Bezpieczeństwo produkcji, Materiały sypkie, Rozwiązania dla przemysłu, Technika i przemysł, Utrzymanie ruchu

[Case study] Zapłon obłoku pyłu spowodowany elektrycznością statyczną

Fot. freepik.com
Fot. freepik.com
  • Zapłon obłoku łatwopalnego pyłu, do którego doszło podczas operacji manualnego przesypywania proszku
  • Analiza przyczyny wypadku spowodowanego elektrycznością statyczną

W przypadku, który został poddany analizie, zadaniem operatora procesu produkcyjnego było ręczne przesypanie około 18 kg proszku z beczki z tworzywa sztucznego (polietylenu) do metalowego zbiornika technologicznego. W beczce znajdował się palny proszek o minimalnej energii zapłonu MEZ wynoszącej 12 mJ. Na obwodzie górnej części beczki umieszczony był metalowy pierścień, który miał zabezpieczać beczkę przed uderzeniami podczas codziennego użytkowania w zakładzie.

Operator wsypywał proszek do zbiornika technologicznego, opierając przy tym beczkę na krawędzi zbiornika. Podczas zsuwania beczki z metalowego zbiornika, gdy proszek był już w całości przesypany, nastąpił zapłon obłoku pyłu, który utworzył się w górnej części zbiornika.

Postawiono tezę, że nagromadzenie ładunków elektrostatycznych na pierścieniu spowodowało uwolnienie z niego iskry elektrostatycznej, w momencie gdy znalazł się on w bezpośredniej bliskości zbiornika podczas zsuwania beczki. Należy zaznaczyć, że metalowy zbiornik był uziemiony poprzez stałe podłączenie do instalacji zakładu.

Aby sprawdzić, czy postawiona teza jest właściwa, przeprowadzono eksperyment w celu ustalenia, jak duży ładunek elektrostatyczny mógł zostać wytworzony przez ruch proszku. Taki sam produkt i w takiej samej ilości tj. 18 kg, przesypano z podobnej beczki do klatki Faradaya, w której dokonano pomiaru ładunku elektrostatycznego.

Na klatce Faradaya, do której wsypano proszek, zmierzono ładunek elektryczny o wartości 3,6 µC. W tym przypadku doszło do tzw. elektryzacji kontaktowo-tarciowej poprzez styk materiału sypkiego i beczki z tworzywa sztucznego podczas przesuwania się proszku wewnątrz jej powierzchni. Wynik pomiaru natężenia pola elektrycznego, wykonanego za pomocą miernika, wyniósł 500 KV/m. Został on zarejestrowany na odizolowanej części beczki, która mogła mieć wpływ na elektryzację metalowego pierścienia poprzez indukcję.

Biorąc pod uwagę wysoki stopień wytwarzania się ładunku kontaktowego, powstałego wskutek tarcia, ilość ładunków elektrostatycznych na pierścieniu (które mogłyby powstać w wyniku elektryzacji przez indukcję) byłaby ograniczona przez jego powierzchnię. W tym przypadku powierzchnia pierścienia w przybliżeniu wynosiła 0,0641 m2.

Jeśli łączna ilość ładunków elektrostatycznych (3,6 µC) wytworzona przez ruch proszku zostałaby wywołana indukcyjnie na pierścieniu, spowodowałaby ona przekroczenie maksymalnej gęstości powierzchniowej ładunku, jaką dowolna powierzchnia może utrzymać w powietrzu. Maksymalna gęstość powierzchniowa ładunku w powietrzu jest odpowiednikiem 27 µC/m2. Całkowita gęstość powierzchniowa ładunku pierścienia w tym przypadku teoretycznie wyniosłaby 56 µC/m2 (1).

Można przyjąć, że maksymalna gęstość ładunku, czyli łączny możliwy ładunek przypadający na powierzchnię pierścienia, została osiągnięta dzięki prostej i szybkiej czynności przesypania proszku z beczki do zbiornika. W tym badaniu pojemność elektryczną pierścienia oszacowano na 71 pF. Znając te wartości, możliwe było oszacowanie wartości potencjalnej energii wyładowania iskry. Przekształcając wzór 1, obliczono maksymalny ładunek na pierścieniu, który wyniósł prawie 1,7 µC (2). Z dalszych obliczeń wynika, że napięcie elektrostatyczne pierścienia wyniosłoby w granicach 24 000 V (3).

Wytrzymałość dielektryczna powietrza przy ciśnieniu 1 atmosfery, w temperaturze 0°C, pomiędzy płaskimi elektrodami wynosi około 3000 V/mm. W związku z tym napięcie elektrostatyczne pierścienia byłoby w stanie rozładować iskrę elektrostatyczną z odległości co najmniej 8 mm od uziemionego zbiornika technologicznego.

Na podstawie obliczeń ustalono, że energia potencjalna pierścienia wyniesie 20 mJ (4), tym samym przekraczając wartość minimalnej energii zapłonu proszku, która wynosiła 12 mJ.

Zważywszy na to, iż MEZ materiału sypkiego rozproszonego w powietrzu wynosiła 12 mJ i że okoliczności procesu sprawiły, że urządzenia były w stanie znacznego naładowania elektrostatycznego, przy czym inne źródła zapłonu zostały wyeliminowane, zapłon obłoku pyłu spowodowała iskra, która powstała wokół uziemionego zbiornika technologicznego.

zaplon-obloku-pylu-spowodowany-elektrycznoscia-statyczna

Jakie działania można było podjąć, aby zapobiec wybuchowi?

Jest bardzo prawdopodobne, że proces przesypywania materiału sypkiego przeprowadzono wcześniej wielokrotnie bez wypadku spowodowanego iskrą elektrostatyczną, ponieważ podczas wyładowań pył węglowy nie pojawiał się w przerwie iskrowej. Jest to wspólną cechą operacji technologicznych, w których nastąpiły niepożądane skutki w postaci pożaru lub wybuchu wywołanego elektrycznością statyczną.

W przytoczonym przypadku należałoby rozpocząć od ustalenia, dlaczego na pierścieniu nagromadził się ładunek elektrostatyczny. Otóż, stało się tak, ponieważ pierścień był odizolowany od sprawdzonego systemu uziemienia. Gdyby został on podłączony do uziemionego już zbiornika technologicznego, ładunki nie nagromadziłyby się na nim – ich nadmiar zostałby odprowadzony do ziemi. Zgodnie z wytycznymi dla przemysłu odizolowany element metalowy powinien mieć połączenie ze sprawdzonym uziemieniem (w tym przypadku zbiornik technologiczny) o oporności 10 omów lub niższej.

Do połączenia beczki z pierścieniem z uziemionym zbiornikiem technologicznym mogą posłużyć zaciski uziemiające z diodą LED, która wskaże operatorowi poprawność uziemienia. Ewentualnie należy rozważyć zaprzestanie stosowania beczek z tworzywa sztucznego. Niemożliwe jest bowiem wyeliminowanie ładowania elektrostatycznego proszków, o ile nie wprowadzi się określonych zmian w proszku, celem zwiększenia jego przewodności elektrycznej. Bardzo często jest to trudne do wykonania i niemożliwe do osiągnięcia.

Używanie pojemnika wykonanego z tworzywa sztucznego o niskiej przewodności, jakim jest polietylen, nie jest zalecane w normach branżowych, ponieważ ładunki wytwarzane podczas procesu przesypywania pozostają na powierzchni beczki, nawet jeśli podejmuje się starania w celu jej uziemienia. Używanie przedmiotów z tworzywa sztucznego, które są złymi przewodnikami, niesie ze sobą znaczne ryzyko ładowania indukcyjnego innych przedmiotów w strefie zagrożenia wybuchem. Wyposażenie technologiczne i operatorzy, jeśli mają styczność z naładowanymi przedmiotami z tworzyw sztucznych lub znajdują się w bezpośredniej ich bliskości, mogą gromadzić ładunki elektrostatyczne. Najlepszym rozwiązaniem byłoby używanie beczek metalowych podłączonych do uziemionego zbiornika technologicznego tak, aby uniemożliwić gromadzenie się na nich ładunków.

Na koniec należy wspomnieć również o tak ważnej sprawie jak uziemienie wszystkich operatorów, którzy uczestniczą w procesie technologicznym, przez używanie obuwia rozpraszającego ładunki elektrostatyczne, które skutecznie umożliwi odprowadzenie ładunków powstałych na ich ciele podczas obsługi procesu do ziemi. Wyeliminuje to ryzyko powstawania iskier elektrostatycznych między ich ciałem a uziemionymi przedmiotami.

Normy branżowe określają, jakie środki należy podjąć, aby ograniczyć ryzyko pożaru lub wybuchu wywołanego wyładowaniem elektrostatycznym. Większości zagrożeń można uniknąć dzięki zastosowaniu odpowiednich systemów uziemiających.

Autorem opracowania jest Mike O’Brien, Newson Gale Ltd.