W zakładach produkcyjnych każdego dnia realizowane są setki operacji, w których wykorzystuje się substancje palne. Brak właściwych procedur postępowania oraz odpowiedniego wyposażenia w systemy uziemiające może doprowadzić do wybuchu lub pożaru. Historia pokazuje, że pozornie banalna czynność, jak na przykład przelewanie rozpuszczalnika z jednego pojemnika do drugiego może prowadzić do gromadzenia ładunków elektrostatycznych, co w konsekwencji prowadzi do wyładowania elektrostatycznego (ang. skrót – ESD). Jeśli to wyładowanie nastąpi w obszarze występowania strefy zagrożenia wybuchem, to pożar, czy nawet wybuch jest nieunikniony. W artykule omówimy te zagrożenia, posługując się realnymi przykładami z zakładów przemysłowych.
Kiedy występuje ryzyko generowania ładunków elektrostatycznych?
W procesach produkcyjnych zachodzących w przemyśle niejednokrotnie mamy do czynienia z materiałami w postaci sypkiej (pyły, granulaty, włókno cięte etc.) lub ciekłej (ciecze łatwopalne takie jak farby czy rozpuszczalniki). Mowa tu m.in. o przemyśle:
- farb i lakierów,
- chemicznym,
- petrochemicznym,
- farmaceutycznym,
- spożywczym.
Elektryzacja materiałów sypkich stwarza zagrożenie zapłonu pyłów i może przyczynić się do poważnych zakłóceń w przebiegu procesów technologicznych. Częstym zjawiskiem w przypadku proszków jest ich zbrylanie się czy zanieczyszczanie nimi powierzchni wyrobu przez przyciągane przez wyroby cząstki pyłów. Wpływa to znacząco na jakość i trwałość produktów gotowych. Ładunki elektryczne mogą generować się podczas takich czynności jak:
- mieszanie,
- przesypywanie,
- dozowanie,
- przesiewanie,
- rozpylanie
- transport pneumatyczny.
Nie jest inaczej w przypadku elektryzacji cieczy i zbiorników, w których się ona znajduje. Na stopień naelektryzowania mają wpływ przede wszystkim właściwości przewodzące cieczy, materiał, z jakiego wykonany jest dany zbiornik/pojemnik, oraz prędkość przepływu cieczy. Ładunki gromadzą się podczas:
- napełniania i opróżniania zbiorników (procesy przelewania),
- mieszania cieczy,
- czyszczenia pojemników.
Wyładowanie elektrostatyczne – ESD – prowadzi do zapłonu
ESD (ang. electrostatic discharge), czyli wyładowanie elektrostatyczne jest niejednokrotnie przyczyną nieszczęśliwych wypadków w przemyśle, czy nawet katastrof prowadzących do zniszczenia zakładów przemysłowych. Jeśli wyładowanie wystąpi w strefach zagrożenia wybuchem, z dużym prawdopodobieństwem zainicjować zapłon atmosfery wybuchowej.
Przykładowo w przypadku ryzyka wybuchu mieszaniny par cieczy palnych z powietrzem, wyładowanie związane jest z naelektryzowaniem lustra cieczy w wyniku prowadzonych procesów, wytwarzającymi się na powierzchniach urządzeń technologicznych ładunkami elektrostatycznymi czy też naelektryzowaniem personelu znajdującego się w strefie niebezpiecznej.
Często jednak zagrożenia związane z elektrycznością statyczną są bagatelizowane przez zakładowe służby utrzymania ruchu. a wielu zagrożeniom można przecież zapobiec dzięki stosowaniu skutecznej ochrony antyelektrostatycznej.
Wyładowanie elektrostatyczne a MEZ – minimalna energia zapłonu – środka palnego
Z zagrożeniem pożarem i/lub wybuchem mamy do czynienia wtedy, gdy energia wyładowania elektrostatycznego osiągnie wartość co najmniej porównywalną z tzw. minimalną energią zapłonu (MEZ) środka palnego znajdującego się lub mogącego się znaleźć w rozpatrywanym obszarze. Wielkość MEZ określa zdolność zapłonową materiału. Niższą energię zapłonu (a tym samym większą zdolność zapłonową) mają z reguły mieszaniny par lub gazów palnych z powietrzem niż mieszaniny pyłowo-powietrzne lub pyły osiadłe (tab. 1).
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 |
Tab. 1. Minimalna energia zapłonu (MEZ) dla oparów i pyłów. Źródło danych: UK IChemE.
Niszczycielska siła wyładowania elektrostatycznego – ESD
W zakładzie Barton Solvents, firmie dystrybuującej rozpuszczalniki i przemysłowe chemikalia, substancje były przechowywane w wielkogabarytowych zbiornikach zewnętrznych.
17 lipca 2007 roku, tuż przed godziną 8:30, na teren zakładu przyjechała cysterna, która miała dostarczyć benzynę lakową – substancję nieprzewodzącą. W związku z ryzykiem powstania ładunków elektrostatycznych, które mogłyby zapalić palne opary rozpuszczalnika, pracownik połączył cysternę z punktem uziemienia. Ponadto cały sprzęt stosowany podczas przepompowywania był również odpowiednio uziemiony. Jak więc doszło do katastrofy?
W jaki sposób pojawił się niebezpieczny ładunek elektrostatyczny, którego efektem był wybuch?
W zbiorniku o pojemności 56 m³ zamontowany był system pomiaru poziomu cieczy, składający się z metalowej taśmy połączonej elastycznie z pływakiem, który monitorował ilość rozpuszczalnika. Jak się okazało, to właśnie ten element, mimo uziemienia procesu, stanowił poważne zagrożenie przy napełnianiu zbiornika.
Rozpuszczalnik był pompowany do zbiornika etapami – z trzech osobnych komór cysterny. Każdorazowe przepinanie węża stanowiło niejako wentyl, przez który powietrze dostawało się do zbiornika. W efekcie w cieczy w zbiorniku pojawiały się pęcherzyki powietrza, które wywoływały turbulencje na powierzchni cieczy. Omówione właśnie zjawisko powodowało odkładanie się ładunku elektrostatycznego na pływaku, podczas gdy przestrzeń nad nią cały czas wypełniała się łatwopalną mieszanką oparów. Wirujący, burzliwy płyn powodował ruch i kołysanie pływaka, tworząc luz w metalowej taśmie. Przyczyniło się to do chwilowego powstawania przerw w połączeniu, co eliminowało uziemienie pływaka i w konsekwencji spowodowało powstanie wyładowania.
Konsekwencje wybuchu na skutek zjawiska elektrostatycznego
Wybuch nastąpił około godziny 9:00, odrywając zbiornik od podstawy. Nasilający się ogień spowodował, że kolejne zbiorniki eksplodowały, wyrzucając ciężkie, stalowe pokrywy o średnicach od 3 do 6 metrów. W efekcie około 75 000 litrów łatwopalnej cieczy rozlało się na terenie zakładu. Siła wybuchu przeniosła ciężkie elementy infrastruktury, takie jak zawory i rury, na pobliskie osiedla mieszkalne. Jedna z pokryw wylądowała na budynku oddalonym o 90 metrów, a zawór ciśnieniowy uderzył w zakład oddalony o 120 metrów. W związku z zagrożeniem ewakuowano 6 tysięcy osób, a 11 osób wymagało pomocy medycznej, w tym jeden ze strażaków.
Film pokazujący, jak ładunek elektrostatyczny powoduje tragiczny pożar
Ładunki elektryczne mogą powstać również podczas takich na pozór banalnych czynności jak wycieranie nieuziemionego pojemnika IBC. Konsekwencje tej czynności mogą być niewyobrażalne, co widać na nagraniu z kamery przemysłowej, która byłą zamontowana w zakładzie produkującym lakiery do paznokci, kremy, balsamy oraz perfumy. Źródłem zapłonu było wyładowanie elektrostatyczne (dla przypomnienia skrót z angielskiego – ESD), do którego doszło w chwili, gdy pracownik zakładu wycierał zbiornik IBC z palną cieczą. Przeskok ładunku spowodował pożar zbiornika, który zaczął się błyskawicznie rozprzestrzeniać po terenie hali produkcyjnej, obejmując wszystkie zgromadzone wokół materiały i urządzenia. Siłę ładunku i skalę pożaru zarejestrowały kamery przemysłowe (uwaga – film zawiera sceny drastyczne).
Przyczyny i konsekwencje pożaru oraz wybuchu na skutek zjawiska elektrostatycznego
Jak się okazało w dochodzeniu po pożarze, jednym z najważniejszych wykroczeń, które było bezpośrednią przyczyną pożaru i wybuchu był brak układu uziemiającego na zbiorniku cieczy. Gdyby pojemnik IBC znajdował się pod ochroną systemu uziemiającego, zapobiegłoby to gromadzeniu się ładunków i w konsekwencji wystąpienia wyładowania elektrostatycznego.
W chwili, gdy strażacy weszli do budynku, doszło do kolejnego wybuchu, który ranił siedmioro z nich. Dwóch strażaków wymagało hospitalizacji w centrum medycznym leczącym oparzenia. W całej akcji gaśniczej udział wzięło ponad stu strażaków.
W zdarzeniu, które miało miejsce listopadzie 2017 roku, poszkodowanych zostało 125 z 225 pracowników zakładu firmy Verla International. Kilka miesięcy po zdarzeniu OSHA (Occupational Safety and Health Administration) wniosła o 1 mln PLN (ponad 281 tys. dolarów) kary dla Verla International
Komentarz eksperta – jak się chronić przed elektrycznością statyczną?
Obie katastrofy w przemyśle pokazują, jak poważnym zagrożeniem mogą być wyładowania elektrostatyczne – mówi Krzysztof Szopa – specjalista GRUPY WOLFF w zakresie systemów uziemiających i dodaje: Aby uniknąć podobnych zdarzeń, zakłady, w których transportuje się, przelewa czy magazynuje palne ciecze, takie jak przykładowo nafta, toluen, benzen czy heptan, powinny podjąć dodatkowe środki ostrożności. W przypadku Barton Solvents zbawienne mogłyby się okazać dodatkowe wskazówki dostawców cieczy nt. gromadzenia ładunków elektrostatycznych, wymiana zbyt luźno zamontowanych pływaków, zmniejszenie prędkości przepływu cieczy czy też dodanie środków antystatycznych w celu ochrony i zmniejszenia liczby ładunków elektrycznych nagromadzonych na powierzchni cieczy.
W drugim przypadku mieliśmy do czynienia ze zjawiskami elektrostatycznymi na zbiorniku IBC. W przemyśle powinno się stosować przewodzące zbiorniki IBC wykonane zgodnie z CLC/TR 50404 – Electrostatics. Code of practice for the avoidance of hazards due to static electricity. Jako że tego typu zbiorniki z natury rzeczy są mobilne, do ich ochrony w celu uziemiania stosuje się proste przewody zakończone klamrą z mocną sprężyną oraz ostrymi zębami, najczęściej wykonanymi z niezwykle twardego węglika wolframu. Pozwala to ograniczyć ryzyko nieprawidłowego uziemienia w przypadku, gdy miejsce, do którego przypinamy klamrę, jest np. zabrudzone, pokryte rdzą, farbą czy smarem.
Im wyższe ryzyko zapłonu na skutek wyładowania elektrostatycznego, tym należy stosować bardziej wyrafinowane zabezpieczenia – podkreśla Krzysztof Szopa. Przykładowo, gdy dany zbiornik wykorzystywany jest kilka razy na dzień, a magazynowana ciecz ma niską minimalną energię zapłonu, to rekomenduję stosowanie układów, które dodatkowo zweryfikują, czy zapewniony został właściwy odbiór ładunków elektrostatycznych. Takie systemy kontroli uziemienia mogą sygnalizować jego stan w sposób wizualny, optyczny, a także blokować proces w chwili, gdy prawidłowe uziemienie zostanie utracone.
