Защита от статического электричества в промышленности

СЭ породило в промышленности ряд проблем, среди которых главными являются защита от пожаров и взрывов, защита от технологических помех, защита от физиологического воздействия на организм человека.

Возможность пожаров и взрывов, причиной которых является СЭ, возникает в следующих условиях:

а) заряды СЭ создают напряженность электрическо­
го поля, при которой возможно искрообразование;

б) энергия разрядов СЭ достаточна для воспламене­
ния горючей смеси;

в) паро-, газо- или пылевоздушная смесь имеет кон­
центрацию, при которой возможно ее воспламенение
искровыми разрядами.

Средняя напряженность электрического поля, при которой возможен разряд,составляет 4-Ю²—5-10²кВ/м

Для резко неоднородного, 15-10²—20-10² кВ/м для слабо неоднородного и до 30-10² кВ/м для однородного элек­трического поля.

Сквозные разряды в однородном поле сопровожда­ются большим выделением энергии, чем незавершенные в резко неоднородном поле, которые наиболее характер-ны*для разрядов СЭ с диэлектриков.

Опасность воспламенения искрой снижается с рос­том минимальной энергии воспламенения паровоздуш­ной смеси. Разряды СЭ не в состоянии воспламенять смеси с минимальной энергией воспламенения 100 мДж и выше.

Технологические помехи возникают в результате дей­ствия электрических сил СЭ. В ходе электризации при достижении определенной плотности заряда на диэлек­трике начинает сказываться силовое взаимодействие между отдельными частями перерабатываемого мате­риала, нарушающее нормальный ход того или иного тех­нологического процесса.

До сих пор не определены минимальные величины зарядов, создающие технологические помехи, так как взаимосвязь между электростатическими помехами и величиной заряда обусловливается не только особеннос­тями технологического процесса, но и физическими свой­ствами материалов, а также средой, в которой обраба­тывается продукт. В каждом конкретном случае пре­дельно допустимое значение зарядов СЭ, не создающих технологических помех, определяется непосредствен­ными измерениями.

Физиологическое воздействие СЭ на организм чело­века может проявляться в форме малого тока, длитель­но протекающего через тело человека; кратковременно­го электрического разряда, а также электрического по­ля, действующего на организм человека.

Воздействие постоянного электрического тока на тело человека ощутимо, когда его значение составляет 5—7 мА. Токи статической электризации, как правило, не превышают десятков микроампер. Однако эти токи могут представлять собой вред для организма, если они действуют в течение длительного времени.

Искра, проскакивающая между телом человека и за­ряженным объектом, вызывает испуг, сопровождающий­ся непроизвольными нескоординировапными движения­ми, что может привести к несчастному случаю.

Электрическое поле напряженностью 3-Ю⁴ В/м и выше может вредно сказываться на состоянии человека.

Способы защиты от статического электричества. Все способы защиты от СЭ могут быть условно разделены на две группы. К первой из них относятся способы, ис­пользование которых предотвращает накопление заря­дов СЭ на взаимодействующих телах. Сюда входят заземление металлических и электропроводных 'неметал­лических элементов оборудования; увеличение поверх­ностей и объемной проводимости диэлектриков, а так­же другие способы, в том числе подбор контактных пар.

Вторая группа способов, не исключая возможности накопления зарядов, предотвращает нежелательное или опасное их проявление. В этом случае задача решается установкой на технологическом оборудовании нейтрали­заторов зарядов СЭ, а также другими способами, в том числе проведением технологических процессов в средах, в которых разряд СЭ не вызывает пожаров и взрывов.

Заземление. Все проводящее оборудование и электро­проводные неметаллические предметы должны быть за­землены независимо от того, применяются ли другие ме­ры защиты от СЭ.

Неметаллическое оборудование считается электроста­тически заземленным, если сопротивление растеканию тока на землю с любых точек его внутренней и внешней поверхности не превышает 10⁷ Ом при относительной влажности воздуха не выше 60%- Такое сопротивление обеспечивает необходимое значение постоянной времени релаксации в пределах десятой доли секунды в невзры-воопасной и тысячной доли секунды во взрывоопасной среде. Постоянная времени релаксации т связана с сопротивлением Я заземления предмета или оборудо­вания и его емкостью С соотношением т=^?С.

Если емкость С мала, сопротивление растеканию то­ка может быть выше 10⁷ Ом. Из этих соображений рас­считаны максимально допустимые значения заземляю­щих сопротивлений, приведенные в табл. 3.

Заземляющие устройства для защиты от СЭ должны, как правило, объединяться с защитными заземляющими устройствами. Принято, что сопротивление заземляюще­го устройства, предназначенного исключительно для за­щиты от СЭ, не должно превышать 100 Ом, хотя для от­вода малых зарядов СЭ вполне пригодно сопротивление до 10⁷ Ом.

Протяженная технологическая линия, включающая трубопроводы, аппараты, станки, должна представлять собой на всем протяжении непрерывную электрическую цепь, которая в предалах цеха должна присоединять­ся к основному контуру заземления не менее чем в двух местах.

Таблица 3

Среда	Сопротивление Я, Ом. при емкости предмета С. Ф
	10-"	Ю-ю
Взрывоопасная (х= 10 ~3 с) Невзрывоопасная (т=10-1 с)	10е 1010	10' 109

Присоединению к контуру заземления отдельным от­ветвлением подлежат аппараты, машины и устройства, которые представляют собой источники интенсивной ге­нерации зарядов СЭ. Сюда относятся смесители, валь­цы, каландры, сита, дробилки, сливно-наливные устрой­ства и т. д.

Металлические вентиляционные короба и кожухи термоизоляции трубопроводов и аппаратов в пределах цеха должны быть заземлены через каждые 40—50 м.

Наливные стояки эстакад для заполнения железно­дорожных цистерн и рельсы железнодорожных путей в пределах пункта сливно-наливных операций электричес­ки соединяются между собой и присоединяются к за­земляющему устройству.

Автоцистерны, танки наливных судов, самолеты, на­ходящиеся под наливом или сливом легковоспламеняю­щихся жидкостей или сжиженных горючих газов, зазем­ляются на весь период технологического цикла. Детали машин и инструмент, подвергающиеся интенсивному взаимодействию с диэлектрическими поверхностями, не­обходимо заземлять.

Однако заземление далеко ие всегда решает пробле­му защиты от СЭ. Так, например, заземление резервуа­ра, заполняемого наэлектризованной жидкостью, лишь исключает накопление заряда, натекающего из объема жидкости, на его стенках, но вовсе не ускоряет процесс рассеивания заряда в жидкости. Тем не менее заземле­ние резервуара играет важную роль — оно исключает

'возможность появления потенциала на стенках и разви­тие разрядов с резервуара на землю.

Эффективное отведение заряда с тела человека обес-Гпечивает антистатическая обувь, сопротивление утечки которой должно находиться в пределах 10⁴—10⁷ Ом. При |&том пол также должен облапать достаточной электро­проводностью.

Пример. Стоящий человек представляет собой кон­денсатор емкостью 150-Ю^-12 Ф. Найдем максимальное суммарное сопротивление утечки обуви, носок и пола:

во взрывоопасной среде

Тд_ОП=/?С=10-³ с; /?=6,6-10⁶ Ом;

в невзрывоопасной среде

_Тдоп=10-¹ с; #=6,6-10⁸ Ом.

Экспериментально суммарное сопротивление опреде­ляют, принимая минимальное значение площади контак­та человека с проводящей поверхностью 20 см².

Увеличение поверхностной и объемной электропровод-юности диэлектрика. Электропроводность диэлектрика оп­ределяет его способность отводить заряды СЭ, поэтому повышение электропроводности является одним из эф­фективных средств борьбы с вредными проявлениями СЭ. Известен ряд способов увеличения поверхностной и объ­емной электропроводности для твердых и жидких ди­электриков.

а) Увлажнение воздуха. Повышение относительной влажности воздуха до 65—75%, если это допустимо по условиям технологического процесса, в ряде случаев су­щественно увеличивает поверхностную электропровод­ность диэлектрических гидрофильных материалов, обла­дающих способностью адсорбировать на своей поверх­ности очень тонкую пленку влаги. Эта пленка, как пра­вило, содержит некоторое количество ионов из загряз-[нений, за счет которых обеспечивается поверхностная [электропроводность электролитического характера. Гид­рофобные материалы — сера, парафин, политетрафтор­этилен и др.—'даже в присутствии водяных паров не кбладают таким свойством. Зависимость удельного [поверхностного сопротивления рв от относительной влаж­ности воздуха В для некоторых материалов иллюстри­руется табл. 4. Как следует из таблицы, влияние влаж-

ности на удельное сопротивление тем выше, чем боль­ше твердость материала.

Значения р₈ различных диэлектриков при В=100% приведены в табл. 5.

Повышенная влажность в зоне взаимодействия элект­ризующих материалов создается путем общего или мест­ного увлажнения воздуха в помещении.

Практически увеличение влажности обеспечивается распылением водяного пара или воды, циркуляцией влажного воздуха и, наконец, свободным испарением с больших поверхностей воды. При этом электризующиеся поверхности обязательно должны иметь температуру ни­же температуры окружающей среды примерно на 10°С, при которой пленка может сформироваться и удержать­ся на поверхности.

б) Химическая обработка поверхности, электропро­водные покрытия. Увеличение поверхностной электро­проводности полимерных материалов может быть до­стигнуто химической обработкой поверхности кислотами (например, серной или хлорсульфоновой кислотой). В результате обработки поверхность полимера (поли­стирол, полиэтиленовые и полиэфирные пленки) окисля­ется или сульфируется. Установлено, что за время суль-

Таблица 4

Материал	Твердость по шкале Мооса	Удельное поверхностное сопротивление р, Ом
	В = С% В = 98%
	1—2 2 2—3 2—3 3 4—5	5-10" 5-10" 7-Ю15 5-10"6-1014 1-10" ЫО»	5-10"3-10"
Пресс-порошок на основе фе- нолформальдегвдной смолы К-221-34........................................	7-10" 1,5-10" 3-10" ЫО13 6,5-Ю"

Та б лица 5

Материал	Р5. Ом	Материал	Р5. Ом
Политетрафторэтилен.. Полистирол (листы)...	3.6-10" 8,4-10" 1,3-10"	Полистирол (.питье).. Полиамид^ (найлон)...	2.4-Ю9 1,3-10» 3,8-10» |

фирования (10—15 мин) удельное поверхностное сопро­тивление снижается до 10⁶ Ом при относительной влаж-шости воздуха 75%.

Увеличение электропроводности изделий из полисти­рола и полиолефинов достигается также погружением образцов в петролейный эфир при одновременном воздей­ствии ультразвуком. Поверхностное сопротивление об­работанных таким образом изделий составляет 10¹⁰ Ом 'при относительной влажности воздуха 80%. Методы хи­мической обработки эффективны, но требуюг точного соблюдения технологических условий.

В ряде случаев (необходимый эффект достигается на­несением на диэлектрик поверхностной хорошо прово­дящей пленки. Исходными материалами для них могут быть углерод, металлы или окислы 'Металлов. Пленки на углеродной основе представляют собой коллоидный уг­лерод, распыленный в жидкой среде, или мелко распы­ленный углерод (частицы меньше 1 мкм). Металличес­кие тонкие пленки получают распылением, разбрызги­ванием или испарением в вакууме.

Окисные пленки (пленки из окиси олова) применя­ются в производстве стекла с проводящей поверхностью. Они создаются распылением хлористого олова на нагре­тую поверхность.

в) Антистатические вещества. Поверхностную элек­тропроводность диэлектриков можно увеличивать путем применения антистатических веществ, наибольший инте­рес из которых представляют так называемые гигроско­пические и поверхностно-активные вещества. Антистати­ческие препараты поглощают влагу и удерживают ее, создавая на поверхности диэлектрика пленку влаги. К числу гигроскопических веществ относятся многоатом­ные спирты (гликоль, глицерин, сорбит) и неорганичес­кие соли (СаСЬ, 1ЛС1, М^СЬ). Наибольшее распростра­нение получают поверхностно-активные вещества (ПАВ). ПАВ — вещества, способные адсорбироваться на поверхности раздела фаз.

ПАВ наносятся на поверхность или внедряются в в массу материала. Нанесение ПАВ на поверхность на­ходит применение в текстильной промышленности. Его недостатком является непостоянство антистатических свойств материала с течением времени. Преимуществом метода внедрения ПАВ в массу вещества является боль­шая стабильность свойств обработанного полимера, что

Является результатом накопления ПЛВ 6 полимерной массе и постепенного перемещения его на поверхность. Способность к восстановлению антистатических свойств после обработки поверхности сильно зависит от структу­ры диэлектрика. Для каждого диэлектрика оптимальные концентрации ПАВ различны.

Обычно применяют следующие концентрации ПАВ: для полиэтилена низкого давления 0,05—0,1%, полиэти­лена высокого давления 0,2—0,3%, полипропилена 0,5%, поливинилхлорида твердого 0,5—1,5%, полиакрила 2— ■3%, полистирола 1,5—2,5 %.

Особое место занимают антистатические присадки, добавляемые в горючие диэлектрические жидкости с целью снижения объемного удельного сопротивления. В нашей стране такими присадками являются «Сигбол», а также ряд других веществ: олеат хрома, диолетсали-цилат хрома, хромовые соли синтетических жирных кис­лот и др. (приложение 1). Введенные в жидкость в ко­личестве 10~⁴—10~^в частей по массе эти присадки су­щественно повышают объемную электропроводность. Широкое применение в операциях по промывке деталей нашли присадки «Аккор-1» и АСП-1. Будучи добавлена в бензин или керосин, антикоррозийная присадка «Ак­кор-1» придает им антистатические свойства (10—15 г присадки на 100 л жидкости). Присадка АСП-1, введен­ная в раствор натурального каучука в бензине в коли­честве 0,02% массы каучука, снижает удельное сопро­тивление раствора на три-четыре порядка.

г) Электропроводящие наполнители. Электропрово­дящие наполнители (ацетиленовая сажа, алюминиевая пудра, графит, цинковая пыль) вводятся в массу твердо­го диэлектрика для повышения объемной электропро­водности.

Лучшим наполнителем является ацетиленовая сажа, 20%-ное содержание которой в полимере снижает его удельное сопротивление на 10 порядков, при этом меха­нические характеристики изделий (трубы из полиэтиле­на низкого давления) практически не меняются.

Электропроводящие резины получают введением аце­тиленовой сажи в массу материала (приложение 2). Са­жа меняет электропроводность резиновых изделий в ши­роких пределах, что отражено в табл. 6.

Из антистатической резины изготовляют клиновые ремни, конвейерные ленты, рулонные покрытия для по-

Таблица 6

Удельное объемное
резины сопротивление, Ом-м

Проводящая................................................... До 5-Ю²

Антистатическая........................................... 5-Ю²—МО⁶

Изоляционная.............................................................. МО⁸—МО"

■ов, автомобильные шины, обои, оОкладки прядильных и типографских роликов, детали пылесосов и т. д.

Разработана специальная рецептура маслобензо-Ёгойкой электропроводящей резины, из которой изго­товляются, например, напорные рукава и шланги для ^перекачки топлив и растворителей (приложение 3).

Нейтрализация зарядов на поверхности неэлектри-зованного диэлектрика. Нейтрализация зарядов СЭ осу­ществляется путем ионизации воздуха и направленного швижения ионов к поверхности диэлектрика.

Применяют два способа ионизации воздуха: сильным электрическим полем и радиоактивным излучением.

Устройства, ионизирующие воздух с целью нейтрали­зации электрических зарядов, называют нейтрализато­рами статических зарядов.

Принцип работы нейтрализаторов сводится к тому, ито они создают вблизи наэлектризованного диэлектри­ка положительные и отрицательные ионы. Ионы, имею­щие полярность, противоположную полярности заря-шов иаэлектризованного материала, под действием влектрического поля оседают на поверхности диэлект-' рика, нейтрализуя его.

По принципу действия нейтрализаторы подразделя-мот на нейтрализаторы коронного разряда (индукцион-■ые и высоковольтные с питанием от постороннего ис-■гочника напряжения); радиоактивные с а- и р- излуче­нием; комбинированные; аэродинамические.

Индукционные нейтрализаторы статического элект-ричества (ИНСЭ) конструктивно наиболее просты. Они ■состоят из несущих металлических, деревянных или ди­электрических стержней, на которых укреплены зазем­ленные острия, тонкие проволочки и т. д. (рис. 11).

Электрическое поле у электродов ИНСЭ создается

^зарядами СЭ наэлектризованного материала. Под

действием сильного электрического поля вблизи

разрядного электрода происходит ударная ионизация, в результате которой образуются ионы обоих знаков (рис. 12).

Увеличения напряженности электрического поля, ко­торая определяет интенсивность ударной ионизации, при прочих равных условиях добиваются в первую очередь, за счет уменьшения радиуса кривизны разрядных элек­тродов и выбора оптимального расстояния между элек­тродами. Это обстоятельство положено в основу конст-

12

ли!

С Г | I 1 Г.ПТП

- ^ Д. Л

>птт

*)

Я:

4-

Г^л

	-ч	А	1,	Э	А-	А
'	==1		\1э
1п	,	1		л\ I 5/
с ЧА 1*,

*)

-А 1I1

тттт

66)

Ей)

Рис. 11. Индукционные.нейтрализаторы СЭ.

1а — игольчатые без экрана; 16 — игольчатые с экраном; 2 — щеточные; 3 — проволочные; 4 — стержневые для жидкости; 5 — пилообразные; 6а — с сигна­лизацией о работе с помощью микроамперметра; 66 — с сигнализацией о ра­боте с помощью неоновой лампы; 1 — игла-электрод; 2 — стержень; 3 — экран; 4 — острие(«щетка»)-электрод; 5 — проволока-электрод; 6 — движущееся на­электризованное полотно; 11 — микроамперметр; 12 —неоновая лампа.

руктивного исполнения разрядных электродоЁ индукци­онных нейтрализаторов (рис. 11).

Щеточные разрядные электроды с частым располо­жением проволочек обладают минимальной эффектив­ностью. Игольчатые электроды обладают более высокой ионизационной способностью.

Наилучшая нейтрализующая способность игольчатых электродов обеспечивается при отношении высоты игл к расстоянию между ними 0,6—1,8 при длине игл не менее 12—50 мм и диа­метре 0,5—1 мм. Опыт показывает, что уменьше­ние угла заточки иглы слабо повышает ток раз­ряда с иглы, особенно для ■угла менее 60°.

Рис. 12. Схема нейтрализации за­рядов индукционным нейтрализа­тором. / — разрядный электрод; 2 — зона ударной ионизации: 3 — наэлектризо­ванный диэлектрик; 4 — направление движения диэлектрика.

Для увеличения эф­
фективности действия
[нейтрализатора следует
Ёстремиться к сокращению,»/©<&
[расстояния между кончи- ~~
ками игл и нейтрализуе­
мой поверхностью до 5—
20 мм. Минимальное рас­
стояние определяется
обычно амплитудой виб-
I рации материала. Укреп­
ление игл на диэлектри­
ке, обладающем высоким сопротивлением, также способ­
ствует повышению эффективности работы ИНСЭ, так
как при этом уменьшается емкость системы электродов
I по отношению к заряженной поверхности и растет на­
пряженность электрического поля у разрядных элек-
I тродов.

Нейтрализаторы снабжают обычно кожухами (рис. 11, 16) для защиты обслуживающего персонала от слу­чайного прикосновения к электродам. Материал ко­жухов и их размеры оказывают существенное влияние на эффективность действия нейтрализатора. Защитные кожухи рекомендуется изготовлять из диэлектриков, а края кожухов удалять от острий электродов не менее чем на 50 мм.

Нейтрализаторы монтируются непосредственно перед местом, где заряды создают технологические помехи,

или вблизи от места генерации зарядов. Окончательное решение о целесообразности использования ИНСЭ при­нимают после определения с помощью измерений мест интенсивной генерации зарядов, численных значений плотности зарядов на поверхности и оценки их внешних проявлений. Индукционные нейтрализаторы применяют при.необходимости снизить заряд СЭ до такого значе­ния, когда технологические помехи от СЭ уже не возни­кают.

Индукционные нейтрализаторы не «снимают» пол­ностью заряд с перерабатываемого материала, причем остаточная поверхностная плотность заряда на материа­ле за индукционным нейтрализатором составляет (0,2—б^КН Кл/м².

При эксплуатации характеристики.нейтрализаторов ухудшаются, так как острия обрастают загрязнениями, попадающими на них из окружающей среды. По этой причине иглы нуждаются в периодической очистке. Эф­фективность ИНСЭ становится низкой, если в зоне его расположения под нейтрализуемой поверхностью ди­электрика находятся проводящие заземленные элементы оборудования, которые ограничивают действие ИНСЭ. Нейтрализатор статического электричества в жидко­сти (рис. 11, 4) представляет собой металлический ци­линдр с радиально расположенными стержневыми, заостренными на концах разрядными электродами. В каждом сечении соседние электроды смещены относи­тельно друг друга на 120°. Нейтрализатор врезается в магистраль трубопровода в том месте, где необходимо снизить заряд СЭ прокачиваемой жидкости.

Контроль за качеством работы нейтрализаторов осу­ществляется измерением тока с игл (рис. 11, 6а) или подключением неоновой лампы в разрыв между иглами и «землей» (рис. 11,66). Общим недостатком индукци­онных нейтрализаторов является то, что они начинают работать только после достижения некоторой плотности заряда на диэлектрике, обеспечивающей условия само­стоятельности разряда у острия. Для некоторых техно­логических процессов эта минимальная плотность заря­дов оказывается недопустимо большой, и поэтому ИНСЭ здесь неэффективны.