Ujemne skutki elektryczności statycznej w zakładach PrzemySŁu drzewnego i sposoby ich likwidacji

Opracowali:

Mateusz Nowik, Krzysztof Moraczewski WTD, semestr 6, rok akad. 2003/2004

na podstawie materiałów internetowych Centralnego Instytutu Ochrony Pracy - Państwowego Instytutu Badawczego.

Elektryczność statyczna jest to zespół zjawisk towarzyszących pojawieniu się niezrównoważonego ładunku elektrycznego na materiałach o małej przewodności elektrycznej (dielektrykach, materiałach izolacyjnych) lub na odizolowanych od ziemi obiektach przewodzących (np. ciele człowieka, elementach urządzeń, itp.). Ładunki te wytwarzają wokół siebie pole elektrostatyczne o natężeniu tym większym, im większa jest wartość ładunku wytwarzającego to pole.

Elektryzowanie (elektryzacja) jest to wytwarzanie na danym ciele znajdującym się w polu elektrostatycznym nadmiaru ładunków elektrycznych jednego znaku. Występuje zwykle w warunkach zetknięcia czy zbliżenia i następującego po nim rozdzielenia dwóch nie naelektryzowanych ciał, przy czym mogą to być: ciała stałe, ciało stałe i ciecz, ciało stałe i gaz, ciecz i gaz bądź ciecze. Warunki takie zachodzą np. przy transporcie ciał (przesypywaniu, przepompowywaniu, a także przy ślizganiu, toczeniu, uderzaniu, rozdrabnianiu, przepływie), jak również ich mieszaniu. Możliwe też jest przy zmianach stanu skupienia, przy ich jonizacji, przy oddziaływaniu indukcyjnym czy mechanicznym powodującym efekt piezoelektryczny, jak i w różnych procesach elektrochemicznych. Elektryzowanie może być ciągłe lub dorywcze (okresowe).

Przy dużych wartościach natężenia pola elektrycznego, jeżeli naładowany układ znajdzie się w pobliżu uziemionego przedmiotu, może dojść do wyładowania elektrostatycznego niezupełnego - ulotowego lub snopiastego, oraz zupełnego - iskrowego. Wyładowania ulotowe i snopiaste powstają w warunkach silnie niejednostajnego pola elektrycznego. Dalsze zwiększanie przestrzeni, w której występuje natężenie pola o wartości krytycznej, prowadzi do powstania wyładowania iskrowego. Wyróżnia się następujące wyładowania elektrostatyczne: międzyelektrodowe, elektroda - dielektryk, bezelektrodowe, piorunopodobne.

Każde z tych wyładowań może występować jako niezupełne i zupełne.

• wyładowania między elektrodowe występują najczęściej pomiędzy odizolowanym a uziemionym elementem metalowym,

• wyładowania elektroda - dielektryk są to wyładowania inicjowane pomiędzy naelektryzowanym obiektem z materiału dielektrycznego a zbliżoną do niego uziemioną elektrodą.

• wyładowania bezelektrodowe występują pomiędzy dwoma obiektami z materiałów dielektrycznych w warunkach ich rozdzielania, przy rozdrabnianiu, itp. Wyładowania tego rodzaju powstają np. podczas: odwijania folii z bębna, ślizgania taśm przenośników po wałkach z materiałów dielektrycznych, strzepywania filtrów workowych itp.

• wyładowania piorunopodobne są to wyładowania iskrowe, charakteryzujące się znaczną długością kanału iskrowego, inicjowane przez duże chmury naelektryzowanego pyłu.

Pracownicy zatrudnieni przy obsłudze pilarek tarczowych, strugarek, frezarek , szlifierek itp. często nie zdają sobie sprawy z tego, ze w czasie przy na ich ciele gromadzą się ładunki elektryczności statycznej, wpływające ujemnie na zdrowie i samopoczucie.

Stwierdzono ze na powierzchni ciała ludzkiego dopuszcza się utrzymywanie się potencjału elektrostatycznego rzędu 1000W

Pracownicy narzekają na bolesne odczucie przy dotknięciu do części uziemionych lub np. do dłoni innego pracownika (w czasie rozładowania), ale na ogól nie wiedzą, ze uczucie nudności, brak łaknienia, nerwowość, pocenie się, arytmia pracy serca i inne dolegliwości, to skutki noszenia na powierzchni swego ciała ładunków elektryczności statycznej o potencjałach często przekraczających dozwolone 1000V - nawet trzydziestokrotnie! Pomiary wykonane specjalnymi miernikami wykazały potencjały na ciałach pracowników przy obsłudze:

- pilarki tarczowej DMMA-3,5 29500V,

- frezarki dolno wrzecionowej FJNE 30000V,

- szlifierki taśmowej DCSLB-200/250 25000V.

Ze zjawiskiem elektryczności statycznej spotykamy się w przemyśle i życiu codziennym. Występuje ono w trakcie rożnych czynności (tarcie, rozdrabnianie, rozdzielanie ciął stałych i cieczy). Np. chodzenie po wełnianym dywanie może być powodem naelektryzowania się człowieka do potencjału rzędu 4000V. Ładunki elektrostatyczne umiejscawiają się na ciałach nie przewodzących (dielektrykach), ale mogą tez występować na częściach metalowych, odizolowanych od ziemi. Zjawisko elektryczności statycznej jest zjawiskiem powierzchniowym, tzn. ładunki są umiejscowione na powierzchni, np. ciała ludzkiego lub stołu, na odizolowanych elementach metalowych. Występowanie elektryczności statycznej może być powodem zaburzeń w procesach produkcyjnych, złego samopoczucia pracowników i zagrożenia pożarowego, a w pomieszczeniach zapylonych może być nawet powodem wybuchu pyłów.

Ładunki elektrostatyczne Q są to ładunki elektryczne powstające w wyniku styku i następnie rozdzielenia (lub wzajemnego przesunięcia) dwóch ciał, z tym ze jedno z nich wykazuje mała przewodność elektryczna (ulega ono naelektryzowaniu się). Ładunki elektryczne gromadzą się na powierzchni dielektryków i pozostają tam nieruchome, wytwarzane przy tym napięcie U zależy od pojemności układu C.

Ciała nieprzewodzące są to ciała (materiały) o elektrycznym oporze właściwym >10⁶ om*cm oraz o oporze powierzchniowym (cała stale) >10⁷ om. Ciała nieprzewodzące wg tego kryterium zdolne są utrzymywać ładunek elektrostatyczny pomimo bezpośredniego styku z uziemionym przewodnikiem. Praktycznie należałoby uznać, ze:

-trwale naelektryzowane mogą być ciała (materiały) o oporze właściwym skrośnym >10⁹ om*cm

-niewielka zdolność do elektryzowania się wykazują ciała (materiały) spełniające nierówność: 10⁶ om*cm< <10^9-10¹⁰ om*cm

Ciała przewodzące są to ciała stale, ciecze i gazy, których elektryczny opór skrośny (objętościowy) <10⁷ om. Takie ciała (materiały) nie są w stanie trwale naelektryzować się w przypadku stykania się z uziemionym przewodnikiem tracą ładunek elektrostatyczny, przy czym opór uziemienia może być rzędu nawet 200om.

Energia naładowania elektrostatycznego (energia elektrostatyczna) jest to energia pola elektrycznego, wytworzona przez powstający ładunek elektrostatyczny Q w układzie o pojemności elektrycznej C, przy różnicy potencjałów U.

Minimalna energia zapłonu - jest to najmniejsza wartość energii (rożna dla rożnych substancji) wyładowania iskrowego, jaka w danych warunkach może spowodować zapłon lub wybuch mieszaniny wybuchowej.

Stan obecny w wielu zakładach.

Wbrew wymienionym wytycznym w wielu zakładach istniejących od dawna stwierdza się, ze:

- podłogi hal fabrycznych są z reguły wyłożone gumolitem albo innym tworzywem sztucznym lub ułożony jest parkiet, a są to materiały o dużej rezystancji skośnej

- pracownicy noszą typowe ubrania ochronne, często z tkanin łatwo elektryzujących się (tworzywo sztuczne) i typowe obuwie ochronne z podeszwami z tworzyw sztucznych o bardzo dużej rezystancji

- powietrze hal fabrycznych jest nazbyt suche (wilgotność względna do 50%)

- brak jest nawilżaczy powietrza

- brak jest roślin wpływających korzystnie na wilgotność powietrza i jego skład jonowy (np. paprocie)

Zagrożenia elektrycznością statyczną są spowodowane bezpośrednim oddziaływaniem pola elektrycznego wytwarzanego przez naelektryzowane obiekty lub oddziaływaniem wyładowań elektrostatycznych. Wyróżnia się trzy rodzaje zagrożeń:

• niekorzystne oddziaływanie na człowieka,

• zakłócenia procesów technologicznych,

• pożarowo-wybuchowe.

Ładunki elektrostatyczne mogą powstawać na ludziach drogą kontaktową w czasie chodzenia, zdejmowania odzieży albo wykonywania czynności domowych lub zawodowych. Elektryzacja ludzi może również nastąpić przez indukcję. Ciało człowieka może gromadzić ładunki elektryczne, jeśli jest odpowiednio odizolowane od ziemi, np. przez nieprzewodzące obuwie lub podłogę. Energia związana z naładowaniem elektrostatycznym człowieka wynosi od kilku do kilkudziesięciu mJ.

Oddziaływanie elektryczności statycznej na ludzi jest następujące:

• przebywanie pod wpływem pola elektrostatycznego przez dłuższy czas ma ujemny wpływ na stan zdrowia i samopoczucie ludzi

• wyładowania elektrostatyczne powstają przy zbliżeniu do uziemionego obiektu; poza niemiłym lub groźnym uczuciem, wyładowania mogą prowadzić do urazów mechanicznych przy występujących odruchach. Wyładowanie zwykle jest słabo odczuwalne lub nieodczuwalne, a przy wyższych poziomach napięcia i energii (o energii ok. 250 mJ) może spowodować wystąpienie ciężkiego szoku. Ponieważ wartości te znacznie przekraczają minimalne energie zapłonu wielu mieszanin wybuchowych, zachodzi też niebezpieczeństwo inicjacji wybuchu przy wyładowaniu z człowieka w warunkach zagrożenia wybuchowego lub pożarowego. Przykładowo, wartości minimalnej energii zapłonu wynoszą: 0,011 mJ dla acetylenu i wodoru, a 0,15 mJ dla oparów benzyny.

Silne pola elektrostatyczne mogą powodować zakłócenia w działaniu aparatury kontrolno-pomiarowej, komputerów oraz we wszelkich urządzeniach elektronicznych zawierających elementy półprzewodnikowe.

Wyładowania elektryczności statycznej prowadzą też do trwałych uszkodzeń elementów półprzewodnikowych. Może je powodować sam człowiek, kiedy jest naładowany i dotyka tych elementów, np. w trakcie procesu produkcji czy przy montażu..

Zagrożenia wywołane elektryzowaniem się ciał stałych w postaci zwartej występują w wielu procesach przemysłowych, np. takich jak: przewijanie, walcowanie, kalandrowanie, powlekanie oraz przy przenoszeniu napędu przez paski klinowe i pasy transmisyjne, tarciu odzieży, toczeniu się kół pojazdów, itp.

Elektryzowanie się cieczy następuje podczas takich operacji, jak: przepływ przez rurociągi, napełnianie i opróżnianie zbiorników - w szczególności połączone z rozbryzgiwaniem, falowanie cieczy w zbiorniku będącym w ruchu, rozpylanie, mieszanie, filtrowanie, itp. Natężenie prądu elektryzacji wzrasta ze wzrostem prędkości przepływu średnicy rurociągu oraz stopnia szorstkości powierzchni wewnętrznej.

Gazy, pary lub ich mieszaniny elektryzują się tylko wtedy, kiedy znajdują się w nich zanieczyszczenia w postaci cząstek ciał stałych i/lub ciekłych, takie jak: rdza, pył, kropelki wody, skroplony gaz, mgła itp. Elektryzowanie następuje w wyniku kontaktowania się tych cząstek ze sobą, ze ściankami naczynia, przewodu, itp., bądź rozrywania kropelek. Strumień naelektryzowanego gazu może również indukować ładunek na elementach przewodzących.

W przypadkach, gdy w skutek naelektryzowania gazu może wystąpić zagrożenie, należy przede wszystkim uziemić wszystkie przewodzące elementy, które mogą znaleźć się na drodze strumienia gazu, oraz zapewnić ekwipotencjalizację (wyrównanie potencjałów) pomiędzy nimi.        

Dolegliwości odczuwane przez pracowników pozostających pod wpływem wysokich potencjałów elektrostatycznych.

Doświadczalnie zebrane w kilku zakładach pozwalają uszeregować dolegliwości pracowników następująco:

- wzmożona pobudliwość nerwowa

- bolesne ukłucia w czasie rozładowania (iskrowe przenośniki ładunków)

- odruchy nie kontrolowane, zwłaszcza niebezpieczne przy obsłudze elektronarzędzi

- zaburzenia w pracy serca, przyspieszone bicie serca

- bezsenność

- wzmożone ogólnie rozdrażnienie

- zakłócenia równowagi neuropsychicznej

- odruchy wymiotne(udokumentowane przypadki nie przynoszenia do pracy sniadania -codzienne wymioty po pierwszej godzinie pracy)

Środki ochrony przed elektrycznością statyczną powinny eliminować możliwość elektryzacji obiektów lub, jeżeli to niemożliwe, zapewniać bezpieczne odprowadzanie ładunków elektrycznych.

W celu odprowadzania ładunków elektryczności statycznej z metalowych i przewodzących części i urządzeń stosuje się uziemienia i połączenia wyrównawcze. Uziemianie powinno zapewnić spływ ładunków bez wystąpienia zagrożenia wybuchowego lub pożarowego.

Czasem zdarza się, że uziemienie nie spełnia roli odprowadzania ładunków elektrostatycznych do ziemi, np. jeżeli spływ ładunków występuje tylko z warstwy cieczy przylegającej do ścianek zbiornika.

Antystatyzacja polega na zmianie właściwości materiałów i substancji w celu zmniejszenia ich elektryzacji i gromadzenia się ładunków. Wprowadzenie do danej substancji odpowiedniej domieszki (tzw. antystatyka) lub naniesienie antystatyka na powierzchnię materiału (wykładziny antyelektrostatyczne) powoduje zwiększenie skrośnej lub powierzchniowej przewodności elektrycznej. Preparacja antystatyczna objętościowa jest stosowana zwykle do cieczy, ma również zastosowanie do materiałów sypkich oraz tworzyw stałych. Przy produkcji, przetwórstwie i stosowaniu nieprzewodzących materiałów stałych oraz folii, płyt, itp. stosuje się preparację antystatyczną powierzchniową. Powszechnie stosowana jest antystatyzacja tkanin i odzieży.

Antystatyzację trwałą tkanin uzyskuje się przez odpowiedni dobór struktury włókien mieszanin tworzyw sztucznych z bawełną lub lnem.

Antystatyzację okresową otrzymuje się przez preparację powierzchniową włókien w procesie produkcji. Po kilkunastu praniach (co najmniej 10) właściwości antystatyczne okresowe zanikają i tkaniny podlegają znowu elektryzacji. Powszechna jest również antystatyzacja doraźna, uzyskiwana przez płukanie tkanin i odzieży.

Zwiększanie wilgotności powietrza jest skutecznym środkiem ochrony przed gromadzeniem się ładunków elektrostatycznych tylko na tych materiałach, które wykazują właściwości powierzchniowego adsorbowania wody. Dla materiałów niehigroskopijnych, np. większości typowych tworzyw sztucznych, ten środek ochrony jest nieskuteczny. Zwiększenie wilgotności względnej powietrza (co najmniej do 70%) dokonuje się poprzez nawilżanie pomieszczeń lub stanowisk produkcyjnych (nawilżanie miejscowe).

Neutralizatory ładunku służą do eliminacji ładunków elektrostatycznych występujących na powierzchniach płaskich lub walcowych, pasów napędowych itp. poprzez ich neutralizację zjonizowanym powietrzem. Neutralizatory ładunku mogą działać w sposób bezpośredni, wytwarzając jony w bezpośredniej bliskości deelektryzowanej powierzchni, lub z wymuszonym nadmuchem zjonizowanego powietrza.

Ekranowanie elektrostatyczne polega na umieszczaniu uziemionej siatki metalowej na powierzchniach izolacyjnych w celu zmniejszenia natężenia pola elektrycznego na stanowisku pracy.

Zmiany procesów technologicznych umożliwiające eliminację zagrożeń to:

▪ zmniejszenie szybkości procesów, np. zmniejszenie szybkości przepływu cieczy,

▪ zwiększenie pojemności obiektów względem ziemi,

▪ korekta procesów w celu pozbycia się źródeł generacji ładunków, np. eliminacja rozbryzgiwania cieczy, pylenia materiałów sypkich,

▪ prowadzenie procesów w atmosferach obojętnych, np. nie zagrożonych wybuchem,

▪ dobór tworzyw na wykładziny, konstrukcje maszyn i urządzeń produkcyjnych w celu zmniejszenia elektryzacji stykających się z nimi obiektów oraz materiałów.

Obecnie możemy rozwiązać problem bez stosowania środków z importu i to przez wykonanie ochrony sposobem gospodarczym. Jednakże w każdym zakładzie pracy są inne warunki, rożne typy budynków, różne uwarunkowania specyficzne dla danej technologii.

Elektrostatyk może wybrać jedną z trzech podstawowych metod: profilaktyczną (zapobieganie powstawania elektrycznych ładunków statycznych), terapeutyczną (możliwie szybki odprowadzanie ładunków), symptomatyczną (nie ustawianie ładunków, lecz nie dopuszczanie innym sposobem do niepożądanych skutków ich działania).

Oględziny wydziału, pomiary specjalistyczne, zebranie informacji od dozoru i pracowników, kontakt z lekarzem zakładowym, analiza dokumentów (dokumentacja budowlana, dane o instalacjach wodno-kanalizacyjnych, co, elektrycznej i innych) pozwala na trafny wybór metody.

Elektrostatyk stosuje często metodę terapeutyczną, traktując organizm ludzki jako rezystor (opornik) o rezystancji R>10 do 1000 om i pojemności C=80 do 120 pF. Założenie podstawowe to niedopuszczanie do umiejscowienia się ładunków o potencjale elektrostatycznym większym niż umowne 100V na ciele człowieka. Takie jest bowiem założenie przy końcowych pomiarach kontrolnych: U<100V. Przy tak niskim napięciu ładunki będą odprowadzone do ziemi przy czym pracownik nie odczuje żadnych dolegliwości. Organizm człowieka będzie niejako użyty jako przewodnik elektryczności. W tym rozwiązaniu stosuje się specjalistyczne obuwie antyelektrostatyczne dostępne na rynku krajowym i specjalistyczne ubrania robocze.

Kto zajmuje się ochroną pracowników przed ujemnymi skutkami elektryczności statycznej.

Ochroną przed ujemnymi skutkami elektryczności statycznej zajmuje się Izba Rzeczoznawców Stowarzyszenia Elektryków Polskich. Działa tez Polski Komitet Elektrostatyki, w którego gestii pozostaje Zespól Ochrony przed Elektrycznością Statyczną.

Akademia Rolnicza Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych

---