Elektryczność statyczna jest obecna praktycznie wszędzie. W życiu codziennym wyładowania na skutek elektryczności statycznej postrzegamy jako bolesną, lecz niegroźną uciążliwość. W środowisku przemysłowym, gdzie występują palne i wybuchowe atmosfery, ich skutki mogą być jednak katastrofalne. Każdego roku dochodzi do licznych pożarów i wybuchów, których przyczyną są właśnie wyładowania elektrostatyczne.
Hindenburg – znany i udokumentowany przypadek katastrofy na skutek elektryczności statycznej
Współczesna historia zna wiele przypadków, w których przyczyną potężnego wybuchu było pozornie niegroźne wyładowanie elektrostatyczne. Zanim przejdziemy do omawiania elektryczności statycznej w przemyśle, warto wspomnieć o katastrofie, 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.
Elektryczność statyczna podczas procesów na produkcji
Wracając do środowiska przemysłowego, ważne jest, aby najpierw poznać zasady powstawania ładunków elektrostatycznych. Pozwoli to nam zrozumieć, jak poważne zagrożenie stanowi elektryczność statyczna, oraz jak można kontrolować to zjawisko we właściwy sposób.
Każdy proces przemysłowy, któremu towarzyszą ruch, stykanie i rozdzielanie się różnego typu materiałów, prowadzi do zjawiska elektryzacji, czyli gromadzenia na danym obiekcie nadmiaru ładunków o tym samym znaku. Elektryzację mogą powodować np. płynąca w rurociągu ciecz, zsuwający się po rynnie zsypowej proszek, proces mieszania, a nawet osoba chodząca po posadzce. Jeśli obiekt, który ulega elektryzacji, posiada wystarczająco dobry kontakt z ziemią, ładunek zostanie rozproszony z chwilą powstania. Jeśli jednak przedmiot ten będzie odizolowany od ziemi poprzez np. powłokę malarską, laminat, gumowe uszczelki czy podeszwy obuwia, będzie on gromadził ładunki, a jego potencjał elektrostatyczny będzie wzrastał. W chwili, gdy w jego pobliżu znajdzie się przedmiot o niższym potencjale, może dojść do wyładowania elektrostatycznego – zjawiska charakteryzującego się wysokim napięciem, które jest zdolne do zapłonu wielu typów atmosfer.
Elektryczność statyczna skutkuje wyładowaniami elektrostatycznymi
Naładowanie elektryczne przedmiotów rośnie, gdy rezystancja ścieżki od naładowanego obiektu do ziemi uniemożliwia odprowadzanie ładunków. Kiedy dwa przedmioty o różnych potencjałach elektrycznych znajdą się w pobliżu, powstaje 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.
Elektryczność statyczna źródłem wielu wypadków w przemyśle
W 2007 roku w wyniku elektryczności statycznej 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 źródłem zapłonu była elektryczność statyczna. Straty oszacowano na 40 mln zł.
Kolejnym przykładem potwierdzającym, jak poważne zagrożenie może stanowić elektryczność statyczna, jest wybuch, do jakiego doszło 16 marca 2012 roku w zakładzie farmaceutycznym Pliva na Chorwacji. Źródłem zapłonu atmosfery wybuchowej była niewielka iskra elektrostatyczna. Zapłonowi uległy opary jednej z substancji ciekłych stosowanych przy produkcji leku o nazwie Plivadon.
Obowiązek ochrony przed 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.
Uwaga na elektryczność statyczną w przypadku wybuchowych pyłów!
Choć 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).
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.
Minimalna energia zapłonu (pol. MEZ, ang. MIE) to najmniejsza energia, która jest wystarczająca do spowodowania zapłonu najłatwiej zapalnej atmosfery wybuchowej w określonych warunkach badania. Typowe wartości MEZ są zmienne w zależności od tego, czy atmosfera zapalna zawiera opary, pył lub gaz, przy czym wiele powszechnie używanych rozpuszczalników wykazuje wartość MEZ poniżej 1milidżula.
Tab. Minimalna energia zapłonu (MEZ) dla oparów i pyłów. Źródło danych: UK IChemE.
Opar cieczy | MIE (mJ) | Chmura proszku | MIE (mJ) |
|---|---|---|---|
Propanol | 0,65 | Mąka pszenna | 50 |
Octan etylu | 0,46 | Cukier | 30 |
Metan | 0,28 | Aluminium | 10 |
Heksan | 0,24 | Żywica epoksydowa | 9 |
Metanol | 0,14 | Cyrkon | 5 |
Dwusiarczek węgla | 0,01 | Niektóre półwyroby farmaceutyczne | 1 |
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. Jak już wskazaliśmy, 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 tych, wywołanych elektrycznością statyczną.
Elektryczność statyczna jest zagrożeniem dla wielu procesów produkcyjnych
Do procesów najbardziej zagrożonych akumulacją ładunków elektrostatycznych i w konsekwencji wybuchem spowodowanym elektrycznością statyczną 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 zagrożeniom wynikającym z elektryczności statycznej.
Tab. Energia potencjalna w typowych elementach instalacji. Źródło: UK IChemE.
Przedmiot | Pojemność (pF) | Energia | Energia |
|---|---|---|---|
Autocysterna | 5000 | 250 | 2250 |
Człowiek | 200 | 10 | 90 |
Wiadro stalowe | 20 | 1 | 9 |
Kołnierz 100 mm | 10 | 0,5 | 4,5 |
Zabezpieczenia elektrostatyczne, czyli jak kontrolować elektryczność statyczną
Główną przyczyną znanych z przemysłu wypadków spowodowanych elektrycznością statyczną 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.
Zabezpieczenia elektrostatyczne w przypadku urządzeń niepołączonych na stałe z instalacją technologiczną
Uziemianie stałych elementów instalacji takich jak rurociągi, silosy, pompy itp. jest stosunkowo łatwym i dobrze rozpoznanym zadaniem. Często wystarczające jest standardowe mostkowanie i uziemianie poszczególnych elementów. Sytuacja komplikuje się jednak w przypadku obiektów, które nie są w sposób stały powiązane z instalacją. Mowa tu m.in. o autocysternach, cysternach kolejowych, beczkach, pojemnikach IBC czy mobilnych kadziach mieszalników. W takich sytuacjach konieczne jest stosowanie specjalnie zaprojektowanych zabezpieczeń elektrostatycznych (systemy uziemień) do tymczasowego łączenia i uziemiania różnego typu obiektów.
Przykład, kiedy stosuje się zabezpieczenia elektrostatyczne
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 zabezpieczenie elektrostatyczne 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.
Jakie zabezpieczenia elektrostatyczne w praktyce spotykamy na produkcji?
Dla mobilnych elementów instalacji procesowych stosuje się zwykle najprostsze zabezpieczenia elektrostatyczne. Odprowadzanie ładunków elektrostatycznych odbywa się wówczas przez przewody wyposażone w specjalne klamry. Wolny koniec tych przewodów mocuje się na stałe do zweryfikowanego punktu uziemiającego (np. bednarki), natomiast klamrę zaciska się na uziemianym przedmiocie.
Choć wyżej opisane zabezpieczenie elektrostatyczne zapewniają wysoki poziom bezpieczeństwa, to w niektórych sytuacjach może być niewystarczające. Przykładowo w pewnych warunkach może dojść do niewidocznego uszkodzenia przewodu, co uniemożliwi skuteczne odprowadzanie ładunków elektrostatycznych 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.
Istnieją również systemy, które nie tylko służą do łączenia i odprowadzania ładunków elektrostatycznych, ale także weryfikują, czy dane połączenie zostało wykonane prawidłowo, a w przypadku negatywnej odpowiedzi blokują proces. Tego typu układy elektroniczne określa się mianem kontrolerów uziemienia z blokadą procesu.
Niezależnie, czy zabezpieczenie elektrostatyczne zostało wykonane za pomocą prostego przewodu z klamrą, czy też systemu z kontrolerem, jego rezystancja nie może przekraczać 10 omów – jest to wartość normatywna.
