэлектрические. Это связано с опасностью статической электризации. Чтобы получить электропроводные или антистатические резины, в них вводят электропроводящие наполнители – порошковый графит, различные сажи (например, липецкую, ацетиленовую), мелкодисперсные металлы. В таких резинах образуется токопроводящая структура. Так, при введении в латекс сажи электропроводность резины (вследствие лучшего распределения наполнителя) оказалась на 2-3 порядка выше электропроводности резины, полученной на основе твердого каучука. Удельное сопротивление антистатической резины достигает 106 Ом×м, проводящей до 5×102 Ом×м.

Антистатическими резинами марки КР-388, КР-245 пользуются во взрывоопасных производствах, покрывают полы, рабочие столы, детали оборудования и колеса внутрицехового транспорта. Такое покрытие лучше металлического или бетонного, оно более гигиенично, быстрее отводит возникающие заряды, снижает электризацию людей до безопасного уровня.

В последнее время разработана рецептура маслобензостойкой электропроводящей резины с использованием бутадиеннитрильных и полихлоропреновых каучуков. Наиболее широко эти резиновые смеси используются при изготовлении напорных рукавов и шлангов для перекачки ЛВЖ. Такие рукава значительно снижают опасность воспламенения при сливе и наливе ЛВЖ в авто- и железнодорожные цистерны и другие емкости, исключают применение специальных устройств для заземления заправочных воронок и наконечников.

До последнего времени электропроводящие слои создавали вакуумным напылением или катодным нанесением металла на поверхность диэлектрика. Но этот способ не всегда приемлем. Были эффективны специальные лакокрасочные покрытия, основанные на образовании в полимерном связующем цепочных структур наполнителя. Эти структуры, образованные контактирующими частицами проводящего наполнителя, обеспечивают покрытию хорошую электропроводность. Наполнителями служат порошкообразные металлы, сажа, графит. Так, 15 % карбонильного никеля в полимере снижает удельное сопротивление до 104 Ом×м и менее, а 35-40% такого никеля приближает проводимость ряда полимеров к металлической. Для «чистых» полимерных связующих без наполнителя удельное сопротивление r = 109-1013 Ом×м.

В настоящее время созданы электропроводящие эмали марки ХС-928 и АК-562. Их наносят на поверхность в два слоя кистью или пульверизатором, и они дают пленку черного цвета, устойчивую к температуре, давлению, вакууму, агрессивным средам и радиационному облучению. Электропроводными эмалями окрашивают заземляемые устройства технологического оборудования: внутренние части химической реакционной аппаратуры, изготовленной из стекла и пластмассы, внутренние части диэлектрического трубопровода, по которому транспортируются жидкости или сыпучие материалы, способные электризоваться, и т.д.

Если во взрывоопасных производствах работают ременные передачи и ленточные транспортеры, изготовленные из материалов с rr >105 Ом×м, заряды статического электричества и потенциал ремней и лент достигает нескольких десятков киловольт. Эффективное снижение потенциала получается при увеличении поверхностной проводимости ремня и обязательном заземлении установки. Внутреннюю поверхность ремня покрывают антистатической смазкой, возобновляемой не реже одного раза в неделю. Для кожаных и резиновых ремней рекомендуется, например, такая смазка: 100 вес. ч. глицерина и 40 вес. ч. сажи. Иногда хорошее снижение потенциала дают увеличение относительной влажности воздуха в месте нахождения ременной передачи до 70 % и более и снижение линейной скорости движения ремня и лент.

Ионизация воздуха

Сущность этого способа заключается в нейтрализации или компенсации поверхностных электрических зарядов ионами разного знака, которые создают специальные приборы, называемые нейтрализаторами. Ионизация воздуха осуществляется двумя способами: электрическим полем с высокой напряженностью Е и радиоактивным излучением.

Принцип работы нейтрализаторов состоит в том, что они создают вблизи наэлектризованного диэлектрика положительные и отрицательные ионы. Ионы, имеющие полярность, противоположную полярности зарядов наэлектризованного материала, под действием электрического поля оседают на поверхности диэлектрика, нейтрализуя его.

Ионизация воздуха электрическим полем с высокой напряженностью получается от нейтрализаторов двух типов: индукционных и высоковольтных.

Индукционные нейтрализаторы очень просты и давно применяются. Существуют индукционные нейтрализаторы с остриями и проволочные. В нейтрализаторе с остриями (рис. 9.2, а) в деревянном или металлическом стержне укреплены заземленные острия, тонкие проволочки или фольга. У проволочного нейтрализатора (рис. 9.2, б) вместо острия применена тонкая стальная проволочка, натянутая поперек движущегося заряженного материала.

 

       
   
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Действие индукционных нейтрализаторов основано на использовании электрического поля наэлектризованного тела, и постороннего источника напряжения для них не требуется. Под действием сильного электрического поля вблизи разрядного электрода происходит ударная ионизация, в результате которой образуются ионы обоих знаков (рис. 9.3). Для увеличения эффективности действия нейтрализаторов следует стремиться к сокращению расстояния между кончиками игл и нейтрализуемой поверхностью до 5-20 мм. Нейтрализаторы монтируются непосредственно перед местом, где заряды создают технологические помехи, или вблизи от места генерации зарядов. Они обладают высокой ионизационной способностью, особенно при высоких потенциалах заряженного тела. Проволочные нейтрализаторы менее эффективны. Основным их недостатком является то, что они действуют, если потенциал наэлектризованного тела достигает нескольких киловольт. Основные преимущества индукционных нейтрализаторов заключаются в простоте конструкции, низкой стоимости, минимальных эксплуатационных затратах и отсутствии источников питания.

Высоковольтные нейтрализаторы работают на переменном, постоянном  и токе высокой частоты. Они состоят из трансформатора с высоким выходным напряжением и игольчатого разрядника (рис.9.4). В нейтрализатор на постоянном токе входит и высоковольтный выпрямитель. Принцип действия всех трех типов нейтрализаторов, основанный на ионизации воздуха высоким напряжением, одинаков, но эффективность различна. Максимальное расстояние между разрядным электродом и нейтрализуемым материалом, при котором нейтрализатор еще эффективен, может достигать 600 мм. Обычно рабочее расстояние принимается равным 200-300 мм. Достоинство всех трех типов нейтрализаторов – достаточное ионизирующее действие и при низком потенциале тела. Особенно полезны нейтрализаторы там, где не соблюдаются температурно-влажностные условия и относительная влажность воздуха может быть ниже 50 %. Недостатком высоковольтных нейтрализаторов является большая энергия возникающих искр, способных воспламенять любые взрывоопасные смеси. Поэтому нейтрализаторы для взрывоопасных зон должны иметь только взрывозащищенное исполнение.

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.4. Высоковольтный нейтрализатор переменного тока:

1 – трансформатор; 2 – защитное сопротивление; 3 – проходной изолятор;
4 – игольчатый разрядник

 

При использовании высоковольтных нейтрализаторов должна быть предусмотрена надежная защита обслуживающего персонала от высокого напряжения. В этих целях в высоковольтную цепь нейтрализатора включаются защитные сопротивления (см. рис. 9.4), которые ограничивают ток до величины в 50-100 раз меньше тока, опасного для жизни.

Радиоизотопные нейтрализаторы очень просты по устройству, не требуют источника питания, достаточно эффективны и безопасны при использовании в пожаровзрывоопасных средах. Они широко применяются в химической, резинотехнической, текстильной, бумажной, полиграфической и других отраслях промышленности. При использовании радиоизотопных нейтрализаторов необходимо предусматривать надежную защиту людей, оборудования и выпускаемой продукции от вредного воздействия радиоактивного излучения.

Радиоизотопные нейтрализаторы чаще всего имеют вид длинных плоских пластинок (рис. 9.5) или маленьких дисков. Одна сторона их содержит радиоактивное вещество, создающее радиоактивное излучение, ионизирующее воздух. Чтобы не загрязнять воздух, продукцию и оборудование, радиоактивное вещество покрывают тонким защитным слоем из специальной эмали или фольги. Для защиты от механических повреждений ионизатор помещают в металлический кожух, который создает нужное направление ионизированного воздуха.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.5. Радиоизотопный нейтрализатор в виде полосы:

1 – основание; 2 – радиоизотопная фольга; 3 - защитная алюминиевая фольга;
4 – пластина, удерживающая фольгу

 

Радиоактивные вещества выбираются с учетом типа энергии, частиц излучения, длины их пробега, действия излучения на людей и т.д. В табл. 9.4 приведены данные о проникающей способности всех трех видов излучений.

Таблица 9.4

Излучение

Число пар ионов, создаваемых в 1 мм3 воздуха

Проникающая способность частиц в воздухе, м

a-частицы или ядра гелия (радий-226, полоний-208, плутоний-238, 239 и 240)

600

0,1

b-частицы или электроны (гелий-204, стронций-90, криптон-85 и др.)

6

10

g-лучи

0,1

600

 

Наиболее эффективны и безопасны радиоактивные вещества с
a-частицами. Проникающая способность a-частиц в воздухе составляет до 10 см. В более плотных средах проникающая способность a-частиц еще меньше. Лист обычной писчей бумаги полностью ее поглощает.

Нейтрализаторы с таким излучением пригодны для локальной ионизации воздуха и нейтрализации зарядов в месте их образования. Там, где необходимо нейтрализовать электрические заряды в аппарате с большим объемом, лучше использовать b-излучатели. Среди b-излучателей широко распространены тритиевые источники. Подножки у них изготовляют из молибдена, нержавеющей стали или меди; на подножки наносят слой титана, насыщаемый тритием. Как видно из табл. 9.4, ионизирующая способность b-частиц в 100 раз меньше, чем у a-частиц. Однако они обладают большой проникающей способностью. Длина пробега b-частиц в воздухе исчисляется метрами, но в более плотных средах она поглощается сравнительно легко. Свинцовые защитные экраны толщиной 1,5 мм, стальные толщиной 3 мм или деревянные толщиной 20 мм полностью поглощают
b-лучи. Радиоактивные вещества с g-излучением из-за высокой проникающей способности и опасности для людей при нейтрализации электрических зарядов не применяются. Сравнительные характеристики различных типов нейтрализаторов, выпуск которых налажен в нашей стране, приведены в табл. 9.5.

Таблица 9.5

Нейтрализатор

Принцип действия

Длина рабочей части, мм

Максимальный ионный ток, А, на 1см длины при

Е = 200 кВ/м

НР-1

a-излучение, плутоний 239

140

1,2×10-7

НРИ-1

Радиоактивно-индукционный

140

5…10-5

НР-3

a-излучение, плутоний 239

210

1,2×10-7

НРИ-3

Радиоактивно-индукционный

210

5×10-5

НР-5

a-излучение, плутоний 239

350

1,2×10-7

НРИ-5

Радиоактивно-индукционный

350

5×10-5

НР-7

a-излучение, плутоний 239

800

(0,6-0,9) ×10-7

НР-8 до НР-14

То же

1000

1800

(0,3-0,6) ×10-7

(0,6-1,2) ×10-7

НСЭ-350АТ-1

«

350

0,6×10-7

НСЭ-200А

«

20

0,5×10-7

НСЭ-140АТ-1

«

140

0,6×10-7

НСЭ-1000Б

a-излучение, прометий-147

1000

(0,2-0,4) ×10-7

Тритиевые

b-излучение, тритий

-

(0,5-1,2) ×10-7

 

Основным недостатком радиоизотопных нейтрализаторов является малый ионизационный ток по сравнению с другими типами нейтрализаторов.

Для нейтрализации электрических зарядов могут использоваться комбинированные нейтрализаторы, например, сочетание высоковольтного и радиоизотопного, и индукционного. Подобные комбинации из двух типов нейтрализаторов позволяют улучшить их рабочие характеристики и увеличить эффективность. Подобные нейтрализаторы (например, типа НРИ) также выпускаются промышленностью (см. табл. 9.5).

Эффективность различных типов нейтрализаторов сравнивают по рабочим характеристикам (рис. 9.6). Рабочие характеристики выражают зависимость разряжающего ионизационного тока от величины потенциала заряженного тела.

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.6. Рабочие характеристики
нейтрализаторов различных типов:

1 – высоковольтный; 2 – индукционный;
3 - радиоизотопный

Дополнительные способы уменьшения опасности
от статической электризации

Рассмотренные способы уменьшения опасности статической электризации могут оказаться иногда малоэффективными или неприемлемыми во взрывоопасных производствах. Поэтому может возникнуть необходимость создания условий, исключающих образование взрывоопасных концентраций, например, применение в резервуарах плавающих крыш, заполнение свободного пространства в аппаратах азотом или углекислотой, применение постоянно действующей вентиляции с высокой кратностью обмена воздуха, а также автоматическое включение аварийной вентиляции и т.п.

Иногда удовлетворительные результаты дает подбор контактных пар, изменение отдельных операций или замена горючих жидкостей на негорючие. Опасность статической электризации легковоспламеняющихся и горючих жидкостей может быть значительно снижена или даже устранена, например, уменьшением скорости потока v. Эффективность этого способа объясняется тем, что при ламинарном потоке степень электризации пропорциональна скорости движения и не зависит от диаметра трубопровода Dт, а при турбулентном потоке она пропорциональна скорости жидкости v в степени 1,75 и диаметру трубопровода в степени 0,75. При этом статическое электричество более интенсивно возникает в трубопроводах с шероховатой поверхностью.

Рекомендуется следующая скорость v диэлектрических жидкостей: при удельном сопротивлении r  105 Ом×м принимают v  10 м/с; r > 105 Ом×м – v  5 м/с. Для жидкостей с r > 109 Ом×м скорость транспортировки и истечения устанавливается отдельно для каждой жидкости. Устанавливается такая скорость для данного диаметра трубопровода, при которой потенциал на поверхности жидкости в приемном сосуде не превосходил бы предельно допустимого. Безопасной для таких жидкостей обычно является скорость движения или истечения 1,2 м/с.

Для транспортировки жидкостей с r > 1011 - 1012 Ом×м со скоростью не менее 1,5 м/с рекомендуется применять релаксаторы (например, горизонтальные участки трубы увеличенного диаметра) непосредственно у входа в приемный резервуар. Необходимый диаметр Dр, м, этого участка определяется по формуле

.                                             (9.8)

Длина релаксатора Lм определяется по формуле

,                                            (9.9)

где Е – диэлектрическая проницаемость жидкости.

При заполнении резервуара жидкостью с r > 105 Ом×м до момента затопления загрузочной трубы рекомендуется подавать ее со скоростью не более 1 м/с, а затем со скоростью, соответствующей удельному сопротивлению, как было указано выше.

При использовании релаксаторов в современных крупнотоннажных производствах необходимо иногда увеличивать скорость жидкости в трубопроводе до 4-5 м/с. Диаметр, рассчитанный по формуле (9.8), оказывается непомерно большим. Поэтому для увеличения эффективности релаксатора рекомендуется применять их со струнами (рис. 9.7) или с иглами (рис. 9.8). Это позволяет использовать эффект увеличения электропроводности органических жидкостей в сильном электрическом поле.

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.7. Схема релаксатора со струнами:

1 – входной конический переход; 2 – рассеивающая пластина; 3 – направляющие пластины; 4 – вертикальные пластины для крепления струн; 5 – натяжные пружины; 6 – струны;
7 – корпус релаксатора; 8 – выходной конический переход

Надпись: Æ220Надпись: Æ100 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.8. Схема нейтрализатора с иглами:

1 – изоляционная труба; 2 – иглы (16-18 шт.); 3 – переходник; 4 – изоляционная прокладка; 5 – корпус нейтрализатора

 

В первом случае внутри релаксатора и вдоль его оси натягиваются заземленные струны, что более чем на 50 % уменьшает ток электризации. Тот же эффект используют в релаксаторе (см. рис. 9.8), когда в поток жидкости вводят заземленные острия для того, чтобы из него отвести заряды.

Релаксатор состоит из толстостенной изоляционной трубы (полиэтилен, фторопласт) с установленными на ней заземленными игольчатыми электродами. Внутренние диаметры трубы и основного трубопровода одинаковы. Электрическое поле, созданное зарядами жидкости, концентрируется у острия иглы. У электродов поле значительно увеличивается (в результате адсорбции ионов на диэлектрических стенках релаксатора), и напряженность его у острия может значительно превысить 30 000 кВ/м, что приведет к резкому возрастанию удельной электропроводности.

Максимально допустимые и безопасные (в отношении возможности воспламенения паров жидкости в промышленном резервуаре) режимы транспортировки нефтепродуктов по длинным трубам диаметром 100-
250 мм могут быть оценены по соотношению

,                                            (9.10)

где vт – линейная скорость жидкости в трубе, м/с; Dт – диаметр трубы, м.

При наличии в магистрали трубопровода, фильтров, сепараторов и другого технологического оборудования, расположенного на небольшом расстоянии от приемного резервуара, режим транспортировки нефтепродуктов выбирается из условия, чтобы плотность заряда в резервуаре не превышала 30 мкКл/м3 при электропроводности жидкости 0,5 пкCм.

За последние годы были проведены серьезные теоретические и экспериментальные исследования по оценке электростатической безопасности при технологических операциях заполнения резервуаров нефтепродуктами [32].

Исследования позволили дать практические рекомендации [33] по режимам налива светлыми нефтепродуктами стационарных резервуаров и железнодорожных цистерн. Рекомендации позволяют предотвращать аварийные ситуации от разрядов статического электричества в ходе наливных операций путем ограничения скорости заполнения резервуаров до величины, при которой образующийся в нефтепродукте заряд статического электричества создает в резервуаре или железнодорожной цистерне электрическое поле, недостаточное для возникновения опасного искрообразования (по технологической схеме, не содержащей фильтров тонкой очистки, нефтепродукт не должен содержать эмульсионную воду и мелкодисперсные частицы).

Ниже приводятся примеры технологических схем заполнения железнодорожных цистерн (рис. 9.9) и резервуаров (рис. 9.10) светлыми нефтепродуктами. Примеры допустимых режимов заполнения железнодорожных цистерн и резервуаров светлыми нефтепродуктами приводятся в приложениях 3 и 4 [3].

 

 
  Надпись:  Lрт £ 20 мНадпись:  dртНадпись:  dк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.9. Технологическая схема заполнения железнодорожных цистерн светлыми нефтепродуктами на наливной эстакаде:

1 – магистральный трубопровод, dмт = 400...700 мм; 2 – коллектор, dк = 200-600 мм; 3 – раздаточный трубопровод, dрт = 100 мм; 4 – наливная труба, dнт = 100 мм; Lк – длина коллектора; Lрт – суммарная длина раздаточного трубопровода и наливной трубы; vмт – скорость продукта в магистральном трубопроводе; vк – скорость продукта в коллекторе; vн – скорость продукта в наливной трубе

 

 
  Надпись:  dм.тНадпись:  dп.тНадпись:  dпрт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.10. Технологическая схема заполнения стационарных резервуаров светлыми
нефтепродуктами на нефтеперерабатывающих заводах:

1 – приемно-раздаточный патрубок; 2 – подводящий патрубок; 3 – магистральный трубопровод;
dм.т – диаметр магистрального трубопровода; dпрт – диаметр приемно-раздаточного трубопровода;
dп.т – диаметр проводящего трубопровода; vи – скорость истечения нефтепродукта в резервуар;
Lм.т – длина магистрального трубопровода; Lп.т – длина проводящего трубопровода

 

Допустимые режимы заполнения вертикальных цилиндрических резервуаров с понтоном или плавающей крышей ограничиваются не только электризацией нефтепродукта, но и допустимой скоростью движения понтона или плавающей крыши, равной скорости поднятия уровня нефтепродукта в резервуаре. Если допустимая скорость поднятия уровня в резервуаре по условиям электростатической безопасности превышает 0,6 м/ч в основной стадии и 2,5 м/ч в начальной, то производительность закачки нефтепродукта в резервуар следует ограничить до величин, соответствующих допустимым скоростям движения понтона или плавающей крыши.

Для определения допустимых режимов заполнения железнодорожных цистерн на наливных эстакадах по технологической схеме (см. рис. 9.9) выбирают диаметр магистрального трубопровода dм.т, диаметр коллектора dк и диаметр наливной трубы dн.т. Для выбранных значений диаметров по прил. 3 [3] выбирают допустимые режимы налива железнодорожных цистерн.

Для определения допустимой производительности Р, м3/ч, заполнения конкретного резервуара по технологической схеме (см. рис. 9.10) выбирают минимальный диаметр трубы dм.т.min, входящей в состав магистрального трубопровода и диаметр подводящего трубопровода dп.т. По прил. 4 [3]. Для выбранных значений диаметров определяются допустимые режимы заполнения стационарных резервуаров. Допустимые режимы заполнения для
вертикальных резервуаров вместимостью 100-10 000 м3 и горизонтальных вместимостью 3-200 м3 приводятся в рекомендациях [32, 33].

В ряде случаев подбор материала контактирующих поверхностей уменьшает интенсивность генерации зарядов статического электричества. При этом можно рекомендовать, например, изготовление взаимодействующих поверхностей из однородного материала.

Следует исключить возможность загрязнения диэлектрических жидкостей коллоидными частицами. При сливе жидкости нельзя перемешивать, распылять или разбрызгивать; при наливе жидкости в резервуары, цистерны и тару сливная труба должна опускаться почти до дна приемного сосуда; свободно падающая струя вообще не допускается. Жидкости должны поступать в резервуар ниже уровня имеющегося в нем остатка жидкости.

При операциях с сыпучими и мелкодисперсными материалами снижения опасности от статической электризации можно достичь следующими мерами: при их пневмотранспортировке рекомендуются трубы из полиэтилена или трубы из того же материала (или близкого по составу транспортируемому веществу); относительная влажность воздуха на выходе из пневмотранспорта должна быть не менее 65 % (если это неприемлемо, рекомендуется ионизировать воздух или применять инертный газ). Следует избегать возникновения пылевоздушных горючих смесей, не допускать падения или сброса пыли, ее всклубливания или завихрения. Необходимо очищать оборудование и конструкции здания от осевшей пыли.

При операциях с горючими газами необходимо следить за их чистотой, отсутствием на пути их движения незаземленных частей оборудования или приборов.

Замена горючих средств на негорючие. Хороший эффект по условиям пожаро- и взрывобезопасности не только от искр статического электричества, но и от всех других источников зажигания достигается путем замены органических растворителей и ЛВЖ на негорючие. Тем более, если замена горючих сред на негорючие не нарушает нормального хода технологического процесса и экономически целесообразна.

Из органических растворителей для промывки и обезжиривания деталей чаще всего применяют бензин и керосин, которые наряду с хорошей растворяющей способностью обладают большой пожароопасностью, низкими температурами вспышки и воспламенения, широким диапазоном пределов воспламенения, склонностью к электризации. Опасность усугубляется еще и тем, что при процессах обезжиривания и промывки в открытых аппаратах над поверхностью этих жидкостей образуется взрывоопасная смесь даже при нормальной температуре.

Для химического обезжиривания рекомендуются негорючие составы [3], представленные в табл. 9.6.

Таблица 9.6

Компоненты

Содержание компонентов (г/л воды) в составах

Для черных металлов

Для меди
и ее сплавов

Для алюминия
и его сплавов

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

№ 5

№ 6

№ 7

NaOH и КОН

80-100

100-150

20-30

-

-

-

3-5

Фосфорнокислый натрий трехзамещенный

30-40

-

70-80

30-35

80-100

20-25

2-4

Натрий углекислый

-

30-50

-

20-25

-

20-25

40-50

Жидкое стекло

-

3-5

5-8

5-10

10-15

-

20-30

Эмульгаторы ОП-7 или ОП-10

-

5-7

5-7

3-5

-

5-7

-

 

Примечание. Обезжиривание проводят при 70-80 оС в течение 10-15 мин, раствор перемешивается сжатым воздухом.

 

Разработан ряд составов, предназначенных для замены ЛВЖ и ГЖ на операциях: очистки деталей от паст, суспензий, веретенного масла, нагара, коррозии; расконсервации, мойки деталей и агрегатов машин; отмывания поверхностей от нефтепродуктов, очистки резервуаров под смену грузов и производства в них ремонтных работ с применением открытого огня и т.п.

Характеристика составов, области применения и режимы обезжиривания описаны в работе [34].

9.5. ЭКСПЛУАТАЦИЯ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ОТ РАЗРЯДОВ
СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Нормальная эксплуатация и поддержание всех устройств защиты от разрядов статического электричества в исправном состоянии являются важным звеном в обеспечении пожаро- и взрывобезопасности на химических, нефтехимических и других производствах.

Согласно действующим правилам [4], ответственность за исправность устройств защиты от статического электричества в цехе возлагается на начальника цеха, а по заводу – на главного энергетика. Осмотр и текущий ремонт защитных устройств необходимо производить одновременно с осмотром и текущим ремонтом всего технологического и электротехнического оборудования.

Заземляющие устройства нужно контролировать при помощи приборов не реже одного раза в год. Результаты ревизии и ремонта защитных устройств заносятся в специальный журнал.

Для каждого цеха (с учетом специфических особенностей) в технологические инструкции или инструкции по технике безопасности должны быть включены разделы «Защита от статического электричества» и «Эксплуатация устройств защиты от статического электричества».

Электрические нейтрализаторы должны эксплуатироваться в соответствии с прилагаемыми к ним Правилами технической эксплуатации или Инструкциями по эксплуатации и правилами [28].

Установка и эксплуатация радиоактивных нейтрализаторов должна производиться в соответствии с инструкциями на них. Радиоактивные нейтрализаторы других конструкций допускаются к применению, если отвечают требованиям Санитарных правил по устройству и эксплуатации радиоизотопных нейтрализаторов статического электричества с эмалевыми источниками a- и b-излучения № 879-71, Основных санитарных правил работы с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений, № ОСП-72, Норм радиационной безопасности НРБ-69.

Профилактические осмотры и ремонты радиоизотопных нейтрализаторов целесообразно выполнять, прибегая к услугам специализированных организаций, например специализированного управления по монтажу и наладке радиоактивной техники.

При расширении и реконструкции производства следует проверить наличие, достаточность и эффективность действующих устройств защиты от статического электричества и при необходимости внести соответствующие изменения.

Устройства защиты от статического электричества (нейтрализаторы, заземления и др.) принимаются в эксплуатацию одновременно с приемкой технологического и энергетического оборудования.

При приемке средств защиты в эксплуатацию должны быть представлены проекты, акты на скрытые работы, исполнительные схемы, протоколы замеров сопротивлений заземляющих устройств и инструкция по эксплуатации.

 

* Модификация УЗА-2МК-03- работает на автономном электропитании и не требует питающей электросети.