6-2. Elektryczność statyczna i energia elektryczna

Zagrożenia elektrycznością statyczną są spowodowane bezpośrednim oddziaływaniem pola elektrycznego wytwarzanego przez naelektryzowane obiekty lub oddziaływaniem wyładowań elektrostatycznych (patrz: [N.10], [N.11], [N.12], [N.13], [N.14], N.15][N.72]). Wyróżnia się trzy rodzaje zagrożeń:

• niekorzystne oddziaływanie na człowieka,
• zakłócenia procesów technologicznych,
• pożarowo-wybuchowe.

Podczas procesów technologicznych, w których występuje elektryzacja, wytwarzane jest pole elektrostatyczne o natężeniu rzędu 10 ÷ 100 kV/m. Izolowane przedmioty metalowe znajdujące się w tym polu oraz same układy technologiczne mogą być źródłem porażeń elektrycznych człowieka, gdy dotknie on tych przedmiotów. Skutki takich porażeń są takie same jak przy rażeniach krótkotrwałymi jednokierunkowymi impulsami prądu stałego. Wpływ pola elektrostatycznego na samopoczucie i zdrowie człowieka nie jest dokładnie zbadany, ale nie jest ono obojętne dla człowieka.

Silne pola elektrostatyczne mogą powodować zakłócenia w działaniu aparatury kontrolno-pomiarowej, komputerów oraz we wszelkich urządzeniach elektronicznych zawierających elementy półprzewodnikowe. Wyładowania elektryczności statycznej mogą uszkadzać elementy półprzewodnikowe. Wyładowania te może powodować sam człowiek, kiedy jest naładowany i dotyka tych elementów.

Zagrożenie pożarowo-wybuchowe sprowadza się do tego, że wyładowanie elektrostatyczne jest jednym z możliwych źródeł inicjacji zapłonu. Przyjmuje się, że zagrożenie występuje, jeśli jest spełniony warunek:

Ww > kWzmin

gdzie:

Ww - energia wyładowania elektrostatycznego,

k - współczynnik bezpieczeństwa,

Wzmin - minimalna energia zapłonu.

Oceny możliwości wystąpienia niebezpiecznego naelektryzowania można dokonać, znajdując odpowiedź na następujące pytania:

1. Czy materiał wykazuje zdolność do elektryzowania się?
2. Czy materiał zdolny do elektryzowania się może naelektryzować się w procesie produkcji?
3. Czy po naelektryzowaniu się materiału może zostać zainicjowane wyładowanie elektrostatyczne lub zostać wytworzone niebezpieczne pole elektryczne?

Negatywna odpowiedź na jedno z tych pytań umożliwia bezpieczne użytkowanie lub prowadzenie procesu technologicznego bez stosowania środków ochrony przed elektrycznością statyczną. W celu uzyskania odpowiedzi na te pytania wykonuje się badania zdolności do elektryzowania i trwałości naelektryzowania materiału.

Do oceny poszczególnych rodzajów zagrożeń elektrycznością statyczną stosuje się różne kryteria. Najczęściej przeprowadza się ocenę zagrożenia na podstawie kryterium rezystywnościowego. Rezystywność determinuje czas utrzymywania się ładunku elektrostatycznego, w związku z czym znajomość tej wielkości daje pośrednio informacje dla oceny stopnia zagrożenia elektrycznością statyczną.

Zagrożenia wywołane elektryzowaniem się ciał stałych w postaci zwartej występują w wielu procesach przemysłowych, np. takich jak: przewijanie, walcowanie, kalandrowanie, powlekanie oraz przy przenoszeniu napędu przez paski klinowe i pasy transmisyjne, tarciu odzieży, toczeniu się kół pojazdów, itp.

Kryterium rezystywnościowe oceny zagrożeń od elektryczności statycznej w odniesieniu do ciał stałych w postaci zwartej opiera się na takich wielkościach, jak: rezystywność skrośna (objętościowa) p v, rezystywność powierzchniowa ps, rezystancja skrośna (objętościowa) R v, rezystancja powierzchniowa Rs, rezystancja upływu Ru.

Rozróżnia się następujące grupy materiałów:

• grupa I - materiały antyelektrostatyczne, tj. o rezystywności rv ≤ 108 W·m lub/i rs ≤ 1010 W
• grupa II - pozostałe materiały (nie mające właściwości antyelektrostatycznych).

W obrębie grupy I wyróżnia się jeszcze materiały przewodzące i materiały częściowo przewodzące. Materiały przewodzące spełniają wymagania ochrony antyelektrostatycznej w każdych warunkach. Stosowanie materiałów o małych rezystywnościach umożliwia osiągnięcie odpowiedniej rezystancji upływu elementów wykonanych z tych materiałów i eliminuje zagrożenia elektrycznością statyczną.

W celu oceny zdolności inicjowania zapłonu przez wyładowanie elektrostatyczne przeprowadza się badania zdolności zapalania określonych mieszanin palnych lub wybuchowych albo mierzy się ładunek przenoszony podczas wyładowania.

Intensyfikacja elektryzowania ciał rozdrobnionych zwiększa się ze wzrostem prędkości przemieszczania się rozdrobnionych ciał, stopnia ich rozdrobnienia oraz przy zawirowaniach. Wraz ze stopniem rozdrobnienia maleje wartość minimalnej energii zapłonu mieszanin.

Kryteria oceny zagrożenia pożarowo-wybuchowego w instalacjach transportu pneumatycznego ciał rozdrobnionych są znormalizowane. O zagrożeniu wewnątrz instalacji decyduje wartość natężenia pola elektrostatycznego E wytworzonego w niej.

Elektryzowanie się cieczy następuje podczas takich operacji, jak: przepływ przez rurociągi, napełnianie i opróżnianie zbiorników - w szczególności połączone z rozbryzgiwaniem, falowanie cieczy w zbiorniku będącym w ruchu, rozpylanie, mieszanie, filtrowanie, itp. Natężenie prądu elektryzacji wzrasta ze wzrostem prędkości przepływu średnicy rurociągu oraz stopnia szorstkości powierzchni wewnętrznej.

Kryterium rezystywnościowe dotyczące cieczy opiera się na pomiarze rezystywności objętościowej. Kryterium to nie ma zastosowania w przypadku rozpylania cieczy i tworzenia obłoków. Nawet woda może się intensywnie elektryzować w tych warunkach. Problem ten występuje np. w przypadku mycia zbiorników strumieniem wody.

Gazy, pary lub ich mieszaniny elektryzują się tylko wtedy, kiedy znajdują się w nich zanieczyszczenia w postaci cząstek ciał stałych i/lub ciekłych, takie jak: rdza, kropelki wody, skroplony gaz, mgła itp. Elektryzowanie następuje w wyniku kontaktowania się tych cząstek ze sobą, ze ściankami naczynia, przewodu, itp., bądź rozrywania kropelek. Strumień naelektryzowanego gazu może również indukować ładunek na elementach przewodzących.

W wyniku elektryzowania się gazów możliwe jest zainicjowanie zapłonu, jak również dokuczliwe oddziaływanie wyładowań elektrostatycznych na personel. W praktyce należy liczyć się z elektryzowaniem wszystkich gazów technicznych w warunkach ulatniania się lub wypływu gazu pod ciśnieniem. Szczególną ostrożność należy zachować w przypadku wodoru i acetylenu, z uwagi na ich małe minimalne energie zapłonu.

W przypadkach, gdy wskutek naelektryzowania gazu może wystąpić zagrożenie, należy przede wszystkim uziemić wszystkie przewodzące elementy, które mogą znaleźć się na drodze strumienia gazu. W takich warunkach należy unikać stosowania elementów izolacyjnych.