Защита от статического электричества

Изучение проблемы статического электричества вызвано всё более широким применением полимерных материалов, синтетических тканей и волокон, способных накапливать большие заряды статического электричества во время переработки или эксплуатации. Вредное проявление статического электричества влечёт за собой самые различные последствия:

– во-первых, при высоких потенциалах статического электричества, достигающих десятков тысяч вольт, во взрыво- или пожароопасной среде в результате искровых пробоев возникают взрывы и пожары с человеческими жертвами и тяжёлыми травмами;

– во-вторых, статическое электричество оказывает неблагоприятное воздействие на здоровье работающих с электризующимися материалами;

– в-третьих, в ряде производств вследствие высокой электризации нарушаются технологические процессы, появляется брак, снижается производительность труда.

Наибольшую опасность статическое электричество представляет для производств, связанных с переработкой и транспортировкой легковоспламеняющихся веществ и материалов, особенно в условиях взрывоопасной воздушной среды. Применение синтетических полимеров и диэлектриков во взрыво- и пожароопасных условиях практически всегда связано с реальной угрозой воспламенения, так как тепловая энергия, выделяющаяся при искровом разряде, во много раз превышает минимальную энергию воспламенения воздушных смесей – метана, ацетилена, паров бензина, ацетона и многих других веществ.

Помимо вредного влияния на организм человека и непосредственной опасности от взрывов и пожаров, статическое электричество в ряде случаев является причиной снижения производительности труда. Вредная электризация наблюдается на многих предприятиях: в химической, полиграфической, текстильной и лёгкой, нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности. Статическое электричество является помехой почти для половины технологических процессов. Опасность чрезмерного накопления электростатических зарядов ограничивает скорость налива нефтепродуктов до 1 м/с и заставляет вести многие технологические процессы (например, получение полипропилена) под давлением инертных газов, что существенно снижает производительность и повышает себестоимость продукции. Электризация приводит к пробою синтетических трубопроводов, нарушению герметичности изделий, выводу из строя полупроводниковых приборов, засвечиванию светочувствительных материалов, налипанию пыли, снижению качества продукции. Масштабы вредного и опасного проявления статического электричества таковы, что защита от него стала одной из актуальнейших проблем.

Статическое электричество наносит большой ущерб. Поэтому нужны разработка и внедрение эффективных мер для защиты от электризации на разных производствах. Уже есть достаточное количество методов и средств, предотвращающих нежелательную электризацию веществ и материалов. Из всего многообразия существующих мер защиты от статического электричества наиболее эффективными являются следующие: увеличение влажности воздуха; заземление оборудования и человека; применение антистатических добавок; ограничение скоростей транспортировки вещества; нейтрализация зарядов статического электричества.

Установлено, что при увеличении влажности воздуха на поверхно­сти материалов образуется тонкая плёнка влаги с растворёнными в ней солями. Такая плёнка обладает полупроводящими свойствами, что спо­собствует рассеянию зарядов. Но этот эффект не наблюдается, если водяные пары не адсорбируются на гидрофобных поверх­ностях (полимерные материалы, волокна и пр.) или температура воздуха в рабочей зоне выше, чем температура, при которой плёнка может удер­живаться на диэлектрике, а также когда скорость движения диэлектрика больше, чем скорость образования адсорбированной водяной плёнки (это зависит от химического строения вещества и степени загрязнения по­верхности). Там же, где увеличение относительной влажности воздуха яв­ляется эффективным средством борьбы с электризацией, многими исследованиями показано, что при повышении влажности воздуха до 65–80 % электризация почти полностью устраняется. На практике увлажнение в помещениях производят с помощью конди­ционирующих устройств, специальных увлажнителей, а в ряде случаев посредством периодической влажной уборки.

В ГОСТ 12.4.124-83 ССБТ. «Средства защиты от статического элек­тричества. Общие технические требования» [95] описаны различные технические средства для защиты людей от статического электричества.

Обязательным мероприятием, позволяющим устранить электростатические заряды с металлического оборудования, является заземление. Незаземлённое оборудование является источником повышенной опасности, так как энергия искры с металлических конструкций во много раз превышает энергию разряда с диэлектрика.

Оборудование считается электростатически заземлённым, если сопротивление утечки в любой точке при самых неблагоприятных условиях (низкая влажность воздуха и т. п.) не превышает 10⁶ Ом. К электростатическим заземлителям не предъявляются столь жёсткие требования, как при заземлении оборудования с целью защиты человека от поражения электрическим током. Сопротивление заземлителя при отведении электрических зарядов допускается до 100 Ом. Надёжность соединения оборудования с заземлителями обычно обеспечивают сваркой, реже – болтовым креплением. При выполнении фланцевых соединений сопротивление между соседними фланцами не должно быть ниже 10 Ом, при этом применять специальные перемычки не обязательно. При установке временных заземлений (цистерны, измерительные устройства и т. д.) выбор типа заземлителей определяется только их механической прочностью.

В ряде случаев необходимо заземлять человека, который может наэлектризоваться при выполнении работ или из-за электростатической индукции. Для этого используют электропроводящие полы, заземлённые площадки вблизи рабочих мест в сочетании с проводящей либо полупроводящей обувью. К электропроводящим полам относятся незагрязнённые краской, маслами и прочими изолирующими веществами бетонные, пенобетонные и ксилолитовые полы. При достаточно высокой относительной влажности деревянные полы тоже хорошо отводят статическое электричество. Если используют заземлённые металлические площадки вблизи рабочего места, то необходимо полностью исключить возможность прикосновения человека к токоведущим частям опасного напряжения.

Возможности использовать специальную защитную одежду описаны в ГОСТ Р ЕН 1149-5-2008 ССБТ «Одежда специальная защитная. Элект­ростатические свойства. Часть 5. Общие технические требования» [49].

Придать антистатические свойства непроводящим полам, покрытым линолеумом, релином, полихлорвиниловой плиткой, можно влажной уборкой 10–20%-ным водным раствором хлористого кальция. Но повышать электропроводность полов неэффективно без применения проводящей обуви. Токопроводящей является обувь: 1 - с подошвой из слегка увлажнённой кожи или полупроводящей резины; 2 - пробитая медными, латунными или алюминиевыми заклёпками, не искрящими при ходьбе.

При переработке и применении материалов с удельным электрическим сопротивлением более 106–107 Ом·см (для органических жидкостей более 109–1010 Ом·см) заземление металлических конструкций - лишь до-

полнительное мероприятие по отводу электростатических зарядов.

Следует отметить, что жидкие и газообразные диэлектрики, имеющие очень большое удельное сопротивление (выше 1017–1018 Ом·см), практически не электризуются. Такие высокие удельные сопротивления имеют «абсолютно чистые» материалы, не содержащие примесей. В этой связи тонкая очистка веществ может быть рекомендована как одна из мер по защите от электризации жидкостей и газов.

В большинстве же случаев эффективным средством защиты от статического электричества является снижение удельного объёмного сопротивления веществ. Наиболее распространённым является метод введения проводящих композиций в структуру материала при его изготовлении. Таким образом получены проводящие резины, линолеумы, антистатические краски и лаки, неэлектризующиеся пластмассы. В качестве электропроводных композиций применяют сажу, графит, порошкообразную медь, серебро, лепестковый никель и другие добавки. Для увеличения поверхностной проводимости твёрдых диэлектриков разработаны различные пасты, составы, эмульсии, наносимые на электризующуюся поверхность. Успешно применяется металлизация поверхностей, покрытие хлористыми и фтористыми соединениями.

Снятие зарядов с внешней поверхности рукавов и трубопроводов осуществляется иногда с помощью навивки на них спирали из медного или стального заземлённого проводника. Транспортерные ленты и некоторые ткани прошивают тонкими электрическими проводниками, а также применяют антистатические ткани.

Эффективным способом борьбы со статическим электричеством в текстильной и ряде других отраслей промышленности является смешение (комбинация) электризующихся волокон или подбор контактных пар. Например, у тканей из комбинации двух электризующихся волокон – нейлона и дакрона – необходимый эффект достигается тем, что каждое волокно в отдельности при трении электризуется взаимно нейтрализующимися зарядами противоположных знаков. Подбирая подобным образом контактные пары при изготовлении деталей технологического оборудования, можно устранить проявления статического электричества во многих производствах. Для снижения электростатических зарядов иногда идут по пути уменьшения площади соприкосновения электризующегося материала с рабочей поверхностью деталей машин и приспособлений. В этом случае поверхности рабочих столов, рабочих валов машин и другое оборудование покрывают сеткой или делают ребристыми.

Как известно, уменьшение электризации можно обеспечить при снижении скоростей ведения технологических процессов, однако эта мера в условиях современного производства крайне нежелательна. Поэтому для устранения электризации при транспортировании электризующихся жидкостей ограничивают скорость лишь на одном из участков трубопровода. Это мероприятие известно под названием «релаксация электростатических зарядов». Принцип релаксации основан на выдерживании диэлектрической жидкости в течение некоторого времени в относительном покое в релаксационной ёмкости (участок трубопровода значительно большего диаметра). За время нахождения жидкости в релаксаторе заряды успевают стечь на его заземлённые стенки. Установлено, что релаксационные емкости на 95–98 % снимают электростатические заряды.

При заполнении резервуаров диэлектрическими жидкостями возможно образование зарядов при разбрызгивании. Поэтому наполнение емкостей начинается при малой скорости движения электризующихся жидкостей с постепенным увеличением её по мере заполнения резервуара. Нельзя допускать резких перегибов трубопроводов и внутри них не должно быть выступающих частей, так как это приводит к дополнительной электризации транспортируемых жидкостей.

Самостоятельную группу защитных средств представляют нейтрализаторы статического электричества. Принцип работы всех нейтрализаторов основан на генерации ионов в зоне заряженного материала. Эти ионы притягиваются силами поля заряженного вещества и нейтрализуют заряды. Ионизация воздуха происходит при облучении ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, тепловым, инфракрасным или радиоактивным излучением, а также за счёт коронного разряда.

В настоящее время для ионизации воздушной среды обычно приме-

няют радиоизотопное α- и β-излучение, электрический коронный разряд и так называемый скользящий разряд. Во взрывобезопасных производствах для борьбы с электризацией обычно применяют ионизаторы с коронным разрядом на остриях. Они дают максимальную плотность ионизации. В зависимости от того, что в этом случае важнее обеспечить – минимальный остаточный заряд или нейтрализацию большого количества электричества – применяются электрические или индукционные нейтрализаторы.

Индукционный нейтрализатор представляет собой токопроводящий или диэлектрический стержень, на котором закреплены заземлённые иглы или метёлочки из проволоки. При установке нейтрализатора над заряженной поверхностью у концов игл создается настолько сильное электрическое поле, что происходит ударная ионизация, в результате которой образующиеся ионы нейтрализуют заряды на поверхности наэлектризованного материала. Основное отличие электрических нейтрализаторов от индукционных заключается в том, что на иглы подаётся высокое (10–15 кВ) постоянное или переменное напряжение от специального источника, что повышает эффективность нейтрализации. Эффективность нейтрализаторов чаще всего оценивается по величине ионизационного тока, протекающего через нейтрализатор на заземлённое оборудование. Этот ток тем больше, чем выше уровень электризации материала.

Иногда в качестве нейтрализатора эффективно применяется тонкий проводник, натянутый вблизи заряженной поверхности или на пути движения жидкостей и сыпучих материалов. В большинстве случаев нет особой необходимости снижать степень электризации до нуля. Для различных веществ и материалов существует минимальная плотность зарядов, не влияющая на ход технологического процесса. Поэтому работа того или иного нейтрализатора может быть оценена по значениям начальной (до нейтрализатора) и конечной (после нейтрализатора) плотности зарядов. На практике для конкретного типа нейтрализаторов могут быть построены зависимости начальной и конечной плотности зарядов при различных параметрах технологического процесса.

Всё большее распространение получают так называемые комбинированные нейтрализаторы – сочетающие в одном приборе радиоизотопный и индукционный нейтрализаторы. При этом эффективность нейтрализации существенно возрастает, так как большие заряды снижает индукционный, а малые – радиоизотопный нейтрализаторы.

Существенно расширилась область применения электрических и радиоизотопных нейтрализаторов, используемых для ионизации воздушного потока, который нагнетается в зону, где надо уменьшить электростатические заряды. Этот метод даёт возможность обеспечить взрывобезопасность применения даже высоковольтных нейтрализаторов. Однако эффективность нейтрализаторов с нагнетанием ионизированного воздуха невысока из-за рекомбинации ионов в воздушном потоке. Даже резкое увеличение плотности ионов непосредственно у источника не может существенно изменить радиус действия такого нейтрализатора, так как интенсивность рекомбинации растёт с увеличением плотности. Наиболее перспективным методом, когда необходимо создать протяжённую в одном направлении область ионизации, следует считать применение лазера.

В тех случаях, когда отвод и нейтрализация зарядов статического электричества весьма затруднены, можно применять метод предотвращения опасных разрядов без отвода или нейтрализации зарядов. В основе этого метода лежит механизм электрического разряда, для возникновения которого необходимо, чтобы разность потенциалов между заряженным телом и заземлёнными частями оборудования не превышала уровня, определяемого электрической прочностью воздуха. Для снижения потенциала заряженной поверхности стремятся повысить удельную электрическую ёмкость заряженной поверхности (или заряженных частиц) относительно земли. При увеличении ёмкости тела соответственно уменьшается энергия заряда с этого тела и понижается опасность воспламенения паро-газо-воздушных смесей. Иногда данный метод используют для уменьшения опасности разрядов с человека. Для этого в рабочих зонах создаются заземлённые площадки (иногда под изоляционным покрытием пола), которые служат для увеличения ёмкости человека. Исследования показали, что таким образом можно увеличить ёмкость человека в 3–4 раза.

Иногда применяют обычные меры предотвращения возможности воспламенения – снижают концентрацию горючих веществ ниже нижнего предела взрываемости, создают атмосферу инертного газа, применяют электростатические экраны, заменяют горючие вещества негорючими.

Необходимо заметить, что внедрению какого-либо мероприятия по предотвращению электризации должно предшествовать тщательное изучение условий производства. Как правило, наиболее эффективным оказывается использование сразу нескольких из рассмотренных методов.