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 katastrofy. Historia pokazuje, że pozornie banalna czynność, jak na przykład przelewanie rozpuszczalnika z jednego pojemnika do drugiego, może stanowić poważne zagrożenie pożarem.
W procesach produkcyjnych zachodzących w przemyśle farb i lakierów, chemicznym, farmaceutycznym czy spożywczym niejednokrotnie mamy do czynienia z materiałami w postaci sypkiej (pyły, granulaty, włókno cięte etc.) lub ciekłej (ciecze łatwopalne takie jak farby czy rozpuszczalniki).
Podczas czynności związanych z technologią produkcji, takich jak mieszanie, przesypywanie, dozowanie, przesiewanie, rozpylanie czy transport pneumatyczny, mogą zostać wygenerowane ładunki elektrostatyczne. Elektryzacja materiałów sypkich stwarza zagrożenie zapłonu pyłów i może przyczynić się do poważnych zakłóceń w przebiegu procesów technologicznych. Nie jest inaczej w przypadku cieczy – podczas napełniania i opróżniania zbiorników (procesy przelewania), mieszania cieczy lub czyszczenia pojemników również mogą być generowane ładunki elektrostatyczne.
Na stopień naelektryzowania mają wpływ przede wszystkim właściwości przewodzące cieczy, materiał, z jakiego wykonany jest dany zbiornik/pojemnik, oraz prędkość przepływu cieczy. W zakładach produkcyjnych, w których dochodzi do wyładowań elektrostatycznych, częstym zjawiskiem jest np. zbrylanie się materiałów sypkich czy zanieczyszczenie powierzchni wyrobu przez przyciągane przez nią cząstki pyłów. Wpływa to znacząco na jakość i trwałość produktów. Przeskok ładunku elektrostatycznego jest niejednokrotnie przyczyną nieszczęśliwych wypadków. W strefach zagrożenia wybuchem wyładowania elektrostatyczne mogą zainicjować zapłon. W takich przypadkach ryzyko wybuchu mieszaniny par cieczy palnych z powietrzem 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 zagrożenie elektrycznością statyczną jest bagatelizowane przez zakładowe służby utrzymania ruchu, a wielu zagrożeniom można przecież zapobiec dzięki stosowaniu skutecznej ochrony antyelektrostatycznej.
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.
Przykład z historii – wypadek spowodowany elektrycznością statyczną
W zakładzie firmy Barton Solvents – hurtowni rozpuszczalników i innych przemysłowych substancji chemicznych – materiały składowano w dużych, zewnętrznych zbiornikach.
W dniu wypadku, 17 lipca 2007 roku około godziny 8:30 rano, do zakładu przybyła cysterna, która miała dostarczyć do zbiornika nieprzewodzący rozpuszczalnik, znany jako benzyna lakowa. Ze względu na to, że płyn transportowany przez rury i zawory generuje ładunek elektrostatyczny, który może zapalić palne opary substancji, nadzorca zbiorników połączył przewodem uziemiającym cysternę z punktem uziemienia. Dodatkowo wszystkie urządzenia używane w procesie transferu płynu były połączone przewodami i uziemione.
Wewnątrz zbiornika o pojemności 56 m3 znajdowało się urządzenie mierzące poziom cieczy – była to uziemiona, metalowa taśma zawieszona na krążkach i połączona elastycznie z metalowym pływakiem. To połączenie okazało się istotnym zagrożeniem podczas napełniania zbiornika.
Rozpuszczalnik pompowano do zbiornika z trzech komór cysterny. Podczas przepinania węża z jednej komory do kolejnej do układu dostawało się powietrze tworzące wewnątrz zbiornika pęcherzyki i turbulencje. W związku z tym w nieprzewodzącym płynie powstał ładunek elektrostatyczny. W tym samym czasie przestrzeń nad płynem napełniła się wybuchową mieszaniną par i powietrza. 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.
Podczas trwania procesu metalowy pływak gromadził ładunek elektrostatyczny. Około godziny 9:00 rano iskra powstała na pływaku zapaliła mieszaninę par i powietrza, wywołując potężną eksplozję. Wybuch spowodował wyrzucenie zbiornika w powietrze. Następnie rozerwaniu uległy dwa kolejne zbiorniki, wylewając zawartość na szybko rozprzestrzeniający się pożar.
Szalejący w zakładzie ogień spowodował rozerwanie i zapłon kolejnych zbiorników, wyrzucając w powietrze ciężkie, stalowe pokrywy zbiorników o średnicy od 3 do 6 metrów. Do obszaru zabezpieczającego przed rozlaniem przedostało się 75 000 litrów palnego płynu. Siła wybuchu przerzuciła zawory, rury i inne ciężkie stalowe przedmioty w stronę pobliskiego osiedla. Jedna z pokryw trafiła w domek mieszkalny znajdujący się około 90 metrów od miejsca wypadku, a zawór ciśnieniowy uderzył w pobliski zakład oddalony o 120 metrów. Z okolicy zostało ewakuowanych 6 tysięcy mieszkańców.Pomocy medycznej wymagało 11 osób i jeden ze strażaków.
Wspomniany wypadek pokazuje, jak poważnym zagrożeniem mogą być wyładowania elektrostatyczne. 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 zmniejszających liczbę ładunków elektrycznych nagromadzonych na powierzchni cieczy.
Uziemienia elektrostatyczne w branży przemysłowej
W zakładach przemysłowych uziemienia elektrostatyczne ograniczają ryzyko powstania wybuchu palnych substancji w wyniku przeskoku iskry elektrostatycznej. Wykorzystuje się je podczas transportu i obróbki palnych gazów, cieczy i proszków.
Uziemienia najczęściej stosuje się do rozładunku/załadunku cystern drogowych, kolejowych, odprowadzenia ładunków z beczek, zbiorników, big-bagów, elementów instalacji procesowych itp. Najprostszym sposobem jest użycie zacisków uziemiających z ostrymi zębami w węglika wolframu, zdolnymi przebić się przez warstwę farby, laminatu itp., wraz z przewodem uziemiającym z osłonką hytrelową odporną na uszkodzenia chemiczne i mechaniczne (rys. 1). Można je stosować w dwóch konfiguracjach. Pierwsza możliwość to użycie kompletu dwóch prostych zacisków, połączonych ze sobą przewodem spiralnym. Drugą opcją jest podpięcie zacisku do uziemianego pojemnika, a końcówki oczkowej, która znajduje się na końcu przewodu, do listwy uziemiającej. Dobór rozmiaru klamry zależy od wielkości uziemianego pojemnika/urządzenia. Słabym punktem tych rozwiązań jest brak możliwości uzyskania informacji na temat bieżącego stanu uziemienia.
Możliwość tę ma inny wariant, czyli przenośny zestaw zacisków samotestujących, składający się z dwóch klamer uziemiających. Zasada działania polega na podpięciu jednej klamry do uziemianego urządzenia (przykładowo metalowej beczki lub mieszalnika), natomiast drugiej do elementu odprowadzającego ładunki do ziemi (np. bednarka, inne uziemione urządzenie lub konstrukcja stalowa). Na klamrach znajdują się diody LED, które w przypadku poprawnego uziemienia zaświecą się na zielono. Metoda ta jest niestety kłopotliwa w przypadkach, ponieważ dioda zamontowana na zacisku może zostać przysłonięta przez odkładające się zanieczyszczenia.
Istnieją również rozwiązania, które oprócz uziemiania urządzeń pracujących w pomieszczeniach produkcyjnych za pośrednictwem jednostki monitorującej z diodą sygnalizacyjną w łatwy i bezpieczny sposób weryfikują czy zgromadzone na urządzeniach ładunki są właściwie odprowadzane do ziemi. Jeżeli uziemienie nie zostało wykonane prawidłowo, kontrolery blokują proces.
W zależności od przeznaczenia wyróżnia się kilka systemów kontroli uziemienia:
- system kontroli uziemienia cystern drogowych (rys. 2) podczas ich napełniania/opróżniania – cysterna samochodowa jest największym potencjalnie izolowanym elementem przewodzącym, który wjeżdża do zakładu, i jeśli nie jest odpowiednio uziemiona, stwarza poważne ryzyko zapłonu,
- system kontroli uziemienia cystern kolejowych – chociaż wagon kolejowy jest w kontakcie z uziemionymi szynami, wiele cystern jest wyposażonych w nieprzewodzące łożyska i elementy ścierne, umieszczone między samym wagonem a zestawami kołowymi,
- mobilny system kontroli uziemienia do montażu bezpośrednio na cysternach samochodowych – rozwiązanie to jest stosowane w przypadkach, gdy pojazd, ze względu na wykonywane prace (np. czyszczenie lub konserwacja), może znajdować się w odległości kilkudziesięciu lub nawet kilkuset metrów od miejsca, w którym zamontowane są systemy stacjonarne,
- system kontroli uziemienia worków big-bag typu C pozwalający na ich bezpieczne napełnianie i opróżnianie (rys. 3),
- system kontroli uziemienia instalacji procesowych przeznaczony do monitorowania stanu uziemienia jednocześnie nawet do ośmiu samodzielnie działających lub połączonych ze sobą elementów instalacji,
- system kontroli uziemienia ruchomych i stałych elementów instalacji procesowej,
- systemy uziemiające zasilane sieciowo (rys. 4) lub bateryjnie – te pierwsze umożliwiają pracę jednostek przez 24 godziny na dobę, natomiast drugie stosowane są w sytuacjach, gdy nie przewiduje się podłączenia zacisków samotestujących do elementów instalacji na czas powyżej 6 godzin.
Ochrona antyelektrostatyczna personelu
Okazuje się, że oprócz uziemienia elementów instalacji niezwykle ważna jest również skuteczna ochrona antyelektrostatyczna personelu produkcyjnego. Naelektryzowane ciało człowieka jest bowiem jednym z poważniejszych źródeł stwarzających w warunkach przemysłowych zagrożenie pożarem lub wybuchem. Najpraktyczniejszym sposobem jest stosowanie obuwia rozpraszającego ładunki elektrostatyczne.
Istnieją urządzenia, które sprawdzają obuwie pod względem zdolności do odprowadzania ładunków elektrostatycznych przed wejściem pracownika na obszar, w którym występują palne atmosfery. Przykładem takiego rozwiązania jest system kontroli obuwia Sole-Mate (rys. 5). Po wejściu obiema stopami, na których założone jest obuwie antyelektrostatyczne, na płytę pomiarową jednostka kontrolna zmierzy oporność obuwia. Jeśli diodowa sygnalizacja świetlna zapali się na zielono, oznacza to, że oporność obuwia jest poniżej górnej granicy normy i można je bezpiecznie nosić w potencjalnie wybuchowej atmosferze. Jeżeli jednak dioda zaświeci się na czerwono, a po kilku sekundach rozlegnie się alarm dźwiękowy, oporność obuwia jest powyżej górnej granicy normy i nie wolno go nosić w obszarze, w którym występuje zagrożenie wybuchem.
Ponadto należy zwrócić uwagę na wyposażenie personelu w odpowiednie ubrania wykonane z materiałów przewodzących lub z materiałów o małej zdolności do elektryzacji. Niezwykle ważne jest, by personel przestrzegał zakazów dotyczących zakładania i zdejmowania ubrań w strefach zagrożenia wybuchem oraz ich czyszczenia poprzez przecieranie czy omiatanie, nawet w przypadku, gdy odzież ta jest wykonana z tzw. materiałów antystatycznych.
Poza wspomnianymi środkami ochrony należy zapewnić odpowiednią konduktywność podłogi, ponieważ noszenie obuwia będzie nieskuteczne, jeśli pracownik będzie chodził po izolującej podłodze lub wykładzinie podłogowej. Na uwadze należy mieć przede wszystkim jednak to, by personel pracujący w obszarze zagrożonym wybuchem rozumiał ryzyko zapłonu i przestrzegał podstawowych zasad bezpieczeństwa.
W zakładach przemysłowych nierzadko stosuje się dodatkowe zabezpieczenia, których skuteczność jest stosunkowo duża. Wśród fakultatywnych środków ochrony przed elektrycznością statyczną wyróżnić można m.in.:
- utrzymywanie podwyższonej wilgotności powietrza,
- zastępowanie materiałów o właściwościach izolacyjnych materiałami przewodzącymi,
- minimalizowanie szybkości oraz zmiana warunków przebiegu procesów technologicznych,
- zapobieganie obecności zanieczyszczeń cieczy i gazów.
Wedle norm i przepisów zapobieganie wybuchom oraz zapewnienie ochrony przed ich skutkami znajdują się po stronie użytkowników urządzeń. Rozporządzenia podają również wytyczne w zakresie zwalczania zagrożeń wynikających z występowania ładunków elektrostatycznych. W związku z tym zarówno najwięksi producenci, jak i mniejsze przedsiębiorstwa decydują się na stosowanie odpowiednich systemów kontroli uziemienia, zapewniających bezpieczną pracę personelu oraz poprawny przebieg procesów technologicznych w swoich zakładach.
