Новости
23 октября 2024 г.
Законодательство
24 июля 2024 г.
В Госдуме проходит рассмотрение важных поправок в Трудовой кодекс Российской Федерации
Статистика
21 июля 2023 г.
Цифра недели: опрос «Работы России» показал, как россияне определили секрет успеха в профессии
Специальная оценка условий труда
2 ноября 2024 г.
Применение спецодежды из материалов с антистатическими свойствами
20 февраля 2017 г.
Специализированные стандарты по взрывобезопасности, однако, устанавливают иные требования к электрическим свойствам материалов антистатической одежды. Так, например, в соответствии с ГОСТ 31613-2012 «Электростатическая искробезопасность. Общие технические требования и методы испытаний» для обеспечения соответствия специальной одежды требованиям электростатической искробезопасности необходимо, чтобы удельное поверхностное электрическое сопротивление ткани не превышало 109 Ом по ГОСТ 19616-74.
Образование электростатического заряда происходит при взаимном контакте и последующем разделении поверхностей двух твердых тел. Заряд возникает из-за того, что изначально электронейтральные атомы одного вещества теряют один или несколько электронов, приобретая положительный заряд, а атомы другого вещества присоединяют один или несколько электронов, приобретая отрицательный заряд. Это физическое явление называется контактной электризацией или трибоэлектризацией, от греческого «tribos» – тереть и «elektron» – янтарь [1]. Свойство янтаря наэлектризовывать мех животных использовалось еще древними греками. Следует отметить, что споры по механизму переноса трибоэлектрических зарядов продолжаются до сих пор. Авторы различных теорий приписывают эту функцию электронам, ионам (потерявшим электронейтральность атомам) и даже самому веществу [1].
При контактной электризации любой материал может заряжаться как положительно, так и отрицательно, в зависимости от того, с каким вторым материалом он вступает в контакт. Путем экспериментов распространенные материалы были помещены в т.н. трибоэлектрические ряды по их склонности к приобретению положительного или отрицательного заряда (рисунок 1). Чем дальше находятся материалы друг от друга в трибоэлектрическом ряду, тем выше магнитуда вырабатываемого электростатического заряда при их взаимном контакте [2]. Знак трибоэлектрического заряда оказывает на его поджигающую способность не меньшее влияние, чем его величина.
К сожалению, ни одна физическая характеристика не может описать всех происходящих явлений трибоэлектризации, что подтверждает существование других, менее изученных механизмов указанного феномена [1]. Все знания о нем преимущественно основаны на эмпирических данных и часто противоречивы. По этой причине наибольшее практическое значение для снижения электростатической искроопасности одежды имеют современные методы испытаний, основанные на прямых измерениях характеристик, пропорциональных заряду (например, напряженности электрического поля после накопления заряда по EN 1149-3), в условиях приближенных к реальным условиям эксплуатации. Взаимосвязи механизма образования статического заряда с удельным поверхностным электрическим сопротивлением не установлено [2]. Эта характеристика электрических свойств материалов не связана с характеристиками заряда.
К трибоэлектризации незаземленного работника приводят, например, такие распространенные типы активности, как ходьба по изолированному полу, вставание с кресла, снятие одежды.
по ГОСТ 31610.32-1-2015/IEC/TS60079-32-1:2013
Зона опасности
|
Вероятность заряда |
0,02 мДж ≤ МЭЗ ≤ 0,2 мДж |
МЭЗ > 0,2 мДж |
Зона класса 0 |
Высокая |
Требуется | Требуется |
Низкая |
Рекомендуется | ||
Зона класса 1 |
Высокая |
||
Низкая |
Не требуется | ||
Зона класса 2 |
Высокая |
Рекомендуется | |
Низкая |
Не требуется | ||
Зоны классов 20, 21 или 22 | – | Не требуется |
МЭЗ большинства распространенных взрывоопасных газов и паров превышает 0,2 мДж. Наибольшая из всех углеводородов МЭЗ у метана (0,28 мДж), а наименьшее значение МЭЗ по сравнению с любым другим углеводородом, не содержащим двойных, тройных или кольцевых связей, у бензола (0,2 мДж). Интервалы типовых значений МЭЗ приведены в таблице 2.
Таблица 2. Интервалы типовых значений МЭЗ по
ГОСТ 31610.32-1-2015/IEC/TS60079-32-1:2013
Наименование интервалов МЭЗ |
Наименьшее значение в интервале, мДж |
Наибольшее значение в интервале, мДж |
Примеры |
Высокие | > 10 | – |
Аммиак, дихлорметан, трихлорэтилен |
Повышенные | > 0,28 | 10 |
Водородсодержащая органика |
Обычные | 0,20 | 0,28 |
Ароматические и алифатические углеводороды без двойных связей |
Низкие | 0,08 | ≤ 0,20 |
Этены (этилен), бутадиен, циклопропан, ацетальдегид, диэтиловый эфир, стирол |
Очень низкие | – | < 0,08 |
Водород, этины, арсин, хлорсиланы, дисульфид углерода, оксид этилена, смеси топлив с кислородом |
Материалы рассеивающей одежды должны иметь полупериод убывания заряда t50 менее 4 секунд или коэффициент экранирования S менее 0,2, определяемые по методу испытаний 2 стандарта EN 1149-3, или обладать поверхностным электрическим сопротивлением не более 2,5 х 109 Ом (удельным поверхностным сопротивлением не более 5 х 1010 Ом), определяемым по EN 1149-1. Из-за принципа, лежащего в основе последнего метода измерений, он применим только к материалам с проводящей поверхностью, и не информативен для оценки статической предрасположенности тканей с каркасными волокнами с проводящим сердечником.
Если разрядная энергия более 350 мДж или переносимый заряд превышает 50 мкКл, такие разряды представляют непосредственную угрозу для здоровья. Кистевые и искровые разряды от небольших изолированных объектов (бочка, канистра, ручной инструмент) с энергией до 1 мДж не вызывают опасных для здоровья электрических ударов. Разряды с энергией в несколько мДж опасны из-за ответных движений пользователя, вызванных непроизвольным судорожным сокращением мышц. Такие движения могут привести к травмам от непреднамеренного контакта с движущимися механизмами или падению с высоты. В дополнение, электростатический разряд через тело человека может вызвать зажигание взрывоопасной среды или одежды, если она загрязнена воспламеняемыми веществами.
ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЗЕМЛЕНИЮ
Если человек изолирован от земли, например, из-за того, что подошвы обуви и покрытия полов сделаны из диэлектрических материалов, то происходит его электризация. При соприкосновении наэлектризованного человека с проводящим предметом может произойти искровой разряд. Зажигания газов, паров или пыли могут произойти от зарядов, которые даже не ощущаются человеком.
Применение рассеивающей одежды начинается с взрывоопасных сред с МЭЗ ниже 0,2 мДж, а заземление человека требуется в средах с МЭЗ от 10 мДж и ниже. Указанная разница пороговых наглядно демонстрирует соотношение эквивалентной энергии зажигания разрядов с поверхности одежды и с поверхности человеческого тела.
Учитывая вышесказанное, требования стандартов безопасности к материалам антистатической специальной одежды применимы только в том случае, если пользователь заземлен.
Для обеспечения заземления людей во взрывоопасных помещениях оборудуются проводящие или рассеивающие полы, а люди обеспечиваются рассеивающей обувью. Рассеивающие полы должны иметь сопротивления утечки от 1 до 108 Ом, такому требованию в производственных условиях соответствует, например, бетонный пол. Рассеивающая обувь это обувь, гарантирующая, что у человека, стоящего на проводящем или рассеивающем полу сопротивление с землей достаточно мало, чтобы гарантировать рассеивание заряда на землю, но при этом оно и достаточно велико, чтобы предотвратить сильный удар электрическим током при напряжении менее 500 В.
Стандарты безопасности предъявляют одинаковые требования к рассеивающей обуви – электрическое сопротивление между подпятником и ходовой стороной должно быть в интервале от 105 до 108 Ом. Обувь с электрическим сопротивлением ниже 105 Ом считается проводящей и предназначена для лиц, обращающихся с чувствительными взрывчатыми веществами, ее не следует применять там, где присутствует риск поражения электрическим током. Кроме случаев обращения с особо чувствительными взрывоопасными веществами обычно применяется рассеивающая обувь.
Там, где рассеивающая обувь не может обеспечить требуемого заземления персонала, должны использоваться дополнительные заземляющие устройства.
В соответствии с Руководством рассеивающую одежду также следует заземлить либо посредством контакта с телом пользователя, либо напрямую с землей. Требование к заземлению антиэлектростатической одежды содержится, например, в ГОСТ 12.4.124-83.
Таким образом, антиэлектростатическая (рассеивающая) одежда обеспечивает дополнительный уровень защиты от электростатических разрядов, после заземления пользователя, а не вместо него. Применение такой одежды без обеспечения надлежащего заземления не имеет практического смысла и не соответствует требованиям действующих стандартов безопасности, даже если удельное поверхностное сопротивление материалов одежды ниже 107 Ом.
Разряды статического электричества с тела человека
Энергия разряда статического электричества (энергия заряда статического электричества перед разрядом) с тела человека может быть рассчитана по формуле для проводников:
U – электрическое напряжение на человеке, В
Считается, что тело человека может зарядиться до потенциала 20 кВ, что при емкости человеческого тела 150 пФ соответствует запасу разрядной энергии 30 мДж. Однако из-за высокого омического сопротивления кожи человека примерно две трети энергии заряда рассеивается на теле в виде тепла и только одна треть идет на зажигание, поэтому максимальная энергия зажигания электростатического разряда с тела человека составляет около 10 мДж.
Незаземленный человек может очень быстро зарядиться до максимального потенциала. В источнике [3] описан пример, когда изолированный от земли рабочий заряжался до 16 кВ всего после десяти движений вверх-вниз валиком по стенкам резервуара, на которые он наносил герметик. Для зажигания стехиометрической метановоздушной смеси искровым разрядом между пальцем пользователя и заземленным электродом диаметром 1.0 мм тело человека должно зарядиться до 6 кВ [4]. Такой потенциал соответствует энергии накопленного заряда 1,7 мДж, что в 4,4 раза превышает минимальную энергию зажигания указанной взрывоопасной смеси.
При увеличении диаметра заземляющего электрода до 12.0 мм для образования поджигающей искры потенциал человека должен быть уже 11 кВ. Таким образом, чем меньше диаметр электрода, на который проходит искровой разряд, тем меньший потенциал заряда тела нужен для зажигания взрывоопасной среды. Такая же зависимость энергии, необходимой для зажигания, от емкости между телом человека и землей [4].
Энергия заряда, накопленного незаземленным телом человека, может в сотни и даже в тысячи раз превышать минимальную энергию зажигания некоторых газов и мгновенно разряжаться через искровой разряд.
Разряды с одежды на человеке
Если не рассматривать высокочувствительных к зажиганию взрывоопасных сред, задокументированные и засвидетельствованные примеры возникновения пожаров или взрывов, вызванных статическими разрядами с тела человека, а тем более с поверхности одежды в нашем распоряжении отсутствуют.
Накопления заряда на изолированных поверхностях одежды и на незаземленном проводнике, которым можно считать тело человека, образуют две очень разные ситуации. Значительная площадь поверхности и большое поверхностное электрическое сопротивление материалов одежды затрудняют такие же быстрые искровые разряды в одну точку, поэтому только часть заряда может разрядиться [2]. Накопление значительного статического заряда какой-бы то ни было одеждой при условии надлежащего заземления пользователя маловероятно.
Тем не менее, в присутствии высокочувствительных к зажиганию атмосфер, таких, как, например, водородовоздушная или ацетиленовоздушная смеси, вероятность поджигающих разрядов статического электричества с поверхности одежды должна приниматься во внимание [3].
Зажигающую способность статического электричества, накопленного на поверхности тканей одежды можно определить по заряду в импульсе. Для этого используется осциллограф, электрод-датчик специальной конструкции для снятия заряда с поверхности ткани, интегрирующая RC цепочка, включаемая в цепь заземления датчика. Зная емкость системы, характеристику заряд-время электростатического разряда можно получить из характеристики напряжение-время, записанной осциллографом.
В работе [5] указанным способом были исследованы образцы из 100% хлопковой и 100% полиэфирной тканей диаметрами от 8 до 25 см, которые закреплялись в изолированной круглой рамке из плексигласа и наэлектризовывались положительно и отрицательно с помощью, соответственно, тканями из тефлоновых (ПТФЭ) и нейлоновых волокон при различных значениях относительной влажности (RH).
Было установлено, что поджигающая способность разрядов статического электричества напрямую зависит от знака заряда. Разрядные импульсы с поверхностей отрицательно заряженных тканей на порядок больше по амплитуде и значительно короче по времени, чем с положительно заряженных поверхностей. Искры с отрицательным зарядом в районе 0,1 мкКл могут зажечь стехиометрическую смесь природного газа с воздухом, а для зажигания водородновоздушной смеси достаточно искры с зарядом 0,02 мкКл. Вероятность зажигания во втором случае вдвое выше.
Максимальный разряд – 0,563 мкКл наблюдался между поверхностью образца хлопковой ткани наибольшей площади и электродом наибольшего диаметра при минимальной относительной влажности RH=15 %. Таким образом, в отличие от разрядов с тела человека, поджигающая способность разрядов с поверхности одежды прямо пропорциональна диаметру заземленного электрода.
Разрядов с поверхностей положительно заряженных тканей (за исключением 100% полиэфирной ткани при относительной влажности 15%) недостаточно для поджигания стехиометрической смеси природного газа и воздуха, но при определенных условиях искровые разряды с поверхностей положительно заряженных тканей могут поджечь водородновоздушную смесь.
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Человек, идущий по нейлоновому ковру, при нормальной температуре и 40% относительной влажности может зарядиться до 1.2 кВ, а при относительной влажности 30% уже до 3.0-3.6 кВ [2].
При температуре +20°C и снижении относительной влажности с 65% до 20% арамидные ткани начинают показывать чуть меньшее удельное поверхностное сопротивление, чем хлопок или хлопковые ткани с пропиткой [6]. Электризация тела человека и его одежды зависит от количества влаги в окружающем воздухе.
В исследовании [5] электризуемость образца хлопковой ткани от трения с нейлоновым образцом увеличилась втрое при снижении относительной влажности RH с 50% до 15% (+21°C). На статический заряд аналогичным образом электризуемого образца полиэфирной ткани снижение относительной влажности существенного влияния не оказала. Это объясняется тем, что хлопковые волокна имеет высокую гигроскопичность, поэтому статическая предрасположенность хлопковых тканей сильно зависит от количества водяного пара в окружающем воздухе. При низких отрицательных температурах, когда абсолютная влажность стремится к нулю, хлопковые ткани теряют влагу и способны накапливать электростатический заряд наравне с тканями из синтетических волокон.
В соответствии с ГОСТ 19616-74 измерения удельного поверхностного электрического сопротивления тканей антистатической спецодежды проводятся в климатических условиях по ГОСТ 10681-63 (RH65%, 20ºC), соответствующих Батуми в середине мая, а носить одежду из этих тканей могут на Ямале или в Красноярском крае, например, зимой. При существенной зависимости статической предрасположенности хлопковой одежды от окружающей температуры информативность измерений в указанных климатических условиях сомнительна.
Измерения электрических характеристик материалов, используемых во взрывоопасных зонах при относительной влажности 50% и более, за рубежом больше не применяются из-за возможности ошибки в ущерб обеспечения безопасности. Распространенные нормативные условия испытаний RH25%, 23ºC. В этих условиях, например, проводят измерения убывания заряда по EN 1149-3 (ГОСТ Р ЕН 1149-3-2008).
Таким образом, «сакральное» для многих удельное поверхностное электрическое сопротивление 107 Ом материалов само по себе не делает одежду искробезопасной. Только комплексный подход, использующий современные стандарты безопасности, актуальные методики и инновационные материалы может эффективно решить задачу снижения искроопасности одежды во взрывоопасных зонах. Все перечисленное уже доступно для заинтересованных специалистов, стремящихся к обеспечению безопасности труда не на словах, а на деле.
Список литературы:
генеральный директор
ООО «Кермель АрамидСолюшэнз»