Электростатическая безопасность пожаро - и взрывоопасных производств (стр. 5 )

Рисунок 6.12 – Типичная форма интенсивности отказов [114]

На первом из них, включая момент времени t0, l(t) имеет повышенное значение вследствие так называемых приработочных отказов, т. е. ранних отказов, зачастую вызываемых производственными дефектами. Затем интенсивность отказов убывает и остается почти постоянной до момента времени t1, после которого она возрастает вследствие появления износовых отказов.

Для разрядов статического электричества, исходя из физических соображений, наиболее характерен второй период времени, так называемый период нормальной работы, на котором интенсивность отказов практически постоянна, т. е. процессы разрядов статического электричества должны хорошо описываться однородными процессами Пуассона. Для однородных процессов Пуассона (простейших потоков) выполняются следующие три условия: стационарность, отсутствие последствия, ординарность [113].

Используя экспериментальные данные при истечении полипропилена в воронке с углом раскрытия a=15˚, в зоне насадки показано, что время исправной работы системы для каждого вида разрядов подчиняется экспоненциальному закону распределения, т. е. что функция интенсивности каждого вида разрядов является постоянной величиной по времени [115]:

(6.30)

Функция вероятности разрядов одинаковой величины описывается экспоненциальным распределением с плотностью:

(6.31)

или в интегральной форме

. (6.32)

Параметр l чаще всего необходимо оценивать на основе экспериментальных данных с помощью следующего выражения (получаемого методом максимального правдоподобия):

, (6.33)

где N - число разрядов определенной величины;

T - общее время испытаний.

Математическое ожидание времени безотказной работы t, называемое средним временем безотказной работы, для каждого вида разрядов определяется

. (6.34)

Соответствующей оценкой выборочного среднего является

. (6.35)

Для нахождения значения интенсивностей разрядов, не зафиксированных при испытании, используется выражение

, (6.36)

где pi - вероятность появления разряда больше определенной величины находится по закону распределения разрядов в единичных импульсах;

n – общее число зафиксированных разрядов всех величин.

Полагая, что общая длительность испытаний задается заранее (таким образом, наблюдаемое число разрядов является случайной величиной), находят, что нижний доверительный предел для при
(1 - a) 100%-ном доверительном уровне равен

, (6.37)

где g=2F+2. Значение для различных a приводится в таблице процентилей распределения x2. Для не зафиксированных в эксперименте разрядов в выражении (6.36) T=, F=1.

Закон распределения (статистическая модель) для электростатических разрядов определяется следующим образом. Результаты эксперимента сводятся в статистический ряд и оформляются в виде гистограммы, где по оси абсцисс находится величина заряда в единичном импульсе, а по оси ординат - частоты соответствующих разрядов.

Частоты определяются как

, (6.38)

где mi - количество импульсов в i-м интервале;

n – общее число наблюдений.

Выбор статистической модели должен основываться на понимании рассматриваемого физического явления и применении различных методов проверки допущений о том или ином распределении. Из всего многообразия методов оценки на основе экспериментальных данных приемлемости статистической модели выбрана проверка с помощью критерия x2, который можно использовать для проверки адекватности любой статистической модели.

6.4.1.2 Экспериментальные исследования электризации
дисперсных материалов

Экспериментальная установка для исследования процесса электризации твердых дисперсных материалов при гравитационном истечении изображена на рисунке 6.13. Установка состоит из бункера-питателя 3, изготовленного из нержавеющей стали, циклона 2 и рукавного фильтра 1, экспериментальной воронки 6, изготовленной из органического стекла и футерованной изнутри коническими медными электродами, установленными по высоте воронки.

В экспериментах были использованы воронки с углом раскрытия a = 10, 15, 20, 25, 30 °. Каждая воронка была снабжена насадками, позволяющими изменять расход материала из воронки. Высота электродов колебалась от 60 до 65 мм, промежутки между ними составляли от 8 до 10 мм, увеличиваясь для каждой воронки по мере возрастания угла раскрытия a. В каждой воронке установлено шесть электродов, пронумерованных в порядке возрастания цифр от зоны загрузки до зоны выпуска. Также применялись металлические насадки, являющиеся по существу седьмым электродом. Высота всех воронок составляла 400 мм.

1 - рукавный фильтр; 2 - циклон; 3 - бункер; 4 - электростатический экран; 5 - сетка-экран; 6 - воронка;7 - насадка; 8 - труба
пневмотранспорта; 9 - осциллограф; 10 – усилитель тока;
11 - потенциометр

Рисунок 6.13 - Схема экспериментальной установки для исследования
процесса электризации в сужающихся каналах

Для приёма сыпучего материала, истекающего из воронки, служил приемный бункер, аналогичный бункеру-питателю, нижнее отверстие которого было закрыто заслонкой и соединено с трубой пневмосистемы 8.

Защита рабочих емкостей установки от влияния внешних электромагнитных полей осуществлялась с помощью экранов 4 и сетки-экрана 5. В качестве модельного сыпучего материала использовался порошкообразный полипропилен. Для измерения тока электризации при гравитационном истечении сыпучего материала был использован электрометрический усилитель тока (типа УI-2) и самопишущие приборы (потенциометр КСП-4 и миллиамперметр ИЗ7).

Эксперименты проводились в такой последовательности: сыпучий материал с помощью пневмотранспорта перегонялся из приемного бункера в бункер-питатель, затем напорный вентилятор отключался; открывалась заслонка бункера-питателя и наполнялась порошком экспериментальная воронка при ее закрытом выпускном отверстии; открывалось выпускное отверстие воронки и записывался ток электризации с подключенного к приборам электрода при условии заземления всех остальных электродов воронки и проводящих частей установки; запись осуществлялась до полного опорожнения зоны исследуемого электрода, время измерения ограничивалось временем опорожнения бункера-питателя. Для измерения тока электризации на следующем электроде процесс повторялся таким же образом.

Так как измеряемый ток является разностью между током непосредственно электризации и током в разрядах [4], для электродов всех воронок было проведено наблюдение для определения зон, где происходят разряды статического электричества. Был использован осциллограф С1-19Б с чувствительностью порядка 10-13 Кл. Разряды были обнаружены только в зоне непрерывной загрузки и зоне выхода материала из воронки (насадке), в остальных зонах и во всех зонах воронки с углом раскрытия a=10° разряды не были обнаружены за время полного опорожнения бункера-питателя.

Эксперименты по измерению разрядов проводились аналогично вышеописанному: полипропилен перекачивался из нижнего бункера по трубе пневмосистемы в верхний бункер-питатель; пневмосистема выключалась, заполнялась порошком экспериментальная воронка при закрытом ее нижнем отверстии; один из кольцевых электродов подключался к осциллографу С8-11 (СI-19Б), остальные электроды воронки заземлялись; бункеры, труба пневмосистемы также были заземлены; защита от внешних электромагнитных полей в установке осуществлялась с помощью экранов; открывали отверстие воронки и наблюдали на экране осциллографа наличие разрядов на подключенный электрод; наблюдения велись до полного опорожнения бункера-питателя; затем повторяли процесс перекачивания порошка и наблюдали наличие разрядов на следующем электроде; наблюдения велись при различных расходах путем замены насадок.

Экспериментально обнаружены зоны, в которых при чувствительности осциллографа q=1,2∙10-13 Кл разряды с наэлектризованного материала для всех воронок (кроме воронок с углом раскрытия a=10˚) наблюдаются только в двух зонах: на верхний электрод в зоне непрерывного заполнения воронки порошком и в зоне выхода дисперсного материала из воронки, на насадку (см. рисунок 6.13). На остальных электродах, а также во всех зонах воронки с a=10˚, разряды для всех производимых расходов не обнаружены. Следовательно, здесь можно говорить о том, что разряды идут только в зонах неустановившегося движения, где резко меняется объемная плотность материала или есть другие причины резкого повышения напряженности электрического поля объемного заряда порошка. Повышение напряженности до предельной напряженности окружающей среды EПР вызывает пробой воздушного промежутка между частицами материала и проводящей заземленной стенкой.

В зоне непрерывной загрузки разряды определяются тремя основными факторами: объемным зарядом выходящего из бункера-питателя сыпучего материала, расходом из воронки и геометрическим размером зоны (диаметром воронки в зоне электрода). В зоне выхода материала из воронки разряды определяются в основном расходом и углом раскрытия воронки a. Чем больше значения a, тем острее кромка насадки и тем интенсивней процесс электростатических разрядов. Для воронки с углом раскрытия a=10˚ при одинаковых отверстиях по сравнению с другими испытываемыми воронками наблюдается наибольший расход. Однако ни в одной из зон воронки не зафиксированы электростатические разряды.

Обнаружение некоторого угла a=10˚, когда разряды не наблюдаются в краевых зонах, можно объяснить геометрией данной воронки, т. е. некоторым малым диаметром верхнего электрода по сравнению с критическим диаметром, когда начинаются разряды в зоне загрузки и малым углом заострения металлической насадки по сравнению с некоторым критическим углом. Для воронки с a=15˚, разряды уже наблюдаются в обеих краевых зонах. Следовательно, геометрические параметры воронки с a=10˚: верхний диаметр, равный 160 мм, и угол заострения кромки выходного отверстия 80˚, - обеспечивают безыскровую работу для данной экспериментальной установки и испытываемого порошка.

6.4.1.3 Оценка опасности разрядов статического электричества

Для оценки опасности разрядов статического электричества в искровых зонах использована методика, описанная выше. С помощью запоминающего осциллографа С8-11 набиралась статистика амплитуд импульсов напряжения X, что соответствует заряду в единичном импульсе

Q=C×X, (6.39)

где С – суммарная ёмкость электрода, кабеля и измерительного прибора, Ф;

Х – амплитуда напряжения единичного импульса, В.

Статистическая обработка полученных разрядов подтвердила предположение о пуассоновском процессе для одинаковых разрядов статического электричества. Вследствие доказательства о пуассоновском процессе одинаковых разрядов статического электричества, время измерения задавалось произвольно, но ограничивалось условием набора необходимого количества разрядов каждой определенной величины для произведения расчетов. Полученные экспериментально значения числа импульсов в зависимости от величины заряда располагались в виде вариационного ряда. Строились гистограммы. Затем подбирался закон распределения зарядов в единичных импульсах.

Для рассматриваемой системы (аппарата) разряды взаимно независимы, любой разряд рассматривается как отказ всей системы (для не зажигающих разрядов система мгновенно восстанавливается). Такие системы называются цепными. Цепные системы с отказами, имеющими экспоненциальное распределение времени безотказной работы, при условии, что число элементов системы велико, хорошо описывается распределением Вейбулла [116].

Было использовано распределение Вейбулла в качестве статистической модели для описания зарядов в единичных импульсах. Плотность распределения имеет вид:

, (6.40)

где η - параметр формы распределения;

, s - параметр масштаба распределения.

В интегральной форме распределение Вейбулла будет

(6.41)

Для оценки параметров распределения Вейбулла η и β пользуются методом разбиений [116].

Экспериментальные значения были обработаны по описанному выше способу и полученные распределения Вейбулла проверены по критерию согласия Пирсона, или x2-критерию.

Проверка показала, что во всех распределениях вероятность p того, что величина, распределенная по закону x2, превзойдет вычисленное значение x2, больше 0,1. Это дает право считать гипотезу о распределении Вейбулла для разрядов статического электричества не противоречащей опытным данным. Также для проверки возможности аппроксимации гистограмм разрядов были опробованы статистические модели: гамма-распределение, логарифмически нормальное распределение. Оценка последних по x2 критерию показала, что только в одном из трех проверяемых случаев оказалось правдоподобным логарифмически нормальное распределение, а гамма-распределение ни в одном из проверенных случаев не подтвердилось. Полученные результаты проверки согласуются с экспериментальной проверкой на соответствие определенным законам распределения при исследовании разрядов статического электричества в надтопливном пространстве на заземленный электрод непосредственно в ходе заполнения заправщика нефтепродуктами [117].

С использованием статистической модели Вейбулла определяется максимальный импульс напряжения для каждого распределения при условии крайне маловероятного события, когда вероятность его появления равна 10-6 [118]:

. (6.42)

Максимальный разряд, переносимый в единичном импульсе, определяется выражением

, (6.43)

где С - суммарная емкость электрода, проводов, прибора, Ф.

С учётом (6.36) определяется среднее время безопасной работы системы, которое характеризует среднее время между двумя максимальными зарядами в импульсах:

. (6.44)

Для зон выхода материала из воронок (насадок) рассчитаны зависимости максимального заряда в импульсе и среднего времени безопасной работы от расхода сыпучего материала. Было показано, что максимальный заряд в единичных разрядах для всех воронок не зависит от расхода сыпучего материала, незначительные колебания величины переносимого заряда могут быть обусловлены ошибкой эксперимента и рядом других неучтенных факторов (сегрегация, измельчение материала в процессе многократного пересыпания и т. д.). Среднее время безопасной работы (рисунок 6.14) резко убывает при возрастании расхода сыпучего материала из воронки, кривые по внешнему виду напоминают экспоненты.

1 - a = 15°, 2 - a = 20°, 3 - a = 25°, 4 - a = 30°

Рисунок 6.14 – Насадка. Зависимость среднего времени безопасной работы от расхода полипропилена из воронки с различным углом
раскрытия

Для зон загрузки определялись зависимости максимального заряда и среднего времени безопасной работы только для воронок с углом раскрытия a=15 и 20 град, так как с увеличением угла a начинает преобладать нормальное истечение, и материал в зоне загрузки у стенки остается неподвижным при непрерывном питании из бункера-питателя. Вид кривой (рисунок 6.15) среднего времени безопасной работы напоминает зависимость для зон выхода (насадок), максимальный заряд в единичном разряде незначительно возрастает при увеличении расхода сыпучего материала.

На основе вышеизложенного разработана методика оценки опасности зажигания веществ разрядами статического электричества, которая проверена экспериментально при гравитационном истечении сыпучего материала и может применяться для других случаев электризации.

Рисунок 6.15 – Зона загрузки. Зависимость среднего времени
безопасной работы (1) и максимального заряда в импульсе (2)
от расхода полипропилена из воронки с углом раскрытия a=20°

7 СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ СТАТИЧЕСКОГО

ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Разработка надежных мер защиты от статического электричества на стадии проведения исследовательских, опытно-конструкторских работ и при эксплуатации производственного оборудования играет важнейшую роль для уменьшения взрывов и пожаров [36, 46].

Разряд статического электричества может стать источником зажигания при выполнении следующих условий [4]:

·  наличие источника электризации;

·  наличие горючей смеси;

·  возникновение разрядов статического электричества с энергией, достаточной для зажигания горючей смеси.

Отсутствие любого из указанных условий делает невозможным возникновение взрыва или пожара от статического электричества. Это позволяет эффективно применять известные и новые способы защиты от статического электричества.

Основными способами защиты от разрядов статического электричества в технологических процессах являются:

·  заземление электропроводящего оборудования и персонала;

·  обеспечение путей утечки электростатических зарядов;

·  совершенствование технологических процессов и оборудования.

Ниже подробно описаны перечисленные способы.

7.1 Заземление электропроводящего оборудования

и персонала

Наиболее распространенным и эффективным способом защиты от статического электричества является заземление, цель которого - устранение формирования электрических разрядов с электропроводных элементов оборудования.

Все металлические и электропроводные неметаллические части оборудования подлежат обязательному заземлению, независимо от того, применяются ли другие способы защиты от статического электричества.

Электропроводными считают материалы с удельным объемным электрическим сопротивлением не более 105 Ом·м. Неметаллическое оборудование считается электростатически заземленным, если сопротивление растеканию тока на землю с любых точек его внутренней и внешней поверхности не превышает 107 Ом при относительной влажности воздуха не выше 60 % [132].

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 C соотношением

t= R∙C. (7.1)

Если ёмкость оборудования С мала, сопротивление растеканию тока R может быть выше 107 Ом. Из этих соображений рассчитаны максимально допустимые значения заземляющих сопротивлений, приведенные в таблице 7.1 [50].

Таблица 7.1 – Максимально допустимые значения заземляющих
сопротивлений

Среда	t, с	Сопротивление R, Ом
С = 10-11 Ф	С = 10-10 Ф
Взрывоопасная Невзрывоопасная

Сопротивление заземляющего устройства, предназначенного для защиты от статического электричества, допускается до 100 Ом
[36, 46, 132]. Разрешается объединять заземляющие устройства для защиты от статического электричества с заземляющими устройствами электрооборудования, но при этом следует исключить использование в заземляющих устройствах токонесущих проводов. Не допускается объединять заземляющие устройства от статического электричества с заземляющими устройствами отдельно стоящих молниеотводов.

Заземление должно осуществляться путем параллельного присоединения защищаемого оборудования к контуру заземления, последовательное присоединение не допускается. Рекомендуется все соединения заземляющих устройств выполнять путем сварки, в исключительных случаях допускаются болтовые соединения.

7.1.1 Отвод зарядов статического электричества с персонала

Человек как генератор электростатических зарядов представляет опасность воспламенения горючих материалов разрядами с диэлектрической одежды и непосредственно с тела. Человеческое тело легко отводит генерируемые на нем статические заряды на землю, но если изолировать тело человека от земли, например, с помощью резиновой обуви, то в этом случае существует опасность возникновения разрядов с тела человека на заземленные предметы.

Для предупреждения формирования воспламеняющих разрядов с человека и исключения зажигания ими горючих смесей необходимо персонал обеспечить электропроводной обувью [123], антистатической одеждой [122] и предусмотреть устройство электропроводных полов.

В соответствии с правилами защиты от статического электричества [36] для изготовления антистатической одежды удельное поверхностное сопротивление используемого материала не должно превышать 107 Ом, а обувь считается электропроводной, если удельное объемное сопротивление между измерительным электродом и внутренней подошвой обуви не превышает 107 Ом∙м.

Для этих целей лабораторией новых модифицированных материалов ВНИИ искусственного волокна (г. Москва) была разработана антистатическая ткань «Громоотвод» для пошива рабочих костюмов. Основа ткани «Громоотвод» - саженаполненная электропроводная нить (СЭН). Растворенная в ацетоне, она вступает в стойкую химическую связь с порошком фторлона. Такая нить для прочности скручивается с капроном или лавсаном. Плетение ткани таково, что СЭН образует поверхностный токопроводящий слой, по которому стекают заряды статического электричества и через заземленный стул уходят в землю. На ткань «Громоотвод-2» разработаны ТУ-79 и выпуск её налажен на опытном предприятии (г. Мытищи Московской области). В Калининском политехническом институте (г. Калинин) был разработан новый вид спецодежды [121] на основе ткани, пропитанной раствором с глицерином. Ткань гарантирует защиту человека от накопления электростатических зарядов.

Условием электростатической безопасности для обуви является выражение для определения безопасного потенциала Uбез [123]:

Uбез ≤ Qс/Сч, (7.2)

где Qс=2,4∙10-7 Кл - нижний предел заряда, исключающий у большинства людей субъективные ощущения при искровом разряде;

Сч – ёмкость человека, принимается в пределах от 100 до 200 пФ.

Для выполнения данного условия необходим контроль потенциалов электризации человека Uч и сравнение его с Uбез или использование готовой обуви, удовлетворяющей требованиям правил
(ρv<107 Ом∙м).

Для этих целей был освоен выпуск легкой обуви с кожаным верхом и подошвой из электропроводной резины (ТУ ) на Ярославском кожевенно-обувном объединении. В ЦНКБ (г. Москва) была разработана и выпущена опытная партия антистатических сапог типа «ФЭПА» и тапочек с антистатической подошвой на основе электропроводного каучука.

Покрытие пола считается электропроводным, если электрическое сопротивление между установленным на полу электродом площадью 50 см2 и контуром заземления не превышает 107 Ом [4].

Для отвода электростатических зарядов непосредственно с тела человека вполне достаточно осуществить электрическую связь между телом человека и землей через заземленный проводник. Оптимальная величина сопротивления заземляющего проводника в России [44] и за рубежом [124, 125] рекомендуется порядка 106 Ом. Человек присоединяется к заземляющему проводнику периодически или постоянно на время выполнения определенной работы. В последнем случае применяют антистатические браслеты [126, 127].

Большую роль для обеспечения электростатической безопасности при электризации человека имеет психологический фактор, когда персонал непосредственно наблюдает процесс стекания электростатических зарядов. Поэтому устройства с индикацией процесса разряда человека имеют несравненно больше преимуществ по сравнению с обычными устройствами для заземления человека. Например, описанное выше разрядное устройство РЭС-1 обеспечивает стекание электростатических зарядов и позволяет лично наблюдать за процессом разряда тела человека по колебанию частицы.

Аналогичные устройства с индикацией стекания электростатических зарядов с тела человека разработаны в виде антистатических браслетов, закрепляемых на руке [126]. Устройство состоит из пластмассового корпуса, внутри которого расположены две токопроводящие пластины, изолированные друг от друга. Одна заземлена через резистор, другая через второй резистор и индикатор, который срабатывает при превышении сопротивления всей цепи (первая пластина – рука оператора – вторая пластина) заданного значения. Через пластины электростатические заряды стекают в землю. Индикатор выдает зеленый сигнал, если нет необходимого контакта пластин с рукой оператора, а также когда нарушена электрическая цепь.

7.2 Обеспечение путей утечки электростатических зарядов

7.2.1 Повышение влажности воздуха

Относительная влажность воздуха φ снижает электризацию полимеров. С увеличением относительной влажности воздуха удельное поверхностное сопротивление полиэтилена пропорционально снижается (рисунок 7.1) [128].

Рисунок 7.1 – Зависимость удельного поверхностного сопротивления

ρs полиэтилена от относительной влажности воздуха φ

Относительная влажность воздуха влияет не только на величину заряда, но и на его знак. На рисунке 7.2 показана зависимость скорости утечки заряда tRMS с поверхности некоторых полимеров от относительной влажности φ окружающего воздуха [129]. Среднеквадратичный полупериод утечки заряда tRMS равен

,

где t+ и t - - полупериоды утечки положительного и отрицательного зарядов, с.

Из рисунка 7.2 следует, что влажность воздуха по-разному влияет на значение tRMS полимеров различного строения. Установлено, что знак заряда определяется способностью полимеров к водопоглощению. Например, при соприкосновении гидрофобных или гидрофильных полимерных материалов с металлами полимерные материалы заряжаются соответственно отрицательно или положительно.

1 – целлофан; 2 – шерсть; 3 – хлопок; 4 – орлон; 5 – нейлон; 6 – дакрон

Рисунок 7.2 – Зависимость скорости утечки заряда tRMS
от относительной влажности воздуха φ для ряда полимеров

Ускорение стекания электростатических зарядов с диэлектриков при высокой влажности воздуха связывают с тем, что на поверхности гидрофильных диэлектриков адсорбируется тонкая пленка влаги, обычно с большим количеством ионов из-за загрязнений поверхности, за счет которых обеспечивается поверхностная электропроводность электролитического характера, поэтому поверхностное сопротивление диэлектрика уменьшается. Однако если материал находится при более высокой температуре, чем та, при которой пленка может удержаться 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 т. п.), т. е. не адсорбирует водяные пары, и поэтому не образуется проводящих пленок даже при относительной влажности воздуха 100 %.

На практике увеличение влажности воздуха достигается распылением водяного пара (воды), циркуляцией влажного воздуха, иногда свободным испарением с большой поверхности воды. В некоторых случаях желаемый эффект достигается местным увлажнением паром или охлаждением электризующейся поверхности на 10 ºС ниже температуры окружающей среды. Считается, что при относительной влажности 70 % и более гидрофильные материалы не накапливают заряды статического электричества [35].

Зависимость удельного поверхностного сопротивления от относительной влажности воздуха для некоторых материалов приведена в таблице 7.2 [35].

Таблица 7.2 – Зависимость удельного поверхностного сопротивления ρS от относительной влажности воздуха φ и твёрдости материала

Материал	Твёрдость по шкале Мооса	Удельное поверхностное сопротивление ρS, Ом
φ = 20 %	φ = 98 %
Политетрафторэтилен	1 – 2	5·1017	5·1017
Полистирол	2	5·1017	5·1015
Фенолформальдегидная смола К-221-34	2 – 3	7·1015	7·1014
Аминопласт	3	6·1014	3·1013
Ультрафарфор	4 – 5	1·1016	1·1013
Плавленный кварц	7	1·1017	6,5·1010

Следует отметить, что увеличение твердости материала способствует уменьшению удельного поверхностного сопротивления при высокой влажности.

7.2.2 Снижение удельных поверхностного и объёмного

сопротивлений

Антистатические свойства твердых диэлектрических материалов оценивают по уменьшению удельного поверхностного электрического сопротивления ρS, накапливаемого электростатического потенциала U0 и полупериода утечки электростатических зарядов t0,5 [119]. В таблице 7.3 приведена оценка антистатических свойств материалов.

Таблица 7.3 – Оценка антистатических свойств материалов

Антистатические свойства	ρs, Ом
Очень плохие	более 1013
Плохие	1
Умеренные	1
Довольно хорошие	1
Хорошие
Отличные	менее 108

Уменьшение удельного поверхностного сопротивления полимерных материалов может быть достигнуто химической обработкой поверхности кислотами (серной или хлорсульфоновой). В результате этого поверхность полимера (полистирол, полиэтиленовые и полиэфирные пленки) окисляется (сульфируется), при этом значение ρS 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. Следует заметить, что методы химической обработки эффективны, но требуют точного соблюдения технологических условий.

Для уменьшения удельного поверхностного сопротивления применяются различные антистатические вещества. Из них широко применяются поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые по принципу антистатического действия разделяют на группы: анионактивные, катионактивные, амфотерные и неиногенные. Применение антистатических веществ позволяет снизить удельное поверхностное сопротивление на 5-8 порядков, при этом наиболее эффективными оказались катионактивные и амфотерные ПАВ.

При поверхностном нанесении действие ПАВ недолговечно вследствие разрушения их растворителями и трением, поэтому более перспективно введение ПАВ в объем полимеров. Это позволяет получить более стабильные антистатические свойства полимеров во времени, они менее подвержены воздействию растворителей и истиранию. Однако при внутреннем введении ПАВ существенное значение имеет структура полимера, определяющая степень миграции антистатических добавок на поверхность. Для каждого диэлектрика определены оптимальные весовые концентрации ПАВ, например: для полиэтилена низкого давления от 0,05 до 0,10 %; для полиэтилена высокого давления от 0,2 до 0,3 %; для полипропилена 0,5 %; для поливинилхлорида
0,5 %; для полиакрила от 2 до 3 %.

Уменьшение накопления электростатических зарядов на поверхности достигается нанесением на диэлектрик хорошо проводящей металлизированной пленки. Тонкие металлические пленки получают распылением, разбрызгиванием, испарением металла в вакууме или наклеиванием металлической фольги. Однако эти способы трудоемки и не всегда применимы. Более эффективными оказались специальные лакокрасочные покрытия. Такие лаки (эмали) содержат порошкообразные наполнители (металлы, сажу, графит) и полимерное связующее с удельным объемным сопротивлением ρv =109…1013 Ом∙м. При введении электропроводного наполнителя ρv снижается до 106 Ом∙м и менее.

На рисунке 7.3 приведены зависимости удельного поверхностного сопротивления покрытий (эмалей и лаков) при введении в них различного количества графита. Покрытия наносились на металлическую (сталь Ст3) и диэлектрическую (картон) поверхности. Как видно из графика, введение в эмаль ХС-973 около 10 % графита снижает поверхностное сопротивление покрытия диэлектрика до величины
106 Ом.

В настоящее время широко применяются электропроводящие эмали марок ХС-928 и АК-562, которые наносят кистью или пульверизатором в два слоя. Они дают пленку черного цвета, устойчивую к температуре, давлению, вакууму, агрессивным средам и радиационному облучению. Данными эмалями окрашивают заземляющие устройства технологического оборудования; внутренние части химической реакционной аппаратуры, изготовленной из стекла и пластмассы; внутренние части диэлектрических трубопроводов и т. п.

1, 4 – эмаль ХС-973; 2, 6 – лак МС-25; 3, 5 – эмаль ХВ-784

1, 2, 3 – картон; 4, 5, 6 - сталь Ст3

Рисунок 7.3 – Зависимости удельного поверхностного сопротивления
покрытий от содержания в них графита

Исследования удельных объёмных электрических сопротивлений капроновых текстурированных нитей, содержащих антистатики «Борамол» и «Сандин», введенные на стадии полимеризации, показали, что для достижения хороших антистатических свойств ковровых изделий необходимо применять ворсовую нить с содержанием всего от 2 до 4 % (вес.) антистатика (таблица 7.4) [130].

Таблица 7.4 – Влияние антистатиков на удельное объёмное
электрическое сопротивление ρV и линейную плотность заряда
капроновых нитей q

Антистатик	Содержание антистатика, %	ρV, 107 Ом∙м	Линейная плотность заряда q, 10-9 Кл/м
сразу после трения	через 4 минуты
Отсутствует «Сандин» «Борамол»	нет 2,0 4,0	6,00 0,19 0,56	42,0 3,9 24,0	4,0 0,2 6,0

С точки зрения электростатической безопасности применения в пожароопасных производствах различных эластичных материалов в виде рукавов, подложек, тары были исследованы различные плёночные и тканые материалы (таблица 7.5). В результате отобраны ткани, удовлетворяющие требованиям электростатической искробезопасности.

Таблица 7.5 – Электростатические характеристики эластичных
материалов

Наименование материала	ρS, Ом при φ = 10%	Антиста-тические свойства	qmax, Кл	Wmax, мДж	Примечание
Пленка полиэтиленовая ГОСТ	1,6∙1015	нет	8,8∙10-8	4,6
Ткань: 50% лавсана, 50% льна. Арт. 062178	4,2∙1015	нет	1,1∙10-7	5,4
Фторопластовая пленка Ф4ВН. ТУ05.986-79	3,7∙1015	нет	4,9∙10-8	2,2
Смесь резиновая 51-2110. ТУ105.1177-82	2,4∙1015	нет	0,7∙10-8	0,3
Ткань капроновая ТКТЭ. ТУ90	1,6∙1015	нет	5,8∙10-8	1,6
Мешки бумажные. ГОСТ 2226-85	0,9∙1015	нет	—	—
Ткань Т-500. ОСТ	3,3∙1013	умеренные	8,7∙10-8	3,6	ткань заземлена
Текстолит ГОСТ2910-87	7,3∙1012	умеренные	4,5∙10-8	2,2
Ткань «Эластоискожа». ТУ7	9,0∙1011	хорошие	3,2∙10-8	1,4	ткань заземлена
Ткань «Громоотвод». ТУ	2,4∙107	отличные	6,7∙10-8	3,1	ткань заземлена
Ткань Т-183. ТУ	1,0∙107	отличные	3,9∙10-7	2,2

Умеренными и хорошими антистатическими свойствами обладают ткани «Эластоискожа», «Громоотвод» и ткань Т-183 при соприкосновении со многими твёрдыми и жидкими материалами. Кроме этого, данные материалы высокопрочны, эластичны и химически совместимы со многими веществами.

Одним из эффективных способов уменьшения электризации диэлектриков является уменьшение их удельного объёмного электрического сопротивления. Этот способ используют для улучшения антистатических свойств жидких и твёрдых материалов.

Большинство горючих и легковоспламеняющихся жидкостей характеризуются высоким удельным объемным электрическим сопротивлением ρV.

Считают, что если удельное объёмное сопротивление жидкости больше 1013 Ом·м и меньше 108 Ом×м, генерирование электростатических зарядов незначительно. Внутри этого интервала генерируемый заряд имеет максимальное значение при значениях ρV, близких к величине 1011 Ом×м [4]. В условиях производства чистые жидкости часто быстро загрязняются в промышленной аппаратуре и имеют удельное сопротивление менее 1013 Ом×м, то есть подвержены электризации.
В таких жидкостях при транспортировании, перемешивании и других подобных процессах происходит генерирование и объёмное накопление электростатических зарядов. Необходимо отметить, что при разрыве объема даже проводящие жидкости проявляют способность к электризации, например, вода хорошо генерирует электростатические заряды при разбрызгивании.

Жидкости, имеющие удельное сопротивление более 108 Ом×м, генерируют и длительное время удерживают заряды в объёме даже в заземленных металлических сосудах. В таких сосудах заряды, которые достигают поверхности стенок, будут скомпенсированы зарядами противоположной полярности, притекающими из земли в течение некоторого времени, называемого временем релаксации заряда. Время релаксации заряда в жидкости может исчисляться долями секунды или несколькими минутами и зависит от удельного объемного сопротивления:

t = ε0ε ρv. (7.3)

В течение всего процесса утечки зарядов, определяемого временем релаксации, существует разность потенциалов между поверхностью жидкости и стенкой сосуда. При значительной разности потенциалов может произойти электрический разряд в горючей жидкости.

Одним из наиболее эффективных методов устранения электризации нефтепродуктов является введение специальных антистатических веществ (присадок). Вводят присадки в количестве, равном сотым и даже тысячным долям весовых процентов. Это позволяет на несколько порядков уменьшить удельное электрическое сопротивление нефтепродуктов. Электрическую проводимость углеводородов и нефтепродуктов эффективно повышают олеаты и нафтенаты хрома, кобальта, меди, хромовые соли синтетических жирных кислот (например, присадка АСП-1, присадка «Сигбол» и другие вещества). На рисунке 7.4 показана зависимость удельного объемного электрического сопротивления ρV Н-гексана от концентрации присадок С (%).

1 - олеат меди; 2 - АСП-1; 3 - «Сигбол»

Рисунок 7.4 – Зависимость удельного объёмного электрического

сопротивления Н-гексана от концентрации присадок

Наиболее эффективной присадкой для Н–гексана оказалась присадка «Сигбол», введение которой уже в количестве 0,002 % (масс.) придает растворителю хорошие антистатические свойства.

Для обеспечения утечки зарядов с твердых диэлектриков, так же как и для жидкостей, вводят в объём материала электропроводящие добавки. Чаще всего это касается полимерных материалов. В качестве электропроводящих наполнителей используют ацетиленовую сажу, алюминиевую пудру, цинковую пыль, графит. Наибольшее применение находит ацетиленовая сажа, например, введение в полиэтилен
20 % (масс.) ацетиленовой сажи снижает его удельное сопротивление на 10-11 порядков. Для получения электропроводных резин также широко применяют различные сажи. Такие резины находят применение в виде маслобензостойких рукавов, конвеерных лент, антистатических клиновых ремней, в медицине для изготовления элементов аппаратуры для наркоза и в других случаях.

7.2.3 Ионизация воздуха

Сущность этого способа заключается в нейтрализации или компенсации поверхностных электрических зарядов ионами разного знака, которые создают специальные приборы, называемые нейтрализаторами.

Ионы получают в электрическом поле высокой напряжённости или радиоактивным излучением. Принцип работы нейтрализаторов сводится к тому, 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 заряд. Ионизацию воздуха за счет электрического поля высокой напряженности получают в нейтрализаторах двух типов: индукционных и высоковольтных. Однако использование их во взрывопожароопасных производствах ограничено из-за невыполнения условий искробезопасности. Для данных производств рекомендуется применять радиоактивные нейтрализаторы.

Радиоактивные нейтрализаторы очень просты по устройству, не требуют источников питания, достаточно эффективны и безопасны при использовании в пожаро - и взрывоопасных средах и широко применяются в различных отраслях промышленности. Принцип их действия заключается в ионизации воздуха излучением радиоактивных источников, которые представляют собой плоские металлические пластины, на которые с одной стороны нанесены радиоактивные препараты. Для нейтрализаторов электростатических зарядов используют радиоактивные источники плутоний-239, прометий-147 и тритий. В таблице 7.6 приведены характеристики радиоактивных нейтрализаторов, в которых используют три вида источников ионизирующего излучения.

Наиболее эффективны и безопасны радиоактивные вещества с
α-распадом. Одна α-частица на пути 1 см создает в среднем 300 тысяч пар ионов. В зависимости от энергии α-частиц, которая колеблется в пределах от 2 до 9 Мэв, в воздухе они способны преодолеть расстояние от 2,5 до 8,6 см. В более плотных средах проникающая способность
α-излучений значительно меньше. Нейтрализаторы с таким излучением пригодны для локальной ионизации воздуха и нейтрализации зарядов в месте их образования.

Ионизирующая способность β-лучей примерно в 100 раз меньше, чем α-лучей, однако они обладают большей проникающей способностью. Длина пробега β-частиц в воздухе исчисляется метрами. Среди β-излучателей широко распространены тритиевые источники. Например, если необходимо нейтрализовать электростатические заряды в аппаратах с большим объемом, эффективнее использовать β-излуча-
тели.

В пожароопасных производствах для нейтрализации электростатических зарядов наибольшее распространение нашли нейтрализаторы с α-излучениями и только в некоторых случаях применяют β-излу-
чение.

Таблица 7.6 – Характеристики радиоактивных нейтрализаторов

Тип нейтрализатора	Принцип действия	Длина рабочей части, мм	Максимальный ионный ток, А на 1 см длины
НР-1 НР-3 НРИ-5 НР-8 – НР-14 НСЭ-200А НСЭ-1000Б Тритиевые	α-излучение, плутоний-239 α-излучение, плутоний-239 Радиоактивно-индукционный α-излучение, плутоний-239 α-излучение, плутоний-239 α-излучение, прометий-147 β-излучения, тритий	140 210 350 1000 200 1000 1000	1,2·10-7 1,2·10-7 1,2·10-7 (0,3-0,6)·10-7 0,5·10-7 (0,2-0,4)·10-7 (0,5-1,2)·10-7

В качестве недостатков радиоактивных нейтрализаторов следует отметить сравнительно малый ионизационный ток, кроме того, многие α- и β-изотопы излучают и γ-лучи.

7.3 Совершенствование технологического процесса
и оборудования

Из технологических приемов для снижения электризуемости жидких и твердых материалов нашли применение: уменьшение скоростей транспортирования и перемешивания, исключение разбрызгивания жидкостей, применение релаксационных емкостей и другие [4].

Для предотвращения электростатических разрядов в возможных разрядных промежутках в аппарате параллельно этому промежутку присоединяется разрядник с межэлектродным расстоянием меньше, чем в защищаемом промежутке. В этом случае искровой пробой происходит в разряднике, а сам разрядник изолируют от взрывоопасной среды или выносят за пределы взрывоопасной зоны.

Известно, что от искровых разрядов загорается производственная пыль с размерами частиц меньше 300 мкм, поэтому в качестве способа защиты от опасного проявления статического электричества можно использовать гранулированные материалы вместо пылевидных [4].

Один из приемов защиты от пожара и взрыва заключается в поддержании концентрации горючих сред вне пределов взрываемости. Для горючих газов и паров – это использование концентраций вне концентрационных пределов взрываемости, для горючих жидкостей – вне температурных пределов взрываемости, для пылевоздушных смесей – меньше нижнего предела взрываемости.

Экспериментально получены трибоэлектрические ряды, в которых твердые материалы расположены в такой последовательности, что любой из них приобретает отрицательный заряд при соприкосновении с материалом, расположенным слева, и положительный заряд при соприкосновении с материалом, расположенным справа. С увеличением расстояния между материалами в таком ряду абсолютная величина заряда при контакте и последующем разделении материалов растет. Эти знания позволяют бороться со статическим электричеством путем подбора контактных материалов с целью заряжения перерабатываемого материала зарядами противоположной полярности. Таким образом, можно значительно уменьшить общий заряд материала или приблизить его к нулю. Например, подбор контактных пар нашел применение при получении и переработке синтетических волокон. Здесь учитывают знак заряда на волокнах при контакте с различными материалами оборудования и между собой. Из металлов наиболее сильно электризует волокна медь [133]. Описываемый метод довольно прост и не требует особых затрат, но при этом процесс электризации не стабилен и значительно зависит от свойств поверхности трения.