Согласно действующим правилам защиты от разрядов статического электричества должна осуществляться во взрывоопасных и пожароопасных производствах при наличие зон классов В-I, B-Ia, B-II, B-IIa, П-I и П-II, в которых применяются и вырабатываются вещества с удельным объёмным электрическим сопротивлением Ом∙м.

В остальных случаях защита осуществляется лишь тогда, когда статическое электричество предоставляет опасность для обслуживающего персонала, отрицательно влияет на технологический процесс или качество продукции.

Основными способами устранения опасности от статического электричества является (слайд):

1) заземление оборудования, коммуникаций, аппаратов и сосудов, а так же обеспечение постоянного электрического контакта с заземлением тела человека;

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

3) ионизацией воздуха или среды, в частности, в нутрии аппарата, сосуда и т.д.

Кроме этих способов используют: предотвращение образования взрывоопасных концентрации, ограничение скорости движения жидкости, замену ЛВЖ на негорючие растворители и т.д. Практический способ устранения опасности от статического электричества выбирается с учётом эффективности и экономической целесообразности.

Остановимся более подробно на указанных выше способах устранения опасности от статического электричества.

Заземление (18 мин) – наиболее часто применяемая мера защиты от статического электричества. Его целью является устранение опасности возникновения электрических разрядов с проводящих частей оборудования. Поэтому все проводящие части оборудования, и электропроводные неметаллические предметы подлежат обязательному заземлению, независимо от того, применяются ли другие способы защиты от статического электричества. Заземлять следует не только те части оборудования, которые участвуют в генерировании статического электричества, но и все другие указанного выше свойства, так как они могут зарядиться по закону электростатической индукции.

В случаях, когда оборудование выполнено из электропроводящих материалов, заземление является основным и почти всегда достаточным способом защиты.

Если же на внешней поверхности или внутренних стенках металлических аппаратов, резервуаров и трубопроводов образуются отложения непроводящих веществ (смолы, пленки, осадки), заземление становится неэффективным. Заземление не устраняет опасности и при использовании аппаратов с эмалированными и другими неэлектропроводящими покрытиями.

Неметаллическое оборудование считается электростатически заземленным, если сопротивление растеканию тока на землю с любых точек его внешней и внутренней поверхности Ом при относительной влажности . 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 связана с сопротивлениемR заземления аппарата или оборудования и его емкостью C соотношением τ=R∙C.

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

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

Наливные стояки эстакад для заполнения железнодорожных цистерн и рельсы железнодорожных путей в пределах сливоналивного фронта должны быть электрически соединены между собой и надежно заземлены. Автоцистерны, наливные суда, самолеты, находящиеся под наливом (сливом) горючих жидкостей и сжиженных газов, должны также заземляться. Контактные устройства (без средств взрывозащиты) для присоединения заземляющих проводников должны быть установлены за пределами взрывоопасной зоны (не менее 5м от места налива или слива, ПУЭ). При этом проводники вначале присоединяются к корпусу объекта заземления, а затем к заземляющему устройству.

Следует отметить, что применяемые до сих пор для заземления автоцистерн заземляющие проводники не обеспечивают требуемого уровня пожаровзрывобезопасности технологии налива или слива топлива и других ЛВЖ. Поэтому в настоящее время разработаны и серийно выпускаются специальные устройства заземления автоцистерн (УЗА) типов УЗА-2МИ, УЗА-2МК и УЗА-2МК-03, которые соответствуют требованиям ГОСТов и могут устанавливаться во взрывоопасных зонах класса В-Iг.

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

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

С учетом сказанного выше, значительную опасность представляет забор проб из резервуара сразу после его заполнения. Но через промежуток времени, примерно равный , после окончания заполнения заземленного резервуара заряды статического электричества в нем практически исчезают и проведение забора проб жидкости становится безопасным.

Для светлых нефтепродуктов, имеющих малую электропроводность (при Ом∙м), необходимое время выдержки после заполнения резервуара, обеспечивающее безопасность дальнейших операций, должно быть не менее 10 минут.

Заземление резервуара и выдержка необходимого времени после заполнения не дадут нужного эффекта безопасности, если в резервуаре имеются плавающие на поверхности жидкости изолированные предметы, которые могут приобрести заряд статического электричества при заполнении резервуара и сохранить его в течении времени, значительно превышающем . В этом случае при контакте плавающего предмета с заземленным проводящим телом может произойти опасное искрообразование.

Уменьшение объемного и поверхностного удельных электрических сопротивлений (8 мин).

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

А. Повышение относительной влажности воздуха.

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

Ускорение стекания электростатических зарядов с диэлектриков при высокой влажности объясняют тем, что на поверхности гидрофильных диэлектриков адсорбируется тонкая пленка влаги, содержащая обычно большое количество ионов из загрязнений и растворенного вещества, за счет которых обеспечивается достаточная поверхностная электропроводность электролитического характера.

Однако, если материал находится при более высокой температуре, чем та, при которой пленка может удерживаться на поверхности, указанная поверхность не может стать проводящей даже при очень высокой влажности воздуха. Эффект также не будет достигнут, если заряженная поверхность диэлектрика гидрофобна (несмачиваемая: сера, парафин, масла и другие углеводороды) или скорость ее перемещения больше, чем скорость образования поверхностной пленки.

Увеличение влажности достигается распылением водяного пара или воды, циркуляцией влажного воздуха, а иногда свободным испарением с поверхности воды или охлаждением электризующей поверхности на 10^о С ниже температуры окружающей среды.

Б.Химическая обработка поверхности, электропроводные покрытия.

Уменьшение удельного поверхностного сопротивления полимерных материалов может быть достигнуто химической обработкой их поверхности кислотами (например серной или хлорсульфоновой). В результате этого поверхности полимера (полистирол, полиэтилен и полиэфирные пленки) окисляются или сульфируются и удельное сопротивление уменьшается до 10⁶ Ом при относительной влажности воздуха 75%.

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

Иногда нужный эффект достигается нанесением на диэлектрик поверхостной проводящей пленки, например, тонкой металлической, получаемый распылением, разбрызгиванием, испарением в вакууме или наклеиванием металлической фольги. Пленки на углеродной основе получают распылением углерода в жидкой среде или порошка с частицами меньше 1 мкм.

В. Применение антистатических веществ.

Большинство горючих и легковоспламеняющихся жидкостей характеризуются высоким удельным электрическим сопротивлением. Поэтому при некоторых операциях, например с нефтепродуктами, происходит накопление зарядов статического электричества, которое препятствует интенсификации технологических операций, а также служит источником взрывов и пожаров на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях.

Движение жидких углеводородов относительно твердой, жидкой или газообразной среды может привести к разделению электрических зарядов на поверхности соприкосновения. При движение жидкости по трубе слой зарядов находящихся на поверхности жидкости, уносится её потоком, а заряды противоположного знака остаются на контактирующей с жидкостью поверхностью трубы и если, металлическая труба заземлена, стекают в землю. Если же металлический трубопровод изолирован или изготовлен из диэлектрических материалов, то он приобретает положительный заряд, а жидкость - отрицательный.

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

Один из наиболее эффективных способов устранения электризации нефтепродуктов,- введение специальных антистатических веществ. Добавление их в тысячных или десятитысячных долях процента позволяет уменьшить удельное сопротивление нефтепродуктов на несколько порядков и обезопасить операции с ними. К таким антистатическим веществам относятся: олеаты и нафтенаты хрома и кобальта, соли хрома на основе синтетических жирных кислот, присадка «Сигбаль» и другие. Так, присадка на основе олеиновой кислоты олеат хрома уменьшает ρ_v бензина Б-70 в 1,2 ∙ 10⁴ раза. Широкое применение в операциях по промывке деталей нашли присадки «Анкор -1» и АСП-1.

Для получения «безопасной» электропроводности нефтепродуктов в любых условиях надо вводить 0,001÷0,005% присадок. На физико-химические свойства нефтепродуктов они обычно не влияют.

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

Положительные результаты достигаются при использовании антистатических веществ на предприятиях по переработке синтетических волокон, поскольку они обладают способностью увеличивать их ионную проводимость и тем самым снижать электрическое сопротивление волокон и получаемых из них материалов.

Для приготовления антистатических веществ, которые влияют на электрические свойства волокон применяют: углеводороды парафинового ряда, жиры, масла, гигроскопические вещества, поверхностно-активные вещества

( ПАВ).

Антистатические вещества используются в промышленности полимеров, например, при обработке полистирола и полиметилметакрилата. Обработка полимеров антистатическими добавками производится как поверхностным нанесением, так и введением в расплавленную массу. В качестве таких добавок применяют например ПАВ. При поверхностном нанесении ПАВ ρ_s полимеров снижается на 5÷8 порядков, но срок эффективного действия мал

(до одного месяца). Введение ПАВ внутрь более перспективно т.к. антистатические свойства полимеров сохраняются несколько лет, полимеры становятся менее подверженными действию растворителей, истиранию и т.д. Для каждого диэлектрика оптимальные концентрации ПАВ различны и варьируются от 0,05 до 3,0%.

В настоящее время широко используются трубы, выполненные из полупроводящих полимерных композиций с наполнителями: ацетиленовой сажей, алюминиевой пудрой. графитом, цинковой пылью. Лучший наполнитель – ацетиленовая сажа, снижающая сопротивление на 10÷11 порядков даже при 20% от массы полимера. Её оптимальная массовая концентрация для создания электропроводящего полимера составляет 25%.

Для получения электропроводной или антистатической резины в неё вводят наполнители: порошковый графит, различные сажи, мелкодисперсные металлы. Удельное сопротивление ρ_v такой резины достигает 5 ∙10² Ом∙м, а обычной до 10⁶ Ом∙м.

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

В последнее время разработана маслобензостойкая электропроводящая резина с использованием бутадиеннитральных и полихлоропреновых каучуков, которая широко используется для изготовления напорных рукавов и шлангов для перекачки ЛВЖ. Такие рукава значительно снижают опасность воспламенения при сливе и наливе ЛВЖ в авто- и железнодорожные цистерны и другие емкости, исключают применение специальных устройств для заземления заправочных воронок и наконечников.

Эффективное снижение потенциала ременных передач и ленточных транспортеров, изготовленных из материалов с ρ_s =10⁵ Ом∙м, достигается увеличением поверхностной проводимости ремня и обязательным заземлением установки. Для увеличения поверхностной проводимости ремня его внутренняя поверхность покрывается антистатической смазкой, возобновляемой не реже одного раза в неделю.

Ионизация воздуха (9 мин).

Сущность этого способа состоит в нейтрализации или компенсации поверхностных электрических зарядов ионами разного знака, которые создаются специальными приборами - нейтрализаторами. Ионы, имеющие полярность, противоположную полярности зарядов наэлектризованных материалов, под действием электрического поля, создаваемое зарядами таких материалов, оседают на их поверхностях и нейтрализуют заряды.

Ионизация воздуха электрическим полем высокой напряженности осуществляется с помощью нейтрализаторов двух типов: индукционных и высоковольтных.

Индукционные нейтрализаторы бывают с остриями (рис.2,а) и проволочными (рис. 2,б) У нейтрализатора с остриями в деревянном или металлическом стержне укреплены заземленные острия, тонкие проволочки или фольга. У проволочного нейтрализатора применена тонкая стальная проволочка, натянутая поперек движущегося заряженного материала. Работают они следующим образом. Под действием сильного электрического поля наэлектризованного тела вблизи острия или проволоки происходит ударная ионизация, в результате которой образуются ионы обоих знаков. Для повышения эффективности действия нейтрализаторов стремятся к сокращению расстояния между кончиками игл или проволокой и нейтрализуемой поверхностью до 5÷20 мм. Такие нейтрализаторы обладают высокой ионизационной способностью, особенно нейтрализаторы с остриями.

Рис. 2. Схема индукционного нейтрализатора (слайд):

а- с остриями; б- проволочного; 1- острия; 1'- проволока; 2- заряженная поверхность.

Недостатками их являются то, что они действуют, если потенциал наэлектризованного тела достигает несколько кВ.

Их достоинства: простота конструкции, низкая стоимость, малые эксплуатационные затраты, не требуют источника питания.

Высоковольтные нейтрализаторы (рис.3) работают на переменном, постоянном и токе высокой частоты. Они состоят из трансформатора с высоким выходным напряжением и игольчатого разрядника. В нейтрализатор на постоянном токе входит и высоковольтный выпрямитель. Принцип действия их основан на ионизации воздуха высоким напряжением. Максимальное расстояние между разрядным электродом и нейтрализуемым материалом, при нейтрализатор ещё эффективен, у таких нейтрализаторов может достигать 600 мм, но обычно рабочее расстояние принимается равным 200÷300 мм. Достоинство высоковольтных нейтрализаторов- достаточное ионизирующее действие и при низком потенциале наэлектризованного диэлектрического материала. Недостатком их является большая энергия возникающих искр, способных воспламенять любые взрывоопасные смеси, поэтому для взрывоопасных зон они могут применяться только во взрывозащищенном исполнении.

Рис.3 Схема высоковольтного нейтрализатора (слайд).

Для защиты обслуживающего персонала от высокого напряжения в высоковольтную цепь их включаются защитные сопротивления, которые ограничивают ток до величины в 50÷100 раз меньше тока, опасного для жизни.

Радиоизотопные нейтрализаторы очень просты по устройству, не требуют источника питания. достаточно эффективны и безопасны при использовании во взрывоопасных средах. Они широко применяются в различных отраслях промышленности. При использовании таких нейтрализаторов необходимо предусматривать надежную защиту людей, оборудования и выпускаемой продукции от вредного воздействия радиоактивного излучения.

Радиоизотопные нейтрализаторы чаще всего имеют вид длинных пластинок или маленьких дисков. Одна сторона содержит радиоактивное вещество, создающее радиоактивное излучение, ионизирующее воздух. Чтобы не загрязнять воздух, продукцию и оборудование, радиоактивное вещество покрывают тонким защитным слоем и специальной эмали и ли фольги. Для защиты от механических повреждений ионизатор помещают в металлический кожух, который одновременно создает нужное направление ионизированного воздуха. В таблице 3 приведены данные по применяемым в радиоизотопных нейтрализаторах радиоактивным веществам.

Данные по радиоактивным веществам радиоизотопных нейтрализаторов (слайд).

Наиболее эффективны и безопасны радиоактивные вещества с α-частицами. Проникающая способность α-частиц в воздухе до 10см, а в более плотных средах значительно меньше. Например, лист обычной чистой бумаги ее полностью поглощает.

Нейтрализаторы с таким излучением пригодны для локальной ионизации воздуха и нейтрализации зарядов в месте их образования. Для нейтрализации электрических зарядов в аппаратах с большим объемом используют β-излучатели.

Радиоактивное вещество с γ-изучением из-за высокой проникающей способности и опасности для людей в нейтрализаторах не применяются.

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

Для нейтрализации электрических зарядов могут использоваться комбинированные нейтрализаторы, например, радиоактивно-индукционный. Подобные нейтрализаторы выпускаются промышленностью и имеют улучшенные рабочие характеристики. Рабочие характеристики выражают зависимость разряжающего ионизационного тока от величины потенциала заряженного тела.

Дополнительные способы уменьшения опасности от статической электризации (3 мин, слайд № 13).

Опасность статической электризации ЛВЖ и горючих жидкостей может быть значительно снижена или даже устранена уменьшением скорости потока v. Поэтому рекомендуется следующая скорость v диэлектрических жидкостей:

- при ρ ≤ 10⁵ Ом∙м принимают v ≤ 10 м/с;

- при ρ > 10⁵ Ом∙м принимают v ≤ 5 м/с.

Для жидкостей с ρ > 10⁹ Ом∙м скорость транспортировки и истечения устанавливается отдельно для каждой жидкости. Безопасной для таких жидкостей обычно является скорость движения или истечения 1,2 м/с.

Для транспортировки жидкостей с ρ > 10¹¹-10¹² Ом∙м со скоростью v ≥ 1,5 м/с рекомендуется применять релаксаторы ( например, горизонтальные участки трубы увеличенного диаметра) непосредственно у входа в приёмный резервуар. Необходимый диаметр Д_р,м этого участка определяется по формуле

Д_р =1.4 Д_т ∙ _. (7)

Длина релаксатора L _p определяется по формуле

L_p ≥ 2.2 ∙ 10^-11 ξρ, (8)

где ξ – относительная диэлектрическая проницаемость жидкости;

ρ – удельное объемное сопротивление жидкости Ом∙м .

При заполнении резервуара жидкостью с ρ >10⁵ Ом∙м до момента затопления загрузочной трубы рекомендуется подавать жидкости со скоростью v ≤ 1 м/с, а затем с указанной скоростью v ≤ 5 м/с.

Иногда требуется увеличивать скорость жидкостей в трубопроводе до 4÷5 м/с.

Диаметр релаксатора, рассчитанный по формуле (7), оказывается в этом случае непомерно большим. Поэтому для увеличения эффективности релаксатора рекомендуется применять их со струнами или иглами. В первом случае внутри релаксатора и вдоль его оси натягиваются заземленные струны что более чем на 50% уменьшает ток электризации а во втором в поток жидкости вводят заземлённые иглы, чтобы отводить заряды от потока жидкости.

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

v_т²Д_т ≤ 0.64 , (9)

где v_т – линейная скорость жидкости в трубе м/с, Д_т – диаметр трубы, м.

При операциях с сыпучими и мелко дисперсными материалами снижение опасности от статической электризации можно достичь следующими мерами: при их пневмотранспортировке использовать трубы из полиэтилена или из того же материала (или близкому по составу к транспортируемому веществу); относительная влажность воздуха на выходе из пневмотранспорта должна быть не менее 65% (если это неприемлемо, то рекомендуется ионизировать воздух или применять инертный газ).

Следует избегать возникновения пылевоздушных горючих смесей, не допускать падение пыли, её всклубления или завихрения. Необходимо очищать оборудование и конструкции здания от осевшей пыли.

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

Хороший эффект по условиям пожаро - и взрывобезопасности от искр статического электричества и всех других источников зажигания достигается заменой органических растворителей и ЛВЖ на негорючие если такая замена не нарушает хода технологического процесса и экономически целесообразна.