Электростатическая безопасность пожаро - и взрывоопасных производств (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

имени »

Бийский технологический институт (филиал)

,

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

ПОЖАРО - И ВЗРЫВООПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Бийск 2006

УДК 531.21:658.382.2

ББК 24.54:22.33

Овчаренко, безопасность пожаро- и взрывоопасных производств / , .

Алт. гос. тех. ун-т, БТИ. - Бийск.

Изд-во Алт. гос. тех. ун-та, 20с.

В монографии изложены основные сведения по электростатической безопасности пожаро - и взрывоопасных производств, рассмотрены принципы измерения параметров электризации, методы и установки для исследования электростатических характеристик различных материалов. Даны рекомендации по оценке электростатической безопасности технологических процессов и описаны методы и устройства защиты от статического электричества.

Монография предназначена для инженерно-технических работников промышленных предприятий, проектно-конструкторских организаций, научных работников, занимающихся вопросами предотвращения опасного воздействия статического электричества, а также будет полезна аспирантам и студентам химико-технологических специальностей высших учебных заведений.

Рецензенты:

д. т.н., профессор (ЦНКБ, г. Москва)

к. т.н., доцент, член-корреспондент МАНЭБ

(Московский государственный университет инженерной экологии)

ISBN -X

ã , , 2006

ã БТИ АлтГТУ, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ______________________________________________	5
1 СТАТИЧЕСКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО - ПРИЧИНА АВАРИЙ НА ПРОИЗВОДСТВЕ_____________________________________	8
2 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ__________	10
2.1 Механизмы электризации______________________________	10
2.2 Характеристики искрового разряда статического электричества____________________________________________	15
3 МЕТОДОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ________________________________________	22
4 МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ______________________	27
4.1 Основные принципы измерения электризации____________	27
4.2 Измеритель электростатических потенциалов_____________	30
4.3 Индикаторы электростатических полей__________________	33
4.4 Контроль электропроводности покрытий_________________	47
5 МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВ_____	52
5.1 Определение удельных электрических сопротивлений сыпучих материалов_______________________________________	52
5.2 Определение электризуемости сыпучих материалов_______	55
5.3 Определение электризуемости твёрдых материалов________	61
5.4 Определение минимальной энергии зажигания веществ____	66
6 ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ_______________________	92
6.1 Разряды c наэлектризованных незаземлённых металлических элементов оборудования______________________	92
6.2 Разряды с наэлектризованных диэлектрических элементов оборудования____________________________________________	95
6.3 Электризация человека________________________________	100
6.4 Разряды c наэлектризованных перерабатываемых материалов______________________________________________	111

7 СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА________________________________________	128
7.1 Заземление электропроводящего оборудования и персонала______________________________________________	128
7.2 Обеспечение путей утечки электростатических зарядов____	132
7.3 Совершенствование технологического процесса и оборудования_________________________________________	142
ЛИТЕРАТУРА___________________________________________	147

ВВЕДЕНИЕ

В связи с интенсификацией производственных процессов при переработке пожаро - и взрывоопасных материалов в различных отраслях промышленности, таких как химическая, нефтеперерабатывающая, машиностроение, текстильная, горнодобывающая, авиационная и другие, возрастает роль обеспечения безопасности жизнедеятельности (БЖД) человека в окружающей техносфере. Наряду с известными и достаточно изученными вредными и опасными производственными факторами, такими как вибрация, шум, электромагнитные поля, ионизирующие излучения, химические и ядовитые вещества, не менее опасным производственным фактором является электризация, в результате которойвозникают разряды статического электричества, приводящие к взрывам и пожарам. Последние характеризуются значительными материальными ущербами и человеческими жертвами. Поэтому обеспечение электростатической искробезопасности (ЭСИБ) является актуальной задачей, особенно в условиях взрывопожароопасных производств как при получении, так и при переработке, хранении и использовании пожаро - и взрывоопасных материалов. Аварии по причине электризации продолжают составлять значительный процент от общего состояния аварийности. Так, например, по данным Нидерландского бюро взрывной безопасности причиной 14 % взрывов, происшедших на мукомольных заводах различных стран, стали разряды статического электричества [1].

В последнее десятилетие снизилось количество публикаций по вопросам безопасности производств и, в частности, по ЭСИБ, что, вероятно, связано с общим спадом экономики, простоями предприятий, ликвидацией и реорганизацией ряда министерств, утратой межотраслевых связей, значительным уменьшением бюджетного финансирования, сокращением ряда исследовательских институтов в этой области и самих производств.

Тем не менее проблемы безопасности производства являются первостепенными, и их следует постоянно изучать и использовать на практике.

Обычно задача обеспечения ЭСИБ решается комплексным путём и включает изучение всех технологических операций пожаро-
взрывоопасного производства на предмет наличия электризации с применением индикаторов и приборов для измерения параметров электризации. Оценка ЭСИБ производится путём сравнения накапливаемой энергии электростатических зарядов с минимальной энергией зажигания используемых горючих материалов. Затем разрабатываются конкретные рекомендации и меры защиты от статического электричества. На основании разработанных рекомендаций и мер защиты вносятся изменения и дополнения в технологические регламенты и инструкции по правилам выполнения работ с последующим постоянным контролем их выполнения.

Цель настоящей книги – систематизировать имеющийся материал по электростатической безопасности пожаровзрывоопасных производств и дополнить новыми сведениями. Ряд сведений, полученных авторами, публикуется впервые.

В монографии кратко изложены основные проблемы по статическому электричеству пожаровзрывоопасных производств, приведены теоретические представления механизма электризации и основные характеристики искрового разряда как потенциального источника загораний и взрывов. Приведена методология по обеспечению ЭСИБ с учётом изменения параметров электризации в производственных условиях. Обобщены результаты, связанные с контролем процесса электризации и измерением электростатических характеристик материалов, дано описание существующих и новых приборов для исследования таких характеристик.

Приведена оценка электростатической безопасности технологических процессов при переработке твердых и твердых дисперсных материалов, рассмотрена методика оценки опасности разрядов статического электричества при гравитационном истечении сыпучих материалов, которая может найти применение и в других случаях электризации, и изложены основные, наиболее важные методы и устройства защиты от статического электричества.

В настоящей книге не освещены вопросы защиты от статического электричества, связанные с пневмотранспортом, электризацией жидкостей и рядом других процессов, которые в достаточной степени изложены в имеющейся литературе.

Книга предназначена для инженерно-технических работников промышленных предприятий, проектно-конструкторских организаций, научных работников, занимающихся вопросами предотвращения опасного воздействия электризации материалов, а также будет полезна аспирантам и студентам химико-технологических специальностей высших учебных заведений.

Для последующего понимания излагаемого материала ниже приводятся основные используемые термины и их определения.

Статическое электричество - совокупность явлений, связанных с разделением положительных и отрицательных зарядов, сохранением и релаксацией свободного электростатического заряда на поверхности или в объеме диэлектрика или на изолированных проводниках.

Взрывоопасная смесь - смесь с воздухом горючих веществ (газов, паров, аэрозолей, пыли, волокон), которая при концентрации в пределах воспламенения и наличии источника зажигания способна загораться и сгорать с распространением фронта пламени во всем ее объеме.

Электростатическая искробезопасность - состояние объекта защиты, при котором исключается возможность возникновения пожара или взрыва от разрядов статического электричества.

Минимальная энергия зажигания - наименьшее значение энергии электрического разряда, способного воспламенить наиболее легко воспламеняющуюся смесь газа, пара или пыли с воздухом.

Минимальный заряд зажигания - наименьшее значение полного заряда, перенесенного единичным искровым разрядом, необходимое для зажигания горючей смеси при оптимальном соотношении горючего и окислителя.

Линейная плотность энергии зажигания - отношение энергии, выделяемой в канале разряда, к длине разрядного промежутка.

Постоянная времени релаксации электрических зарядов - время, в течение которого электрический заряд объекта при свободной утечке уменьшается в е раз.

Авторы выражают признательность и благодарность рецензентам за просмотр и ценные замечания.

Авторы не претендуют на полноту изложения затронутой проблемы, поэтому заранее благодарны читателям за советы, критические замечания и пожелания по поводу содержания книги.

1 СТАТИЧЕСКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО – ПРИЧИНА АВАРИЙ
на производстве

Статическое электричество вызывает нарушение технологических процессов получения и переработки синтетических материалов, горючих и взрывчатых веществ, может явиться причиной пожаров и взрывов, неблагоприятно воздействует на организм человека.

Пожары и взрывы, вызванные разрядами статического электричества, хорошо известны, и информация об этом постоянно публикуется [1-13]. Наиболее вероятны взрывы и пожары паров легковоспламеняющихся жидкостей, горючих мелкодисперсных твердых материалов и взрывчатых веществ. Источником воспламенения горючей смеси является газовый разряд, инициируемый либо в электрическом поле заряженного диэлектрика, либо в поле заряженного проводника. В последнем случае воспламеняющая способность искрового разряда больше, опасность выше. Несмотря на то, что разряд, инициированный в поле заряженного диэлектрика, наблюдается чаще, его воспламеняющая способность меньше, чем у разряда с проводника, так как
величина заряда в импульсе является только частью заряда, накопленного на диэлектрике, а проводник сбрасывает весь заряд за один импульс [2].

Анализ статистики аварийности от разрядов статического электричества показывает, что факторы, влияющие на возникновение и реализацию разрядов в производстве, очень разнообразны. Прежде всего, это величина энергии разряда, состояние горючей среды, параметры окружающей среды, оборудование и материалы, контактирующие с веществами. Быстрое истечение жидкости и паров через отверстия вызывает сильную электризацию и искровые разряды. Описан взрыв ёмкости, стенки которой очищали паром от остатков нефтепродуктов. Расследованием установлено, что было нарушено заземляющее устройство насадки парового трубопровода [10]. При истечении пара произошло сильное заряжение насадки, и возник искровой разряд, который и послужил источником воспламенения. Аналогичный взрыв произошёл в ёмкости, из которой загрузили нефть в танкер [11]. В пустую ёмкость закачивали воду, и при объёме воды в ёмкости, примерно равном объёму подводящих трубопроводов, произошёл мощный взрыв, вероятной причиной которого был искровой разряд статического электричества. Считают, что электрические заряды образовались в результате интенсивного перемешивания остатков нефти и воды.

Электростатические разряды могут быть причиной взрыва движущихся газовых смесей. Хотя чистые газы не электризуются, истечение с большой скоростью запылённого или содержащего жидкие капли газа приводит к появлению электрических зарядов на частицах и оборудовании. Искровые разряды с заряженного оборудования были причиной взрыва баллонов с ацетиленом, когда произошла его утечка из трубопровода на заправочной станции [13]. В работах ряда исследователей показано, что смесь пропана с воздухом можно воспламенить от разряда с диэлектрической поверхности площадью 200 см2, а для воспламенения смеси водорода с воздухом достаточна поверхность площадью 20 см2 [14].

Пыли и порошки занимают далеко не последнее место в числе материалов и веществ, способствующих возникновению пожаров. По данным зарубежной печати, в 1965 г. из 436 пожаров, происшедших в зданиях химических производств, 32 пожара вызваны зажиганием пыли и порошков от статического электричества [15]. В 1960 г. только в промышленности пластмасс США убытки от пожаров и взрывов составили 5,6 млн. долларов [16]. Наиболее значительным был взрыв пыли полистирола на заводе пластмасс в Массачусетсе, ущерб от которого превысил 500000 долларов. При выгрузке порошка пластмассы, имеющей минимальную энергию зажигания 15 мДж, дважды происходили взрывы. Причиной был искровой разряд с незаземлённого бункера [17]. Анализ причин аварий на объектах мукомольной промышленности, связанных с техническим состоянием оборудования и зарегистрированных Госгортехнадзором России в 1971–1996 гг., показал, что доля аварий от статического электричества составляет от 14 до 20 % от общего числа взрывов [1].

Трагические случаи с гибелью или тяжёлыми травмами происходят при воспламенении горючих сред искровыми разрядами с человека, при снаряжении вручную электродетонаторов, работе с пиротехническими веществами, заряжении детонирующих шнуров и скважин промышленными взрывчатыми веществами, а также на различных ручных операциях при работе с сыпучими горючими смесями и изготовленными из них изделиями [18-21]. Подобные случаи чаще всего наблюдаются в сухих помещениях с плохо проводящим полом. В этих условиях человек при движении генерирует заряды, достаточные для воспламенения многих горючих газов и паровоздушных смесей.
В производствах диэлектрических порошков, плёнок и других подобных производствах человек заряжается при контакте с заряженной поверхностью или при ходьбе по диэлектрическим покрытиям пола [22, 23]. При этом ёмкость человека составляет от 100 до 200 пФ, а энергия, накапливаемая на нём, может находиться в пределах от 0,4 до 4,0 мДж [14, 18].

2 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ

2.1 Механизмы электризации

В основу контактного механизма электризации положен принцип микроразделения зарядов, приводящих к образованию двойных электрических слоёв на межфазных границах. Последующее макроразделение зарядов противоположного знака происходит вследствие массопереноса в пограничном слое или разделения контактировавших поверхностей. Большой вклад в современные представления о формировании двойных электрических слоёв внесли работы советских учёных [24-26].

Микроразделение зарядов происходит в процессе образования двойного электрического слоя или пространственного распределения электрических зарядов на границе соприкосновения фаз. Обкладки двойного слоя могут находиться по обе стороны межфазной границы. Такое расположение наблюдается на границах металл - газ, металл - металл, металл - полупроводник, металл - диэлектрик, диэлектрик - диэлектрик, жидкость - твёрдое тело. Двойные электрические слои такого рода обусловливают контактную разность потенциалов, термоэлектродвижущую силу и т. п. Заряды будут оставаться на поверхностях после их разделения, только если время разделения контакта будет меньше времени релаксации зарядов. Последнее в значительной степени определяет их величину на разделённых поверхностях.

На рисунке 2.1 представлена схема релаксации электрического заряда при разрушении контакта твёрдой диэлектрической частицы сферической формы с плоской стенкой [4].

В том месте, где контакт не нарушен, плотность зарядов определяется свойствами контактирующих поверхностей и равна плотности двойного электрического слоя. В момент контакта заряд частицы
Qч (Кл) равен:

, (2.1)

где – плотность электрического заряда двойного слоя, Кл/м2;

– поверхность контакта, м2.

Iом – электрический ток, обусловленный стоком заряда через
омическое сопротивление поверхностей контакта; Iи – электрический ток, обусловленный ионными процессами в зазоре между контактами; rч – радиус частицы; rк – радиус пятна контакта

Рисунок 2.1 – Схема релаксации электрического заряда при
разрушении контакта диэлектрической частицы с плоской стенкой

В процессе разделения поверхностей (частица отделяется от стенки) заряды частично рекомбинируют в результате стока через омическое сопротивление в точку контакта. Часть заряда нейтрализуется в результате адсорбции ионов, образовавшихся в газовом разряде, происходящем в зазоре между разделяющимися поверхностями. Если поверхности обладают сравнительно низким электрическим сопротивлением или скорость их разделения мала, то рекомбинация зарядов происходит главным образом через омическое сопротивление поверхностей. Для поверхностей с высоким омическим сопротивлением рекомбинация зарядов происходит в основном в результате газоразрядных процессов в зазоре между поверхностями.

Заряд частицы после разделения поверхностей определяется выражением:

, (2.2)

где – величина заряда, стекающего через омическое сопротивление контактирующих поверхностей;

– величина заряда, нейтрализованного в результате ионных процессов, протекающих в зазоре между разделяющимися поверхностями.

Из выражения (2.2) очевидно, что в идеальном случае при большой скорости отрыва частицы и хороших диэлектрических свойствах частицы:

. (2.3)

Аналогичный механизм электризации имеет место при контакте и последующем разделении двух твёрдых поверхностей (рисунок 2.2). В этом случае процесс электризации также определяется плотностью зарядов на поверхностях контакта после их разделения.

1 – неподвижная заземлённая пластина из проводящего материала;
2 – диэлектрическая отрываемая плёнка; V – скорость отрыва пленки; Qu – величина заряда, нейтрализованного в результате ионных
процессов

Рисунок 2.2 – Схема электризации при контакте двух твёрдых
поверхностей

Наряду с контактным механизмом электризации твёрдых материалов различают другие механизмы заряжения:

·  двойные слои возникают вследствие избирательной адсорбции ионов одного знака, например, вследствие наличия ориентированных диполей на контактной поверхности одной из фаз [9, 27];

·  двойные слои зарядов при контакте двух фаз возникают в результате химических реакций [28, 29];

·  заряжение происходит за счёт пьезоэлектрического эффекта при деформации полярных полимеров [30];

·  заряжение происходит по индукции [31].

В реальных условиях формирование двойного слоя нередко обусловлено одновременным действием нескольких механизмов.

Потенциал двойного слоя φ (В) связан с поверхностной плотностью зарядов σ (Кл/м2), толщиной слоя δ (м), относительной диэлектрической проницаемостью материала частицы ε и описывается уравнением [33]:

. (2.4)

Для оценки толщины двойного электрического слоя используется формула Френкеля [4, 109]:

, (2.5)

где – коэффициент диффузии ионов, м2/с;

t – время релаксации, с.

, (2.6)

где γ – удельная электропроводность, См/м;

ε0 = 8,854∙10-12 Ф/м – электрическая постоянная.

Предложенная Френкелем формула (2.5) на основе электрокинетических явлений универсальна и имеет глубокий физический смысл. По ней оценивают толщину слоя не только электролитического происхождения, но и возникшего при контакте металла с металлом, полупроводником, диэлектриком и т. п. [34].

Основной величиной, характеризующей заряженное состояние диэлектрических поверхностей, следует считать поверхностную плотность зарядов. Для пористых материалов или воздухопроницаемых тканей максимальная плотность зарядов σ (мкКл/м2) на площади порядка нескольких квадратных сантиметров и более, обусловленная электрической прочностью воздуха (для воздуха пробойная напряженность электростатического поля Ев = 3∙106 В/м, плотность тока при пробое jпр ≈ 100 мкА/м2 и время пробоя τ ≈ 0,26 с), составляет:

мкКл/м2. (2.7)

На тонких нитях предельная плотность зарядов может достигать
170 мкКл/м2 [32].

Изменение плотности зарядов, образующихся после контакта, зависит не только от контактирующих материалов, но и от ряда других факторов. На рисунках 2.3 и 2.4 представлены зависимости плотности зарядов от относительной влажности воздуха и от удельного объёмного электрического сопротивления ρV.

Рисунок 2.3 – Зависимость плотности зарядов от относительной
влажности воздуха (полиэтиленовая пластинка, площадь которой
S = 0,02 м2, натиралась шерстью)

Экспериментальные данные (см. рисунок 2.3) свидетельствуют о том, что при относительной влажности воздуха до 40 % плотность зарядов максимальна и не зависит от влажности, а при контакте металла с диэлектриком (см. рисунок 2.4) видно, что электризация не зависит от удельного объемного электрического сопротивления ρV диэлектрика, если оно выше величины 1010 Ом∙м. Если сопротивление обеих поверхностей меньше этой величины, то заряды, возникающие при контакте двух тел, имеют возможность стечь при их разделении. Полагают, что заряжение практически отсутствует при значениях
ρv = 104 Ом∙м и менее [34]. Согласно правилам [36] защита от статического электричества необходима, если удельное объёмное электрическое сопротивление материала превышает 105 Ом∙м.

Рисунок 2.4 – Зависимость отношения плотности зарядов,
образующихся при контакте диэлектрика с металлом,
к диэлектрической постоянной диэлектрика σ/ε от удельного
объёмного сопротивления ρv

2.2 Характеристики искрового разряда статического

электричества

Следствием процессов электризации материалов в технологических процессах являются разряды статического электричества. Различают два вида разрядов статического электричества, способных воспламенить горючие смеси при оптимальных условиях:

·  искровой разряд (полный электрический пробой межэлектродного промежутка);

·  коронный и кистевой разряды (частичный электрический пробой межэлектродного промежутка).

Электростатические разряды, следующие с проводящих элементов оборудования, по энерговременным характеристикам адекватны разрядам заряженного конденсатора. Важной с точки зрения воспламенения отличительной особенностью конденсированных высоковольтных искровых разрядов является короткая продолжительность их действия (порядка 10-3…10-7 с), в течение которой в разряде выделяется почти вся энергия. Конденсированный разряд характеризуется пробивным напряжением – величиной электрического напряжения, приложенного к межэлектродному промежутку и вызвавшего электрический пробой. На величину пробивного напряжения существенно влияют различные факторы: межэлектродное расстояние, форма, материал и качество поверхности электродов, температура электродов и находящейся между ними горючей смеси, полярность напряжения и др. [37].

После возникновения пробоя межэлектродного промежутка происходит резкое увеличение проводимости в узком канале. При обычном расположении электродов канал окружён факелами, то есть выбросами паров материалов, из которых выполнены электроды. Вокруг канала и факелов находится пламя разряда, то есть раскалённые газы, в атмосфере которых происходит разряд. На рисунке 2.5 показана схема искрового разряда.

Рисунок 2.5 – Схема искрового разряда

Как только в разрядном промежутке образуется проводящий канал, в него сразу же усиленно начинает поступать энергия, и проходящий по нему ток быстро нарастает. Скорость нарастания тока обычно определяется параметрами внешней цепи. Канал сильно разогревается и расширяется, причём расширение происходит с такой скоростью, что на ранней стадии этот процесс можно приближённо рассматривать как распространение ударной волны. Температура канала разряда является непосредственной функцией плотности тока. Наибольшего значения плотность тока достигает в первые 5∙10-7 с. В это время излучение искрового разряда имеет наиболее «горячий» характер (спектр атмосферы). На рисунке 2.6 показано влияние плотности тока в канале искрового разряда на температуру канала и факела по данным [38]. Канал (плазма) разряда имеет очень высокую температуру (порядка 10000…20000 К). Температура факелов вблизи электродов примерно равна температуре канала и падает по мере удаления от них. Рассмотренная модель искрового разряда характерна для многих производственных процессов, в которых возникают электростатические заряды, реализующиеся в виде разрядов на заземлённые части оборудования.

Рисунок 2.6 – Влияние плотности тока в канале разряда j
на температуру канала и факела T

В технологических процессах чаще наблюдаются разряды, инициируемые в поле заряженного диэлектрика. Такие разряды по длительности, крутизне переднего фронта разрядного тока и плотности энергии значительно отличаются от конденсированных. Они обычно имеют форму незавершённого искрового разряда или короны (рису-нок 2.7).

б)

а)

Рисунок 2.7 – Фрагменты изображения скользящих разрядов
статического электричества на диэлектрической поверхности, несущие заряд положительного знака (а) и отрицательного знака (б)
соответственно

Если мощность внешнего источника будет достаточной для того, чтобы поддерживать необходимую разность потенциалов в течение всего времени развития разряда, разрядный промежуток пробивается по всей длине и образуется проводящий канал плазмы. В этом случае энергия электростатического поля практически полностью реализуется в единичном разряде, и величина её определяется размерами заряженной поверхности и плотностью заряда.

Основные виды разрядов статического электричества, которые могут возникать в технологических процессах, представлены на рисунке 2.8. В данной схеме присутствует человек как генератор электростатических зарядов.

1 – с наэлектризованного материала на заземлённый проводник;

2 – с наэлектризованного материала на стенку аппарата; 3 – между изолированным и заземлённым проводниками; 4, 5 – коронирование
и разряд на локальном нарушении электрической прочности стенки;
6 – с диэлектрической стенки на заземлённый проводник;
7 – скользящий разряд; 8 – пробой диэлектрической стенки; 9 – разряд с человека; 10 – разряд с одежды человека

Рисунок 2.8 – Возможные виды разрядов статического электричества

Анализ литературных данных по воспламенению горючих смесей электрическими разрядами показывает, что существуют, по сути дела, две теории воспламенения: электрическая и тепловая. Хотя электрические и тепловые явления в искровом разряде совместно влияют на процесс воспламенения горючей смеси, преобладающая роль в тепловых теориях отводится тепловому эффекту искры, так как до настоящего времени точно не выяснено, какую роль в воспламенении играют электрические характеристики искрового разряда, в частности, создаваемая им ионизация и, следовательно, повышенная в зоне разряда концентрация радикалов. В обоих случаях на баланс выделенной энергии в искровом разряде влияют параметры электрического контура (индуктивность, электрическое сопротивление), плотность электростатических зарядов (потенциал), длительность разряда.

На рисунке 2.9 представлена зависимость энергетического баланса искрового разряда от длительности разряда, полученная при калориметрировании искровых разрядов (определялось тепло, рассеиваемое от разряда в воздух) [39].

Рисунок 2.9 – Зависимость энергетического баланса искрового разряда от длительности разряда

В работе [39] показано, что изменение энергетического баланса искрового разряда связано с перераспределением тепла, переданного от разряда воздуху (горючей смеси) путём теплопроводности и конвекции (Wв), а также расходуемого на потери в электродах (Wэл) и излучение (Wизл). В данных экспериментах не рассматривается энергия, расходуемая на нагрев смеси и нагрев электродов.

Распределение энергии, выделяющейся в разрядном промежутке (энергетический баланс конденсированного искрового разряда), представляется в следующем виде [40, 41]:

(2.8)

где W – энергия, выделяемая в канале искрового разряда, Дж;

W1 – энергия, расходуемая на нагрев смеси, Дж;

W2 – энергия, расходуемая на образование ударной волны, Дж;

W3 – энергия, расходуемая на излучение, Дж;

W4 – энергия, расходуемая на нагрев электродов, Дж;

W5 – энергия, расходуемая на диссоциацию, ионизацию и возбуждение молекул газа в разрядном промежутке, Дж.

Тепловой коэффициент полезного действия искрового разряда (при определении энергии, расходуемой на нагрев смеси) равен [42]:

, (2.9)

где – энергия, выделяющаяся в газе в виде тепла, Дж;

W – электростатическая энергия, запасённая перед разрядом, Дж.

, (2.10)

где C – электрическая ёмкость разрядного конденсатора, Ф;

U – разность потенциалов, В.

Результаты опытов показали, что значение ηТ меняется в пределах от 2 до 16 %. Остальная часть энергии расходуется на излучение, образование ударных волн и т. п. При калориметрировании единичных искровых разрядов подтверждено, что доля энергии, перешедшая в ударную волну, невелика и составляет около 2 % энергии разряда [43].

Рассмотренный механизм конденсированного искрового разряда с некоторым приближением можно принять и для разрядов с диэлектрических поверхностей, так как все составляющие энергии W в выражении (2.8) присутствуют и в этом случае. Однако уравнение (2.8) не может быть использовано для расчёта энергии разряда с заряженных диэлектрических поверхностей, так как только часть общего накопленного заряда на диэлектрике может быть перенесена в разряде [33].

Энергия, рассеиваемая при переносе бесконечно малого заряда в разряде, равна:

(2.11)

где U – разность потенциалов между начальной и конечной точками траектории разряда, В;

dq – элементарный заряд, переносимый в разряде с заряженной диэлектрической поверхности, Кл.

Определение полной энергии, выделенной в разряде с диэлектрика, из выражения

(2.12)

представляет значительную трудность, так как заряженные диэлектрики имеют неэквипотенциальную поверхность, а площадь заряженного диэлектрика, которая отдаёт заряд, не имеет точных размеров. В этом случае энергию электростатического разряда можно приближённо определить, если принять в выражении (2.12) 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, используется метод осциллографирования, для чего металлический электрод заземляют через интегрирующую RC-цепочку, подключенную параллельно входу лучевого осциллографа. Энергия электростатического разряда, следовательно, будет равна:

(2.13)

где Q – величина заряда, переносимая в единичном разряде, Кл;

U – разность потенциалов, В.

Данный метод представлен в инструкции [2], разработанной во ВНИИПО (г. Балашиха), и используется для определения воспламеняющей способности разрядов статического электричества по заряду в импульсе с учетом статических характеристик, полученных экспериментально.

3 МЕТОДОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ

Для обеспечения электростатической безопасности (ЭСИБ) технологических процессов с 80 по 90-е годы был выпущен ряд нормативных документов, в том числе отраслевые и государственные стандарты [44-46]. Одновременно в МХТИ им. проводилась работа над созданием системы паспортизации производств и разработан проект паспорта производства по ЭСИБ [48].

Система паспортизации – первая попытка разработать схему проведения комплексного обследования по ЭСИБ в различных производствах, которая позволит внедрить разрабатываемые стандарты в промышленность. Одно из основных достоинств системы – доступность методов исследования и анализа. Предлагаемые приборы в настоящее время морально устарели и не могут быть использованы на производстве из-за требований по искробезопасности и взрывозащищённости.

Тем не менее разработанный паспорт является основой для инженерно-технических работников, занимающихся данной проблемой, и может быть рекомендован к руководству. На рисунке 3.1 приведена структурная схема по обеспечению ЭСИБ как вариант комплексной методологии. Предлагаемую схему можно использовать во взрывопожароопасных производствах.

Основным элементом представленной структурной схемы (см. рисунок 3.1) на начальной стадии является составление карты уровней электризации с установлением на каждом технологическом оборудовании соответственно: 1 – зоны, где происходит генерирование зарядов статического электричества; 2 – группы чувствительности перерабатываемого вещества; 3 – перечня диэлектрических элементов оборудования.

На рисунке 3.2 в качестве примера приведены технологическая схема изготовления поливинилхлоридного однослойного линолеума вальцевокаландровым способом и участки замеров статического электричества [49].

Напряжённость электростатического поля измеряли с помощью приборов ИНЭП-1, ИЭСП-9. ПВХ-линолеум получали без антистатика и с антистатиком.

Рисунок 3.1 – Методология обеспечения электростатической
безопасности технологического процесса

1 – смеситель СМ-800; 2 – смеситель РС-45; 3, 5, 7 – ленточные
транспортёры; 4, 6 – вальцы; 8 – каландр; 9 – охлаждающий барабан; 10 – подающий транспортёр; 11 – тянущие валки; 12 – нож;
13 – рулон линолеума

Рисунок 3.2 – Технологическая схема получения ПВХ-линолеума
и участки замеров на ней напряженности электростатического поля
(I–VII)

Распределение напряжённости электростатического поля на поверхности ПВХ-линолеума вдоль технологической линии показано на рисунке 3.3. При измерении оказалось, что электризация материала и изделия наблюдается практически по всей технологической линии. Однако если на участке от смесителя до каландра напряжённость электростатического поля не превышает 1 кВ/см, то после выхода линолеума из каландра происходит резкое увеличение электризации. Это связано с ориентацией макромолекул ПХВ и перераспределением электрических зарядов под действием формирующих усилий при каландровании. Резкое охлаждение поверхности линолеума на охлаждающем барабане приводит к дополнительной его электризации вследствие пироэлектрического эффекта. Поэтому электризация на участках замера V–VI имеет наибольшее значение. Непосредственный контакт рабочих с наэлектризованным линолеумом происходит на участках VI, VII. Измерения электрического потенциала человека относительно земли показали, что рабочие приобретают электрический потенциал от 4 до 5 кВ и при соприкосновении с заземлёнными частями оборудования могут получить довольно ощутимые электрические удары [50].

Введение антистатиков снижает напряжённость электростатического поля (см. рисунок 3.3), причём наибольший эффект достигался при введении 3 % стеарокса-6.

Антистатики вводят в композицию до смешения (—) и на последней минуте смешения непосредственно в смеси

Рисунок 3.3 – Распределение напряжённости электростатического
поля вдоль технологической линии получения ПВХ-линолеума,
содержащего 0,5 (5), 1,5 (3, 7) и 3 % (4) стеарокса-6,
1 % (2, 6) словавива и без антистатика (1)

Таким образом, для оценки влияния статической электризации при производстве изделий из полимерных материалов вполне достаточно знания напряжённости электростатического поля и наведённого потенциала. Однако при этом следует учитывать возможные локальные перенапряжения электростатического поля в технологических процессах. Например, значительные перенапряжения электростатического поля были отмечены при исследовании электризации изделий из полипропилена (листов, плёнки) [68].

Напряжённость электростатического поля Е измеряли прибором ИНЭП-1 с относительной погрешностью не более ±10 %. Потенциал зарядов статического электричества у обслуживающего персонала
определяли статическим киловольтметром С-96 с погрешностью не более ±5 %.

Распределение напряженности электростатического поля при получении изделий из полипропилена показано на рисунке 3.4, из которого видно, что условия технологического процесса существенно влияют на напряжённость электростатического поля, которая достигает максимального значения при штабелировании листов.

1 – экструдер; 2 – охлаждающий барабан; 3 – рольганг; 4 – тянущий валик; 5 – режущее устройство; 6 – устройство штабелирования

Рисунок 3.4 – Распределение напряженности электростатического
поля вдоль технологической линии получения полипропиленовых
листов

4 МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

4.1 Основные принципы измерения электризации

Электризация является вредным и опасным производственным фактором для многих отраслей промышленности, но в первую очередь представляет значительную опасность для производств, где получают и перерабатывают горючие и взрывоопасные материалы.

Обеспечение измерительной аппаратурой, позволяющей осуществлять оперативный контроль электризации, является важной задачей, решение которой определяет возможность проведения предупредительных мероприятий по предотвращению вредных и опасных проявлений статического электричества.

Разработкой и исследованием таких приборов занимались многие организации различных министерств и ведомств. Несмотря на это, в настоящее время не производятся отечественные искробезопасные и взрывозащищённые приборы для работы во взрыво - и пожароопасных условиях промышленных предприятий. Поэтому разработка и создание искробезопасных и взрывозащищённых приборов для замеров электризации является актуальной задачей.

Приборы контроля параметров электризации основаны на измерении разности потенциалов U (В) между заряженным телом и землёй (заземлёнными предметами), поверхностной плотности электрических зарядов σ (мкКл/м2) и напряжённости электростатического поля
Е (кВ/м). Измерителями электрических потенциалов служат различные механические (лепестковые, стрелочные, струнные, квадрантные) и электронные электрометры. В механических электрометрах измеряемый заряд подаётся на один из двух электродов, кулоновское взаимодействие которых фиксируется различными методами.

Принцип действия квадрантных электрометров положен в основу электростатических вольтметров (серии С50/1 – С50/9, С196).
В этих приборах электростатический заряд воздействует на подвижный секторный электрод, который под действием кулоновских сил перемещается. По углу поворота судят о величине измеряемого потенциала. При этом потенциал, фиксируемый прибором, нельзя считать потенциалом заряженного тела, так как входная ёмкость переменна и вносит соответствующую погрешность. Приборы питаются от напряжения
220 В и не могут быть использованы в пожароопасных производственных условиях.

В статических индукционных электрометрах с преобразованием входного сигнала удалённый от заряженного диэлектрика зонд проводника-датчика соединён с сеткой электрометрической лампы или полевого транзистора, поэтому индуцированный на нём заряд определяет ток лампы (ток транзистора). По такому принципу работает прибор ПК2-3А, созданный ВНИИ охраны труда [50]. Прибор фиксирует поверхностный потенциал и плотность заряда. Диапазон измерений имеет три предела (1; 10; 50 кВ), переключение производится сменными насадками с дисковыми диафрагмами цилиндрической части прибора, где находится электрометрическая лампа в герметичном стальном экране. Прибор не может применяться во взрывоопасных зонах.

Приборы для электростатических измерений во взрывоопасных зонах должны быть взрывозащищенного исполнения, а их датчики должны отвечать требованиям электростатической искробезопасности. Датчик прибора считают искробезопасным для данной взрывоопасной смеси, если искровой разряд на него с металлического электрода, имеющего потенциал 20 кВ и ёмкость от 60 до 100 пФ, не вызывает воспламенение этой смеси с вероятностью 10-3 (либо энергия этих разрядов не более чем в два раза меньше энергии воспламенения смеси). Для обеспечения этого условия используют различные конструктивные способы, например, датчик прибора ИСПИ-4 с отклонением электронного потока в вакууме покрыт слоем диэлектрика (фторопласта), это обеспечивает его искробезопасность [51]. В приборе СМ-2/С-59 взрывозащита достигается путём заключения электростатического вольтметра С-59 во взрывонепроницаемый корпус, а специальное покрытие датчика (фторопласт) обеспечивает его искробезопасность. Взрывобезопасность процесса измерения также обеспечивается применением во взрывоопасной зоне искробезопасного датчика, а прибор устанавливается в невзрывоопасной зоне. Однако на практике реализовать данный способ не всегда удаётся. В таблице 4.1 приведены характеристики некоторых приборов для измерения параметров электризации.

Несмотря на многообразие приборов, рекламируемых и разработанных различными организациями [50, 51], их серийный выпуск не налажен. Задача обеспечения взрывопожароопасных производств простыми и надёжными индикаторами или приборами измерения электризации в настоящее время в полной мере не решена.

Таблица 4.1 – Приборы для оценки электризации

Наименование прибора	Диапазон измерений	Эксплуатационные характеристики
Электростатическиевольтметры С50/1 – С50/9, С196	Потенциал 0,03 – 3,0 кВ	Питание 127 – 220 В
Индикатор статических зарядов ИСПИ-4	Потенциал до 50 кВ	Питание батарейное. Взрывозащищённый
Индикатор МИЭП-1	Потенциал до 40 кВ	Без питания
Электрометр электронный ПК-2-3А	Потенциал до 50 кВ; поверхностный заряд 0,2 – 20 мкКл/м2	Питание батарейное. Невзрывозащищённый
ИСЭП-9	Напряжённость поля до 26 кВ/см	Питание батарейное. Взрывозащищённый
П2-2	Потенциал до 2,5 кВ	Питание батарейное. Взрывозащищённый
Динамический электрометр с вращающимся экраном ВИНЭП-2	Напряжённость поля до 24 кВ/см	Питание батарейное. Взрывозащищённый
П3СЭ	Потенциал до 15 кВ	Питание 220 В. Невзрывозащищённый
ИЭП-1	Потенциал до 10 кВ	Питание батарейное. Взрывозащищённый
ИНЭП	Напряжённость поля до 25 кВ/см	−

4.2 Измеритель электростатических потенциалов

Из приведенных в таблице 4.1 приборов представляет интерес измеритель электростатических потенциалов ИЭП-1, разработанный НПО «Алтай» (г. Бийск). Прибор малогабаритен, соответствует современному дизайну и удовлетворяет всем требованиям по искробезопасности и взрывозащите. Аттестован ведомственной комиссией Восточного НИИ (г. Кемерово) и имеет уровень взрывозащиты ОЕxidIIВТ4 в соответствии с ГОСТ 22.782.5-78, что позволяет использовать его на ручных операциях в особоопасных производствах. Общий вид прибора представлен на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Измеритель электростатических потенциалов ИЭП-1
(общий вид)

За основу при разработке принципиальной схемы прибора выбрано устройство, выполненное по схеме на МДП-транзисторах (металл - диэлектрик - полупроводник) [52]. МДП-транзисторы (полевые транзисторы с изолированным затвором) по сравнению с полевыми транзисторами с p – n переходом обладают большим входным сопротивлением, которое составляет в среднем от 1014 до 1015 Ом, и током затвора в пределах от 10-13 до 10-16 А.