Igor Safić, dipl. ing. el. Ex-Agencija, Industrijska 25, Sveta Nedjelja

Transcription

1 I, Safić: Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom I. (c1 c10) Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom prilikom radnji pretakanja i skladištenja naftnih derivata Static electricity as a cause of ignition of explosive atmosphere during the operation of filling and storage of petroleum products Igor Safić, dipl. ing. el. ExAgencija, Industrijska 25, Sveta Nedjelja i.safic@exagencija.hr Sažetak Godine Međunarodna elektrotehnička komisija objavila je tehnički izvještaj/uputu pod nazivom IEC/TS : Explosive atmospheres Part 321: Electrostatic hazards Guidance. Ovaj članak pruža pregled osnova elektrostatike i uputa navedenog dokumenta s obzirom na statički elektricitet kao potencijalni uzročnik paljenja eksplozivne atmosfere koja nastaje prilikom punjenja, istakanja i skladištenja naftnih derivata kroz specifičan primjer postaja za istakanje goriva u motorna vozila. Dodatno se u uvodnom dijelu članka navode ključni fizikalni izrazi, formule i parametri na temelju kojih su određene mjere zaštite sprječavanja paljenja eksplozivnih atmosfera. Ključne riječi statički elektricitet, generiranje, akumuliranje, elektrostatsko pražnjenje, kapacitet, vodljiv, disipativan, uzemljenje, otpor uzemljenja, izjednačenje potencijala, istakanje, punjenje, eksplozivna atmosfera, minimalna energija paljenja Summary In 2013 the International Electrotechnical Commission has published Technical Specification called IEC/TS : "Explosive atmospheres Part 321: Electrostatic hazards Guidance. This article provides an overview of electrostatic basics and the guidance document regarding ignition risks from static electricity during filling, loading and storage of oil derivatives through the specific example of oil filling stations. In addition, an introductory part of the article lays down key physical expressions, formulas and parameters used to determine measures to prevent hazard ignitions. Keywords static electricity, charging, accumulation, electrostatic discharge, capacitance, conductive, dissipative, earthing, earthing resistance, loading, filling, explosive atmosphere, minimum ignition energy I. UVOD Statički je elektricitet teško predvidiv i teško se detektira pa je stoga jedan od "podmuklijih" uzročnika požara i eksplozija. Ubrzanje proizvodnih procesa i primjena novih materijala u današnjoj industriji, postrojenjima i objektima za posljedicu imaju povećanje učestalosti požara i eksplozija izazvanih statičkim elektricitetom. Posebnu pozornost treba posvetiti pojavi statičkog elektriciteta u prostorima i procesima gdje je moguća pojava eksplozivne atmosfere (Exprostori) jer i relativno vrlo mala, ljudima nevidljiva i neosjetljiva elektrostatska pražnjenja imaju dovoljnu energiju da prouzroče eksploziju. Ovaj članak obrađuje opasnosti vezane uz pojavu statičkog elektriciteta pri manipulaciji opremom i naftnim derivatima, tj. tekućim ugljikovodicima na primjeru postaja tekućih goriva (ukapljeni naftni plin, benzin, dizel). Velik broj različite opreme, radnji i procesa različite prirode i trajanja na navedenim objektima, te osobito činjenica da su postaje za istakanje samoposlužne i javne (posjećuje ih velik broj ljudi i motornih vozila), upozoravaju na potrebu povećanog opreza i primjenu odgovarajućih mjera zaštite. Uvodni dio članka opisuje fizikalne osnove statičkog elektriciteta te pojavu statičkog elektriciteta kao potencijalnog uzročnika paljenja u korelaciji s eksplozivnom atmosferom tekućih ugljikovodika. Dalje se kroz članak definiraju procesi, radnje, mediji i ključni parametri koji pridonose stvaranju statičkog elektriciteta pri radnjama pretakanja, punjenja i skladištenja pojedinih tekućih naftnih derivata te se navode konkretne smjernice Hrvatskog tehničkog izvještaja HRI CLC/TR :2015 opasnost od elektrostatskog naboja upute, koji je sljednik tehničkog izvještaja IEC/TS : Explosive atmospheres Part 321: Electrostatic hazards Guidance, te se daje komentar primijenjenih mjera zaštite od statičkog elektriciteta u praksi. II. STATIČKI ELEKTRICITET KAO UZROČNIK PALJENJA A. Generiranje elektrostatskog naboja Većina materijala električno je neutralna, tj. ima jednak broj pozitivnih i negativnih naboja u atomima od kojih su građeni (pozicija (1) slika 1.), međutim u određenim uvjetima elektron se može odvojiti od atoma. Pri dodiru, tj. kontaktu dvaju prethodno elektrostatski neutralnih objekata izrađenih od različitih materijala od kojih jedan ima tendenciju otpuštanja elektrona, a drugi tendenciju prihvata elektrona, dolazi do prijelaza elektrona s jednog objekta na drugi (pozicija (2) slika 1.). Nakon razdvajanja objekata, površina jednog imat će manjak elektrona u odnosu na stanje ravnoteže, tj. višak pozitivnog naboja, a površina drugog imat će višak elektrona u odnosu na stanje ravnoteže, tj. višak negativnog naboja (pozicija (3) slika 1.). Opisana pojava naziva se elektrostatsko nabijanje ili generiranje elektrostatskog naboja, a nastalo stanje neravnoteže naboja na objektu naziva se STATIČKI ELEKTRICITET. Stupanj elektrostatskog nabijanja dodirom ovisi o vrsti, površini i trajanju dodira, brzini razdvajanja, vrsti materijala te uvjetima okoline (s naglaskom na relativnu vlažnost). ExBilten Vol. 45, br. 12

2 I, Safić: Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom I. (c2 c10) Ako neutralni objekt dođe u dodir s nabijenim, dio viška naboja s nabijenog prijeći će na neutralni objekt. Navedena pojava naziva se KONDUKCIJA. (1) (2) objekt A objekt B ravnoteža dodir B. Akumuliranje elektrostatskog naboja Ako postoji mehanizam generiranja elektrostatskog naboja, posljedično dolazi ili do akumuliranja naboja ili do disipacije/relaksacije naboja, ovisno o električnoj vodljivosti materijala objekta/tekućine i povezanosti objekta/tekućine sa zemljom. Akumuliranje naboja na objektima događa se isključivo na slabo vodljivim ili nevodljivim površinama (npr. plastika) ili metalnim objektima koji su izolirani od zemlje. Proces akumuliranja naboja na nekom objektu može se općenito opisati s pomoću ekvivalentnog strujnog kruga prikazanog na slici 3. Ig (3) neravnoteža C R < > Slika 1. Grafički prikaz pojave elektrostatskog nabijanja dodirom Poznato je da svaki naboj stvara električno polje koje može utjecati na objekte u okolini te da se istoimeni naboji odbijaju (/), a raznoimeni privlače (/) prema Kulonovu zakonu. Navedene pojave uzrokuju da se električni naboji objekta od električno vodljivog materijala, kad se nađu u električnom polju drugog nabijenog objekta, preraspodjele, tj. razdvoje unutar objekta (slika 2.). Navedena pojava polarizacije naboja u vodljivom materijalu pod utjecajem vanjskog električnog polja naziva se ELEKTROSTATSKA INDUKCIJA. nabijeni objekt vodljivi objekt INDUKCIJA Slika 2. Grafički prikaz pojave elektrostatske indukcije Dakle, do pojave statičkog elektriciteta dolazi: dodirom djelovanjem vanjskog električnog polja indukcijom. Osim navedenih mehanizama generiranja električnih naboja u objektima, postoje i neki drugi, međutim nisu relevantni za objekte, procese i radnje koje ovaj članak razmatra. Id Slika 3. Prikaz ekvivalentnog strujnog kruga akumuliranja i disipacije naboja Izraz kojim se računa elektrostatski potencijal objekta koji se nabija prema slici 3. glasi: V = I g R [ 1exp ( t / R C) ] gdje su: V električni potencijal objekta (V) I g struja generiranja (A) I d struja disipacije (A) R otpor disipacije naboja, tj. otpor prema zemlji C kapacitet objekta (F) t vrijeme procesa generiranja (s). Iz izraza [a] vidljivo je da se maksimalni potencijal na objektu V max = I R postiže nakon dovoljnog proteka vremena generiranja (vrijednost t velika). Analizirajući sliku 3., dolazi se do zaključaka: 1. I g = 0 nema generiranja naboja 2. I d = 0 (R>>) nema disipacije naboja 3. I g = I d (R<<) ima generiranja, nema akumulacije naboja 4. I g > I d ima generiranja i akumulacije naboja. Umnožak R C iz izraza [1] predstavlja vrijeme potrebno za disipaciju naboja objekta (pod pretpostavkom da više nema generiranja naboja). [a] ExBilten Vol. 45, br. 12

3 I, Safić: Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom I. (c3 c10) Primjer izračuna vremena disipacije ljudskog tijela prema izrazu [1]: C = pf prema [1] R = maks. dopušteno 108 Ω u Exprostoru (otpor obuće i poda prema zemlji) [1] R C = 0,020,04 sekunde Dakle, akumuliranje elektrostatskog naboja na nekom objektu bitno ovisi o kapacitetu objekta te električnoj vodljivosti fizičke veze objekta sa zemljom. ** Akumuliranje naboja na tekućinama ovisi o odnosu mjere generiranja i relaksacije naboja koja se odvija po eksponencijalnom zakonu: Q t = Q 0 exp ( t / τ ) τ je vrijeme relaksacije naboja za koje vrijedi: [b] τ = ε r ε o / γ gdje su: Q t preostala količina naboja nakon određenog vremena (C) Q 0 početni generirani naboj (C) τ vrijeme relaksacije naboja (s) ε r relativna permeabilnost tekućine ε o relativna permeabilnost vakuuma (8, F/m) γ električna vodljivost tekućine (S/m). Iz eksponencijalne zakonitosti vrijedi: količina akumuliranog naboja na tekućini nakon isteka vremena τ (pod uvjetom da više nema generiranja) past će na 37% početne vrijednosti, dok će nakon isteka 0,7 τ pasti na 50% početne vrijednosti. Iz izraza [b] vidljivo je da je vrijeme potrebno za relaksaciju naboja elektrostatski nabijene tekućine obratno proporcionalno električnoj vodljivosti tekućine. Primjer izračuna vremena relaksacije naboja dizelskog goriva prema [2]: ε r = 2 (oko 2 je za sve tekuće ugljikovodike) ε o = 8,85x10 12 F/m γ = 25 ps/m τ = 0,7 s U kojoj mjeri će se elektrostatski naboj generirati u tekućim ugljikovodicima ovisi uglavnom o brzini protoka u cijevi/cjevovodu i materijalu cijevi/cjevovoda te dodirnoj površini, dok sklonost akumuliranju naboja tekućih ugljikovodika ovisi o električnoj vodljivosti same tekućine, tj. vremenu relaksacije generiranog naboja u tekućini i relativnoj permeabilnosti tekućine. Tekući se ugljikovodici iz tog razloga dijele prema parametru vodljivosti kako prikazuje tablica I. PODJELA TEKUĆIH UGLJIKOVODIKA PREMA VODLJIVOSTI Podjela tekućih ugljikovodika γ τ Visoko vodljivi (npr. benzin s > ps/m < 0,0017 s 10% etanola) Srednje vodljivi (npr. benzin s aditivima ps/m 0,0017 0,35 s ili 5% etanola) Slabo vodljivi (npr. benzin, dizel, kerozin) < 50 ps/m > 0,35 s Jednostavno je zaključiti da su slabo vodljive tekućine najsklonije akumuliranju elektrostatskog naboja. C. Izbijanje elektrostatskog naboja Prijenos akumuliranog električnog naboja između objekata različitog električnog potencijala naziva se elektrostatsko izbijanje. Više je vrsta elektrostatskog izbijanja, međutim za ovaj članak relevantne su dvije koje su i u praksi daleko najčešće: 1. ELEKTROSTATSKA ISKRA (eng. spark) 2. ČETKASTO IZBIJANJE (eng. brush discharge) Izbijanje između vodljivih objekata (tekućina, krutina) od kojih je jedan uzemljen, naziva se elektrostatska iskra. Nastaje kada jakost električnog polja između vodljivih objekata premaši dielektričnu čvrstoću zraka između njih (3 MV/m pri normalnim atmosferskim uvjetima), što dovodi do ionizacije zraka. Tada prostor između takvih objekata postaje vodič te dolazi do protoka naboja, tj. struje. Energija takva izbijanja, tj. pražnjenja računa se prema izrazu: W = 0,5 Q V = 0,5 C V 2 [c] gdje su: W = energija izbijanja / pražnjenja (J) Q = količina naboja koji se prenosi (C) V = električni potencijal objekta (V) C = kapacitet objekta (F). Pri elektrostatskoj iskri dolazi do izbijanja kompletne akumulirane elektrostatske energije te se električni potencijal objekta reducira na potencijal zemlje u vrlo kratkom vremenu. Primjer izračuna energije elektrostatske iskre ljudskog tijela prema izrazu [3]: C = pf [1] V = 1 20 kv W = 0,1 40 mj Četkasto izbijanje je prijenos naboja, tj. pražnjenje energije između elektrostatski nabijenog nevodljivog objekta (npr. plastične površine ili slabo vodljive tekućine) i uzemljenog vodljivog objekta te se prijenos ExBilten Vol. 45, br. 12

4 I, Safić: Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom I. (c4 c10) provodi kroz više kanala kroz zrak, stoga i naziv četkasto. Za razliku od iskre, prazni se samo dio elektrostatske energije. Energija ovakva pražnjenja ovisi o nizu čimbenika (npr. površina nevodljivog objekta). Prema [1] eksperimentalno je potvrđeno paljenje eksplozivne atmosfere pojedinih zapaljivih tekućina u određenim uvjetima s energijom W = 3,6 mj, teorijski maksimum četkastog izbijanja iznosi W = 4 mj. No, kod ove vrste izbijanja nije važna samo količina energije nego i polaritet nabijenog objekta, maksimalna vrijednost struje izbijanja, oblik krivulje struje izbijanja te količina prenesenog naboja pri izbijanju. D. Elektrostatsko paljenje eksplozivne atmosfere zapaljivih tekućina Ako u nekom prostoru postoji zapaljiva tekućina i ako se stvore povoljni uvjeti za isparavanje te tekućine, miješanjem para u određenom postotku (između donje granice eksplozivnosti i gornje granice eksplozivnosti) sa zrakom, nastaje eksplozivna atmosfera. Ako istodobno s postojanjem takve eksplozivne atmosfere dođe do elektrostatskog izbijanja, može se zapaliti eksplozivna atmosfera, tj. dogoditi eksplozija, ovisno o količini energije oslobođene prilikom izbijanja. Dakle, da bi se navedeno paljenje dogodilo, trebaju istodobno biti zadovoljena sljedeća dva uvjeta (slika 4.): 1. Dovoljna koncentracija para zapaljive tekućine u zraku (između donje granice eksplozivnosti DGE i gornje granice eksplozivnosti GGE) 2. Elektrostatsko izbijanje dovoljne energije (W > minimalne energije paljenja MEP) (mj) MEP EKSPLOZIJA DGE GGE (%) Slika 4. Prikaz tipičnog odnosa koncentracije para zapaljivih tekućina u zraku i elektrostatske energije paljenja Potrebno je napomenuti da zapaljivost tekućih goriva ovisi o koncentraciji kisika u zraku, temperaturi zraka te atmosferskom tlaku. Općenito se navodi u [1] da pri normalnim atmosferskim uvjetima (koncentraciji kisika u zraku < 21%, temperaturi zraka 20/60 ºC te atmosferskom tlaku 0,81,1 bar) raspon DGEGGE koncentracije para zapaljivih tekućina iznosi 115%. Kako je vidljivo iz slike 4., donji se ekstrem krivulje koji predstavlja najpovoljniju koncentraciju para zapaljivih tekućina za koju je potrebna minimalna energija paljenja nalazi otprilike u sredini između vrijednosti DGE i GGE. U tablici II. navedene su pojedine vrijednosti parametara zapaljivosti pojedinih tekućih goriva, međutim potrebno je naglasiti da u literaturi postoje odstupanja navedenih parametara zbog različitih uvjeta i metoda ispitivanja te različite čistoće ispitivanih uzoraka goriva. Stoga smisao tablice nije navesti granične vrijednosti kojih se treba fiksno pridržavati, već informativno prikazati odnos nužnih preduvjeta paljenja eksplozivne atmosfere. TABLICA II. PARAMETRI ZAPALJIVOSTI POJEDINIH TEKUĆIH GORIVA Gorivo Plamište DGEGGE MEP Benzin 20 ºC 1,47,6% 0,24 mj Dizel > 55 ºC 0,67,5% 20 mj Propan Butan (plin) 20 ºC 2,110,1% 1,68,4% 0,25 mj 0,25 mj U daljnjem tekstu bit će navedeni konkretni mehanizmi generiranja elektrostatskog naboja prilikom pretakanja goriva, što će upozoriti na realnu opasnost elektrostatskog izbijanja u prostoru ugroženom eksplozivnom atmosferom. III. MJERE ZAŠTITE OD STATIČKOG ELEKTRICITETA Ako se ne može spriječiti nastanak eksplozivne atmosfere u nekom prostoru, potrebno je onemogućiti da pojava statičkog elektriciteta u tom prostoru bude potencijalni uzročnik paljenja u obliku elektrostatskog izbijanja. Slika 5. prikazuje proces paljenja eksplozivne atmosfere elektrostatskim izbijanjem. S obzirom na to da je pojave i mehanizme vezane uz statički elektricitet gotovo nemoguće potpuno anulirati, potrebno ih je kontrolirati tako da količina naboja, tj. energije koja se pojavljuje ne bude dovoljna da izazove paljenje (iznos energije potrebne za paljenje ispod MEPa na slici 4.). Kontrola se postiže na jedan od sljedećih načina: utjecati na smanjenje generiranja naboja (npr. smanjenjem procesnih brzina ili brzina protoka medija) utjecati na smanjenje akumuliranja naboja, tj. postići dovoljnu disipaciju/relaksaciju naboja (npr. upotrebom odgovarajućih materijala, dodavanjem aditiva medijima i materijalima te uzemljenjem i izjednačenjem potencijala) ExBilten Vol. 45, br. 12

5 I, Safić: Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom I. (c5 c10) akumuliranje naboja na opremi generiranje naboja disipacija naboja u zemlju elektrostatsko izbijanje energija izbijanja > MEP paljenje akumuliranje naboja na mediju eksplozivna atmosfera MEP 100% plina 0% plina prebogata smjesa eksplozivna smjesa presiromašna smjesa Slika 5. Proces elektrostatskog paljenja eksplozivne atmosfere Osnovna mjera zaštite kod procesa i radnji gdje se ne može izbjeći generiranje elektrostatskog naboja jest UZEMLJENJE i IZJEDNAČENJE POTENCIJALA. Na taj se način višak naboja neutralizira, tj. osigurava se da mjera disipacije naboja na nekom objektu/tekućini 0% zraka GGE 100% zraka DGE prevlada mjeru generiranja naboja te tako ne može doći do akumuliranja dovoljne količine naboja, tj. elektrostatskog potencijala koji može prouzročiti paljenje eksplozivne atmosfere. Smatra se da tipične radnje i procesi na industrijskim postrojenjima i objektima uobičajeno generiraju potencijale u rasponu V (prema [1]). Uzimajući u obzir navedeni raspon, za dogovorno određeni dopušteni potencijal do 100 V (prema [1]) smatra se da je osigurana dovoljna disipacija elektrostatskog naboja većine procesa i radnji. Iz navedene sigurnosne granice proizlazi izraz za mjeru uzemljenosti nekog objekta kao mjere zaštite od statičkog elektriciteta: R=100/I gdje su: R ukupni otpor uzemljenja objekta 100 dogovorno maksimalno dopušteni električni potencijal objekta kao mjera sigurne disipacije elektrostatskog naboja (V) [1] I struja generiranja naboja (F) [d] Da bi se iz (d) odredio otpor uzemljenja kojim će se postići da generirani električni potencijal na nekom objektu ne prijeđe iznos od 100 V, potrebno je znati struje generiranja u nekom procesu. S obzirom na to da struje generiranja naboja općenito iznose 10 pa 100 μa (prema [1]), iz izraza (d) proizlaze gornje dopuštene vrijednosti otpora uzemljenja 1 MΩ 10 TΩ, što znači da je granična vrijednost od 1 MΩ jamstvo sigurne disipacije za većinu procesa. TABLICA III. KLASIFIKACIJA KRUTIH PREDMETA PRI (23 ± 2) C I (25 ±5 ) % RV[1] Predmet Jedinica Vodljiv Disipativan Izolator Kruti materijal Volumna otpornost (Ωm) < 100 kωm 100 kωm 1 GΩm 1 GΩm Kućište Površinski otpor < 10 kω 10 kω 100 GΩ 100 GΩ Površinska otpornost < 100 kω 100 kω 1 TΩ 1 TΩ Odjeća Površinski otpor / < 2,5 GΩ 2,5 GΩ Obuća Otpor disipacije < 100 kω 100 kω 100 MΩ 100 MΩ Rukavice Otpor disipacije < 100 kω 100 kω 100 MΩ 100 MΩ Pod Otpor disipacije 100 M < 100 kω 100 kω 100 MΩ Ω Cijevi Otpor po duljini (Ω/m) < 1 kω/m 1 kω/m 1 MΩ/m 1 MΩ/m Fleksibilna cijev Otpor sklopa s priključcima < 1 kω 1 kω 1 MΩ 1 MΩ Dodatno se smatra da većina procesa ne generira struju veću od 1 μa (prema [1]), a kapacitet izoliranih vodljivih objekata rijetko prelazi 100 pf te se općenito smatra da je otpor uzemljenja od 100 MΩ adekvatan, što predstavlja ublaženje u odnosu na 1 MΩ. Ako struje generiranja naboja pojedinih procesa zbog prirode ExBilten Vol. 45, br. 12

6 I, Safić: Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom I. (c6 c10) mehanizama generiranja naboja ili specifičnih okolnosti bitno odstupaju od navedenih, potrebno je provesti dodatne analize i primijeniti dodatne mjere zaštite. U nekim su slučajevima moguća i postroživanja zahtijevanih graničnih otpora uzemljenja (npr. 10 Ω kod uzemljenja metalnih struktura, što će biti obrađeno poslije u članku). A. Ljudi Procesi pri manipulaciji ugljikovodicima koji su osobito ugroženi pojavom statičkog elektriciteta upravo su oni u kojima sudjeluju ljudi, a to su : punjenje/pražnjenje malih boca ukapljenog naftnog plina punjenje malih i srednjih plastičnih spremnika pretakanje ugljikovodika iz auto/vagoncisterni u nadzemne/podzemne spremnike punjenje ugljikovodika, tj. goriva u spremnike motornih vozila. Specifičnosti ljudi vezano za statički elektricitet su: ljudsko tijelo se općenito smatra vodičem ljudi su uobičajeno izolirani od zemlje (priroda materijala obuće) mobilni su provode velik broj radnji različite prirode nose različite vrste materijala na tijelu (odjeća, obuća) u kontaktu su s raznim objektima i materijalima. Tablica III. prikazuje klasifikaciju krutih predmeta prema raznim vrstama otpora i otpornosti na vodljive, disipativne i izolatore ili nevodljive [1]. Mehanizmi generiranja elektrostatskog naboja na ljudima su: kretanje po podlozi interakcija s odjećom interakcija odjeće na ljudima s objektima (npr. stolica) skidanje odjeće rukovanje nevodljivim objektima/materijalima interakcija s nevodljivim predmetima stajanje u blizini elektrostatski visoko nabijenih predmeta (npr. rotirajući nevodljivi remen) indukcija. Prema [1], ljudi koji mogu ući u Exprostor gdje je minimalna energija paljenja < 10 mj moraju biti uzemljeni. Granična vrijednost od 10 mj proizlazi iz sljedećih činjenica [1]: smatra se općenito da se ljudi mogu elektrostatski nabiti na potencijal do 20 kv prosječni kapacitet ljudskog tijela iznosi oko 150 pf iz izraza (c) slijedi maksimalna akumulirana energija 30 mj s obzirom na visoki omski otpor ljudske kože, 2/3 akumulirane energije se reduciraju. Uzemljenje ljudi u Exprostoru uglavnom se postiže postavljanjem disipativne podne podloge u kombinaciji s nošenjem disipativne obuće. Beton se općenito smatra disipativnom podlogom (otpor disipacije < 100 MΩ). S obzirom na to da su proces samoposlužnog punjenja spremnika motornog vozila benzinom na maloprodajnim postajama za istakanje, kao i okolnosti punjenja, specifični, poslužit će kao ilustrativni primjer pojednostavnjene analize i mjera zaštite: podloga koju automobil zauzima pri istakanju je beton (disipativna podloga) automobilske gume mogu se smatrati disipativnima 1. AUTO UZEMLJEN pipac za istakanje goriva s fleksibilnom cijevi čini vodljiv ili disipativan sklop uređaj za istakanje goriva je uzemljen 2. PIPAC UZEMLJEN vozač prima ručicu vrata automobila vozač prima pipac 3. ELEKTROSTATSKO PRAŽNJENJE VOZAČA NEMA EXATMOSFERE vozač pipac stavlja u otvor za punjenje spremnika automobila i pokreće punjenje vozač pušta pipac 4. EXATMOSFERA OKO OTVORA VOZAČ IZOLIRAN vozač se elektrostatski nabije dok traje punjenje (npr. sjedanjem u sjedalo automobila ili kretanjem) vozač prima pipac nakon završetka punjenja 5. EXATMOSFERA OKO OTVORA ELEKTROSTATSKO PRAŽNJENJE VOZAČA energija pražnjenja > MEP odgovarajuća koncentracija para benzina u zraku ExBilten Vol. 45, br. 12

7 I, Safić: Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom I. (c7 c10) IV. PALJENJE EKSPLOZIVNE SMJESE Pri punjenju spremnika automobila ne može se spriječiti pojava eksplozivne atmosfere te je potrebno spriječiti elektrostatsko izbijanje dovoljne energije. Mjere zaštite uzemljenjem do 3. koraka provedene su potpuno (uz pretpostavke navedene u tablici), međutim opasnost se krije između 4. i 5. koraka kad vozač može predstavljati izolirani vodič. Ako se istodobno dogodi da je relativna vlažnost zraka niska, dakle disipacija naboja zrakom niska (što je karakteristično za zimski period) te vozač sjedne u automobil i prilikom interakcije odjeće s materijalom sjedala elektrostatski se dovoljno nabije (prema [5] se navodi do 19 kv), može doći do pojave elektrostatske iskre te ovisno o koncentraciji para benzina u zraku oko otvora za punjenje, posljedično može nastati eksplozija s katastrofalnim posljedicama (slika 5.). O ozbiljnosti opisane potencijalne opasnosti govori niz incidenata zbog čega se u nekim zemljama na vidljivim mjestima oko uređaja za istakanje postavlja pisano upozorenje otprilike sljedećeg sadržaja: Molimo izbjegavajte prilikom istakanja goriva sjedati u motorna vozila opasnost od statičkog elektriciteta. i/ili Ako ne možete izbjeći sjedanje u automobil, molimo da prije primanja pipca za istakanje pri završetku punjenja dotaknete metalni objekt sigurno neutraliziranje statičkog elektriciteta. pogotovo ondje gdje su ljudi dio procesa, nije uvijek dovoljna zaštitna mjera. Iz navedene analize proizlazi važnost primjene ljudskog faktora u jednadžbi zaštite od negativnog utjecaja statičkog elektriciteta u Exprostorima. Od iznimne je važnosti podizanje razine svijesti i tehničkotehnološke discipline kroz usmjeravanje pozornosti, upute, upozorenja i edukaciju ljudi. Koliko je autoru članka poznato, u Hrvatskoj se nije dogodio opisani scenarij eksplozije/paljenja pri punjenju automobila gorivom na maloprodajnim postajama za istakanje niti su primijenjene mjere upozorenja opasnosti od statičkog elektriciteta na postajama. Odnos troškova provođenja navedenih ili sličnih mjera upozorenja/uputa i katastrofalnih posljedica eksplozija vrlo jasno govori u prilog mjerama. A. Tehnološka oprema/uređaji Tekući ugljikovodici dovoze se autocisternama na postaje za istakanje, iz njih se gravitacijski s pomoću fleksibilnih cijevi i fiksnih cjevovoda pretaču u spremnike postaje. Iz spremnika postaje se kroz fiksne cjevovode preko fleksibilnih cijevi s pomoću crpki u sklopu uređaja za istakanje istaču u motorna vozila ili male spremnike. Tehnološki prikaz procesa na postaji za istakanje prikazuje slika 6. ODUŠAK SKLOP ZA UZEMLJENJE PRIKLJUČAK ZA PUNJENJE PARA TEKUĆE GORIVO ODUŠAK Slika 5. Paljenje pri punjenju automobila benzinom [7] Pojedini proizvođači automobila za izradu sjedala razmatraju primjenu tkanina s disipativnim svojstvima, a moguća je i primjena antistatičkih sprejeva na tkaninu autosjedala. Iako je broj eksplozija/paljenja pri punjenju automobila gorivom na postajama vrlo malen u odnosu na učestalost procesa na mnogobrojnim postajama za istakanje, navedeni odnos ne treba biti promatran statistički jer je posljedica opasnost za ljudske živote. Uzemljenje u pojedinim specifičnim slučajevima, PARA TEKUĆE GORIVO Slika 6. Tehnološki prikaz pretakanja goriva na maloprodajnim postajama ExBilten Vol. 45, br. 12

8 I, Safić: Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom I. (c8 c10) Eksplozivna atmosfera benzinskih para (kao ugljikovodika s najnepovoljnijim značajkama na postajama) u navedenim primjerima nastaje: a) autocisterna oko priključka na autocisterni oko fiksnih priključaka cjevovoda oko oduška spremnika i autocisterne b) automobil oko otvora za punjenje spremnika automobila u kućištu uređaja za istakanje oko fiksnih priključaka cjevovoda oko oduška spremnika. Benzin i dizel općenito se klasificiraju kao slabo vodljive tekućine (prema tablici I. vodljivost manja od 50 ps/m) te protokom kroz cijevi i cjevovode, kako prikazuje slika 7., uzrokuju nastanak statičkog elektriciteta koji, ako se ne kontrolira, može prouzročiti paljenje. Primarna mjera zaštite je adekvatno uzemljenje i izjednačenje potencijala cijele navedene strukture te na taj način sprječavanje akumuliranja kritične količine naboja. Slika 7. Protok slabo vodljive tekućine kroz cijev Danas se osim metalnih cjevovoda ugrađuju i polietilenski, tj. plastični cjevovodi. Metalni cjevovodi su električno vodljivi te kad su uzemljeni, generiranje naboja protokom slabo vodljive tekućine i disipacija naboja su u balansu, tj. nema akumuliranja naboja. Plastični cjevovodi električno su nevodljivi i kod njih je generiranje naboja mnogo veće od disipacije te predstavljaju puno veći rizik od metalnih. S obzirom na to da elektrostatski nabijeni plastični cjevovod predstavlja nabijeni nevodljivi objekt, potencijalni je izvor četkastog elektrostatskog izbijanja. Prema [1], četkasto izbijanje prouzročeno potencijalom do 25 kv ne može zapaliti eksplozivnu atmosferu tekućih ugljikovodika, međutim prema [3] je u najgorim uvjetima u laboratoriju postignuta vrijednost od 90 kv akumuliranog potencijala na neukopanom plastičnom cjevovodu protokom slabo vodljivog tekućeg ugljikovodika. Elektrostatsku iskru kod sustava plastičnih cjevovoda mogu generirati izolirani metalni dijelovi sustava kao npr. metalni priključci na krajevima. Zbog navedene potencijalne opasnosti preporučuje se, i sve više primjenjuje, ugradnja plastičnih cjevovoda s vodljivim tankim slojem na unutarnjoj stijenci cjevovoda te se svi metalni dijelovi u liniji cjevovoda moraju galvanski povezati s vodljivim slojem tako da se postigne neprekinutost vodljive staze. Cijeli se sustav mora uzemljiti. Na taj se način sprječava akumuliranje naboja. U [4] se navodi izmjereno generiranje potencijala od samo 100 mv na dugim i neukopanim dijelovima takvih cjevovoda. No, ako se upotrebljava mnogo nepovoljnija varijanta s nevodljivim plastičnim cjevovodima, prema [1] je potrebno osigurati sljedeće: dielektrična čvrstoća materijala cjevovoda ne smije biti manja od 100 kv stijenke polietilenskog cjevovoda ne smiju biti tanje od 4 mm (da generirano električno polje ne bi prouzročilo deformaciju ili pucanje cijevi) cjevovodi moraju biti ukopani, neukopani dijelovi cjevovoda moraju biti što kraći svi metalni spojni i završni dijelovi moraju biti uzemljeni ograničiti brzinu protoka goriva (< 2,8m/s). U [4] se za ukopane nevodljive plastične cjevovode navode struje generiranja naboja 100 na te se za sprječavanje potencijalne pojave opasnog četkastog izbijanja (potencijal od 25 kv za ugljikovodike) treba postići otpor disipacije prema zemlji od 0,25x10 12 Ω. Vjerojatnost paljenja uzrokovana uporabom plastičnih nevodljivih cjevovoda vrlo je mala uz osiguranje navedenih mjera, međutim nije potpuno isključena. Iako se kao opća granica dobrog otpora uzemljenja vezano za elektrostatiku smatra iznos od 1 MΩ, za određene metalne strukture/objekte (autocisterna, uređaj za istakanje, metalni cjevovodi, metalni spremnici itd.) zahtijeva se iznos otpora do 10 Ω. Smatra se da veće vrijednosti otpora kod takvih struktura mogu upozoravati na loše spojeve ili koroziju metalnih struktura, tj. uzemljivača koji mogu dovesti do izoliranja metalne strukture od zemlje. Ključno je da u eksplozivnoj atmosferi metalne strukture, kao i metalni dijelovi opreme koji nisu dio strukture, ne budu električno izolirani od zemlje. Na autocisternama, ako nisu provedene mjere zaštite, mogu se prilikom dostave ili pretakanja goriva generirati potencijali od nekoliko desetaka tisuća volti, npr. 30 kv na autocisterni za koju se prosječno smatra da ima kapacitet od 1000 pf prema zemlji, može se potencijalno generirati 450 mj elektrostatske energije. Usporedimo li navedeni podatak s vrijednošću minimalne energije paljenja iz tablice II., vrlo se lako ExBilten Vol. 45, br. 12

9 I, Safić: Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom I. (c9 c10) prepozna potencijalna opasnost koju predstavlja autocisterna (akumulirana energija u ovom primjeru ima 1800 puta veću vrijednost od vrijednosti potrebne za paljenje benzinskih para). Stoga je pouzdano neutraliziranje statičkog elektriciteta obvezatno, tj. uzemljenje autocisterne maksimalnog otpora uzemljenja 10 Ω. Gume kotača autocisterne izrađene su kao disipativne, međutim navedena činjenica se zbog naglašene potencijalne opasnosti ne uzima kao olakotna okolnost kod radnji pretakanja. Obično se na postajama za istakanje uzemljenje autocisterni provodi sklopkama protueksplozijske Exd izvedbe s pripadajućim kliještima za uzemljenje (slika 8.), gdje osoba koja manipulira pretakanjem provodi određeni slijed tehničkim/radnim uputama propisanih radnji: spoj autocisterne s kliještima sklopke uključenje sklopke s obzirom na to da je sklopka odgovarajuće protueksplozijske izvedbe te su kliješta sada uzemljena, elektrostatsko izbijanje događa se u Exkućištu sklopke, autocisterna je uzemljena spajanja fleksibilnih cijevi na priključak za punjenje (preporučuje se metalnim završetkom jednog kraja navedenih cijevi prije početka spajanja cijevi na fiksni priključak spremnika kratko dotaknuti neki dio sada uzemljene autocisterne zbog neutraliziranja eventualno akumuliranog naboja na sklopovima cijevi) početak punjenja Slika 9. Kontrolnik uzemljenja autocisterne Fleksibilne cijevi s pripadajućim priključcima i pipcima koriste se za spoj autocisterne s fiksnim priključkom za punjenje spremnika (slika 10.) i za spoj uređaja za istakanje s otvorom za punjenje spremnika motornog vozila. Slika 10. Spoj autocisterne na fiksne priključke Ne smiju se koristiti električno nevodljivi sklopovi cijevpriključak (podjela prema tablici IV.) jer zbog protoka ugljikovodika kroz cijevi dolazi do pojave statičkog elektriciteta te se treba osigurati dovoljna disipacija naboja u zemlju. Osim navedenog, takvi sklopovi cijevi služe i za galvansko povezivanje autocisterne sa spremnicima te ljudi i motornih vozila s uređajima za istakanje. Tablica IV. prikazuje osnovnu podjelu sklopova cijevpriključak: TABLICA IV. PODJELA SKLOPOVA FLEKSIBILNIH CIJEVI Slika 8. Sklopka s kliještima za uzemljenje autocisterni Na objektima gdje se pretakanje provodi crpkama ili kompresorima, uzemljenje autocisterne može se izvesti i kontrolnicima uzemljenja. Pri spajanju i punjenju iznos otpora uzemljenja ne smije biti veći od 10 Ω. Ako dođe do prekoračenja otpora uzemljenja, uređaji ne dopuštaju punjenje ili prekidaju proces punjenja. Tehnička dokumentacija [1] općenito preporučuje sklopove za uzemljenje s automatskom indikacijom, kao npr. uređaj na slici 9. Razred ISO 8031 IEC Otpor sklopa cijevi (tablica III.) M R < 100 ω Vodljiv Ω R < 1 mω Vodljiv/disipativan Ω 1 kω r 100 mω Vodljiv/izolirajući Razred M označava električno povezane krajeve sklopa s dvije metalne fleksibilne žice, dok Ω označava ili vodljivi sklop žicom električno povezani krajevi sklopa (drugi red tablice IV.) ili antistatički sklop (treći red tablice IV.). Kod antistatičkog sklopa nema električnog povezivanja krajeva sklopa, a za materijal ExBilten Vol. 45, br. 12

10 I, Safić: Statički elektricitet kao uzročnik paljenja prostora ugroženih eksplozivnom atmosferom I. (c10 c10) fleksibilne cijevi upotrebljava se vodljiva/disipativna guma ili plastični sloj. Pri pretakanju tekućih zapaljivih ugljikovodika obvezatno treba upotrijebiti sklopove fleksibilnih cijevi s otporom ne većim od 1 MΩ. Za neke druge medije, ovisno o analizi, mogu se ublažiti zahtjevi. Tako npr. ako su struje generiranja < 10 μa, zadovoljavajući je otpor sklopa do 100 MΩ, što je ublažavanje u odnosu na 1 MΩ. Spremnici za skladištenje naftnih derivata na postajama za istakanje izrađeni su od metala, a mogu biti ugrađeni podzemno ili nadzemno. Mjere zaštite od elektrostatskog izbijanja su uzemljenje i izjednačenje potencijala spremnika i cjevovoda. Dakle, otpor uzemljenja ne smije prijeći 10 Ω, a spoj spremnika i cjevovoda (uključujući i odušni cjevovod) mora činiti galvansku cjelinu, osim u slučaju nevodljivih cjevovoda, gdje se trebaju primijeniti dodatne mjere zaštite prije navedene u članku. V. ZAKLJUČAK Nerijetke eksplozije u objektima/postrojenjima/procesima gdje je moguća pojava eksplozivne atmosfere pokazale su koliko je statički elektricitet specifična, nepredvidiva, realna te time i veoma opasna pojava s gledišta protueksplozijske zaštite. S tim u skladu zasluženo mu se pridaje sve veća pozornost, što dokazuje i tehnički izvještaj IEC/TS : Explosive atmospheres Part 321: Electrostatic hazards Guidance, izrađen Dvije godine poslije dokument prihvaća Europski odbor za elektrotehničke standarde (CENELEC) pod nazivom CLC/TR : Explosive atmospheres Part 321: Electrostatic hazards Guidance te navedeni dokument iste godine u izvorniku automatski prihvaća i Hrvatski zavod za norme pod nazivom HRI CLC/TR : opasnost od elektrostatskog naboja upute, koji potpuno zamjenjuje dotad važeći tehnički izvještaj HRN CLC/TR 50404:2004. Čitajući članke i tehničke časopise na predmetnu temu, može se zaključiti da je svijet protueksplozijske zaštite kada je riječ o elektrostatici i mjerama zaštite novim tehničkim izvještajem dobio univerzalan, unificiran, temeljit i sveobuhvatan dokument koji može pridonijeti da po pitanju "Exelektrostatike" velik dio svijeta govori istim jezikom. Kao ilustracija kompleksnosti elektrostatike kao uzročnika paljenja te sveobuhvatnosti mjera zaštite obrađenih u novom tehničkom izvještaju može poslužiti činjenica da se sastoji od 177 stranica. Osnovni je, dakle, zahtjev zaštite da mjera odvođenja naboja ili disipacija bude veća od mjere stvaranja ili generiranja elektrostatskog naboja. Navedeno se postiže tako da se osigura dovoljno mali omski otpor protoku generiranog elektrostatskog naboja prema zemlji. Dakle, općenito govoreći, osnovna mjera zaštite od statičkog elektriciteta u većini slučajeva u Exprostoru prema navedenom tehničkom izvještaju je da otpor uzemljenja objekata i medija ne bude veći od 1 MΩ, osim za autocisterne i velike metalne strukture, gdje se traži iznos manji od 10 Ω. Navedena filozofija zaštite zvuči jednostavno, međutim ubrzanje procesa u današnjoj industriji, učestalo uvođenje novih materijala i medija u procese te ljudi kao neizostavan faktor, unose dodatne parametre koje treba uzeti u obzir. S tim u vezi postojeće mjere zaštite često je potrebno dodatno analizirati i prilagoditi procesu ili mediju, što može dovesti do dodatnih zahtjeva, postroživanja ili pojednostavnjenja mjera zaštite. Ako se potvrdi subjektivni dojam autora članka da je Exsvijet s gledišta elektrostatike danas oprezniji te stoga i sigurniji, gore navedeni tehnički izvještaj potpuno opravdava svoj nastanak. LITERATURA [1] Hrvatski tehnički izvještaj HRI CLC/TR , Eksplozivne atmosfere dio 321: Opasnost od elektrostatskog naboja Upute (IEC/TS :2013; CLC/TR :2015), prvo izdanje, lipanj [2] National Fire Protection Association: NFPA 77 Recommended Practice on Static Electricity, 2000 Edition. [3] Electrostatic hazards with underground plastic pipes at petrol stations, Journal of Physics: Conference Series 301 (2011) , H. L.Wamsley [4] Summary of risks with conductive and nonconductive plastic pipes at retail petrol stations, Harold Walmsley Electrostatics Ltd, [5] Charging of a person exiting a car seat, Journal of Physics: Conference Series 142 (2008) , Birgitta Andersson, Lars Fast, Paul Holdstock, Diana Pirici [6] Ignition risks from static electricity problems solved?, Journal of Physics: Conference Series 142 (2008) , M. Glor [7] ExBilten Vol. 45, br. 12