Eliminowanie potencjalnych źródeł zagrożeń spowodowanych elektrycznością statyczną
Zapobieganie wypadkom powstałym na skutek zapłonu atmosfery wybuchowej w następstwie wyładowania elektrostatycznego powinno stanowić element polityki bezpieczeństwa wielu zakładów przemysłowych. Obowiązek ochrony przed elektrycznością statyczną, nałożony na pracodawców przez tzw. dyrektywę ATEX 137, dotyczy tych przedsiębiorstw, na których terenie występują palne gazy, pary, mieszaniny hybrydowe oraz pyły. Ten ostatni przypadek często jest bagatelizowany lub całkowicie pomijany w ocenach ryzyka wybuchu, niemniej, jak wynika z obowiązujących norm, a przede wszystkim praktyki inżynierskiej, w wielu zakładach stanowi on realne zagrożenie.
Przykładowo, międzynarodowa instytucja IChemE (ang. Institution of Chemical Engineers), zrzeszająca ponad 40 tys. inżynierów związanych z branżą chemiczną, podaje, iż energia wyładowania elektrostatycznego pochodzącego od człowieka może wynieść nawet 90 mJ. Wartość ta nie tylko znacząco przewyższa minimalną energię zapłonu (MEZ lub z ang. Minimal Ignition Energy – MIE) większości gazów i par, ale również sporej liczby atmosfer pyłowych. Przykładowo, to samo źródło wskazuje, iż MEZ dla atmosfery wybuchowej zawierającej pył mąki pszennej wynosi 50 mJ, w przypadku cukru jest to już 30 mJ, a dla aluminium czy żywic epoksydowych ok. 10 mJ. Z kolei w przypadku niektórych półproduktów stosowanych w przemyśle farmaceutycznym MEZ może wynosić zaledwie 1 mJ.
Współczesna historia zna wiele przypadków, w których przyczyną potężnego wybuchu było pozornie niegroźne wyładowanie elektrostatyczne. Prawdopodobnie do najbardziej znanych należy tragedia, jaka wydarzyła się 6 maja 1937 roku w stanie New Jersey. To właśnie wtedy w bazie lotniczej w Lakehurst miał wylądować Hindenburg – największa w dziejach świata latająca maszyna. Niestety w czasie manewru cumowania, mierzącego 245 m długości oraz 45 m średnicy sterowca, doszło do pożaru, a w konsekwencji wybuchu 80 tys. m3 wodoru. Maszyna w ciągu kilkudziesięciu sekund doszczętnie spłonęła. Początkowo sądzono, iż przyczyną katastrofy był sabotaż. Ostatecznie udowodniono jednak, że do tragedii doszło w wyniku naładowania się elektrycznie, a następnie przeskoku iskry między łatwopalnymi elementami poszycia maszyny.
Grafika 1. Zaawansowany system kontroli stanu uziemienia cystern drogowych podczas ich napełniania i opróżniania
Elektryczność statyczna źródłem wielu wypadków w przemyśle
Podobne tragedie znane są również w branży przemysłowej. W 2007 roku w wyniku wyładowania elektrostatycznego doszło do zapłonu atmosfery wybuchowej w jednym ze zbiorników magazynowych firmy Barton Solvents. W konsekwencji nastąpiły wybuch i pożar, w których efekcie zniszczeniu uległo kilkanaście zbiorników magazynowych, a 6000 mieszkańców zostało ewakuowanych.
W 2008 roku w zakładzie produkującym farby należącym do firmy Chespa doszło do wybuchu. Powstały w konsekwencji pożar pochłonął dwie hale produkcyjne wraz z wyposażeniem. Do wypadku doszło podczas mieszania farb na bazie rozpuszczalników. Podejrzewa się, że przyczyną wypadku było wyładowanie elektrostatyczne. Straty oszacowano na 40 mln zł.
Kolejnym przykładem potwierdzającym, jak poważne zagrożenie może stanowić mała iskra, jest wybuch, do jakiego doszło 16 marca 2012 roku w zakładzie farmaceutycznym Pliva na Chorwacji. Źródłem zapłonu atmosfery wybuchowej było wyładowanie elektrostatyczne. Zapłonowi uległy opary jednej z substancji ciekłych stosowanych przy produkcji leku o nazwie Plivadon.
Ochrona przed elektrycznością statyczną w świetle Dyrektywy ATEX
Usunięcie potencjalnych źródeł zapłonu jest więc jedną z ważniejszych czynności, jakie należy podjąć, aby zapewnić właściwy poziom bezpieczeństwa w obszarach zagrożonych wybuchem. Pracodawcy, poprzez zapisy w tzw. dyrektywie ATEX 137 (która została przeniesiona na grunt polski rozporządzeniem Ministra Gospodarki), są zobligowani do podjęcia działań mających na celu ograniczenie źródeł zapłonów, w tym także wywołanych elektrycznością statyczną.
Niebezpieczeństwo powstania wybuchu w wyniku wyładowania elektrostatycznego występuje przede wszystkim w obszarach, gdzie mamy do czynienia z gazami i/lub parami. Należy mieć jednak na względzie, że realne zagrożenie może wystąpić także w przypadku sporej części atmosfer pyłowych. To, czy dana mieszanina pyłowo-powietrzna może ulec zapłonowi w wyniku przeskoku iskry elektrostatycznej, można stwierdzić na podstawie parametru MEZ (który określany jest na drodze badań eksperymentalnych).
Do procesów najbardziej zagrożonych wybuchem w wyniku wyładowania elektrostatycznego należą między innymi:
- załadunek i rozładunek cystern drogowych i kolejowych,
- napełnianie i opróżnianie różnego typu zbiorników, kegów i beczek,
- przelewanie, dozowanie i mieszanie.
Wyżej wymienione procesy technologiczne występują praktycznie w każdym zakładzie produkcyjnym, dlatego też bardzo ważne jest, aby ich użytkownicy mieli świadomość zagrożenia oraz wiedzę na temat przeciwdziałania zjawisku wyładowań elektrostatycznych.
Jak dochodzi do wyładowania elektrostatycznego?
Naładowanie elektryczne przedmiotów rośnie, gdy rezystancja ścieżki od naładowanego obiektu do ziemi uniemożliwia odprowadzanie ładunków. Gdy dwa przedmioty o różnych potencjałach elektrycznych znajdą się w pobliżu, wytwarza się między nimi pole elektryczne. W przypadku gdy jego wartość przekracza wytrzymałość przebiciową atmosfery pomiędzy tymi ciałami, może dojść do wyładowania iskrowego.
Energię potencjalną elektrostatycznego wyładowania iskrowego W [mJ] można obliczyć, znając pojemność przedmiotu, na którym gromadzą się ładunki C [pF] oraz potencjał przedmiotu wywołany gromadzeniem się ładunków V [kV]:
W = ½ CV2
Przykład
Bazując na powyższym wzorze, możemy obliczyć, iż człowiek o pojemności 200 pF w wyniku tzw. elektryzacji może naładować się elektrycznie do poziomu 30 kV [IchemE]. W efekcie istnieje możliwość wyładowania elektrostatycznego, którego energia osiągnie wartość 90 mJ.
Grafika 2. System kontroli stanu uziemienia stosowany dla przenośnych/ruchomych elementów instalacji (beczek, zbiorników, big-bagów itp.)
Uziemienia elektrostatyczne zapobiegają wyładowaniom na skutek elektryczności statycznej
Główną przyczyną znanych z przemysłu wypadków spowodowanych wyładowaniem elektrostatycznym są przedmioty odizolowane od ziemi, będące w stanie gromadzić ładunki elektrostatyczne. W literaturze określane są one mianem izolowanych przewodników (ang. isolated conductors). W praktyce najczęściej są to metalowe kołnierze, złączki bądź zawory na rurociągach, beczki, pojemniki, węże, cysterny drogowe lub kolejowe, jak również ludzie. W wymienionych przypadkach barierę dla swobodnego przepływu elektronów do ziemi mogą stanowić różnego typu uszczelki, opony pojazdów, podeszwy obuwia, farby i powłoki zabezpieczające, nieprzewodzące elementy konstrukcji, zanieczyszczenia oraz wiele innych.
O ile w przypadku konstrukcji zamontowanych na stałe opanowanie problemu wyładowań elektrostatycznych nie wydaje się zbyt skomplikowane (często wystarczające jest standardowe mostkowanie i uziemianie poszczególnych elementów), o tyle w przypadku elementów przenośnych lub ruchomych zadanie to nie jest już takie proste. Przykładowo, w jaki sposób uziemić beczkę, która z zasady jest transportowana między różnymi obszarami firmy? Ponadto często jest ona zabezpieczona nieprzewodzącą warstwą ochronną, która utrudnia właściwe podpięcie uziemienia do metalowej konstrukcji. W takich przypadkach uziemienie musi co najmniej zapewniać:
- możliwość łatwego i szybkiego montażu oraz demontaż na czas operacji (mieszania, przelewania itp.),
- penetrację warstwy ochronnej, zanieczyszczeń, rdzy itp.,
- trwałe i pewne połączenie z uziemianą konstrukcją.
Na bazie powyższego opracowano kilka typów uziemień. Najprostsze z nich składają się z odpornego na przetarcia oraz warunki korozyjne przewodu oraz mocnej klamry uziemiającej, której ostre zęby wykonane z węglika wolframu umożliwiają przebicie się przez warstwę izolującą (rdza, farba, powłoki ochronne, zanieczyszczenia). W rozwiązaniach tego typu stosuje się często przewody spiralne lub szpule samozwijające, co w znaczący sposób ułatwia ich stosowanie.
Choć wyżej opisane rozwiązania zapewniają wysoki poziom bezpieczeństwa, to w niektórych sytuacjach mogą być one niewystarczające. Przykładowo w pewnych warunkach może dojść do niewidocznego uszkodzenia przewodu, co uniemożliwi skuteczne odprowadzanie ładunków do ziemi. Z kolei w zakładach, gdzie klamry używane są bardzo często, może dojść do przedwczesnego stępienia się ich zębów, co także uniemożliwi skuteczne uziemienie. Aby rozwiązać te problemy, opracowane zostały tzw. systemy kontroli uziemienia.
Sprawdź dostępne rozwiązania
System kontroli uziemienia dla cystern
System kontroli stanu uziemienia cystern drogowych i kolejowych z opatentowanym trójstopniowym testem. Możliwość spięcia np. z pompą lub zaworem.
Skonfiguruj własne rozwiązanie.
Elektryczność statyczna a systemy kontroli uziemienia
Powszechnie stosowanym rozwiązaniem z zakresu systemów kontroli uziemienia jest urządzenie Bond-Rite, przeznaczone głównie do uziemiania i mostkowania beczek, zbiorników, elementów urządzeń itp. Bond-Rite dostępny jest w kilku wariantach: z zasilaniem z sieci lub baterii; z układem monitorującym zabudowanym na ścianie lub wbudowanym w konstrukcję klamry. Dostępna jest także wersja przenośna, która idealnie nadaje się dla zakładów stosujących uziemienia stosunkowo rzadko (możliwość używania jednego urządzenia w kilku miejscach) albo do mostkowania kilku beczek lub urządzeń. Urządzenia typu Bond-Rite informują operatora o właściwie wykonanym uziemieniu poprzez zmianę koloru świecącej diody z czerwonej na zieloną.
Najbardziej zaawansowanymi rozwiązaniami tego typu są urządzenia Earth-Rite, przeznaczone do uziemiania cystern drogowych (Earth-Rite RTR), cystern kolejowych (Earth-Rite PLUS), worków big-bag typu C (Earth-Rite FIBC) oraz wielu elementów instalacji procesowej (Earth-Rite MULTIPOINT). Oddzielnym rozwiązaniem jest Earth-Rite OMEGA – rozwiązanie przeznaczone do bezpośredniej zabudowy w szafach, z którego korzystają głównie biura projektowe oraz producenci OEM.
Wszystkie systemy Earth-Rite weryfikują, czy uziom (najczęściej bednarka) gwarantuje właściwe rozproszenie ładunków do ziemi oraz czy wartość rezystancji połączenia między uziomem a uziemianym przedmiotem jest równa lub mniejsza od 10 omów. Ponadto każdy system wyposażony jest w styki bezpotencjałowe, które mogą być wykorzystane np. do sterowania i zatrzymywania pompy, otwierania i zamykania zaworu lub uruchomienia sygnału dźwiękowego i/lub świetlnego. Co ważne, każdy z wymienionych systemów posiada pewne specyficzne rozwiązania. Przykładowo Earth-Rite FIBC ma specjalną klamrę zapewniającą lepsze połączenie w przypadku elastycznych materiałów, z jakich są wykonane worki big-bag. Z kolei w przypadku systemów Earth-Rite RTR modyfikacje idą znacznie dalej. Ten typ systemów może także weryfikować, czy został podpięty do cysterny drogowej czy też innego uziemionego przedmiotu. Ponadto może być on wyposażony w tzw. klucz zmiany trybu pracy, który pozwala stosować go z innymi urządzeniami i przedmiotami niż cysterny drogowe.
W przypadku gdy zostały spełnione wszystkie wyżej opisane warunki, system Earth-Rite zezwala na rozpoczęcie procesu, co sygnalizowane jest operatorowi zielonym migającym światłem, a styki bezpotencjałowe przechodzą w stan ON.
Zasady bezpiecznej pracy z substancjami łatwopalnymi z uwzględnieniem elektryczności statycznej:
- upewnij się, że wszyscy nowi operatorzy, personel kierowniczy i obsługi technicznej są przeszkoleni w dziedzinie bezpiecznej pracy z substancjami łatwopalnymi,
- opracuj na piśmie „zasady bezpiecznej pracy” z substancjami łatwopalnymi,
- upewnij się, że wszystkie taśmy, zaciski i przewody uziemiające oraz system monitoringu są poddawane okresowym przeglądom i konserwacji. Rejestruj wyniki przeglądów,
- upewnij się, że podłogi rozpraszające ładunki elektrostatyczne zachowują własności przewodzące,
- upewnij się, że wszyscy wykonawcy robót są szczegółowo weryfikowani przez systemy „pozwoleń na wykonywanie prac”,
- gdy możliwe jest odizolowanie od ziemi dużego ruchomego sprzętu, takiego jak pojemniki IBC ze stali nierdzewnej, cysterny samochodowe lub worki big-bag typu C, zaleca się używanie tymczasowych uziemień z systemem monitorowania stanu uziemienia. System taki powinien posiadać bezpotencjałowe styki, które można zastosować do załączania i wyłączania urządzeń technologicznych (pomp, zaworów itp.).
Jak przed elektrycznością statyczną chronią się inni
Idealnym przykładem może być przedsiębiorstwo ALTAX Sp. z o.o, które pewien czas temu nawiązało współpracę z GRUPĄ WOLFF. Zakład wytwarzający farby i lakiery w procesie produkcyjnym wykorzystuje dużą ilość substancji łatwopalnych, głównie rozpuszczalników organicznych, które charakteryzują się bardzo niską MEZ. Firma Altax zdecydowała się na zakup uziemień elektrostatycznych, których zadaniem jest odprowadzanie ładunków, a tym samym eliminowanie wyładowań elektrostatycznych. Ze względu na bardzo dobrą współpracę obu firm, która trwa do dnia dzisiejszego, zadaliśmy kilka pytań Beacie Szcześniak pełniącej funkcję Managera EHS w ALTAX Sp. z o.o.
Redakcja: Co było główną przesłanką, która Państwa skłoniła do inwestycji w uziemienia elektrostatyczne?
Beata Szcześniak: Bezpieczeństwo i higiena pracy to fundamentalne wartości decydujące o strategii i działaniach firmy Sherwin-Williams, do której należy przedsiębiorstwo Altax Sp. z o.o. Wszyscy mamy świadomość, że oddziaływanie elektryczności statycznej może stwarzać niebezpieczeństwo powstania zdarzeń wypadkowych oraz zagrożenia pożarem lub wybuchem. Naszymi celami są eliminacja tego zjawiska. Zakup i instalacja uziemień elektrostatycznych to jeden z wielu ważnych kroków, jakie podjęliśmy w celu zapewniania naszym pracownikom bezpiecznych warunków pracy. Musimy jednak pamiętać, że sam sprzęt to nie wszystko, najważniejsza jest świadomość naszego personelu. W związku z tym faktem w kooperacji z GRUPĄ WOLFF przeprowadziliśmy szkolenia naszych pracowników produkcyjnych, jak i kadry menadżerskiej. Dla Sherwin-Wiliams bezpieczeństwo całego personelu stanowi integralny aspekt wszystkich podejmowanych działań.
Redakcja: Co zdecydowało o wyborze firmy GRUPY WOLFF na dostawcę oraz co wyróżnia oferowane przez nią urządzenia na tle konkurencyjnych rozwiązań?
Beata Szcześniak: Naszym głównym celem był wybór dostawcy świadczącego kompleksowe usługi, który będzie służył nam fachowym doradztwem, jak również zaoferuje produkty i rozwiązania, których poszukujemy. GRUPA WOLFF posiada w swojej ofercie bardzo szeroki asortyment sprzętu angielskiego producenta Newson Gale. Jest to światowy lider w produkcji systemów uziemiania i akcesoriów pomagających ograniczyć, wyeliminować i kontrolować ryzyko, a tym samym stwarzać bezpieczne warunki pracy. W tym roku przy współudziale doradcy firmy GRUPY WOLFF oraz przedstawiciela Newson Gale przeprowadziliśmy w naszej firmie audyt systemów uziemienia. Po audycie otrzymaliśmy kompleksową ofertę ze wskazaniem miejsc, które wymagają poprawy oraz wykazem niezbędnego sprzętu. Był to dla nas kolejny krok, który wpłynął na ograniczenie ryzyka. Po naszej akceptacji towar został dostarczony kompleksowo i sprawnie. Istotną kwestią, o jakiej należy również wspomnieć, jest oczywiście cena oferowanego sprzętu. Rozwiązania, które zostały nam zaoferowane, są proste w montażu, nie wymagają z naszej strony dużych nakładów finansowych, jak również są łatwe w eksploatacji i utrzymaniu, a tym samym bardzo skuteczne.
Redakcja: W jakich pomieszczeniach, miejscach oraz na jakich instalacjach procesowych są wykorzystywane dostarczone uziemienia?
Beata Szcześniak: Zajmujemy się produkcją chemicznych środków ochrony drewna i powłok malarskich chroniących przed korozją mikrobiologiczną. Preparaty te są produkowane na bazie benzyn i żywic ftalowych, które są cieczami łatwopalnymi, a ich opary tworzą mieszaniny wybuchowe, stąd w określonych pomieszczeniach produkcyjnych wyznaczono strefy zagrożenia wybuchem 0 oraz 1 i 2. Do głównych procesów, w których stosujemy systemy uziemiające, zaliczamy przede wszystkim proces dozowania cieczy łatwopalnych z rurociągów do mieszadeł, proces mieszania, który trwa do 2 godzin, oraz czynności związane z dodawaniem pigmentów oraz innych środków pomocniczych do głównej bazy wyrobu. W procesach tych wykorzystujemy zaciski samotestujące Bond-Rite CLAMP, Bond-Rite EZ.
Zaciski VESX45 oraz VESX90 znajdują zastosowanie do uziemienia beczek oraz kontenerów IBC, z których pracownicy za pomocą ręcznych pomp pobieraj określone ilości surowców. W przypadku, kiedy konfekcjonujemy mniejsze partie towaru, zaciski wykorzystywane są do uziemienia przenośnych pomp. W bieżącym roku wyposażyliśmy nasz personel w zaciski uziemiające z opaską na rękę, które pracownicy stosują podczas procesu dodawania surowców w postaci proszków do półproduktów łatwopalnych i palnych.
W 2013 r. zakupiliśmy system przeznaczony do kontrolowania uziemienia cystern samochodowych Earth-Rite RTR, który pozwala na sprawdzenie poprawności uziemienia w czasie opróżniania cysterny drogowej z benzyną. W 2014 roku zdecydowaliśmy się na zakup drugiego systemu, tym razem do rozładunku cystern drogowych z żywicą. W ciągu dwóch lat na zakup sprzętu uziemiającego przeznaczyliśmy kwotę ponad 120 000 PLN. Mamy jednak nadzieję, że nasza firma będzie podlegała ciągłemu procesowi rozwoju, dzięki czemu nie poprzestaniemy na dotychczasowych inwestycjach. Tego sobie życzymy i mamy nadzieję na kolejne wspólne projekty z GRUPĄ WOLFF.
Elektryczność statyczna – podsumowanie zagrożeń i sposobów ich eliminacji
Elektryczność statyczna występuje praktycznie wszędzie i choć jest na pozór niegroźna dla zwykłego człowieka, to w środowisku przemysłowym nie może być bagatelizowana. Wyładowanie elektrostatyczne może prowadzić do poważnych w skutkach wypadków. Dobór właściwych rozwiązań powinien zostać oparty na odpowiednich normach, ale również fachowej wiedzy i doświadczeniu inżynierskim.
Ponadto należy pamiętać, że nie tylko instalacje procesowe, urządzenia oraz różnego typu przedmioty mogą się elektryzować. Na dobrą sprawę każdy pracownik stwarza ryzyko powstania iskry elektrostatycznej. Dlatego też w wielu przypadkach zaleca się, aby pracownicy nosili obuwie rozpraszające ładunki elektrostatyczne. Ponadto według obowiązującej normy przed wejściem pracowników do obszaru, gdzie występują atmosfery wybuchowe, ich obuwie powinno być weryfikowane pod kątem zdolności do odprowadzania ładunków elektrostatycznych. Służą do tego m.in. specjalne stacje testowania obuwia.
