статическое электричество

Источник информации: Сайт «Firelit.h16.ru»
Размещено 15.12.2007

Версия о возникновении пожара от разряда статического электричества относится к числу наиболее сложных для анализа. Невесть откуда взявшийся на неэлектрофицированном объекте разряд в форме электрической дуги, вспышка, а то и взрыв воспринимаются окружающими как нечто непонятное, таинственное.

В отличие от короткого замыкания в электропроводке, материальных следов разряд статического электричества не оставляет. А нюансы процессов накопления зарядов статического электричества, позволяющие выявить хотя бы косвенные признаки их причастности к возникновению пожара, большинству пожарно-технических экспертов мало знакомы.

Как известно, электризация, вызывающая разряды статического электричества, возникает при соприкосновении двух разнородных материалов из-за неуравновешенности атомных и молекулярных сил на поверхности соприкосновения. При этом происходит перераспределение электронов с образованием двойного электронного слоя с противоположными знаками зарядов.

Электрический заряд накапливается и присутствует на поверхности тела, откуда он до какого-то момента не может уйти, и потому называется статическим, а возникшие затем разряды - разряды статического электричества. Заряд статического электричества может быть может быть либо положительным, либо отрицательным.

Величина контактной разности (заряда СЭ) зависит от множества факторов: диэлектрических свойств соприкосающихся поверхностей, их состояния; давления прижатия материалов друг к другу; влажности, температуры поверхности, температуры окружающей среды.

Электризация, формирующая заряды СЭ, возникает в повседневной жизни в массе случаев. Так, например, вихри снега во время метели способны создать потенциал поля - 65 В, а хождение людей в обуви на резиновой подошве - до 1000 В.

В технологических процессах электризация обычно находится под контролем технологов и потому менее опасна. Более опасны операции, не связанные с постоянным контролем специалистов, такие, например, как топливозаправка. Струя жидкости при опорожнении и заполнении цистерн или отдельных канистр бензином и другими легковоспламеняющимися жидкостями достаточно часто приводит к пожарам, источником зажигания в которых является разряд статического электричества. По этой причине, возникали даже пожара на моторных лодках, при заправке их топливом (без надлежащего заземления).

Разряд СЭ возникает при контакте заряженного тела или при приближении его на критическое расстояние к заземлённому предмету или предмету с другим потенциалом. Разряд происходит в форме электрической искры (дуги), которая и является источником зажигания.

Для того чтобы статический разряд стал источником зажигания при возникновении пожара, должны быть выполненны пять условий: 1) должен протекать процесс выработки статического заряда; 2) должны происходить накопление и поддержание заряда с достаточным электрическим потенциалом; 3) дуга (искра) разряда статического электричества должны обладать достаточной энергией для зажигания горючей смеси; 4) должна иметься эта самая горючая смесь необходимой концентрации и с энергией зажигания меньше, чем энергия дуги (искры) СЭ; 5) появление дуги (искры) СЭ и горючего вещества (смеси) должны совпасть во времени и пространстве.

Виды разрядов

В зависимости от природы и физических свойств объектов, участвующих в процессе накопления и разряда статического электричиества, разряды делят на несколько групп:

1. Разряды между проводящими телами.

Это известный в электротехнике вид разряда между между двумя проводящими электродами. Он может возникать с заряженного человека, инструмента, применяемого при монтаже оборудования из диэлектрических материалов, с тележек на резиновых шинах, с незаземлённой металлической тары, применяемой при работе с жидкостями и сыпучими материалами и т. д.

2. Разряды на проводящие электроды в полях статического электричества, образованных диэлектриками.

Подобные разряды возникают в случае образования поля статического электричества жидкостью или движущимся потоком диэлектрических материалов, и попаданием в это поле (или облако заряженных жидких или твёрдых частиц) заземлённого предмета (назовем его далее, в соответствии с выполняемой функцией, электродом).

Разряд может произойти, например, в паровоздушном пространстве над заряженной диэлектрической жидкостью и выступающими частями резервуаров, наконечниками шлангов и т. д. (см. ниже).

Соответствующие условия для возникновения подобных разрядов могут создаваться при применении понтонов из полиэтилена или пенополиуретана, резервуаров, бочек, канистр из резины, пластмассы, стеклопластиков и других диэлектрических материалов. Разряды могут происходить на заземлённые проводящие тела со стенок диэлектрических труб, по которым перемещаются сыпучие материалы или жидкости, с ленточных транспортеров, прорезиненных валков экструзионных машин и т. д.

Наиболее существенной отличительной чертой этих разрядов является определяющая роль кривизны поверхности проводящего электрода. Именно проводящий электрод в основном определяет вид и воспламеняющую способность подобного разряда.

3. Коронирование диэлектриков.

Это целая группа разрядов, происходящих, по сути, с диэлектрика на диэлектрик. Они могут происходить в технологических материаловпроводах из диэлектрических труб, особенно в начале перемещения жидкостей или сыпучих материалов.

Разряды этого типа возникают также при осаждении гранулированных пластмасс, наэлектризованных при перемещении по пневмотранспортным трубопроводам. В процессе осаждения пропорционально увеличению плотности твёрдой фазы увеличивается и плотность зарядов.

4. Разряд с твёрдых заряженных поверхностей.

В зависимости от физического механизма процесса разряда статического электричества с проводящих и диэлектрических заряженных поверхностей выделяют два типа разрядов: 1) искровой разряд (полный электрический пробой межэлектродного промежутка); 2) коронный или кистевой разряды (частичный электрический пробой межэлектродного промежутка).

Вид разряда определяется максимальной напряженностью поля и степенью его неоднородности.

При искровом разряде быстрое нарастание тока в пробиваемом промежутке сопровождается яркими световыми явлениями и сильными звуковыми эффектами, а также электромагнитными процессами. Для искры характерен отшнурованный канал.

В неоднородном электрическом поле обычно сначала образуется так называемая «лавинная корона», сопровождающаяся свечением в форме ореола, окружающего электрод (или объект, выполняющий его функцию). Затем наступает стадия лавинно-стримерных образований, подобных импульсной короне. Дальнейшее возрастание напряжения приводит к появлению ветвистых образований «кистевой разряд», которые берут свое начало на конце электрода с меньшим радиусом кривизны. Эти ветви являются так называемыми «заторможенными лидерами». После этого происходит образование лидера (основного искрового канала), перекрывающего весь промежуток, за которым следует главная и финальная стадия искры.

Одним из электродов при возникновении зарядов СЭ могут служить заряженные проводящие или диэлектрические элементы оборудования, а также жидкие и твёрдые материалы, обращающиеся в технологическом процессе. Роль второго электрода могут выполнять заземлённые участки оборудования, различные заземлённые тела, расположенные над заряженной поверхностью, вблизи неё или частично в неё погруженные, например, ребра жесткости в автоцистернах с горючим, входные патрубки, пробоотборники, гильзы для термометров, термопары и т. д.

5. Разряд с жидких диэлектриков.

В случае жидких диэлектриков (нефтепродуктов и др.) могут иметь место два типа разрядов: 1) рассеянный коронный (кистевой) разряд на остроконечных предметах в паровом пространстве, например, на острых зондах (щупах); 2) искровой разряд между заряженным топливом и заземленными закругленными частями резервуара (зонда) или разряд между 2 металлическими частями системы, например, разряд между плавающим на поверхности жидкостипоплавком уровнемера и стенками аппарата.

Процессы, приводящие к накоплению зарядов статического электричества

Электризация жидкостей.

1. Статическое электричество вырабатывается, когда жидкости движутся в контакте с другими материалами. Это обычно происходит при таких операциях, как перекачка по трубам и при смешивании, наливании, перекачке насосом, распылении, фильтровании или перемешивании. При определённых условиях, особенно, при работе с жидкими углеводородами, статическое электричество может накапливаться в жидкости. При достаточном накоплении статического электричества может возникнуть статическая дуга. Если дуга возникает в воспламеняемой смеси паров и воздуха, может произойти зажигание.

Скорость образования зарядов зависит от скорости потока. Чем выше скорость прокачки жидкости по трубопроводам и другому технологическому оборудованию, тем больший заряд она приобретает. Следовательно, уровень электризации жидкости непосредственно зависит от скорости технологического процесса, в котором она участвует.

При ламинарном течении скорость образования зарядов сравнительно мала, при турбулентном она больше.

2. Электризуемость жидкости зависит от величины её объемного сопротивления. Подавляющее количество чистых органических жидкостей являются диэлектриками. Как, впрочем, и неорганические жидкости, не содержащие солей и других примесей, способных к диссоциации, например, дистиллированная вода.

Многие жидкости - диэлектрики обладают повышенной склонностью к накоплению зарядов СЭ, причем эта склонность зависит от удельного электросопротивления жидкости.

При удельных объёмных сопротивлениях (Pv) порядка 1016 - 1018 Ом*см жидкости (если в них отсутствуют инородные примеси) практически не электризуются. С уменьшением объёмного сопротивления электризуемость сначала растёт, достигает максимума при величине Pv = 5*1012 Ом*см, а затем вновь падает. При Pv порядка 10 Ом*см электризация практически отсутствует.

Жидкие углеводороды, в том числе и нефтепродукты, как правило, являются хорошими диэлектриками. Удельное сопротивление светлых нефтепродуктов находится в пределах 1011 - 1013 Ом*см, т. е. близко к зоне максимальной электризации. Этим и обусловлена их заметная склонность к электризации.

Необходимо отметить, что процесс разделения зарядов при взаимодействии жидкости с твёрдыми веществами, перемешивании и распылении присущ практически всем жидкостям, содержащим носители электрического заряда. Однако плохо проводящие жидкости электризуются наиболее интенсивно, т. к. способны относительно долгое время удерживать в своем объёме электрические заряды. Это приводит, в частности, к тому, что простое увеличение объёма наэлектризованной жидкости в какой-либо емкости сопровождается и возрастанием общего числа зарядов СЭ в данной ёмкости.

Иногда для характеристики склонности жидкости к электризации пользуются не величиной электросопротивления, а обратной величиной - проводимостью. Её обычно выражают в пикосименсах (пСм). Один сименс (См) равен одному триллиону (1012) пикосименсов. Указывается, например, что диапазон проводимостей, в пределах которого явление электризации может быть ярко выраженным и представлять опасность возникновения электрических разрядов, способных воспламенять пары горючих жидкостей, применительно к реактивным аиатопливам составляет 0,05-30 пСм/м. При электропроводимости менее 0,05 пСм/м в топливе очень мало носителей заряда, и, хотя их релаксация протекает медленно, плотность заряда СЭ, достаточная для развития газоразрядных процессов, практически недостежима. При электропроводимости свыше 30 пСм/м заряды топлива быстро релаксируют и опасных электрических полей не возникает.

3. Носителями электрического заряда в жидкостях являются не сами жидкости (они диэлектрики), а содержащиеся в них примеси. Чистые жидкости с весьма малой электропроводностью, не электризуются. При введении растворов, которые увеличивают проводимость жидкостей, образуется заряд, скорость образования которого увеличивается с повышением проводимости. При определенной величине электропроводности скорость образования заряда достигает максимума, а затем уменьшается. И совсем не замечается электризация жидкостей с проводимостью, соответствующей проводимости воды. Химический состав раствора может незначительно влиять на скорость образования зарядов.

Содержание и характер примесей в жидкостях, получаемых из природного сырья, например, светлых нефтепродуктах, зависит от месторождения сырья (нефти), технологического процесса переработки и очистки и др. Электрические характеристики могут зависеть и от степени диссоциации примесей при колебаниях температуры и т. д.

При увеличении количества различных примесей в нефтепродуктах электропроводность возрастает. Поэтому при достаточно высоком удельном сопротивлении (1010 - 1012 Ом*м) и достаточном количестве активных примесей наблюдается наибольшая электризации. При дальнейшем увеличении примесей происходит значительное снижение удельного сопротивления нефтепродуктов и, несмотря на увеличение числа активных частиц, происходит быстрая утечка заряда.

4. Помимо названных основных факторов, влияющих на степень электризации жидкостей, существенное значение имеют вязкость и температура жидкости, характер примесей, наличие воды. Однако электропроводность жидкости и динамика взаимодействия с твердой стенкой в процессе электризации являются определяющими.

Заливка жидкости в резервуары.

Заливка жидкостей в резервуары приводит к сильной электризации как самой жидкости, так и деталей заливочной системы.

Отмечается, что, например, при заливке бензина в бак автомобиля заряд получает латунный наконечник резинового шланга. Потенциал наконечника относительно земли (или бака) будет 1,5-14 кВ в зависимости от скорости прокачки.

Особенно опасна заливка диэлектрических жидкостей свободно падающей струей. Она приводит к сильной электризации жидкости. Происходит это потому, что в ходе разбиения на отдельные капельки, мелкие и крупные капли приобретают заряды противоположных знаков. В результате в резервуаре возникает облако мелких капель, несущее, подобно грозовому облаку, значительный электрический заряд одного знака.

Поэтому на предприятиях, нефтебазах и т. п. заполнение ёмкостей ЛВЖ и ГЖ обычно проводят снизу или опущенные ко дну ёмкости трубы. Тем не менее, это не всегда гарантирует от возникновения инцидентов.

Отметим, что плотность объёмного заряда при закачке в пустой резервуар может быть на несколько порядков выше, чем в частично заполненный. Поэтому закачку нефтепродуктов (ЛВЖ ГЖ) в пустой резервуар или танкер, во избежание взрывов рекомендуют проводить в начальный период с особой осторожностью.

Заполнение цистерн и резервуаров нефтепродуктами является, нужно признать, наиболее опасной технологической операцией, в которой разряд статического электричества приводит к возникновению пожара (взрыва) наиболее часто и с наиболее серьёзными последствиями.

Прохождение воздуха через слой диэлектрической жидкости.

Усиленная электризация создается при прохождении воздуха через слой диэлектрической жидкости. Подобный случай имел место при перекачке керосина в танкер. За 4 часа успели прокачать 800 м3 по трубопроводу диаметром 200 мм. После этого в насос попал воздух, и на поверхности керосина в танке появилось множество пузырьков воздуха. Взрыв вследствие разряда СЭ произошёл во время замера уровня керосина металлической мерной лентой.

Заливка горючей жидкости в ёмкость, содержащую пары более легко воспламеняющейся жидкости.

В иностранной литературе такой процесс называется несколько странно в переводе термином «нагрузка при переключении». «Нагрузка при переключении» - это погрузка продукции в танк или помещение, в котором раньше была жидкость с другим давлением паров и температурой вспышки. Такой процесс может заканчиваться вспышкой, когда жидкость с низким давлением паров (высокой температурой вспышки), такая, как топочный мазут, наливается в танк, содержащий воспламеняемые пары от предыдущего груза, такого, например, как бензин. Разряд статического электричества, обычно происходящий во время наполнения, может зажечь смесь паров и воздуха, оставшуюся от жидкости с низкой температурой вспышки.

Разбрызгивание горючих жидкостей.

Разбрызгивание горючих жидкостей под высоким давлением, таких, как краска, может привести к появлению значительного заряда статического электричества на окрашиваемой поверхности и на незаземлённом пульверизаторе.

Если разбрызгиваемая жидкость образует пожаровзрывоопасную среду, то разряд статического электричества может зажечь смесь топлива и воздуха.

Вакуумные распылители высокого давления имеют большую возможность для создания опасного заряда статического электричества, чем распылители низкого давления.

Электризация при перемешивании и нанесении жидких диэлектрических масс.

Рабочий на нефтеперерабатывающем заводе в Северной Италии поднялся на верх установки, чтобы добавить серу непосредственно в нефть. Как всегда, он опустил в нефть металлический ковш, заполненный порошкообразной серой, и стал двигать им вверх и вниз. Заземление было исправно, рабочий изолирован от установки, так как был обут в резиновые сапоги. После перемешивания он оперся ручкой ковша на фланец. Сразу же вспыхнуло пламя, за которым последовал взрыв. Эксперименты при расследовании пожара показали, что в такой рабочей ситуации на теле оператора действительно происходит накопление электрических зарядов. Если бы рабочий не был изолирован от установки (земли), заряд бы утекал, и разряда СЭ не возникло бы.

В грозовых тучах может возникнуть сильная электрическая полярность, которая ведет к разряду в форме молнии. Таким образом происходит частичное выравнивание зарядов. Накоплению статического электричества в облаках способствует влажность, тепло и другие факторы. В результате образуется большой конденсатор, который разряжается на землю при накоплении достаточного заряда. Разрядка происходит в очень малый промежуток времени. Причем скорость удара молнии может достигать 160-32000 км/с. Образование молнии происходит в пределах одного облака или между двумя облаками. Положительный заряд аккумулируется вблизи вершины (верхней стороны) облака, а отрицательный заряд - на нижней его стороне. Когда оба заряда приходят в соприкосновение, наблюдается огромная вспышка электрической энергии. Тепло от вспышки распространяется столь быстро, что вызывает преодоление окружающим воздухом при его движении звукового барьера. Результирующий удар волны проявляется громом. Для молнии сила тока может достигать 100-200 кА, а напряжение 200000 вольт.

Опасность прямого удара молнии заключается в контакте горючей среды с каналом молнии, температура в котором достигает 200000С при времени действия около 100 мкс. Весьма высокая температура молнии, образующейся при газовых разрядах, может вызвать воспламенение веществ и материалов, хранящихся в резервуарах, складских помещениях и других незащищённых местах. Известен случай пожара на танкере «Англия», возникший в феврале 1973 г. в результате удара молнии в газопроводную трубу. Молния воспламенила выходящие из трубы пары сырой нефти.

Исследованиями пожаровзрывоопасности топливных баков при воздействии разряда молнии установлено, что при прожогах элементов обшивки самолета и наличии горючей смеси во всех случаях возникали горение или взрыв.

Молния вызывает повреждение конструктивных элементов зданий, что является одним из характерных признаков её проявления. Так, например, в зависимости от характеристики металлического троса молния может оплавить металл или оборвать трос. Наиболее легко повреждаются от удара молнии части зданий, построение которых более благоприятствует такому воздействию по сравнению с другими сооружениями. К ним относятся башни, колокольни, флагштоки, камины, печные трубы, застекленные крыши, ограда и конек крыш, слуховые окна, водяные цистерны и резервуары. Наиболее часто подвергаемой удару молнии частью здания являются края крыши. Сухие деревянные балки при ударе молнии чаще подвергаются расщеплению, а не загоранию, а окна выбиваются давлением, возникающем в канале молнии.

[http://www.proektant.kz/content/52.html]