Metody uziemienia beczek i pomiaru uziemienia urządzeń procesowych na przykładzie naszej realizacji

Choć opisywany przykład dotyczy zakładu produkującego żywice alkidowe, wskazane niżej metody uziemienia metalowych beczek i urządzeń procesowych są uniwersalne. Podobne sposoby uziemień znajdą więc zastosowanie dla każdego zakładu, w którym wyznaczone są strefy zagrożenia wybuchem i prowadzone procesy technologiczne obarczone są ryzykiem wyładowań elektrostatycznych. Te z kolei stanowią potencjalne źródło zapłonu, w efekcie czego mogłoby dojść do poważnego w konsekwencjach wybuchu lub pożaru.

Problem:

• występowanie stref zagrożenia wybuchem na terenie zakładu produkującego żywice alkidowe
• ryzyko wyładowań elektrostatycznych w trakcie procesów rozładunku / załadunku cystern samochodowych oraz podczas procesu produkcyjnego na instalacji technologicznej
• brak możliwości monitorowania bieżącego stanu uziemienia (stosowanie jedynie prostych zacisków  i przewodów uziemiających)
• konieczność spełnienia wymagań ubezpieczyciela w zakresie skutecznego uziemienia instalacji i aparatów procesowych poprzez certyfikowanie rozwiązania

Rozwiązanie:

• zapewnienie bezpiecznego rozładunku i załadunku cystern samochodowych poprzez system pozwalający monitorować stan uziemienia w momencie trwania procesu
• zastosowanie systemu kontroli uziemienia pozwalającego na monitorowanie jednocześnie do ośmiu elementów instalacji procesowej
• zabezpieczenie procesów przelewania / mieszania przed wyładowaniami elektrostatycznymi poprzez zastosowanie systemów kontroli uziemienia metalowych beczek i zbiorników

Producent zwrócił się do GRUPY WOLFF z prośbą o dobór właściwych rozwiązań technicznych w zakresie uziemień elektrostatycznych. Potrzeba ta wyniknęła podczas audytu ubezpieczyciela. Firma ubezpieczeniowa zauważyła pewne zagrożenia i chciała dążyć do obniżenia ryzyka ubezpieczeniowego. Przedstawiła więc nowe wymagania osobom odpowiedzialnym za bezpieczeństwo na terenie zakładu produkcyjnego. Dotyczyło ono konieczności usprawnień w zakresie skutecznego uziemienia instalacji i aparatów procesowych. Wymagania te miały na celu eliminację potencjalnych źródeł zapłonu wynikających z wyładowań elektrostatycznych. Pomogliśmy inwestorowi spełnić te nowe warunki przedstawione przez ubezpieczyciela. Nasze zadanie objęło dobór i dostawę kilku rodzajów systemów uziemienia o różnym przeznaczeniu dla łącznie 22 stanowisk.

Dobór metody uziemienia dla metalowych beczek i zbiorników

Miejsca przechowywania i wykorzystywania metalowych beczek i zbiorników z łatwopalnymi cieczami są jednym z obszarów, w których występuje ryzyko wyładowań elektrostatycznych. Ładunki elektrostatyczne mogą być generowane podczas takich procesów jak:

• napełnianie i opróżnianie (procesy przelewania),
• mieszanie cieczy,
• czyszczenie beczek,
• dodatkowym zagrożeniem jest również naelektryzowany personel przebywający w strefie atex.

Do omawianego zakładu przemysłowego dostarczyliśmy 10 zestawów kontrolerów uziemienia Ex ATEX. Poprzedzający dostawę audyt przeprowadzony w zakładzie przez inżynierów z GRUPY WOLFF, pozwolił nam dostosować kontrolery pomiaru rezystancji uziemienia do sposobu korzystania operatorów z zabezpieczanych beczek i pojemników. Inwestor określił, z których beczek i zbiorników, produkt jest regularnie pobierany do procesów technologicznych, a z których sporadycznie. Do tych pierwszych dostarczyliśmy układy kontroli i pomiaru rezystancji uziemienia zasilane sieciowo. Pozostałe urządzenia uziemiające były zasilane bateryjnie.

Elementy budowy systemów uziemienia, które wpływają na ich skuteczność

Aby beczki zostały skutecznie uziemione, należy zadbać o odpowiednio ostre i wytrzymałe zęby w zaciskach uziemiających. Jednym z najtwardszych materiałów, które zapewnią skuteczność połączenia układu, jest węglik wolframu. Ostre zęby z tego materiału zapewniają przebicie się przez warstwy rdzy, farby, kleju, czy innych zabrudzeń, którymi mogą być pokryte beczki.

Same zaciski natomiast powinny być wykonane ze stali nierdzewnej i sprężyn zapewniających odpowiednio dużą siłę nacisku. Istotna jest też sama wytrzymałość stali nierdzewnej na trudne warunki przemysłowe. Wpływa ona na długą żywotność klamer, której nie zapewnią zaciski spawalnicze czy akumulatorowe, które niestety wciąż są często spotykane w przemyśle.

Kolejnym elementem, który łączy klamrę z jednostką monitorującą pomiar rezystancji uziemienia, jest kabel uziemiający. Wykorzystanie kabli w osłonce hytrelowej zwiększa ich żywotność nawet 8 – 10-krotnie w porównaniu do zwykłych żółtozielonych przewodów uziemiających.

Przechodząc do zawieszonej na ścianie jednostki monitorującej pomiar rezystancji uziemienia, posiada ona wbudowaną diodę LED. Migając na zielono, informuje operatora o skuteczności połączenia uziemiającego.

Sposoby uziemień jako eliminacji źródeł zapłonu w przemyśle zawsze należy dostosować do warunków panujących w zakładzie. Dla beczek można spotkać się też z alternatywnymi sposobami uziemienia. Dla przykładu może to być przenośny zestaw zacisków samotestujących. Trzeba jednak pamiętać, że takie rozwiązanie może być używane maksymalnie przez 6 godzin na dobę. Ponadto w tym przypadku dioda systemu monitorującego zamontowana jest na zacisku, co w przypadku jej przysłonięcia przez zanieczyszczenia utrudni odczyt aktualnego stanu uziemienia. Natomiast do beczek, które są całkowicie pozbawione możliwości podłączenia klasycznego zacisku, można zastosować magnetyczny zacisk do uziemienia.

Jednoczesne uziemienie kilku urządzeń procesowych za pomocą jednego systemu

Kolejnym zadaniem w tym zakładzie był dobór odpowiedniej metody uziemienia dla kilku urządzeń (stacji) pracujących w ramach jednej instalacji technologicznej. W takich przypadkach generowane na powierzchniach urządzeń ładunki elektrostatyczne mogą prowadzić do poważnych zakłóceń prowadzonych procesów. Przede wszystkim jednak stwarzają ryzyko wybuchu mieszaniny par cieczy palnych z powietrzem.

W zakładzie klienta pracuje instalacja, której uziemienia wymagało osiem elementów (stacji). Zwykłe zaciski nie zapewniłyby skutecznej ochrony, ponieważ nie dają one możliwości uzyskania informacji na temat bieżącego stanu uziemienia. W takich sytuacjach zazwyczaj stosuje się odrębne systemy kontroli uziemienia poszczególnych elementów instalacji. Z ekonomicznego punktu widzenia nie jest to jednak korzystne rozwiązanie.

Rozwiązaniem do kontroli i pomiaru skutecznego połączenia uziemiającego całej instalacji stał się system MULTIPOINT II. Został on zaprojektowany w celu uziemienia i monitoringu jego stanu jednocześnie do ośmiu pojedynczych elementów instalacji procesowej. Rozwiązanie pozwoliło klientowi na zapewnienie ciągłego odprowadzenia ładunków elektrostatycznych ze wszystkich stacji równocześnie. Dzięki temu możliwe było również zmniejszenie zużycia energii i zredukowanie kosztów związanych z okablowaniem. Zastosowanie ośmiu odrębnych systemów wymagałoby położenie w zakładzie osobnych przewodów elektrycznych i koryt kablowych.

Centralnym elementem instalacji w zakładzie jest jednostka monitorująca pomiary rezystancji uziemienia na poszczególnych urządzeniach. Zawiera ona osiem par czerwonych i zielonych wskaźników LED. Rezystancja uziemienia całego układu będzie potwierdzona przez system wyłącznie wtedy, gdy rezystancja pętli na każdym kanale będzie mniejsza niż 10 Ω. W innym przypadku można zaprojektować system w taki sposób, aby praca całej instalacji została zatrzymana.

Jednostka monitorująca jest połączona ze skrzynką rozdzielczą, a następnie ze skrzynkami pośredniczącymi. Od nich wychodzą kable uziemiające z zaciskami. Każda z tych skrzynek posiada specjalny bolec do odwieszania zacisku.

Warto podkreślić, że MULTIPOINT II posiada certyfikaty ATEX na wszystkie urządzenia wchodzące w skład systemu. Osobno na jednostkę monitorującą, zasilacze oraz zaciski uziemiające. Tym samym urządzenie w wykonaniu ATEX gwarantuje, że samo w sobie również nie będzie stanowiło źródła zapłonu w strefach zagrożenia wybuchem.

MULTIPOINT II – przykładowy schemat rozwiązania uziemiającego w celu uniknięcia pożaru i wybuchu

W powyższym przykładzie system MULTIPOINT II jest skonfigurowany do połączenia uziemienia czterech stacji mieszania (1–4) i dwóch stacji napełniania (5 i 6). W przypadku gdy którykolwiek z mieszalników w zakładzie nie będzie poprawnie uziemiony, system zablokuje jego działanie, a dioda zaświeci się na czerwono. Zapobiegnie to zapłonowi na skutek gromadzenia się ładunków elektrostatycznych na urządzeniach. To samo tyczy się beczek w strefach zagrożenia wybuchu Ex. Wykonanie instalacji sprawi, że w przypadku braku uziemienia pompa zasilająca stację napełniania zostanie natychmiast wyłączona.

Produkty do uziemienia cystern drogowych w strefach zagrożenia wybuchem (ATEX)

W zakładzie przemysłowym funkcjonują także stacje rozładunku i załadunku cystern drogowych. W tych strefach występuje duże ryzyko zapłonu na skutek wyładowania elektrostatycznego. Głównym zagrożeniem wybuchu w tym przypadku są autocysterny. Pojazdy te przy pojemności 5000 pF mogą spowodować wyładowanie elektrostatyczne nawet do 2250 mJ.

Podobnie jak w przypadku układu kilku urządzeń, w zakładzie do tej pory były stosowane zwykłe zaciski uziemiające do uziemienia cystern. Jest to najprostsze rozwiązanie, które nie pozwala monitorować bieżącego stanu rezystancji uziemienia.  Tolerowały tym samym błędy popełniane przez kierowców. Można do nich zaliczyć m.in. bagatelizowanie podpięcia cysterny do zacisku, czy zakładanie zacisku na błotnik i inne elementy pojazdu, które nie zapewnią właściwego odprowadzenia ładunków.

Z tych powodów coraz częstszą praktyką jest wykorzystywanie do ochrony tego typu instalacji dedykowanych systemów. Poza pomiarem rezystancji uziemienia monitorują one jego stan w czasie rzeczywistym. Dostarczyliśmy więc 4 systemy kontroli uziemienia cystern samochodowych (RTR). Dzięki temu ryzyko niewłaściwego uziemienia pojazdów podczas ich rozładunku i załadunku zostało zminimalizowane praktycznie do zera.

Działanie systemu kontroli i pomiaru rezystancji uziemienia zaczyna się w tym przypadku od obliczenia pojemności elektrycznej. Pomiar ten pozwala na identyfikację cysterny drogowej. Dzięki niemu użytkownik zyskuje pewność, że instalacja uziemiająca została podpięta do cysterny, a nie do innej konstrukcji lub metalowego przedmiotu. Zyskuje także pewność, że element pojazdu, do którego podpięto zacisk z kablem uziemiającym, pozwoli na poprawne odprowadzenie ładunków elektrostatycznych ze zbiornika cysterny. Na potwierdzenie spełnienia tego wymagania, zielona dioda LED znajdującej się na jednostce monitorującej zacznie migać.

Bez wątpienia zaletą systemu RTR jest monitoring połączenia układu cysterny z ziemią w czasie rzeczywistym. W sytuacji jego utraty na skutek np. poluzowania się klamry czy uszkodzenia kabla uziemiającego, o co nietrudno w zakładzie, proces napełniania/rozładunku cysterny zostanie zablokowany.

Wysoka jakość rozwiązań gwarancją bezpieczeństwa

W zakładzie naszego klienta wymieliliśmy proste zaciski uziemiające, na wysokiej jakości certyfikowane systemy kontroli uziemienia. Zaopatrzyliśmy w ten sposób 22 różne stanowiska produkcyjne. Bardziej trwałe materiały, z których są wykonane urządzenia (m.in. stal nierdzewna i węglik wolframu dla zacisków, osłonki hytrelowe kabli uziemiających) to był dopiero początek zmian. Najważniejszą z nich był fakt, że dostarczone urządzenia zapewniały ciągły pomiar rezystancji uziemienia wraz z możliwością kontroli procesu względem pomiaru. W znaczny sposób przyczyniło się to do zwiększenia poziomu bezpieczeństwa w zakładzie i jednocześnie pozwoliło spełnić wymagania stawiane przez ubezpieczyciela.

Warto przy okazji wspomnieć, że producent ma świadomość, jak ważne dla klientów końcowych są układy elektryczne, które dokonują pomiaru rezystancji uziemienia i ewentualnych blokad procesów produkcyjnych. Dlatego od 2024 roku rozszerzył gwarancję na wszystkie komponenty elektryczne do 7 lat. Obejmuje ona wszystkie produkty kupione od stycznia 2024 roku.

Spełnienie obowiązku zapewnienia bezpieczeństwa ATEX przez dobór odpowiednich metod uziemienia

W zakładach przemysłowych przy produkcji różnego rodzaju surowców stosowane są substancje, których minimalna energia zapłonu jest naprawdę bardzo niska. Tym samym większa jest ich zdolność do zapłonu (np. metanol 0,14 mJ, octan etylu 0,46 mJ, żywica epoksydowa 9 mJ).  Zgodnie z Polskimi Normami należy zadbać o wyposażenie instalacji i urządzeń technicznych oraz technologicznych (przewody rurowe, pojemniki) w odpowiednie środki ochronne w zakresie ochrony przed elektrycznością statyczną.

Do podjęcia takich działań zobowiązują pracodawcę odpowiednie rozporządzenia (Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. 2010 nr 109 poz. 719), rozdz. 7 par. 35 ust. 8 oraz Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 8 lipca 2010 r. w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy związanych z możliwością wystąpienia w miejscu pracy atmosfery wybuchowej (Dz.U. 2010 nr 138 poz. 931).

Według normy PN-E-05204: „Wszelkie elementy metalowe: urządzenia technologiczne, ich wyposażenie, przewody rurowe, pojemniki powinny być uziemione. To samo dotyczy elementów urządzeń technologicznych wykonanych z materiałów przewodzących (niemetalowych) – rezystancja „przejścia” między takimi elementami, o wartości 1 MΩ, zapewnia bezpieczne odprowadzenie ładunku elektrostatycznego”.