Statik elektrik kaynaklı toz patlamalarının FMEA risk analizi yöntemi ile incelenmesi ve deneysel analizi
Research on dust explosions that caused due to electrostatic discharge by evaluation of FMEA and experimental analysis
Yazar: CENGİZ DİRİK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DURMUŞ UYGUN
Gediz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İş Sağlığı ve Güvenliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kazalar = Accidents
Dizin: FMEA = Failure Mode and Effects Analysis ; Yangın güvenliği = Fire safety ; İş güvenliği = Work safety

Özet:
Bu çalışmada, geniş anlamda, statik elektrik deşarjı güvenliği, mühendislik yaklaşımları ve risklerin tanımlanması ayrıca  çalışma ortamındaki risklerin nicelenmesi  amaçlanmıştır. İş güvenliği mühendisliği genellikle mühendislik ve temel bilimler prensiplerini kullanarak, yangın ve patlamanın insan hayatı ve çevreye verdiği zararı en aza indirme bilimi olarak tanımlanabilir.
Statik elektrik deşarjı konusunda hangi faktörler nasıl ve ne şekilde ele alınmalı? Gerçek anlamda statik elektrik deşarjı şartları nelerdir? Hangi durumları kapsar? Diğer önemli faktörler nelerdir? Tutuşma ve patlama doğası gereği tahmin edilebilme zorluğu nasıl aşılabilir?  Bu ve buna benzer bir çok soru büyük yapıların statik elektrik deşarj güvenliği konusuyla yakından ilgilidir. Bu çalışma sadece anahtar soruların yanıtlarını incelemekle  kalmayıp, tehlikeyi endüstriyel kazalar üzerinden, toz patlamaları için tanımlama ve FMEA risk analizi kullanarak risk değerini tolere edilebilir sevyelere indirme  amaçlıdır.
Bu çalışmada statik elektrik kaynaklı tehlikelerin önlenmesi 3 grupta incelenebilir. Birinci–Üçüncü bölümde; patlama, yangın ve statik elektrikle ilgili temel kavramların irdelenmesi, temel bilimsel teori ve yaklaşımların tanımlanması yapılmıştır. Statik elektrik deşarj şekilleri ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Statik elektrik kaynakları oluşum şartları ayrıntılı bir şekilde vurgulanmistir, Temel fizik konsept bilgiler temel alınarak birimler (Bkz. EK-A.1) (elektriksel yük, yüzeysel yük yoğunluğu, hacimsel yük yoğunluğu, öz direnç vb.) tanımlanmış ve sığa (kapasitör) kavramı ile maddelerin veya insanın  biriktirdiği yük miktarı ve deşarj şekli ilişkilendirilmiştir. 
Dördüncü bölümde toz tutuşabilirlik kinetiği üzerinde durulmuş, toz karakteristikleri ve bunların etkilerinin toz patlaması oluşma olasılığı ve şiddetinin büyüklüğü  üzerindeki etkileri tanımlanmış, toz patlamaları üzerindeki temel parametreler (parçacık büyüklüğü, nem, sıcaklık) ve birbirleriyle olan etkileşimleri vurgulanmıştır. Domino etkisinin toz patlamalarına olan etkisi ayrıntılı bir biçimde incelenmiştir. 
Beşinci bölümde mühendislik güvenlik önlemleriyle tehlikelerin gerçekleşme olasılığı ve şiddetinin düşürülmesi amaçlanmıştır. Mühendislik güvenlik yaklaşımları irdelenmiş, örneğin patlama boşaltım paneli, açılarak aşırı basıncın tahliyesi örneği verilmiştir. Diğer güvenlik ekipmanı ise sensörler olduğu ve buna ek olarak sistem güvenliğinde ısı, oksijen, nem detektörleri çok önemli bir rol oynamakta olduğu vurgulanmıştır. Sistemin inert edilmesi  teknik zorunluluk olduğu belirtilmiş, toz patlamalarının önlenmesinde N2 ve CO2 kullanımı örneği verilmiştir.
Altıncı bölümde ise 1970'li yıllarda Norveçte yaşanmış iki toz patlaması örneği kullanılmıştır. 1970'li yıllara ait bu teknolojilerin halen ülkemizde yaygın bir biçimde kullanıldığını görmekteyiz. Bu örnekler güncelliğini hala sürdürmektedir.  FMEA risk analizi ile tüm teorik bilgiler ile olayın kavranması sağlanmış ve bu bilgiler sahaya uygulanmış, riskin kabul edilebilir seviyelere düşmesi sağlanmıştır. Teorik bilgiler ile yaşanmış iki endüstriyel kaza ilişkilendirilmiş, elde edilen bilgiler ve bilimsel ipuçları ışığında yorumlanması sağlanmış ve gerçek anlamda problemler tanımlanmış, statik elektriğin anlaşılamamazlık durumu açığa kavuşturulmuştur. Bu çalışma sonucunda, belirgin bir sonuç (risklerin 50 den düşük  RÖS değerine indirilmesi) elde edilmiştir.
Bu örnekler metal ve gıda endüstrisine ait toz patlamaları örnekleridir. Bütün anlatılanlar gerçek olaylardan alınmış ve tam olarak nasıl meydana gelmişse o şekilde aktarılmıştır. 
Son bölümde ise incelenmiş tüm teorik bilgiler, ASTM standartları temel alınarak  düzenlenen  deney seti yardımıyla, laboratuvar ortamında hububat tozları için uygulanmış, elde edilen veriler tablo haline getirilerek, grafikler çizilmiştir.

Abstract:
This study is aimed at providing a broad picture of electrostatic discharge engineering approaches and the identification of risks followed by quantifying the risks and hazards involved in accidents occuring at work environment. Electrostatic discharge (ESD) safety engineering generally can be defined as the application of scientific and engineering principles to the effects of fire and explosion in order to reduce the loss of life and damage to property. 
How do we and how should we decide on values for factors of electrostatic discharge safety? What indeed are electrostatic discharge safety factors? What are they intended to cover?  How are the other matters important for safety dealt with? What is the nature of ignition and explosion uncertainties?  How and why static charge builds up on people and items? The research will attempt to analyze and examine these essential questions and many other aspects that relate to the electrostatic discharge safety of large units. This research not only answers the questions stated but also focuses on hazard identification via notable industrial accidents for dust explosions, followed by FMEA risk analysis. 
Recommended practice on static electricity maybe divided into three main sections. Chapter1 to Chapter3 include basic background information dealing with the dangers of fire and explosion, the origins of static electricity and the fundamentals of gas discharges. It is necessary to address the fundamental theory on which they are partly based. Electrostatic discharge types are defined by means of fundamental physics concept (See EK-A.1) such as charge density, volume charge density, electric field. Principle of capacitor charge accumulation is reviewed to fully understand the ESD mechanism.
Chapter 4 mainly focuses on dust flammability mechanism, this chapter discusses the importance of dust characteristics and their effect on the probability and severity of dust explosions. The main parameters affecting dust explosion such as dust particle size, moisture, agglomeration, humidity are introduced and an overview of domino effect on dust explosions is analyzed. 
This section refers to engineered safety features that reduce the probability and consequences of any hazard. Engineered safety devices are such as explosion relief vents, thoroughly reviewed. The relief vents open to release explosion pressure when the pressure rises. The other engineered safety devices are sensors and detectors such as heat, humidity, oxygen detectors. These devices play important role in the prevention of dust explosions and fire. In addition, inerting is given as an example of a dust explosion prevention, which is adding N2, to a dust cloud by an automatic explosion suppression process. 
This latter section relates two different descriptions of real industrial accidents, occurred in Norway about mid 1970's. 
Summarizes the principles of safety and acts as a connection between the technical fundamentals and the industrial accidents histories that follow in chapter 6. It's tried to describe the individual cases by identifying different clues and interpretations, systematically evaluating them and then arrive to deductions, finally conclude the root cause of the explosions. Unpredictable nature of electrostatic discharge hazard is made clear. The risks are lowered to tolerable level in terms of RPN (Risk priority number) below 50. The examples cover metal and food industries and involve hazards associated with powders.  All industrial accidents are reviewed are based upon fact and are presented exactly as how they happened.
The final section was experimental study aimed at determining the minimum ignition energy (MIE) of 3 different grain dust samples with changing fundamental explosion parameters. The circuit has been set up for creating the sparks in the experiments: a replica of the American Society for Testing and Materials (ASTM) apparatus (ASTM, 2007)