Способ защиты изделий с изолирующими поверхностями от электростатической опасности
METHOD OF ARTICLES WITH INSULATING SURFACES PROTECTING AGAINST ELECTROSTATIC HAZARD

Изобретение относится к способам защиты изделий с изолирующими поверхностями от электростатической опасности заземленными или рассеивающими электропроводящими контурами, образующими ячеистую структуру, и может найти применение в газовой, нефтяной, нефтехимической, химической, пищевой, зерноперерабатывающей, машиностроительной отраслях промышленности, в области охраны труда и пожаровзрывобезопасности.
Неметаллические диэлектрические природные и промышленные материалы обладают многими разнообразными ценными качествами и применяются повсеместно. Однако при их применении приходится считаться с нежелательными и опасными проявлениями статического электричества. Поэтому широкое распространение получил, например, способ защиты с применением сочлененных с их поверхностями заземляющих электропроводящих или рассеивающих контурных устройств (ячеистых, сетчатых, кольцеобразных или с определенным шагом навивки, или в виде металлических и волоконных электропроводящих филаментов в тканях и в нетканых материалах).
2
Известен способ (Правила защиты от статического электричества в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности. М: Химия, 1973. 64 с.), согласно которому резиновые (либо другие из неэлектропроводных материалов) шланги с металлическими наконечниками, используемые для налива жидкостей в железнодорожные цистерны, автоцистерны и другие передвижные сосуды и аппараты должны быть обвиты медной проволокой диаметром не менее 2 мм (или медным тросиком сечением не менее 4 мм) с шагом витка не более 100 мм. Один конец проволоки (или тросика) соединяется пайкой (или под болт) с металлическими заземленными частями продуктопровода, а другой - с наконечником шланга.
Данный способ не лишен определенных недостатков. Не отражены границы, в пределах которых он эффективен и может удовлетворять требованиям обеспечения пожаровзрывобезопасности, для чего он и предназначается. Не учитывается возможность его применения в зависимости от параметров, характеризующих электростатические и электропрочностные свойства изолирующих поверхностей, и параметров процессов электризации. В случае сильной электризации при его применении не исключается пробой и перфорирование изолирующих стенок, а также возрастает вероятность возникновения скользящих по внутренней поверхности шланга искровых разрядов статического электричества и удваивается их зажигающая способность.
В международной практике, как показано, например, в табл. и в национальных стандартах ряда стран:
- IEC 60079-32-1 TS Ed. 1.0: Explosive atmospheres - Part 32-1: Electrostatic hazards, Guidance. Данное техническое решение принято за прототип;
- ГОСТ 31613-2012: Электростатическая искробезопасность. Общие технические требования и методы испытания, -
ограничивают геометрические параметры изолирующих объектов, допустимых во взрывоопасных газо- или паровоздушных смесях, а также отмечается, что применение сочлененных с их поверхностями заземляющих электропроводящих или рассеивающих контурных устройств позволяет существенно укрупнить защищаемые ячейки.
Данное техническое решение принято за прототип.
Область применения способа по последним источникам значительно шире, чем только для шлангов из изолирующих материалов, но и в этом случае способу присущи те же вышеотмеченные недостатки.
Примечание 1. Критерий ширины применяют к тонким трубкам, к оболочкам кабелей и к другим изолирующим материалам с малой шириной или с малым диаметром.
Примечание 2. Предельные значения площади поверхности, представленные в таблице, могут быть увеличены в 4 раза при наличии заземленного электропроводящего контура по периметру ячейки (сетки или рамки).
Ряд ниже отмеченных недостатков прототипа наиболее существенны:
- применение защитных контуров огранивается девятью вариантами (5 по площади и 4 по ширине) регламентируемых параметров защищаемых ячеек (см. табл.);
- не предусматривается применение способа для защиты изделий с изолирующими поверхностями, предназначенными для применения в зонах 2, 20, 21 и 22, для которых, например, в условиях сильной электризации потребуется определение других параметров защищаемых ячеек;
- не учитывается то, что параметры защищаемых ячеек должны определяться в зависимости от целевого назначения их защиты: обеспечение пожаровзрывобезопасности, или охраны труда, или экранирования, или предупреждения производственного брака, или сохранения качеств изделия при его применении по прямому назначению;
- не учитывается функциональная зависимость параметров защищаемых ячеек от параметров, характеризующих электростатические и электропрочностные свойства изолирующих поверхностей, и от параметров процессов электризации;
- не учитывается, что известный способ эффективен только в условиях слабой электризации, а в условиях сильной электризации при его применении не исключается пробой и перфорирование изолирующих стенок, а также возрастает вероятность возникновения скользящих искровых разрядов статического электричества и удваивается их зажигающая способность;
- не учитывается, что при электризации изолирующей поверхности технологической средой параметры защищаемых ячеек должны определяться параметрами, характеризующими электростатические свойства поверхностей, находящихся в контакте с этой средой.
В обычной обыденной и производственной практике обращаются вещества и материалы или изделия со стенками из изолирующих материалов, на противоположных сторонах которых не способны образоваться плотности электрических зарядов различного знака, а напряженность электрического поля и объемная плотность энергии в которых не существенно превышает значения, возможные в среде воздуха. Однако выделенные выше и принятые за прототип изобретения материалы и изделия, снабжаемые защитными контурами, обладают такой способностью, т.е. способностью подвергаться сильной электризации. И недостаток способов, выбранных за прототип, состоит в том, что при создании и применении защитных контуров обычно не учитывается необходимость различать условия безыскровой, слабой или сильной электризации объектов защиты и не учитывается возможность конструктивными параметрами создаваемых контуров и их размещением влиять на эти условия.
Кроме того, известно устройство для отвода зарядов статического электричества с диэлектрических материалов или устройство защиты диэлектрических материалов (далее УЗДМ) путем размещения на их поверхности защитного контура (SU 1309335 A, H05F 0003/02, 07.05.1987). Его практическая значимость и реализуемость не подлежит сомнению, но эмпирическая формула, принятая за основу, не учитывает динамики процессов электризации, требований к написанию расчетных формул и к их соответствию физическим или техническим моделям. К тому же описание и формула изобретения УЗДМ относятся только к условиям слабой электризации, поскольку касаются процессов электризации при обращении с тканью, что заведомо исключает возможность условий сильной электризации, а эффективность и целесообразность создания защитных контуров различна в условиях сильной или слабой электризации.
Теми же вышерассмотренными и рядом собственных недостатков характеризуется и устройство УЗДМ.
Формула и описание УЗДМ отображают устройство для отвода зарядов статического электричества с диэлектрических материалов, не принципиально отличающееся от аналогичных устройств, ограничивающих зажигающую способность разрядов статического электричества во взрывоопасной среде, возникающих:
- с наружных поверхностей шлангов, применяемых при обращении с нефтепродуктами (см. Правила защиты от статического электричества в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности. М.: Химия, 1973. 64 с.);
- с наружных поверхностей стенок аппаратов и оборудования из изолирующих материалов (см. ГОСТ 31613-2012, Электростатическая искробезопасность - Общие технические требования и методы испытания, 1-ю ред. ГОСТ IEC TS 60079-32-1, Взрывоопасные среды - Часть 32-1: Электростатика - Опасные проявления - Руководство и IEC TS 60079-32-1 Ed. 1.0 (2013-08) Explosive atmospheres - Part 32-1: Electrostatic hazards, guidance).
УЗДМ (SU 1309335 A, H05F 0003/02, 07.05.1987) практически может оказывать влияние на снижение зажигающей способности разрядов статического электричества, но способ создания и качественного обоснования эффективности и конструктивных количественных параметров данного устройства ни описанием, ни формулой изобретения не отражены. При этом никак не учтена ни динамика процессов электризации, ни требования к написанию расчетных формул и к их соответствию физическим или техническим моделям устройства.
В п. 1 формулы изобретения отмечается, что с целью повышения эффективности антистатической защиты за счет ограничения величины энергии разрядов расстояния между токопроводящими элементами и радиусы вписанных в контуры окружностей не превышают величины
где
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала;
s
ρ - поверхностное электрическое сопротивление материала, Ом;
ϕ - относительная влажность окружающего материал воздуха;
Е - максимальное значение напряженности электростатического поля над поверхностью материала, В/м.
Но данная формула получена эмпирически, не имеет общего характера и применима только в тех условиях, в которых она получена:
- для прорезиненного лавсана с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 3,5;
- в соответствии с данными измерений значений напряженности поля у поверхности материала до наложения электропроводящих элементов;
- при относительной влажности воздуха от 0,3 до 0,6 (не от 30% до 60%) и при температуре от 15°C до 25°C.
Размерность левой части формулы не соответствует размерности ее правой части. Размерности физических величин не соблюдены.
В формуле изобретения отмечается, что целью повышения эффективности антистатической защиты является ограничение величины энергии разрядов, но энергия разрядов никак не отражена ни в описании, ни в формуле изобретения устройства.
В изобретении SU 1309335 отражено, что определяющим параметром устройства являются радиусы вписанных в контуры окружностей (R, м), которые косвенно задаются поверхностной плотностью зарядов на материале, являющемся объектом защиты, а непосредственно - напряженностью электростатического поля в воздухе (Е, В/м), источником которого они являются.
1
2
в
Но в общем случае электрическая прочность материала или стенки изделия (емкости, аппарата, оборудования, трубопровода и т.п.) может превышать электрическую прочность воздуха. При этом в процессе электризации материала или стенки изделия (емкости, аппарата, оборудования, трубопровода и т.п.) с электрической прочностью, превышающей электрическую прочность воздуха, на внешней (σ) и внутренней (σ) поверхностях образуется поверхностная плотность зарядов различного знака. Источником абсолютного значения напряженности электростатического поля в воздухе, /Е/, с внешней стороны служит разность их абсолютных значений:
Измеряемые в среде воздуха значения напряженности электростатического поля будут случайными: то положительными, то отрицательными, то нулевыми - неприменимыми для заключения о величине напряженности внутри изолирующего материала стенки и о реальных значениях поверхностной плотности зарядов на материалах или изделиях, являющихся объектом, защищаемым заземленными электропроводящими контурами.
Существенным недостатком изобретения (SU 1309335 A1, H05F 0003/02, 07.05.1987) является то обстоятельство, что при определении его параметров ставились и решались задачи, которые характерны только для устройства. Не учитывались условия электризации и то обстоятельство, что защита от опасных проявлений статического электричества может осуществляться на уровнях: безыскровой, слабой или сильной электризации. Не отражено требуемого для способа определения условий электризации объекта защиты, что для устройства и не существенно.
Не учитывались и не отражены также возможности влиять на условия электризации устройством и порядком применения защитного контура.
Таким образом, применение известных способов защиты изделий с изолирующими поверхностями от электростатической опасности заземленными или рассеивающими электропроводящими контурами, образующими ячеистую структуру, ограничено, сопряжено с недооценкой пожарной опасности и в определенных обстоятельствах может непреднамеренно способствовать опасным проявлениям статического электричества.
Заявляемый способ защиты изделий с изолирующими поверхностями от электростатической опасности устраняет указанные недостатки.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в способе защиты изделий с изолирующими поверхностями от электростатической опасности заземленными или рассеивающими электропроводящими контурами, образующими ячеистую структуру, включающем в себя создание защитных контуров, при котором перед созданием защитного контура задают максимально допустимый с целью обеспечения пожаровзрывобезопасности, или охраны труда, или предупреждения производственного брака потенциал поверхности его ячеек, определяют наибольшую возможную в условиях применения изделия плотность тока электризации изолирующей поверхности и удельное поверхностное сопротивление и рассчитывают характеристический размер свободной поверхности ячеек, ограниченной токопроводящим периметром создаваемого контура, а в случае, когда поверхность подвергается электризации технологической средой, параметры защитных ячеек определяют параметрами электростатических свойств поверхности, граничащей с технологической средой и подвергающейся воздействию процессов электризации, проистекающих при ее взаимодействии с этой средой, при этом в случае сильной электризации защитные контуры размещают непосредственно на поверхности, подвергающейся электризации, и характеристический размер Р поверхности, ограниченной токопроводящим периметром ячейки создаваемого защитного контура, определяют по формуле
где
а - коэффициент, зависящей от формы свободной поверхности ячейки, причем при ячейках круглой формы а=4, при ячейках в виде параллельных полос , а при ячейках другой формы в их площадь свободной поверхности должен вписываться круг, диаметр которого определяется при ;
T
V - нормируемое значение потенциала поверхности ячейки, В;
2
j - воздействующая на поверхность плотность тока электризации, А/м;
s
ρ - удельное поверхностное сопротивление, Ом.
Способ включает совокупность действий:
T
- задание максимального допустимого потенциала V поверхности ячейки из изолирующего материала относительно элементов ее эквипотенциального электропроводящего (полупроводящего) заземленного периметра;
- определение плотности тока электризации поверхности ячейки из изолирующего материала j и удельного поверхностного сопротивления ρ, ячейки из изолирующего материала (стандартного или фактического в условиях электризации);
- определение условий электризации (безыскровой, слабой или сильной) объекта защиты и влияния на условия электризации (конструкцией и/или порядком применения создаваемого защитного контура).
Предлагаемый способ отличается тем, что параметры электропроводящего периметра, ограничивающего изолирующую поверхность ячейки, задаются значением ее максимального электростатического потенциала относительно электропроводящего заземленного контура.
Отличия от известных устройств очевидны. Смотри:
- Правила защиты от статического электричества в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности. М.: Химия, 1973. 64 с.;
- ГОСТ 31613-2012. Электростатическая искробезопасность. Общие технические требования и методы испытания;
- 1-ю ред. ГОСТ IEC TS 60079-32-1 Взрывоопасные среды - Часть 32-1: Электростатика. Опасные проявления. Руководство и
- IEC TS 60079-32-1 Ed. 1.0 (2013-08) Explosive atmospheres - Part 32-1: Electrostatic hazards, guidance.
Значения потенциалов регламентируются стандартами, нормами, техническими требованиями или целевым назначением создаваемого защитного контура.
Отличительной чертой способа является то, что пред его созданием определяется динамичный параметр: плотность тока электризации объекта защиты, поверхность которого подвержена электризации. В (SU 1309335 A1, H05F 0003/02, 07.05.1987) применен статичный параметр: напряженность электростатического поля, как непосредственно измеряемый параметр, характеризующий образующуюся и сохраняющуюся после электризации поверхностную плотность зарядов.
Известно много теоретических и чрезвычайно трудоемких, частных и недостаточно надежных расчетных способов определения плотности тока электризации.
Но наибольшей простотой и надежностью применения в целях оценки обеспечения пожарной безопасности отличаются сравнительно недавно установленные способы определения предельных значений плотности тока электризации, как одной из электропрочностных характеристик взаимно электризующихся объектов или как среды, в которой протекает электризация (Веревкин В.Н. Обеспечение взрывопожаробезопасности объектов перерабатывающих предприятий АПК путем ограничения риска воспламенения горючих веществ и материалов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Специальность 05.26.03 - пожарная безопасность. Санкт-Петербург-Пушкин, 1998. С. 30).
2
2
Например, для пневмотранспорта двухфазного потока (пшеничная мука - воздух) по металлическому трубопроводу плотность тока электризации достигает значения 100 мкА/м, характерного для свойств воздуха, а в трубах из стекла 13в она достигает только 10 мкА/м, что соответствует электрической прочности стекла 13в. См. 101/355/RVC (2012-01-27): IEC/TR 61340-1 Ed. 1.0: Electrostatics - Part 1: Electrostatic phenomena - Principles and measurements.
Но плотность тока, как определяющий фактор в совокупности параметров, требуемых в связи с созданием и применением защитных контуров, ранее не учитывалась.
Значения плотности тока электризации не включались в фонд справочных и стандартных данных и обычно не определялись в уникальных трудозатратных полномасштабных стендовых испытаниях аппаратов и оборудования, применяемого при обращении с нефтепродуктами и в других технологиях. Возможность и проста их попутного определения в ходе таких испытаний невозвратно утрачивалась. Данный способ делает актуальным направление совершенствования технического регулирования, накопления данных о значениях плотности тока электризации аппаратов и оборудования ряда технологий и может рассматриваться как одно из попутных направлений его внедрения.
Удельное поверхностное сопротивление входит в номенклатуру стандартных показателей электростатических свойств веществ, материалов и изделий. Но отличительной особенностью способа является применение этого показателя в совокупности с плотностью тока электризации и максимальным допустимым потенциалом поверхности изолирующего материала или изделия, защищаемого контурным электропроводящим периметром.
При этом возможно применение как стандартных значений удельного поверхностного сопротивления, так и значений удельных поверхностных сопротивлений поверхности полимерного материала, граничащей с нефтепродуктом, т.е. удельных поверхностных сопротивлений «полимерный материал - нефтепродукт».
Востребованность данного параметра в дальнейшем делает актуальным направление работы по разработке устройств и способов измерения этого параметра для аппаратов и оборудования ряда технологий.
Применение удельного поверхностного сопротивления изолирующего материала с технологической средой является одним из важных элементов способа.
Существует возможность создания защитного контура, обеспечивающего ограничение максимального электростатического потенциала поверхности защищаемой ячейки значением не свыше 300 В. Тем самым, применение способа обеспечивает возможность замены металлического оборудования на оборудование из неметаллических материалов. Данная возможность достигается при условии сохранения режимных и конструктивных параметров, а также опыта и порядка обеспечения безопасной эксплуатации аналогичного металлического оборудования.
Такое положение соответствует требованиям п. 4.7.1 из ГОСТ 31613-2012 (ГОСТ Р 52274-2004), где отмечается, что разряды статического электричества с неметаллических участков поверхностей заземленных изделий в смесях горючего с воздухом отсутствуют, если в рассматриваемой системе исключены разрядные промежутки с разностью потенциалов, превышающей 300 В.
Предлагаемый способ обеспечивает возможность реализации данного стандартного требования созданием и применением контура с заданными защитными свойствами, что характеризует его существенную практическую значимость.
В случае сильной электризации защитные контуры важно размещать непосредственно на поверхности, подвергающейся электризации.
Пояснения представлены на фиг. 1, 2, 3 и 4.
1
2
На фиг. 1 показан участок трубопровода из изолирующего материала в заземленных электропроводящих фланцах, где 1 - стенка участка трубопровода; 2 - эпюра распределения положительного потенциала на внешней стенке; 3 - эпюра распределения отрицательного потенциала на внутренней стенке; 4 - положительно заряжающийся поток нефтепродукта; 5 - слой отрицательных зарядов, образующихся на внутренней поверхности стенки участка трубы в результате процесса электризации при взаимодействии с потоком нефтепродукта; 6 - слой положительных зарядов на внешней поверхности стенки участка трубы, образующихся вследствие ионизации воздуха коронными разрядами в электростатическом поле слоя отрицательных зарядов на внутренней поверхности стенки; 7 - заземленные фланцы арматуры крепления участка трубопровода. Природа и взаимосвязь плотности слоев зарядов (6) на внешней (σ) и (5) на внутренней (σ) поверхностях стенки из изолирующего материала поясняется выше. Как показано на фиг. 1, на участке трубы поток нефтепродукта заряжается положительно, а стенка отрицательно. По мере увеличения плотности слоя отрицательных зарядов (5) на внутренней поверхности стенки напряженность поля в воздухе возрастает. Возникает многократно повторяющийся коронный разряд, приводящий к формированию уравновешивающей плотности слоя положительных зарядов (6) на внешней поверхности стенки. В условиях сильной электризации разность потенциалов между отрицательным (5) и положительным (6) слоями зарядов в центральной части трубы способна достигать предельного значения Uпр, соответствующего электрической прочности материала стенки трубы. При этом разность потенциалов между потенциалом центральной части внутренней поверхности стенки трубы и фланцем, также как и между потенциалом центральной части внешней поверхности стенки трубы и фланцем, существенно меньше предельного значения Uпр.
На фиг. 2 показано распределение потенциала (3) на внутренней поверхности стенки (1) участка трубопровода из изолирующего материала с внешним электропроводящим заземленным покрытием (2), закрепленного в заземленных электропроводящих фланцах (7) и электризуемого потоком заряжающегося нефтепродукта (4). В условиях сильной электризации разность потенциалов между электропроводящим покрытием (2) и внутренней поверхностью стенки (1) в центральной части трубы способна достигать предельного значения Uпр, соответствующего электрической прочности материала стенки трубы. При этом разность потенциалов между потенциалом центральной части внутренней поверхности стенки трубы и фланцами также достигает значения Uпр.
Сравнение фиг. 1 и фиг. 2 показывает, что внешнее электропроводящее покрытие изолирующей трубы в случае сильной электризации способно увеличить электростатический потенциал на ее внутренней поверхности, не исключает возможности пробоя (перфорирования) материала стенки или возникновения скользящего искрового разряда, когда труба становится пустой, не заполненной нефтепродуктом. Причем зажигающая способность скользящего разряда (фиг. 2) может быть существенно больше (может удвоиться), чем в случае, показанном на фиг. 1.
Но внешнее электропроводящее покрытие изолирующей трубы способствует возрастанию поверхностной (тангенциальной, параллельной поверхности стенки) составляющей электростатического поля на внутренней поверхности стенки и тем самым поверхностной составляющей токов утечки, что успешно используется для обеспечения защиты от пробоя, перфорирования и возникновения скользящего поверхностного искрового разряда статического электричества, но только в условиях слабой электризации.
Внешнее электропроводящее покрытие изолирующей трубы обычно применяется для защиты от зажигания взрывоопасной среды разрядами статического электричества на внешние участки поверхностей оборудования из изолирующих материалов. Но в условиях сильной электризации оно может оказаться не лучшим средством защиты.
На фиг. 3 показан случай размещения защитного контура на внешней поверхности участка трубы из изолирующего материала. Защитный контур образован фланцами 7 и заземленным металлическим кольцом 8, размещенным на внешней поверхности участка трубы из изолирующего материала.
Распределение потенциала (3) на внутренней поверхности стенки (1) участка трубопровода из изолирующего материала аналогично показанному на фиг. 2. В условиях сильной электризации разность потенциалов между заземленным металлическим кольцом (8) и внутренней поверхностью стенки (1) в центральной части трубы способна достигать предельного значения Uпр, соответствующего электрической прочности материала стенки трубы. При этом разность потенциалов между потенциалом центральной части внутренней поверхности стенки трубы и фланцами также может достигать значения Uпр.
Внешнее размещение заземленного металлического кольца (8) в случае сильной электризации способно увеличить электростатический потенциал на ее внутренней поверхности, не исключая возможности пробоя (перфорирования) материала стенки или возникновения скользящего искрового разряда, когда труба становится пустой, не заполненной нефтепродуктом. Причем зажигающая способность скользящего искрового разряда (фиг. 3) может быть существенно больше, чем в случае, показанном на фиг. 1.
Но внешнее размещение защитного контура способствует возрастанию тангенциальной составляющей электростатического поля у внутренней поверхности и тем самым способствует возрастанию поверхностной составляющей токов утечки, что успешно используется для обеспечения защиты от пробоя, перфорирования и возникновения скользящего поверхностного искрового разряда статического электричества, но только в условиях слабой электризации.
Внешнее размещение защитного контура обычно применяется для защиты от зажигания взрывоопасной среды разрядами статического электричества на внешние участки поверхностей оборудования из изолирующих материалов. Но оно не должно применяться в условиях сильной электризации, что иногда не учитывается.
На фиг. 4 показан защитный контур, образованный фланцами 7 и заземленным металлическим кольцом 8, размещенным на внутренней подвергающейся электризации при взаимодействии с потоком нефтепродукта поверхности участка трубы из изолирующего материала.
Распределение потенциала (3) на внутренней поверхности стенки (1) участка трубопровода из изолирующего материала таково, что защитный контур ограничивает максимальное значение потенциала на внутренней поверхности значением не свыше 300 В, что обеспечивает условия безыскровой электризации. Плотность отрицательного заряда на внутренней поверхности не достаточна для того, чтобы обеспечить возникновение коронного разряда с внешней поверхности стенки трубы или разряда при сближении с ней заземленного металлического электрода.
Этот пример показывает, что размещение защитного контура на материале, способном к сильной электризации, обеспечивает условия его безыскровой электризации и возможность по условиям электризации применения оборудования из изолирующего материала там, где применяется оборудование металлическое.
Заявляемый способ защиты изделий с изолирующими поверхностями от электростатической опасности заземленными или рассеивающими электропроводящими контурами, образующими ячеистую структуру, позволяет создавать защитные ячейки, удовлетворяющие критериальные значения, вытекающие из их целевого назначения. Очевидно, что требования к защите изделий, предназначенных для обращения во взрывоопасных средах, даже выраженные в однородных физических величинах, будут отличаться, например, критериальными значениями от таковых, в случае, когда при обращении с изделием требуется соблюсти требования охраны труда, или когда необходимо сократить производственный брак от проявлений статического электричества.
Заявляемый способ также позволяет создавать защитные ячейки, удовлетворяющие критериальным значениям, вытекающим из требований обеспечения безопасности при обращении со средами, продукцией или объектами с известной чувствительностью к электростатическим воздействиям: к кондуктивному электростатическому разряжению и разрядам статического электричества.
В то же время заявляемый способ позволяет создавать защитные ячейки с геометрическими параметрами, функционально задаваемыми в зависимости от параметров, характеризующих электростатические свойства изолирующих поверхностей и параметров процессов их электризации.
Кроме того, как уже показано выше, защитная эффективность заземленными или рассеивающими электропроводящими контурами, образующими ячеистую структуру, зависит и от того, на какой стороне стенки изделия они размещаются, т.к. в случае сильной электризации их эффективность гарантирована только в случае, если они размещаются на стороне поверхности, непосредственно подвергающейся электризации. В противном случае неизбежно возрастание вероятности возникновения и зажигающей способности скользящих искровых разрядов, пробоев и перфорирования стенки изделия независимо от того, какой потенциал будет на поверхности, не подвергающейся электризации. При этом в случае, когда поверхность подвергается электризации технологической средой, параметры защитных ячеек определяют параметрами электростатических свойств поверхности, граничащей с технологической средой и подвергающейся воздействию процессов электризации, проистекающих при ее взаимодействии с этой средой.
Современной системой технического регулирования предусматривается применение критериальных значений потенциала свободных изолирующих поверхностей, защищаемых ячеистыми проводящими или рассеивающими структурами. Однако до настоящего времени отсутствовала модель их расчета, учитывающая динамику процессов электризации и нормируемые электростатические нагрузки.
Поэтому оформлению заявки предшествовала разработка модели расчета характеристического размера P поверхности, ограниченной токопроводящим периметром ячейки создаваемого защитного контура и соответствующей формулы
где
а - коэффициент, зависящей от формы свободной поверхности ячейки, причем при ячейках круглой формы а=4, при ячейках в виде параллельных полос , а при ячейках другой формы в их площадь свободной поверхности должен вписываться круг, диаметр которого определяется при ;
T
V - нормируемое значение потенциала поверхности ячейки, В;
2
j - воздействующая на поверхность плотность тока электризации, А/м;
s
ρ - удельное поверхностное сопротивление, Ом.
При обосновании формулы рассмотрен ряд вариантов.
T
s
В первом варианте рассмотрена задача нахождения максимального потенциала поверхности V при применении заземляющего устройства в форме электропроводящих заземленных колец радиуса R на плоской поверхности из изолирующего материала (на плоской развертке цилиндрической поверхности) с покрытием, обладающим удельным поверхностным сопротивлением ρ и подвергающимся заряжению (электризации) с плотностью тока j.
т
s
Во втором варианте рассмотрена задача нахождения максимального потенциала поверхности V при применении заземляющего устройства в форме электропроводящих заземленных колец диаметром D на поверхности цилиндра с диаметром D, отстоящих друг от друга по высоте цилиндра на расстояние L. Причем на наружной поверхности стенки цилиндра из изолирующего материала нанесено покрытие с удельным поверхностным сопротивлением ρ. Покрытие подвергается заряжению (электризации) с плотностью тока j.
Первый вариант.
Т
r
На фиг. 5 показан круг радиусом R на развертке трубы с заземляющим покрытием на непроводящей основе, где: V - максимальный потенциал поверхности в центре окружности из проводящей проволоки радиусом R; V - максимальный потенциал поверхности в точке на окружности радиусом r.
Падение потенциала dV на кольце шириной dr (фиг. 5) определяется по закону Ома:
r
n
dV=-IR,
r
где I - сила тока на площади, равной площади круга радиусом r.
r
2
I=π⋅rj.
n
R - сопротивление элементарного кольцевого фрагмента шириной dr и длиной 2πr.
n
s
R=ρ⋅dr/2πr.
Тогда
2
s
dV=-π⋅r⋅j⋅ρs⋅dr/2πr=-0,5j⋅ρ⋅r⋅dr.
Интегральное выражение для потенциала Vr в координате r:
При r=R
r=R
R
V=V=0,
так как периметр заземлен (фиг. 5).
Тогда при r=R:
2
(-R+c)=0
2
и с=R.
r
Потенциал Vна удалении r от центра окружности
r
s
2
2
V=0,25jρ(R-r)
Если r=0, то потенциал в центре окружности:
r
0
T
s
2
V=V=V=0,25jρR
Если за характеристический размер кольцевой ячейки принять диаметр окружности D, то:
T
s
2
V=0,0625jρD
T
Требуемое условие для потенциала V будет соблюдаться при значениях R и D не более значений, вычисленных соответственно по формулам
и
Второй вариант.
На фиг. 6 показан цилиндрический участок поверхности длиной L и диаметром D.
Падение потенциала dV на элементарном цилиндрическом участке поверхности высотой dz и диаметром D (фиг. 6) определяется по закону Ома как
z
n
dV=-I⋅R,
z
где I - сила тока на площади цилиндра длиной z и диаметром D
z
I=π⋅Dz⋅j.
п
R - сопротивление элементарного цилиндрического участка поверхности высотой dz и диаметром D кольцевого фрагмента
n
s
R=ρ⋅dz/πD.
Тогда
z
s
s
s
dV=-Iρ⋅dz/πD=-π⋅Dz⋅j⋅ρ⋅dz/πD=-j⋅ρ⋅z⋅dz.
z
Интегральное выражение для потенциала V:
При z=0,5 L
0,5L
V=0,
так как торцы цилиндрической поверхности заземлены (фиг. 6).
Тогда при z=0,5 L:
2
(-0,25 L+с)=0
и
2
с=0,25 L.
z
Потенциал V на удалении z от начала координат в центральной части оси цилиндрической поверхности:
z
s
2
2
V=0,5jρ⋅(0,25 L-z)
Если z=0, то потенциал в центральной части цилиндрической поверхности:
T
s
2
V=0,125j⋅ρ⋅L
T
Требуемое условие для потенциала V будет соблюдаться при значениях L не более вычисленных соответственно формуле
Другие варианты.
При других вариантах исполнения заземляющих периметров характеристический размер P заключенных в них поверхностей лежит в пределах значений, определяемых по формулам 1 и 2:
L≤P≤D
т
Например, при шаге навивки проволоки h на цилиндрическую поверхность трубы диаметром D значение P определяется формулой
В другом случае, когда ячейки квадратные со стороной квадрата "а", можно принять
Ранее представленное описание предлагаемого способа позволяет особо выделить его наиболее важное отличие, состоящее в том, что предлагаемое техническое решение можно реализовать, например, обоснованной заменой металлического изделия (стенки аппарата или емкости), электризуемого жидкостью (технологической средой), на изделие из изолирующего материала с аналогичными геометрическими, техническими и эксплуатационными параметрами и сохраняющее эффективность обеспечения защиты средствами заземления металлического изделия.
т
Если максимальный потенциал поверхности изделия из изолирующего материала не превысит условно приемлемого значения V, например, согласно ГОСТ Р 52274 (с 2012 ГОСТ 31613) значения 300 В, то изделие в целом считается электропроводящим и его заземление достаточно для обеспечения соответствия требованиям ЭСИБ, при соблюдении таких же требований по защите от статического электричества, которые применяются и к аналогичному металлическому изделию.
т
т
Так, согласно заявляемому способу заземленными или рассеивающими электропроводящими контурами, образующими ячеистую структуру, перед созданием защитных контуров определен критерий обеспечения пожаровзрывобезопасности. Он состоит в том, что потенциал защищаемых ячеек не должен превышать 300 В. При этом в случае применения изделия из изолирующего материала сохранятся граничные условия, практически аналогичные условиям применения металлического изделия. Возможное увеличение граничного потенциала на 300 В не существенно при обращении с взрывоопасной средой категории ПВ или ПА. Согласно Приложению ДЗ ГОСТ 31613-2012 во взрывоопасных смесях категорий IIB и IIА допустимы соответственно значения V≤14,2 кВ и V≤17,5 кВ. При этом основным гарантом электростатической искробезопасности служит сложившийся опыт обеспечения безопасности применения металлического изделия.
T
s
2
В дальнейшем характеристический линейный размер L изолирующей поверхности, защищаемой спиральным электропроводящим контуром, задают с учетом ее критериального потенциала V(B), удельного поверхностного сопротивления ρ (Ом) и воздействующей на нее плотности тока электризации j (А/м).
При этом учтены значения
т
V=300 В.
2
Плотность тока электризации поверхности технологической средой j (А/м) принята равной максимальному значению, наблюдавшемуся при взаимодействии среды с металлической поверхностью, т.к. ток электризации при взаимодействии среды с изолирующей поверхностью обычно меньше, чем при ее взаимодействии с изолирующей поверхностью
2
j=1 мкА/м.
2
Значение j=1 мкА/м было принято при применении данного способа к разработке конструкции полимерного двустенного резервуара для подземного хранения светлых нефтепродуктов.
Были использованы экспериментальные данные (см. таблицу) по плотности токов электризации топлив (нефтепродуктов) в металлических трубопроводах (Электростатическая безопасность при заполнении резервуаров нефтепродуктами. / Б.К. Максимов, А.А. Обух, А.В. Тихонов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 152 с.).
2
2
Представленное в таблице наибольшее значение плотности тока заряжения потока дизельного топлива ДТЗ равно 0,7 мкА/м. Для топлив с большим удельным сопротивлением при взаимодействии с поверхностью из полиэтилена значение плотности тока может быть только ниже. Поэтому для расчета было принято значение плотности тока 1 мкА/м.
Анализ других технических решений показал, что известные способы не решают отмеченные ранее задачи, решаемые заявляемым способом.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», а само изобретение является новым.
При этом учтены значения:
т
V=300 В
2
Плотность тока электризации поверхности технологической средой j (А/м) принята равной максимальному значению, наблюдавшемуся при взаимодействии среды с металлической поверхностью, т.к. ток электризации при взаимодействии среды с изолирующей поверхностью обычно меньше, чем при ее взаимодействии с изолирующей поверхностью.
2
j=1 мкА/м.
Значение удельного сопротивления поверхности, граничащей с технологической средой
s
10
ρ=6,5⋅10 Ом.
Подстановкой исходных данных:
т
V=300 В,
2
j=1 мкА/м,
s
10
ρ=6,5⋅10 Ом,
в формулу
получаем
L=192 мм.
Шаг h спиральной укладки защитного контура превышает значение L на диаметр проволоки (d), а в случае ленточной укладки на ширину ленты
h=L+d.
Данное техническое решение обеспечивает защиту изделия из изолирующего материала также от перфорирования.