Электростатическая безопасность пожаро - и взрывоопасных производств (стр. 4 )

6 ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Обычно оценка опасности воспламенения горючих материалов электростатическими разрядами проводится методом сопоставления максимально возможной накапливаемой электростатической энергии, реализуемой в единичном разряде, с минимальной энергией зажигания горючих материалов, присутствующих в технологическом процессе, с учётом коэффициента безопасности. Условие безопасности имеет вид [46, 107]:

W0 ≤ kбез·Wmin, (6.1)

где W0 – энергия разряда, который может возникнуть внутри объекта или на его поверхности, мДж;

Wmin – минимальная энергия зажигания материала или горючей смеси, мДж;

kбез – коэффициент безопасности, выбираемый из условий допустимой вероятности зажигания по ГОСТ 12.1.004-91 или принимаемый равным 0,4 [46].

6.1 Разряды с наэлектризованных незаземлённых
металлических элементов оборудования

Данный вид разрядов является наиболее часто встречаемым в производственных процессах и представляет большую опасность воспламенения, так как реализуется практически полностью в одном импульсе. Условия для возникновения подобных разрядов могут создаваться вследствие накопления зарядов статического электричества на изолированных проводящих предметах (фланцах, металлической таре, трубопроводах и т. п.).

Опасность воспламенения разрядов с металлических незаземлённых элементов конструкций и предметов может быть оценена из выражения (6.1). Воспламеняющую способность конденсированных разрядов принято характеризовать их энергией. Физическая аналогия конденсированных разрядов с искровыми разрядами статического электричества очевидна и подтверждается экспериментально [107, 108]. Энергия искровых разрядов с заряженных проводящих элементов оборудования на заземлённый предмет может быть подсчитана как энергия разряда конденсатора из соотношения:

, (6.2)

где Q – заряд на проводящих элементах оборудования, Кл;

С – электрическая ёмкость системы, Ф;

U – напряжение на элементе оборудования, В.

При истечении наэлектризованного сыпучего материала, например, из бункера в металлическую незаземлённую тару, последняя может быть представлена эквивалентной схемой замещения (рисунок 6.1), где С – электрическая ёмкость тары, Ф; R – сопротивление утечки тока электризации, Ом; Iс – ток электризации (ток при стекании электростатических зарядов с тары на «землю»), А.

1 – тара; 2 – бункер; 3 – эквивалентная схема;
4 – измерительный прибор

Рисунок 6.1 – Эквивалентная электрическая схема замещения при
заполнении металлической тары наэлектризованным порошком

При этом заряд Q (Кл) в любой момент после начала истечения в тару будет определяться как:

(6.3)

а энергия накапливаемых зарядов на таре W (Дж) равна соответст-венно:

.

По данному методу Н. Гибсоном проведена оценка заряжения металлической ёмкости при заполнении её порошком бисфенола (дифенилолпропана) [75]. При сопротивлении утечки, равном 1012 Ом, электрической ёмкости тары 50 пФ и измеренном токе электризации до 10-7 А максимальный заряд, который аккумулировался на ёмкости, составил 5∙10-6 Кл, а накопленная энергия соответственно 250 мДж.

В производственных условиях отсоединять от «земли» металлические элементы для подключения измерителей тока или потенциала, особенно в условиях пожаровзрывоопасных производств, не представляется возможным. Поэтому опасность незаземлённых элементов оборудования можно оценить исходя из предполагаемых значений допустимых потенциалов на элементах и их электрической ёмкости в зависимости от габаритов.

Электрическую ёмкость любого оборудования или его элемента можно рассчитать, если известны его геометрические размеры и расстояние от «земли». Также можно воспользоваться литературными данными этой величины и соответственно запасённой энергии при возможных потенциалах электризации. В таблице 6.1 приведены значения электрической ёмкости различного оборудования, широко используемого в производствах, и запасённая энергия при возможных потенциалах электризации U = 10 кВ, U = 20 кВ [109].

Таблица 6.1 – Значения параметров электрической ёмкости и энергии
заряда элементов оборудования

Объект оборудования	С, пФ	W0, мДж при U = 10 кВ	W0, мДж при U= 20 кВ
Совки, фланцы	5,0 – 10,0	0,25 – 0,5	1,0 – 2,0
Улавливатели, рукава, сопла	10,0 – 20,0	0,5 – 1,0	1,0 – 4,0
Вёдра, емкости (10 галлонов), барабан	20,0 – 100,0	1,0 – 5,0	4,0 – 20,0
Емкости (от 50 до 100 галлонов), контейнер	50,0 – 300,0	2,5 – 15,0	10,0 – 60,0
Человек	100,0 – 300,0	5,0 – 15,0	20,0 – 60,0
Резервуары, окружённые заземлёнными конструкциями	100,0 – 1000,0	5,0 – 50,0	20,0 – 200,0

Таким образом, для проводящей изолированной системы с известной электрической ёмкостью С, зная величину минимальной энергии воспламенения Wmin и величину возможной энергии на оборудовании, из выражения (6.1) можно оценить степень опасности конкретного элемента оборудования и принять соответствующие меры защиты.

6.2 Разряды с наэлектризованных диэлектрических
элементов оборудования

В данную группу входят различные диэлектрические материалы, используемые как непосредственно в аппаратах (трубы, смотровые стекла, фланцы, фильтры и т. п.), так и на вспомогательных операциях (мешки, сита, совки и т. п.). Использовать приведенное условие безопасности (6.1) для этих материалов не представляется возможным, что обусловлено трудностью оценки энергии электростатических разрядов с наэлектризованных диэлектриков.

В ряде документов [2, 46, 132] воспламеняющую способность разрядов статического электричества диэлектрических материалов рекомендуется определять экспериментально: cравнением заряда в импульсе qmax, возникающего в производственном процессе с вероятностью 10-6, с допустимым значением заряда для перерабатываемого горючего материала или горючей газопаровоздушной смеси. В этом случае разряды статического электричества считаются безопасными при выполнении условия:

qmax < qдоп. (6.4)

Допустимый заряд импульса qдоп (мкКл), определяется по следующей формуле:

, (6.5)

где kбез – коэффициент безопасности;

d – длина разрядного промежутка в установке для определения минимальной энергии воспламенения Wmin, м;

Е – средняя напряжённость поля в канале разряда, В/м.

Учитывая, что оптимальная длина искрового промежутка при определении величины Wmin для пылевоздушных смесей составляет
4 мм [93], и принимая среднюю напряжённость поля в канале разряда
3 МВ/м, коэффициент безопасности равным 2,5, формулу (6.5) приводят к виду:

qдоп = 3,3∙10-8 Wmin.

Величина заряда в униполярном импульсе разряда статического электричества определяется по формуле

q = CU, (6.6)

где U – напряжение, измеренное осциллографом 3 на ёмкости С интегрирующей цепочки RC при разряде на электрод 2 с наэлектризованной поверхности 1 при их сближении (рисунок 6.2).

1 – наэлектризованная поверхность; 2 – измерительный электрод;
3 - осциллограф

Рисунок 6.2 – Схема измерения зарядов в импульсах с диэлектрика

Исходя из предположения, что переносимые величины зарядов в разрядных импульсах подчиняются логарифмическому нормальному закону распределения, находят максимальное значение заряда с вероятностью не более р = 10-6 по формуле [107]:

qmax = 10lg+ 4,95S, (6.7)

где – среднее арифметическое логарифмов выборочной совокупности зарядов в разрядных импульсах;

S – среднее квадратическое отклонение логарифмического ряда.

Радиусы кривизны электродов 2, их расположение и способы сближения, применяемые в исследованиях, должны обеспечивать наибольшие возможные значения зарядов в импульсах. Разряды легче формируются на электродах с меньшим радиусом кривизны, но при этом может уменьшаться заряд в импульсе. Наибольшей воспламеняющей способностью обладают разряды на электродах с радиусом кривизны более 20 мм.

В качестве интегрирующей RC-цепочки используют цепочку с параллельно включённым сопротивлением и конденсатором. Напряжение на такой RC-цепочке прямо пропорционально заряду в импульсе и обратно пропорционально ёмкости С, если длительность разряда составляет менее 0,1 времени релаксации. Сопротивление цепочки должно удовлетворять условию:

10t/С ≤ R ≤ 10t1/С, (6.8)

где t – длительность импульса или время, необходимое для снятия показаний, с;

t1 – время между двумя раздельно различаемыми импульсами, с.

На практике в пожароопасных производствах, где запрещено применять искрообразующие устройства, применение метода оценки по заряду в импульсе на вносимый в наэлектризованную область электрод крайне затруднительно.

С точки зрения электростатической искробезопасности диэлектрических материалов предложена классификация безопасности, основанная на различных условиях возникновения разрядов в газах и твёрдых диэлектриках (скользящих и сопутствующих пробою). Согласно этой классификации различают три области [4, 46]:

·  безыскровую, в которой исключены любые виды разрядов статического электричества, обладающие воспламеняющей способностью;

·  область слабой электризации, в которой в пределах допустимого уровня ограничивается воспламеняющая способность разрядов в газо-, паро - или пылевоздушных смесях и исключается возможность возникновения скользящих или сопутствующих пробою твёрдых диэлектриков разрядов статического электричества;

·  область сильной электризации, в которой необходимо ограничивать в пределах допустимого уровня воспламеняющую способность скользящих и сопутствующих пробою твёрдых диэлектриков электростатических разрядов.

Безыскровой областью является область, в которой разряды статического электричества с существенной воспламеняющей способностью с диэлектрических покрытий на проводящем основании не могут возникать согласно закону Пашена [28] при соблюдении условия:

σh / εε0 < U(pδ), (6.9)

где σ – плотность зарядов, Кл/м2;

h – толщина покрытия, м;

δ – линейный параметр, зависящий от положения проводящих поверхностей относительно покрытия, м;

U – напряжение (в воздухе принимается равным U = 300 В), В;

p – давление, Па.

Наибольшие плотности зарядов на диэлектрических покрытиях достигают значения 0,01 Кл/м2. Согласно условию (6.9) возникновение разрядов статического электричества в воздухе с диэлектрических покрытий исключено при толщине покрытия менее 0,5 мкм.

Если электризации подвергается поверхность конструкции, то заряженное состояние может быть задано плотностью тока j (А/м2), и условием отсутствия разрядов в этом случае будет:

(6.10)

где ρv – удельное объёмное электрическое сопротивление покрытия конструкции, Ом·м;

d – толщина покрытия конструкции, м.

Для диэлектрических плёнок, покрытий на керамике и тонкостенных конструкций в заземляющем контуре без электропроводного основания разряды в воздухе исключены при условии [4]:

(6.11)

где L – линейный размер конструкций, м.

Поскольку согласно выражению (6.10) j ≤ 10-4 A/м2 разряды в воздухе исключены в заземлённых электропроводящих аппаратах с линейными размерами полостей до 30 м при обращении с сыпучими или жидкими материалами с удельным сопротивлением менее
105 Ом∙м.

Лакокрасочные, полимерные, эмалевые, стеклоэмалевые и прочие покрытия толщиной не выше 3 мм можно относить к безыскровой области при ρv ≤ 109 Ом∙м.

При обращении с веществами и материалами, минимальная энергия зажигания которых менее 0,1 мДж, наиболее надёжно электростатическая искробезопасность обеспечивается в безыскровой области электризации и, как исключение, в области слабой электризации.

Многие материалы могут подвергаться лишь слабой электризации. К ним относятся сыпучие, волокнистые и пористые материалы. Сплошные диэлектрические материалы могут подвергаться как слабой, так и сильной электризации.

Основным условием отнесения сплошных диэлектрических материалов к области слабой электризации является неравенство [46]

σ < 0,4σпр, (6.12)

где σ и σпр – поверхностная плотность зарядов и её значение, соответствующее электрической прочности диэлектрической поверхности.

Плотность зарядов σ зависит от электростатических (ρS, ρV) и электропрочностных (Епр) свойств диэлектриков, их толщины, линейных размеров, относительного положения заземлённых электропроводящих тел и от плотности тока электризации j.

При несоблюдении условий области слабой электризации необходим анализ воспламеняющей способности скользящих и сопутствующих пробою разрядов статического электричества.

Безопасная работа в области сильной электризации возможна, если линейная плотность энергии WL, например, для плоских бездефектных диэлектрических образцов удовлетворяет условию [4]:

, (6.13)

а для бездефектных диэлектрических труб

, (6.14)

где А = К1∙К2∙К3∙К42, причём

К1 – коэффициент, равный 0,5 или 0,25 соответственно для покрытий с проводящим основанием или без него, ;

К2 и К3 – коэффициенты, учитывающие характеристики статистических распределений линейных размеров D или L и d соответственно и устанавливающие соответствие между модальным и отвечающим заданному уровню значимости значениями;

К4 – коэффициент, учитывающий отклонение значения σ, предшествовавшего разряду, от σпр;

D – диаметр трубы, м;

L – линейные размеры разряжающейся зоны, а при оценочных расчётах – размеры образца или модальные значения линейных размеров образующихся покрытий, м;

WLд – допустимая плотность энергии, Дж/м.

6.3 Электризация человека

Накопление зарядов статического электричества на изолированном от земли человеке чаще всего наблюдается в сухих помещениях с плохо проводящим полом. В этих условиях человек, двигаясь, генерирует заряды, которые могут оказаться достаточными для воспламенения многих горючих газов и жидкостей [18]. В производствах диэлектрических порошков, плёнок и т. п. человек заряжается при контакте с заряженной поверхностью [22] или при ходьбе по диэлектрическим покрытиям пола [23].

При исследовании опасности разрядов статического электричества с человека человек рассматривается как электрический конденсатор емкостью Сч, на котором накапливается потенциал электризации относительно земли Uч. В этом случае энергия, выделившаяся в искровом канале при разряде с тела человека на заземлённые предметы, определяется как

. (6.15)

Величины ёмкости Cч и электростатического потенциала человека Uч, приведенные в различных источниках, довольно противоречивы. Например, в [98] вычисленная ёмкость человека равна 46 пФ, а измеренная в [20] составляет от 100 до 800 пФ, в других источниках приводятся значения, равные 100, 300, 400 пФ [99, 100].

Экспериментально показано, что ёмкость Сч зависит от роста человека и не зависит от его веса. Наиболее приемлемая для определения ёмкости человека зависимость [18]:

(6.16)

где H – рост человека, см;

В – коэффициент, величина которого зависит от материала покрытия пола (таблица 6.2).

Таблица 6.2 – Значение коэффициента В для различных материалов

покрытия пола

Материал покрытия пола	Дерево-пластик	Керамическая плитка	Металл	Дерево	Пластик
В	-0,18	-0,045	-0,45	-0,25	0,10

На рисунке 6.3 приведена зависимость ёмкости человека от его роста при различных материалах покрытия пола [19].

1 - дерево; 2 – дерево-пластик; 3 – керамическая плитка; 4 - пластик;
5 - металл

Рисунок 6.3 - Зависимость ёмкости человека Сч от его роста H
при различных материалах покрытия пола

Для оценки электризации проводили эксперимент, при котором человек чувствовал, что он наэлектризован [18]. Потенциал измеряли статическим вольтметром 1, который подключался к руке, а к другой руке подносили наэлектризованную о шерсть 3 эбонитовую палочку 2, при этом человек стоял на диэлектрической пластине 4 (рисунок 6.4). Потенциал электризации, при котором человек чувствовал электризацию (поднятие волос на голове), составлял 25 кВ. Эта величина принималась за максимальную при расчёте накапливаемой электростатической энергии на человеке.

Тогда при росте Н=180 см максимальная емкость человека равна Сч=143∙10-12 Ф (см. рисунок 6.3), а максимальная накапливаемая энергия на человеке соответственно достигает

Wч = 0,5∙143∙10-12∙6,25∙108 = 44,7 мДж.

При минимальной энергии зажигания водорода около 0,01 мДж или ацетона 0,4 мДж в смеси с воздухом величина энергии
Wч = 44,7 мДж вполне достаточна для воспламенения подобных смесей.

1 – статический вольтметр; 2 – эбонитовая палочка; 3 – образец
из шерсти; 4 – диэлектрическая пластина

Рисунок 6.4 – Схема электризации человека

Наиболее точное измерение величины электризации человека, генерирующего электростатические заряды при движении, было проведено в экранируемом помещении с помощью клетки Фарадея, в которую помещался человек [101], (рисунок 6.5).

1 – экранированная камера; 2 – клетка Фарадея; 3 - изоляторы;
4 - электрометр

Рисунок 6.5 – Схема электризации человека в клетке Фарадея

Экранированная камера 1 с регулируемой температурой t и влажностью β была изготовлена из нержавеющей стали и заземлена. Внутри камеры размещалась клетка Фарадея 2 из цинковых листов, изолированная от камеры тефлоновыми листами 3. Внешняя сторона камеры для поддержания заданной температуры и влажности была обшита полимерными пластинами. Клетка Фарадея подключалась к высокоточному электрометру 4 и измерительной ёмкости Сизм = 915 пФ. Потеря заданной влажности внутри камеры при значении β = 98 % в течение 10 мин составляла не более 3 %.

Измерения проводились при движении человека с последующим забрасыванием одежды в клетку Фарадея, либо человек двигался внутри клетки и снимал одежду. Измеренные значения электростатических зарядов заносились в таблицу 6.3.

Таблица 6.3 – Значения заряда Q (мкКл) при электризации человека
в клетке Фарадея в зависимости от различных факторов

Температура t, ºС	10	10	20	20	30	30	40	40
Влажность β, %	50	80	40	60	29	40	40	60
Давление водяных паров р, мм. рт. ст.	46	более 76	70	11	92	13	22	33
1 - Человек снимает х/б одежду и выбрасывает из клетки	-10	-6	-52	-10	-25	-6	-4	0
2 - Снимает пиджак, свитер из акрила и выбрасывает	190	более 300	более 300	230	более 300	210	2	2
3 - Снимает рубашку из политрифталата и выбрасывает	40	33	40	35	20	11	0	0
4 - Человек в шерстяном пиджаке протирает плечи поливинилхлоридной плёнкой	более 300	более 300	более 300	более 300	более 300	более 300	18	20
5 - Протирает плечи шерстяным шарфом и выбрасывает	40	35	195	75	40	13	5	0
6 - То же, шарф из кашемира	-70	-17	-47	-5	-50	-32	-7	-1

На основании данных таблицы 6.3 построена зависимость величины электростатических зарядов Q (мкКл) от давления паров воды в клетке (рисунок 6.6) и сделан вывод, что энергии, полученной при различных движениях человека, вполне достаточно для воспламенения следующих инициирующих взрывчатых веществ: азида свинца -
W=2,0 мДж; трисинета - W=20 мДж; гремучей ртути – W=310 мДж. Вывод о возможном воспламенении взрывчатых веществ был подтвержден экспериментально: при электризации человека путем тре-
ния одной ногой о плёнку взрывался трисинет, помещённый между алюминиевым листом и стержнем, за который держался человек. При этом температура воздуха и влажность составляли 10 0С и 60 % соответственно, что легко воспроизводится при давлении паров воды менее 20 мм. рт. ст. Измеренное значение ёмкости человека составляло
280 пФ.

1…6 – методы электризации человека, соответствующие данным
таблицы 6.3

Рисунок 6.6 – Зависимость электростатического заряда на человеке
от давления паров воды

В производственных условиях на различных фазах ручных операций пожароопасных производств проводили измерения потенциалов статического электричества на человеке. В результате анализа технологических операций, классифицированных по 8 группам, найдены максимальные значения электростатических потенциалов и предложены эффективные меры защиты (таблица 6.4).

Таблица 6.4 – Электростатические потенциалы на человеке при

различных ручных операциях

Группа	Наименование операции	Umax, кВ	Меры защиты
1	Просеивание порошка	0,4-3,0	Наличие электропроводности пола и обуви
2	Фасовка порошка по мешкам	0,3-0,5	Особых мер не требуется
3	Выгрузка порошка из мешков на стол	1,0-20,0	Заземление оборудования, электропроводные столы
4	Взятие навесок порошков	менее 0,7	Особых мер не требуется
5	Механизированная полировка диэлектрических материалов	менее 5,0	Использование электропроводных полировальных материалов, ρ < 107 Ом. Вентиляция
6	Уборка порошков и пыли с оборудования, с рабочего стола	8,0-20,0	Заземление оборудования, электропроводные столы. Вентиляция
7	Механизированная резка бумаги	6,0-20,0	Заземление оборудования, электропроводные столы
8	Перемещение полиэтиленовых рукавов, пакетов	2,0-20,0	Заземление, ионизация воздуха, увеличение влажности

6.3.1 Воздействие статического электричества на организм человека

Разряды статического электричества, образующиеся на производстве, не представляют смертельной опасности для человека, поскольку они имеют небольшую силу тока и действуют очень кратковременно. Поэтому рассматривают только вредное воздействие статического электричества на организм человека.

Вред для здоровья человека от статического электричества, образующегося на поверхности пластмасс, заключается в том, что выделяющиеся вредные вещества, приобретая заряд, легче проникают в организм [102]. Электризация полимерных материалов и изделий способствует более интенсивному выделению из них летучих соединений, накоплению на их поверхности пыли и микроорганизмов [102], ухудшению физиологического комфорта.

Установлено, что напряжённость электростатического поля на поверхности некоторых строительных конструкций из синтетических материалов в результате накопления статического электричества составляет 2 кВ/м, на полах с полимерными покрытиями от 30 до
40 кВ/м, на поверхности тела, работающего в результате ходьбы по «диэлектрическому» полу, электростатический потенциал достигает
12 кВ [103].

В качестве критерия физиологического ощущения человека при его контакте с наэлектризованным материалом предложено исполь-зовать порог болевой чувствительности с ощущением «боль-покалывание», при этом потенциал на поверхности тела составляет 1,86 ± 0,45 кВ [105].

При электризации человек начинает ощущать болевое ощущение при электрическом разряде с энергией около 0,4 мДж. При потенциале электростатического поля 10 кВ, ёмкости человека 100 пФ накапливается энергия в 5 мДж. Разряд с такой энергией вызывает значительные болевые ощущения.

Данные о влиянии электрического разряда на состояние человека приведены ниже [104].

Электрический разряд, кВ	Болевые ощущения
2,5–5,0 5,0–7,0 10,0 12,5–25,0 35,0–40,0	Разряд ощутим Лёгкий укол Острый укол Лёгкая судорога Острая судорога

Установлено, что в основе механизма биологического действия статического электричества лежат нарушения конформационных процессов в белках [97]. В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал о неблагоприятном воздействии статического электричества на организм человека. Знание биологического действия электростатического поля даёт возможность научно обосновать гигиеничные нормы допустимой напряжённости.

По мнению авторов [97], проблема нормирования электростатических полей (ЭСП) включает три основных аспекта:

- обоснование по клинико-физиологическим и экспериментальным данным критериев оценки воздействия ЭСП на организм человека;

- обнаружение биологически значимых параметров ЭСП, потенциально опасных для человека;

- разработка мероприятий, включающих вопросы нейтрализации зарядов и повышение сопротивляемости человека.

Установлено, что люди, подвергающиеся действию ЭСП, жалуются на ухудшение общего самочувствия, головную боль, боли в области сердца. Работа с наэлектризованными материалами вызывает неблагоприятные отклонения центральной нервной системы, нарушает обменные процессы в организме. Нарушение регулирующих взаимоотношений парасимпатической и симпатической нервной систем человека, длительно находящегося под воздействием ЭСП, может способствовать развитию вегетативных дисфункций, в том числе повышению артериального давления. У людей, подвергающихся воздействию статического электричества, снижается омическое сопротивление кожи, сила и выносливость мышц, замедляются нервные реакции на свет и звук, снижается трудоспособность [102].

В таблице 6.5 приведены данные по влиянию электростатического поля на клинико-физиологические факторы персонала. Показано [105], что порог значимого действия статического электрического поля на организм человека (по скорости кровотока, тактильной чувствительности, по психогигиеническим данным) колеблется от 25 до
50 кВ/м. Предложено считать допустимой напряжённостью электростатического поля величину, равную 30 кВ/м. Это значение принимается за нормативное при гигиенической оценке полимерных материалов, используемых в гражданском строительстве и быту.

Таблица 6.5 – Влияние напряженности электростатического поля
на клинико-физиологические факторы персонала

Е, кВ/м	Клинико-физиологические факторы персонала
До 30,0	Отсутствие выраженного влияния на здоровье человека
60,0	Замедление физиологических реакций в организме человека
90,0	Снижение тромбоцитов в крови, расстройство нервно-сосудистой системы, нарушение обменных процессов
100,0	Разделение молекул ДНК и нарушение проницаемости клеточных мембран
150,0	Увеличение заболеваемости работающих с временной утратой трудоспособности
160,0 – 240,0	Функциональные изменения со стороны центральной нервной и сердечно-сосудистой систем

Разработанные санитарно-гигиенические нормы допустимой напряжённости электростатического поля [106] распространяются на электризующиеся материалы и изделия и устанавливают предельно-допустимые значения напряжённости ЭСП на рабочих местах в зависимости от времени воздействия, без учёта электрических разрядов.

Степень воздействия ЭСП на организм человека зависит от напряжённости поля и времени его действия на человека. Предельно-допустимые значения напряжённости Eдоп (кВ/м) на рабочих местах не должны превышать:

(6.17)

где t - время работы в часах.

Например, при времени воздействия 1 час нормируемое значение напряженности электростатического поля равно 60 кВ/м, при времени воздействия 9 часов – 20 кВ/м. На рисунке 6.7 представлена зависимость предельно-допустимой напряжённости ЭСП от времени пребывания на рабочих местах обслуживающего персонала t.

Рисунок 6.7 – Зависимость допустимой напряженности Eдоп
от времени пребывания персонала на рабочем месте t

В диапазоне напряженностей от 20 до 60 кВ/м допустимое время пребывания персонала в электростатическом поле без средств защиты в часах определяется по формуле [45]:

(6.18)

где - предельное значение напряженности электростатического поля, кВ/м;

Ефакт - фактическое значение напряженности электростатического поля, кВ/м.

Учитывая, что при контакте с полимерными материалами человек подвергается, как правило, одновременному воздействию статического электричества и химических соединений, выделяющихся из полимерных материалов, необходима комплексная гигиеническая оценка полимерных материалов с учетом накопления зарядов статического электричества.

6.3.2 Опасность разрядов с человека

Опасность зажигания горючих смесей электростатическими разрядами с человека как генератора электростатической энергии характеризуется двумя видами разрядов: разряды с наэлектризованного диэлектрика (одежды) и разряды непосредственно с тела человека. Для оценки электростатической искробезопасности одежды человека используется методика оценки опасности разрядов статического электричества по заряду в импульсе. В этом случае исследуют на электризацию элементы одежды, например, на установке электростатического заряжения диэлектрических материалов трением (рисунок 6.8).

1 – электродвигатель; 2 – диэлектрический диск; 3 – измерительный электрод; 4 – осциллограф; 5 – прижимное устройство;
6 – исследуемый образец

Рисунок 6.8 – Схема установки для электростатического заряжения
диэлектрических материалов трением

Исследуемые образцы 6 устанавливаются между прижимным устройством 5 и диэлектрическим диском 2, который вращается электродвигателем 1 с заданной скоростью. Электростатические разряды с электрода 3 фиксируются осциллографом 4. Для повышения точности измерений вместо осциллографа можно использовать амплитудный анализатор, например, АИ-100, позволяющий получать амплитудный спектр статистически распределённых во времени импульсов, то есть готовую гистограмму с количественным отсчётом импульсов по каналам, номера которых соответствуют амплитудам регистрируемых импульсов.

Тело человека представляет сложный электрический эквивалент с различным сопротивлением участков тела и кожи, но в целом, с точки зрения электризации, человек представляет электрическую ёмкость с сосредоточенными параметрами, и разряды с тела человека рассматриваются как разряды с конденсатора, то есть оценка электростатической безопасности человека проводится из условия безопасности конденсированных разрядов. Поэтому всё сказанное о разрядах с незаземлённых проводящих элементов оборудования можно отнести и к разрядам с человека, являющегося проводником с ёмкостью от 100 до
300 пФ, как правило, изолированным от земли непроводящей обувью.

Если предположить, что средняя ёмкость тела человека составляет 200 пФ и накопленный потенциал на нём достигает 15 кВ, то запасённая энергия составит около 20 мДж. Следовательно, искра с человека способна воспламенять не только паро - и газовоздушные смеси, но и пыль серы, пластмасс, металлических порошков и т. п. Расчётная зависимость, показывающая, при каком значении потенциала будет существовать опасность физиологического воздействия на человека и возникает опасность воспламенения некоторых горючих смесей, представлена на рисунке 6.9 [4, 109].

Границы зон физиологического воздействия условны, так как оно зависит от особенностей человеческого организма и специфики производства, поэтому допустимым потенциалом на человеке по физиологическому воздействию считают Uдоп = 4…6 кВ. Зависимость энергии электростатического разряда W с тела человека и физиологического воздействия от потенциала статического электричества на человеке (см. рисунок 6.9) позволяет оценить опасность зажигания некоторых газообразных и пылевоздушных сред.

Рисунок 6.9 – Зависимость энергии электростатического разряда W
с тела человека и физиологического воздействия от потенциала
статического электричества на человеке [4]

6.4 Разряды с наэлектризованных перерабатываемых
материалов

Значительный интерес с точки зрения электростатической искробезопасности при проведении технологических процессов представляют диэлектрические твёрдые и твёрдые дисперсные материалы (гранулы, пыли, порошки), которые могут сильно электризоваться.

Большую опасность представляют очень мелкие частицы, взвешенные в воздухе, которые могут образовать сильное электростатическое поле и взрывоопасную пылевоздушную смесь.

Для оценки опасности разрядов статического электричества при электризации пылевоздушных облаков наиболее часто используют экспериментальные методы. Например, для определения величин зарядов, переносимых в единичных импульсах, при электризации эмульсионного полистирола использовался бункер ёмкостью 2,1 м3, куда осаждалось 30 кг сухого эмульсионного полистирола из шести параллельных циклонов [14]. Для измерения зарядов в искровых разрядах использовался сферический электрод 2, закреплённый на конце латунной трубки 3, которая устанавливалась внутри бункера 1 (рисунок 6.10). Эксперименты проводились с электродом в виде шара с оптимальным значением диаметра 22 мм, при котором наиболее вероятен разряд статического электричества с допустимым значением заряда (для пылевоздушной среды эмульсионного полистирола допустимый заряд равен 0,06 мкКл [56]).

Бункер располагался вне помещения, эксперименты проводились в разное время года (летом, зимой, весной и осенью) и при различной глубине погружения сферического электрода в бункер. Величина импульсов напряжения разрядов регистрировалась осциллографом 4 .

Наибольшие значения зарядов в импульсных разрядах наблюдались при погружении электрода на глубину 0,8…0,9 м. После обработки результатов экспериментальных данных получены максимальные значения зарядов в выборках qmax = 0,0031 мкКл, соответствующие вероятности 10-6. Оценку воспламеняющей способности разрядов с облака эмульсионного полистирола в бункере проводили по данным периодических статистических выборок зарядов в импульсах, а также путём длительного наблюдения за появлением заряда в импульсе свыше допустимого. Единичное срабатывание прибора было зафиксировано через 9 месяцев после его установки. Вероятность возникновения такого импульса с зарядом выше допустимого составила приблизительно 10-8.

1 – бункер; 2 – измерительный электрод; 3 – регулируемая штанга;
4 – осциллограф

Рисунок 6.10 – Схема измерения электростатических зарядов
с аэровзвеси на измерительный электрод в бункере

Эти эксперименты показали целесообразность установки приборов контроля за уровнем воспламеняющей способности разрядов в технологическом оборудовании.

Другой метод оценки электростатической искробезопасности аэровзвесей предложен сотрудниками ЦНКБ (г. Москва) с использованием условия безопасности (6.1).

Величина накапливаемой электростатической энергии облака пылевоздушной смеси определяется как

, (6.19)

где q0 – удельный объёмный заряд, Кл/м3 ;

К – концентрация пыли в смеси, кг/м3;

R0 – радиус облака (бункера), м;

ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала;

ε0 = 8,854∙10-12 Ф/м.

Для твердых диэлектрических изделий, имеющих большую поверхность, в условиях пожаро - и взрывоопасных производств не всегда возможно применение устройств для определения зарядов в электростатических разрядах с поверхности материала. Поэтому более безопасно измерять потенциал электризации бесконтактным способом и проводить оценку электростатической искробезопасности по условию (6.1). Для оценки накапливаемой энергии в подобных случаях сотрудниками ЦНКБ (г. Москва) предложена эмпирическая формула:

, (6.20)

где S – площадь открытой поверхности изделия, м2;

d – расстояние от изделия до заземлённого элемента, м;

U0 – измеренный потенциал электризации, В.

Поскольку площадь заряженного диэлектрика, с которого реализуется разряд, не имеет точных размеров, в условие безопасности (6.1) вводится коэффициент выделенной энергии разряда kР:

kР = WР/W0, (6.21)

где Wр – выделенная энергия возможного искрового разряда.

Зависимость коэффициента выделенной энергии от удельного поверхностного сопротивления материалов ρs (Ом) приведена на рисунке 6.11.

Рисунок 6.11 – Зависимость коэффициента выделенной энергии kP
и поверхностной плотности заряда sP от поверхностного

сопротивления материала rS

С учётом коэффициента выделенной энергии разряда kР выражение (6.1) принимает вид:

Wр < kбез∙kР∙Wmin. (6.22)

Данное условие может быть использовано для оценки энергии разрядов статического электричества с диэлектрических поверхностей в условиях взрывопожароопасных производств.

Электростатическую искробезопасность можно оценить из условия образования электростатических скользящих разрядов на поверхности диэлектрических твердых материалов, накопление которых зависит от электрических свойств материала и характеризуется параметром удельного поверхностного сопротивления ρS (Ом). В этом случае условием отсутствия скользящих разрядов будет [4]:

(6.23)

где σР – поверхностная плотность зарядов на диэлектрике, которая является функцией от ρs (рисунок 6.11);

σпр – предельная поверхностная плотность зарядов, которая не превышает 26,5 мкКл/м2 из условия пробивной напряжённости воздуха
Ев = 3∙106 В/м.

6.4.1 Разряды с сыпучего материала при гравитационном
истечении

6.4.1.1 Разработка методики оценки опасности разрядов

При переработке сыпучих диэлектрических материалов в аппаратах существуют зоны, где происходит сброс части заряда наэлектризованного материала в виде газовых разрядов, которые являются возможным источником взрывов и пожаров горючих пылей, жидкостей и взрывчатых веществ. Обычно опасность воспламенения оценивается сравнением выделяемой в электростатическом разряде энергии с минимальной энергией зажигания. Минимальная энергия зажигания определяется методом проб как минимум в функциональной связи «энергия зажигания – емкость конденсатора» в экспериментальной установке для зажигания горючих смесей конденсированным искровым разрядом [4].

Для оценки энергии, выделяемой в электростатическом единичном разряде, успешно применяются вероятностные методы. Выполненными в МГУИЭ (МИХМе) и ВНИИПО МВД РФ работами [2] было показано, что энергия искрового разряда, инициируемая в поле заряженного диэлектрика, есть случайная величина, распределенная по логарифмически нормальному закону, и энергия разряда однозначно коррелируется величиной заряда в единичном импульсе. Вероятность появления воспламеняющего электростатического разряда рассчитывается при известных параметрах распределения по формуле:

, (6.24)

где lg и qB - математическое ожидание логарифма заряда в единичном импульсе и величина воспламеняющего разряда соответственно;

- среднее квадратическое отклонение lgq.

Полученная вероятность сравнивается с допустимой вероятностью для крайне маловероятного события. Условие безопасности записывается как

. (6.25)

Описанная методика нашла практическое применение [2], однако, как сказано в работе [4], более представительной оценкой взрывобезопасности следует считать вероятность работы аппарата (машины) без воспламенения перерабатываемой среды в течение заданного времени. Тогда условие взрывобезопасности запишется как

, (6.26)

где - вероятность того, что в интервале времени t не произойдет в аппарате ни одного воспламеняющего разряда;

- допустимый уровень вероятности незажигания в гарантиро-ванное время t работы аппарата.

Для решения задачи (6.26) использованы методы, разрабатываемые в теории надежности [111].

Первый метод основан на изучении физико-химических свойств и параметров элементов технических устройств, происходящих в них физико-химических процессов, физической природы и механизма отказов.

Второй метод основан на изучении статистических, вероятностных закономерностей появления отказов множества однотипных устройств; при этом отказы рассматриваются как некоторые отвлеченные случайные события, а многообразные физические состояния элементов и устройств сводятся в основном к двум состояниям – исправности и неисправности, которые описываются функциями надежности.

В настоящее время наиболее разработана статистическая, вероятностная теория надежности. Это обусловлено отчасти большей доступностью исследования влияния многих различных факторов на состояние элементов и устройств. Однако особенности разработанных вероятностных методов оценки надежности обусловлены тем, что показатели надежности не связываются непосредственно с физическими характеристиками элементов и устройств и с воздействующими на них факторами. Поэтому единственно верное направление дальнейшего развития теории и техники надежности – это сочетание статистических, вероятностных методов с «глубоким проникновением в физическую (физико-химическую) сущность процессов, протекающих в изделии» [111, 112].

Для решения задачи (6.26) высказан ряд предпосылок. Рассматривается система (аппарат), в которой непрерывно следуют искровые электрические разряды с различным уровнем энергии. Разряды с энергией, равной (или больше) воспламеняющей, зажигают горючую смесь, и в аппаратах происходит взрыв. Разряды с энергией меньше воспламеняющей, перерабатываемый продукт не зажигают.

Прохождение каждого разряда есть испытание на зажигание перерабатываемого продукта. Считается, что каждый разряд есть отказ рассматриваемой системы, в результате прохождения которого возможно только два исхода: перерабатываемый продукт зажигается или не зажигается. После прохождения незажигающего разряда система мгновенно восстанавливается. Появление воспламеняющего искрового разряда отмечается точкой на временной оси. Задача состоит в том, чтобы найти распределение времени появления воспламеняющих разрядов.

Используются статистические модели для испытания на долговечность из теории надежности [113, 114] и физические соображения о природе электростатических разрядов. Пусть в момент t = 0 система начинает работу, а в момент t = t происходит разряд. Тогда время t рассматривается как время жизни системы. Если система работает с перерывом и если во время простоев ее параметры не меняются и она не может отказать, тогда справедливо под величиной t понимать не календарное, а чистое время работы. Случайная величина t имеет закон распределения:

F(t) = Р{t<t}. (6.27)

Функция F(t) есть вероятность появления разряда в системе до момента t. Предполагается, что функция F(t) непрерывна, и существует непрерывная плотность вероятности появления разряда:

f(t) = F'(t). (6.28)

Наряду с функцией F(t) употребляется функция, дающая вероятность появления разряда (отказа) за очень короткий промежуток времени, при условии, что до этого момента разрядов не было. Эта функция называется интенсивностью разрядов (отказов):

l(t)=, (6.29)

где [1 - F(t)] – вероятность безотказной работы до момента t.

Интенсивность отказов свойственна многим явлениям, включая человеческую жизнь, имеет «корытообразную» форму, показанную на рисунке 6.12. На графике видно, что весь интервал времени можно разбить на три участка.