Захист від статичної електрики при наливі цистерн. Електризація нафтопродуктів

АНОО «ЦППіПК «Кубанський»»

Електризація нафтопродуктів.

Методичний посібник.

Розробив: викладач А.С.Нестерук

м.Краснодар

Електризація нафтопродуктів. Причини виникнення та заходи для захисту від статичної електрики.

Нафта та нафтопродукти – хороші діелектрикиі здатні зберігати електричні заряди протягом тривалого часу. У безводних, чистих нафтопродуктів електропровідність абсолютно нікчемна. Ця властивість широко використовується практично. Так тверді парафіни застосовуються в електромеханічній промисловості як ізолятор, а спеціальні нафтові масла для заливання трансформаторів, конденсаторів та іншої апаратури в електро- та радіопромисловості.

Високі діелектричні властивості нафтопродуктів сприяють накопиченню на поверхні зарядів статичної електрики. Утворення статичної електрики може походити від низки найрізноманітніших причин.

Проведені дослідження та докладне вивчення фактів виникнення вибухів та пожеж від статичної електрики дозволили встановити низку причин утворення заряду статичної електрики в н/п:

Ø тертя рідкого н/п тверду поверхню трубопроводу, стінок резервуара та фільтра;

Ø тертя частинок н/п між собою при проходженні палива через середовище інших рідин, наприклад води;

Ø проходження крапель дрібнорозпиленої н/п через повітря або пароповітряну суміш;

Ø осадження з н/п твердих завислих частинок;

Ø осадження з н/п рідких зважених частинок, наприклад, крапель води або інших хімічних речовин, а також при проходженні крізь шар рідкого н/п бульбашок повітря, пари легких вуглеводнів тощо;

Ø проходження крізь пароповітряний простір крапель води, сніжинок тощо.

Досвідами встановлено, що здатність н/п піддаватися електризації при перекачуванні залежить від його електропровідності: чим менше електропровідність н/п, тим легше накопичується заряд статичної електрики і тим повільніше він розсіюється. Крім цього, на швидкість утворення статичної електрики впливають експлуатаційні фактори:

ü швидкість перекачування,

ü присутність в н/п механічних домішок, води, повітря,

ü умови зберігання, температура та ін.

Чим більша швидкість перекачування, тим сильніше електризується н/п. Чим довше перекачувати н/п, тим більше електризується. Великий вплив на електризацію н/п мають також механічні домішки та бульбашки повітря: чим їх більше, тим сильніше електризується н/п. Розчинена або диспергована в н/п вода значно збільшує утворення статичної електрики. Однак вода, що знаходиться на дні ємності у вигляді окремого шару, або не впливає на швидкість утворення статичної електрики, або сприяє зменшенню його.

Якщо ізольовані металеві ємності або трубопроводи приймуть високі потенціали щодо землі, то між ними та заземленими предметами можливий іскровий розряд, який може спричинити загоряння або вибух нафтопродуктів та нафт. Для попередження виникнення небезпечних іскрових розрядів з поверхні нафти і нафтопродуктів, обладнання, а також з тіла людини необхідно передбачати заходи, що зменшують величину заряду і забезпечують стікання заряду статистичної електрики, що виникає.

Для зниження інтенсивності накопичення електричних зарядів нафтопродукти повинні закачуватись у резервуари, цистерни, тару без розбризкування, розпилення або бурхливого перемішування. У резервуари нафтопродукти повинні надходити нижче рівня залишку нафтопродукту, що знаходиться в ньому. Налив світлих нафтопродуктів вільно падає струменем не допускається. Відстань від кінця завантажувальної труби до кінця приймальної судини не повинна перевищувати 200 мм, а якщо це неможливо, струмінь повинен бути спрямований уздовж стінки. Швидкості руху нафтопродуктів трубопроводами не повинні перевищувати гранично допустимих значень, які залежать від виду операцій, властивостей нафтопродуктів, вмісту та розміру нерозчинних домішок і властивостей матеріалу стінок трубопроводу. Для нафтопродуктів швидкості руху та закінчення допускаються до 5м/с. При заповненні порожнього резервуару нафтопродукти повинні подаватися до нього зі швидкістю трохи більше 1 м/с досі затоплення кінця приймально-роздавального патрубка.

Для забезпечення стікання електричного заряду всі металеві частини апаратури, насосів і трубопровідних комунікацій заземляються і здійснюється постійний електричний контакт тіла людини із заземленням. Авто- та залізничні цистерни, що знаходяться під наливом та зливом пожежонебезпечних нафтопродуктів, протягом усього часу заповнення та спорожнення повинні бути приєднані до заземлюючих пристроїв.

Статичною електрикою називається сукупність явищ, пов'язаних із виникненням, збереженням та релаксацією вільного електричного заряду на поверхні та в обсязі діелектрика або на ізольованих провідниках.

Відповідно до чинних правил захисту від розрядів статичної електрики повинна здійснюватися у вибухонебезпечних та пожежонебезпечних виробництвах за наявності зон класів В-I, B-Ia, B-II, B-IIa, П-I та П-II, в яких застосовуються та виробляються речовини з питомим об'ємним електричним опором Ом∙м.

В інших випадках захист здійснюється лише тоді, коли статична електрика надає небезпеку для обслуговуючого персоналу, що негативно впливає на технологічний процес або якість продукції.

Основними способами усунення небезпеки від статичної електрики є (слайд):

1) заземлення обладнання, комунікацій, апаратів та судин, а також забезпечення постійного електричного контакту із заземленням тіла людини;

2) зменшення питомого об'ємного та поверхневого електричного опору шляхом підвищення вологості повітря або застосування антистатичних домішок;

3) іонізацією повітря або середовища, зокрема, усередині апарату, судини і т.д.

Крім цих способів використовують: запобігання утворенню вибухонебезпечної концентрації, обмеження швидкості руху рідини, заміну ЛЗР на негорючі розчинники і т.д. Практичний спосіб усунення небезпеки від статичної електрики вибирається з урахуванням ефективності та економічної доцільності.

Зупинимося докладніше на зазначених вище способах усунення небезпеки від статичної електрики.

Заземлення (18 хв)– найпоширеніший захід захисту від статичної електрики. Його метою є усунення небезпеки виникнення електричних розрядів із провідних частин обладнання. Тому всі провідні частини обладнання та електропровідні неметалеві предмети підлягають обов'язковому заземленню, незалежно від того, чи застосовуються інші способи захисту від статичної електрики. Заземляти слід ті частини устаткування, які беруть участь у генеруванні статичного електрики, а й інші зазначеного вище властивості, оскільки вони можуть зарядитися згідно із законом електростатичної індукції.

У випадках, коли обладнання виконане з електропровідних матеріалів, заземлення є основним та майже завжди достатнім способом захисту.

Якщо на зовнішній поверхні або внутрішніх стінках металевих апаратів, резервуарів і трубопроводів утворюються відкладення непровідних речовин (смоли, плівки, опади), заземлення стає неефективним. Заземлення не усуває небезпеки та при використанні апаратів з емальованими та іншими неелектропровідними покриттями.

Неметалеве обладнання вважається електростатично заземленим, якщо опір розтіканню струму на землю з будь-яких точок його зовнішньої та внутрішньої поверхні Ом за відносної вологості. Такий опір забезпечує необхідне значення постійного часу релаксації в межах десятої частки секунди у невибухонебезпечному та тисячні частки секунди у вибухонебезпечному середовищі. Постійна релаксація часу пов'язана з опором Rзаземлення апарату чи обладнання та його ємністю C співвідношенням τ = R∙ C.

Трубопроводи зовнішніх установок (на естакадах або в каналах), обладнання та трубопроводи, розташовані в цехах, повинні представляти на всьому протязі електричний ланцюг та приєднуватися до заземлюючих пристроїв. Вважається, що електрична провідність фланцевих з'єднань трубопроводів та апаратів, з'єднань кришок з корпусами апаратів тощо. досить висока, тому не потрібно встановлювати спеціальних паралельних перемичок.

Кожна система апаратів та трубопроводів у межах цеху має бути заземлена не менше, ніж у двох місцях. Всі резервуари та ємності місткістю понад 50 м 3 і діаметром понад 2,5 м заземлюють не менше ніж у двох протилежних точках. На поверхні горючих рідин у резервуарах повинно бути плаваючих предметів.

Наливні стояки естакад для заповнення залізничних цистерн та рейки залізничних колій у межах сливоналивного фронту повинні бути електрично з'єднані між собою та надійно заземлені. Автоцистерни, наливні судна, літаки, що знаходяться під наливом (зливом) горючих рідин та зріджених газівповинні також заземлятися. Контактні пристрої (без засобів вибухозахисту) для приєднання заземлювальних провідників повинні бути встановлені за межами вибухонебезпечної зони (не менше 5м від місця наливу або зливу, ПУЕ). При цьому провідники спочатку приєднуються до корпусу об'єкта заземлення, а потім до заземлювального пристрою.

Слід зазначити, що застосовувані досі для заземлення автоцистерн заземлюючі провідники не забезпечують необхідного рівня пожежо-безпеки технології наливу або зливу палива та інших ЛЗР. Тому в даний час розроблені та серійно випускаються спеціальні пристрої заземлення автоцистерн (УЗА) типів УЗА-2МІ, УЗА-2МК та УЗА-2МК-03, які відповідають вимогам ГОСТів та можуть встановлюватись у вибухонебезпечних зонах класу В-Iг.

Якщо для захисту від статичної електризації провідного неметалічного обладнання з футеровкою, що проводить, застосовується заземлення, то до нього застосовуються ті ж вимоги, що і до заземлення металевого обладнання. Наприклад, заземлення трубопроводу з діелектричного матеріалу, але з провідним покриттям (фарба, лак) може виконуватися приєднанням його до заземлюючого контуру за допомогою металевих хомутів і провідників через 20÷30 м.

Але заземлення не вирішує завдання захисту від статичної електрики резервуара, що заповнюється наелектризованою рідиною, лише виключає накопичення заряду (напливає з об'єму рідини) на його стінках, але не прискорює процес розсіювання заряду в рідині. Це тим, що швидкість релаксації зарядів статичної електрики обсягом діелектричної рідини нафтопродуктів визначається постійної часу релаксації . Отже, у заповнюваному наелектризованими продуктами резервуарі протягом всього часу закачування рідини і протягом часу, приблизно рівному, після її закінчення існує електричне поле зарядів незалежно від того, заповнюється цей резервуар чи ні. Саме в цей проміжок часу може існувати небезпека займання пароповітряної суміші нафтопродуктів у резервуарі розрядами статичної електрики.

З урахуванням сказаного вище, значну небезпеку становить забір проб із резервуара одразу після його заповнення. Але через проміжок часу, приблизно рівний після закінчення заповнення заземленого резервуара заряди статичної електрики в ньому практично зникають і проведення забору проб рідини стає безпечним.

Для світлих нафтопродуктів, що мають малу електропровідність (при Ом∙м), необхідний часвитримки після заповнення резервуара, що забезпечує безпеку подальших операцій, має бути не менше ніж 10 хвилин.

Заземлення резервуара і витримка необхідного часу після заповнення не дадуть потрібного ефекту безпеки, якщо в резервуарі є ізольовані предмети, що плавають на поверхні рідини, які можуть придбати заряд статичної електрики при заповненні резервуара і зберегти його протягом часу, що значно перевищує . У цьому випадку при контакті плаваючого предмета із заземленим провідним тілом може статися небезпечне іскроутворення.

Зменшення об'ємного та поверхневого питомих електричних опорів (8 хв).

При цьому збільшується електропровідність та забезпечується здатність діелектрика відводити заряди статичної електрики. Усунення небезпеки статичної електризації діелектриків у такий спосіб є дуже ефективним і може бути досягнуто підвищенням вологості повітря, хімічною обробкою поверхні, застосуванням електропровідних покриттів та антистатичних речовин (присадок).

А. Підвищення відносної вологості повітря.

Більшість пожеж від іскор статичної електрики відбувається зазвичай узимку, коли відносна вологість повітря велика. При відносній вологості 65÷70%, як показують дослідження та практика, кількість спалахів і спалахів стає незначною.

Прискорення стікання електростатичних зарядів з діелектриків при високій вологості пояснюють тим, що на поверхні гідрофільних діелектриків адсорбується тонка плівка вологи, зазвичай містить велику кількість іонів із забруднень і розчиненої речовини, за рахунок яких забезпечується достатня поверхнева електропровідність електролітичного характеру.

Однак, якщо матеріал знаходиться при вищій температурі, ніж та, при якій плівка може утримуватися на поверхні, зазначена поверхня не може стати провідною навіть при дуже високій вологості повітря. Ефект також не буде досягнутий, якщо заряджена поверхня діелектрика гідрофобна (незмочується: сірка, парафін, масла та інші вуглеводні) або швидкість її переміщення більша, ніж швидкість утворення поверхневої плівки.

Збільшення вологості досягається розпорошенням водяної пари або води, циркуляцією вологого повітря, а іноді вільним випаром з поверхні води або охолодженням електризуючої поверхні на 10 о С нижче температури навколишнього середовища.

Б.Хімічна обробка поверхні, електропровідні покриття.

Зменшення питомого поверхневого опору полімерних матеріалів може бути досягнуто хімічною обробкою поверхні кислотами (наприклад сірчаної або хлорсульфонової). Внаслідок цього поверхні полімеру (полістирол, поліетилен і поліефірні плівки) окислюються або сульфуються і питомий опір зменшується до 10 6 Ом при відносній вологості повітря 75%.

Позитивний ефект досягається і при обробці виробів з полістиролу та поліолефінів зануренням зразків петролейний ефір при одночасному впливі ультразвуком. Методи хімічної обробки ефективні, але потребують точного дотримання технологічних умов.

Іноді потрібний ефект досягається нанесенням на діелектрик поверхневої провідної плівки, наприклад, тонкої металевої, що отримується розпиленням, розбризкуванням, випаровуванням у вакуумі або наклеюванням металевої фольги. Плівки на вуглецевій основі отримують розпиленням вуглецю в рідкому середовищі або порошку з частинками менше 1 мкм.

В. Застосування антистатичних речовин.

Більшість горючих і легкозаймистих рідин характеризуються високим питомим електричним опором. Тому при деяких операціях, наприклад з нафтопродуктами, відбувається накопичення зарядів статичної електрики, що перешкоджає інтенсифікації технологічних операцій, а також є джерелом вибухів та пожеж на нафтопереробних та нафтохімічних підприємствах.

Рух рідких вуглеводнів щодо твердого, рідкого чи газоподібного середовища може призвести до поділу електричних зарядів на поверхні зіткнення. При рух рідини по трубі шар зарядів що знаходяться на поверхні рідини, відноситься її потоком, а заряди протилежного знака залишаються на поверхнею труби, що контактує з рідиною, і якщо, металева труба заземлена, стікають у землю. Якщо ж металевий трубопровід ізольований чи виготовлений з діелектричних матеріалів, він набуває позитивний заряд, а рідина - негативний.

Ступінь електризації нафтопродуктів залежить від складу і концентрації активних домішок, що містяться в них, фізико-хімічного складу нафтопродуктів, стан внутрішньої поверхні трубопроводу або технологічного апарату (наявності корозії, шорсткості і т.д.), діелектричних властивостей, в'язкості і щільності рідини, а також швидкості руху рідини, діаметра та довжини трубопроводу. Наприклад, присутність 0,001% механічних домішок перетворює інертне вуглеводневе паливо в електризується до небезпечних меж.

Один з найбільш ефективних способів усунення електризації нафтопродуктів - введення спеціальних антистатичних речовин. Додавання їх у тисячних чи десятитисячних частках відсотка дозволяє зменшити питомий опір нафтопродуктів на кілька порядків та убезпечити операції з ними. До таких антистатичних речовин відносяться: олеати та нафтенати хрому та кобальту, солі хрому на основі синтетичних жирних кислот, присадка «Сігбаль» та інші. Так, присадка на основі олеїнової кислотиолеат хрому зменшує ρ v бензину Б-70 в 1,2 ∙ 10 4 рази. Широке застосування в операціях з промивання деталей знайшли присадки «Анкор-1» та АСП-1.

Для отримання «безпечної» електропровідності нафтопродуктів за будь-яких умов треба вводити 0,001÷0,005% присадок. На фізико-хімічні властивості нафтопродуктів вони не впливають.

Для отримання провідних розчинів полімерів (клеїв) також застосовують антистатичні присадки, розчинні в них, наприклад, солі металів змінної валентності вищих карбонових і синтетичних кислот.

Позитивні результати досягаються при використанні антистатичних речовин на підприємствах з переробки синтетичних волокон, оскільки вони мають здатність збільшувати їхню іонну провідність і тим самим знижувати електричний опір волокон і одержуваних з них матеріалів.

Для приготування антистатичних речовин, що впливають на електричні властивості волокон, застосовують: вуглеводні парафінового ряду, жири, масла, гігроскопічні речовини, поверхнево-активні речовини.

Антистатичні речовини використовуються у промисловості полімерів, наприклад, при обробці полістиролу та поліметилметакрилату. Обробка полімерів антистатичними добавками проводиться як поверхневим нанесенням, так і введенням розплавлену масу. Як такі добавки застосовують наприклад ПАР. При поверхневому нанесенні ПАР ρ s полімерів знижується на 5÷8 порядків, але термін ефективної дії малий

(До одного місяця). Введення ПАР всередину перспективніше т.к. антистатичні властивості полімерів зберігаються кілька років, полімери стають менш схильними до дії розчинників, стирання і т.д. Для кожного діелектрика оптимальні концентрації ПАР різні та варіюються від 0,05 до 3,0%.

В даний час широко використовуються труби, виконані з напівпровідних полімерних композицій з наповнювачами: ацетиленової сажею, алюмінієвою пудрою. графітом, цинковим пилом. Найкращий наповнювач – ацетиленова сажа, що знижує опір на 10÷11 порядків навіть за 20% від маси полімеру. Її оптимальна масова концентрація до створення електропровідного полімеру становить 25%.

Для отримання електропровідної або антистатичної гуми до неї вводять наповнювачі: порошковий графіт, різні сажі, дрібнодисперсні метали. Питомий опір ρ v такої гуми сягає 5 ∙10 2 Ом∙м, а звичайною до 10 6 Ом∙м.

Антистатичними гумами марки КР-388, КР-245 користуються у вибухонебезпечних виробництвах, покривають підлогу, робочі столи, деталі обладнання та колеса внутрішньоцехового транспорту. Таке покриття швидше відводить заряди, що виникають, знижує електризацію людей до безпечного рівня.

Останнім часом розроблена маслобензостійка електропровідна гума з використанням бутадієнітральних та поліхлоропренових каучуків, яка широко використовується для виготовлення напірних рукавів та шлангів для перекачування ЛЗР. Такі рукави значно знижують небезпеку займання при зливі та наливі ЛЗР в авто- та залізничні цистерни та інші ємності, виключають застосування спеціальних пристроїв для заземлення заправних лійок та наконечників.

Ефективне зниження потенціалу ремінних передач та стрічкових транспортерів, виготовлених з матеріалів з ρ s =10 5 Ом∙м, досягається збільшенням поверхневої провідності ременя та обов'язковим заземленням установки. Для збільшення поверхневої провідності ременя його внутрішня поверхня покривається антистатичною мастилом, що відновлюється не рідше одного разу на тиждень.

Іонізація повітря (9 хв).

Сутність цього способу полягає у нейтралізації або компенсації поверхневих електричних зарядів іонами різного знака, які створюються спеціальними приладами – нейтралізаторами. Іони, що мають полярність, протилежну полярності зарядів наелектризованих матеріалів, під дією електричного поля, що створюється зарядами таких матеріалів, осідають на їх поверхнях та нейтралізують заряди.

Іонізація повітря електричним полем високої напруженості здійснюється за допомогою нейтралізаторів двох типів: індукційних та високовольтних.

Індукційні нейтралізатори бувають з вістрями (рис.2, а) і дротяними (рис. 2, б) У нейтралізатора з вістрями в дерев'яному або металевому стрижні укріплені заземлені вістря, тонкі тяганини або фольга. У дротяного нейтралізатора застосована тонка сталева тяганина, натягнута впоперек зарядженого матеріалу, що рухається. Працюють вони в такий спосіб. Під дією сильного електричного поля наелектризованого тіла поблизу вістря чи дроту відбувається ударна іонізація, у результаті якої утворюються іони обох знаків. Для підвищення ефективності дії нейтралізаторів прагнуть скоротити відстань між кінчиками голок або дротом і нейтралізованою поверхнею до 5÷20 мм. Такі нейтралізатори мають високу іонізаційну здатність, особливо нейтралізатори з вістрями.

Мал. 2. Схема індукційного нейтралізатора (слайд):

а- з вістрями; б-дротяного; 1- вістря; 1"- дріт; 2- заряджена поверхня.

Недоліками є те, що діють, якщо потенціал наэлектризованного тіла сягає кілька кВ.

Їхні переваги: ​​простота конструкції, низька вартість, малі експлуатаційні витрати, не вимагають джерела живлення.

Високовольтні нейтралізатори (рис.3) працюють на змінному, постійному та струмі високої частоти. Вони складаються з трансформатора з високою вихідною напругою та голчастого розрядника. У нейтралізатор на постійному струмівходить і високовольтний випрямляч. Принцип дії їх заснований на іонізації повітря високою напругою. Максимальна відстань між розрядним електродом і матеріалом, що нейтралізується, при нейтралізатор ще ефективний, у таких нейтралізаторів може досягати 600 мм, але зазвичай робоча відстань приймається рівним 200÷300 мм. Гідність високовольтних нейтралізаторів-достатня іонізуюча дія і за низького потенціалу наелектризованого діелектричного матеріалу. Недоліком їх є велика енергія іскор, що виникають, здатних спалахувати будь-які вибухонебезпечні суміші, тому для вибухонебезпечних зон вони можуть застосовуватися тільки у вибухозахищеному виконанні.

Схема високовольтного нейтралізатора (слайд).

Для захисту обслуговуючого персоналу від високої напруги до високовольтного ланцюга їх включаються захисні опори, які обмежують струм до величини в 50÷100 разів менше струму, небезпечного для життя.

Радіоізотопні нейтралізатори дуже прості за пристроєм, не вимагають джерела живлення. досить ефективні та безпечні при використанні у вибухонебезпечних середовищах. Вони широко застосовуються у різних галузях промисловості. При використанні таких нейтралізаторів необхідно передбачати надійний захист людей, обладнання та продукції від шкідливого впливу радіоактивного випромінювання.

Радіоізотопні нейтралізатори найчастіше мають вигляд довгих пластин або маленьких дисків. Одна сторона містить радіоактивну речовину, що створює радіоактивне випромінювання, що іонізує повітря. Щоб не забруднювати повітря, продукцію та обладнання, радіоактивну речовину покривають тонким захисним шаром і спеціальною емалі та фольги. Для захисту від механічних пошкоджень іонізатор поміщають у металевий кожух, який створює потрібний напрямок іонізованого повітря. У таблиці 3 наведені дані щодо радіоактивних речовин, що застосовуються в радіоізотопних нейтралізаторах.

Дані радіоактивних речовин радіоізотопних нейтралізаторів (слайд).

Таблиця 3

Найбільш ефективні та безпечні радіоактивні речовини з α-частинками. Проникаюча здатність α-часток у повітрі до 10см, а більш щільних середовищахзначно менше. Наприклад, лист звичайного чистого паперу його повністю поглинає.

Нейтралізатори з таким випромінюванням придатні для локальної іонізації повітря та нейтралізації зарядів у місці їх утворення. Для нейтралізації електричних зарядів в апаратах з великим обсягом використовують β-випромінювачі.

Радіоактивна речовина з γ-вивченням через високу проникаючу здатність та небезпеку для людей у ​​нейтралізаторах не застосовуються.

Основним недоліком радіоізотопних нейтралізаторів є малий іонізаційний струм, порівняно з іншими нейтралізаторами.

Для нейтралізації електричних зарядів можуть використовуватися комбіновані нейтралізатори, наприклад радіоактивно-індукційний. Подібні нейтралізатори випускаються промисловістю та мають покращені робочі характеристики. Робочі характеристики виражають залежність іонізаційного струму, що розряджає, від величини потенціалу зарядженого тіла.

Додаткові способи зменшення небезпеки статичної електризації (3 хв, слайд № 13).

Небезпека статичної електризації ЛЗР та горючих рідин може бути значно знижена або навіть усунена зменшенням швидкості потоку v. Тому рекомендується наступна швидкість vдіелектричних рідин:

При ρ ≤ 10 5 Ом∙м приймають v≤ 10 м/с;

При ρ > 10 5 Ом∙м приймають v≤ 5 м/с.

Для рідин з ρ > 10 9 Ом∙м швидкість транспортування та закінчення встановлюється окремо для кожної рідини. Безпечною для таких рідин зазвичай є швидкість руху або 1,2 м/с.

Для транспортування рідин з ρ > 10 11 -10 12 Ом∙м зі швидкістю v≥ 1,5 м/с рекомендується застосовувати релаксатори (наприклад, горизонтальні ділянки труби збільшеного діаметра) безпосередньо біля входу до приймального резервуару. Необхідний діаметр Д р,м цієї ділянки визначається за формулою

Д р = 1.4 Д т ∙ . (7)

Довжина релаксатора L p визначається за формулою

L p ≥ 2.2 ∙ 10 -11 ξρ, (8)

де ξ - відносна діелектрична проникність рідини;

ρ – питомий об'ємний опір рідини Ом∙м.

При заповненні резервуару рідиною з ρ >10 5 Ом∙м до моменту затоплення завантажувальної труби рекомендується подавати рідини зі швидкістю v ≤ 1 м/с, а потім із зазначеною швидкістю v ≤ 5 м/с.

Іноді потрібно збільшувати швидкість рідини в трубопроводі до 4÷5 м/с.

Діаметр релаксатора, розрахований за формулою (7), виявляється у цьому випадку непомірно більшим. Тому для підвищення ефективності релаксатора рекомендується застосовувати їх зі струнами чи голками. У першому випадку всередині релаксатора і вздовж осі натягуються заземлені струни що більш ніж на 50% зменшує струм електризації, а в другому в потік рідини вводять заземлені голки, щоб відводити заряди від потоку рідини.

Максимально допустимі та безпечні (щодо можливості запалення парів рідини в промисловому резервуарі) режими транспортування нафтопродуктів довгими трубами діаметром 100÷250 мм можуть бути оцінені за співвідношенням

v т 2 Д т ≤ 0.64 , (9)

де v т- Лінійна швидкість рідини в трубі м / с, Д т- Діаметр труби, м.м.

При операціях з сипучими та дрібно дисперсними матеріалами зниження небезпеки від статичної електризації можна досягти наступними заходами: при їх пневмотранспортуванні використовувати труби з поліетилену або з того ж матеріалу (або близького за складом до речовини, що транспортується); відносна вологість повітря на виході з пневмотранспорту має бути не менше 65% (якщо це неприйнятно, то рекомендується іонізувати повітря або застосовувати інертний газ).

Слід уникати виникнення пилоповітряних горючих сумішей, не допускати падіння пилу, його скиблення або завихрення. Необхідно очищати обладнання та конструкції будівлі від осілого пилу.

При операціях з горючими газами необхідно стежити за їх чистотою, відсутністю на шляхах руху незаземлених частин обладнання або приладів.

Хороший ефект за умовами пожежо- та вибухобезпеки від іскор статичної електрики та всіх інших джерел запалення досягається заміною органічних розчинників та ЛЗР на негорючі, якщо така заміна не порушує ходу технологічного процесу та економічно доцільна.

При дотику двох тіл, що відрізняються фазовим станом, утворюється подвійний електричний шар.

Розрізняють три причини утворення подвійного електричного шару:
1) переважне переміщення носіїв зарядів із одного тіла до іншого — дифузія;
2) на межі розділу мають місце абсорбційні процеси, коли заряди однієї з фаз переважно осідають на поверхні іншої фази;
3) має місце поляризація молекул хоча б однієї із фаз. Це призводить до поляризації молекул іншої фази. Причому поляризація у другій фазі може бути розмитою (дифузною).

Подвійний електричний шар залежить від питомого опору речовини. Чим більший опір речовини, тим більш розмитим у глибину є другий електричний шар.

Якщо розглядати перекачування нафти, то розмитий другий електричний шар може нестись переміщенням нафти і накопичуватися в бункері. Чим більша швидкість переміщення нафти, тим більша електризація нафти.

Величина зарядів статичної електрики істотно залежить від умов, у яких відбувається електризація і, зокрема, від того, що поверхні тіл, що стикаються, можуть бути «забруднені» іншими речовинами. Тому основою кількісного аналізує експеримент чи, у разі, розрахунково-експериментальні дослідження.

Технологічний процес транспортування нафти

Статична зарядка палив почала різко виявлятися приблизно з 60-х — 70-х років, коли почало застосовуватися чисте паливо для покращення економічності роботи та ресурсу двигунів. На рис.1 показано технологічний ланцюжок транспортування нафти.

Рис.1. Наростання щільності заряду в нафті під час проходження трактом

Наростання щільності заряду в нафті відбувається в технологічних пристроях, де здійснюється контакт нафти з матеріалами, що призводять до її заряджання, і де збільшується швидкість течії нафти. Спад заряду спостерігається під час руху нафти заземленими трубопроводами.

При русі нафти технологічним трактом до приймального резервуара небезпеки від накопичення заряду статичної електрики практично немає, оскільки повітряних проміжків в апаратах тут немає можливості виникнення електричного пробою в газе. Інша ситуація існує у приймальному резервуарі, де обов'язково наявність газового простору над поверхнею нафти.

Заряд, що накопичується у приймальному резервуарі, можна визначити з умови його збільшення за рахунок втікання в резервуар зарядженої нафти з урахуванням релаксації (стікання) заряду на заземлені конструкції резервуара:

dQ/dt | заг = dQ/dt | вх + dQ/dt релакс

Тут релаксація заряду відбувається за експоненційною залежністю:
Q(t) = Q 0 e-t/τ
де τ = εε 0 /γ v - постійна часу релаксації, а ε і γ - відповідно відносна діелектрична проникність та провідність нафти.

dQ/dt | релакс = Q 0 /τ ⋅ e -t/τ = -Q/τ

Перепишемо вихідне рівняння з огляду на те, що dQ/dt | вх = I вх, де I вх - Струм зарядів статичної електрики на вході в резервуар.

dQ/dt | заг = I вх - Q/τ

Рішенням диференціального рівняння є:

Q = I вх τ(1 - e-t/τ)

На рис. 2 наведено залежності зміни щільності та сумарного об'ємного заряду нафти у приймальному резервуарі.


Рис.2. Залежність сумарного об'ємного заряду нафти у приймальному резервуарі від часу наповнення

З залежності видно, що швидкість зростання заряду експоненційно падає, а сумарний об'ємний заряд, збільшуючись, експоненційно прагне до граничного значення, що визначається твором I вх τ.

Тому для зменшення заряду, що накопичується у приймальному резервуарі, є два шляхи. Перший полягає у зниженні постійного часу релаксації шляхом додавання до нафти спеціальних присадок, що збільшують її провідність. Цей напрямок обрала голландська фірма «Shell». Недоліком методу є безперервний контроль за кількістю присадки в нафті та точне його дозування, так як при очищенні нафти одночасно фільтрами відбувається видалення присадки.

Другий шлях полягає у безпосередньому зменшенні заряду, що знаходиться у приймальному резервуарі. З цією метою використовують спеціальні пристрої, які називаються нейтралізаторами статичної електрики. Схема нейтралізатора статичної електрики наведена на рис. 3.


Рис.3. Нейтралізатор статичної електрики

Навколо електродів, що мають форму голок, в результаті процесів іонізації утворюються області з підвищеним вмістом іонів, що мають заряд протилежного знаку надлишкового заряду нафти (у нашому випадку позитивних іонів). В результаті рекомбінації негативних та позитивних іонів надлишковий заряд нафти зменшується.

Для вирішення завдання щодо запобігання загорянню парів нафти через розряди статичної електрики необхідно визначити величину та розподіл зарядів у приймальному резервуарі залежно від параметрів системи транспортування, розрахувати розподіл поля та визначити можливість виникнення розрядів та займання парів залежно від мінімальної енергії, необхідної для займання . Якщо ймовірність займання велика, повинні використовуватися нейтралізатори або вводитися обмеження на режими перекачування (наприклад, обмеження швидкості перекачування). Небезпека виникнення розрядів статичної електрики залежить від розміру та форми резервуарів, що використовуються (рис.4).


Рис.4. Види резервуарів
а) прямокутний; б) горизонтальний циліндричний; в) вертикальний
циліндричний; г) вертикальний циліндричний із центральною стійкою

Запалення парів нафти

Заряд нафти, що надходить у резервуар, розподілено за обсягом нерівномірно. Це з релаксацією заряду на заземлені стінки конструкції. Тому, що далі аналізований обсяг нафти від стінки резервуара, то більше вписувалося заряд обсягом. Крім того, на поверхні нафти заряд релаксує повільніше (особливо при наближенні рівня до верхньої стінки резервуара) через вплив великої величини ємності між поверхнею нафти і верхньою стінкою.

Це означає, що на поверхні нафти найбільш віддаленій точці від стінок резервуара накопичується великий заряд, який створює електричне поле між цією точкою поверхні нафти і заземленими стінками резервуара. Принаймні накопичення заряду зростає напруженість електричного поля до значення рівного величині, коли він починається розряд. У розряді, що розвивається, виділяється енергія, накопичена в нафті. Для того, щоб пари нафти спалахнули, необхідна певна енергія, що дорівнює мінімальній енергії займання. Для різних речовин вона відрізняється:

Мінімальна енергія займання паро-повітряних
та кисневих (у дужках) сумішей (мДж)

Енергія, що виділяється при прибою газового проміжку, визначається за такою формулою:

де відповідно U - напруга на проміжку і i - Струм, що протікає через проміжок.

Мікророзряди статичної електрики не призводять до помітної зміни напруги через дуже малу тривалість самих розрядів та їх малу енергію. Тоді приблизно можна вважати, що U ≈ const. Отже

тобто. енергія пропорційна величині заряду, що протікає через канал.

На рис. 5 показані залежності величини зарядів, що призводять до займання парів нафтопродуктів, від діаметра заземленої кулі при позитивному та негативному зарядах статичної електрики.


Рис.5. Займисті здібності розрядів в залежності
від діаметра заземленої кулі

Займисту здатність розрядів статичної електрики зазвичай визначають, поміщаючи заземлений сферичний електрод поблизу поверхні рідини. Видно, що займиста здатність розрядів різко знижується, якщо діаметр сфери стає менше 20 мм. Найменше значення займистого заряду відповідає електроду діаметром 20-30 мм. При негативній полярності заряду нафти та нафтопродукту енергія займання нижча, ніж за позитивної. У табл. 1 представлені параметри груп палив по займистості.
Таблиця 1. Групи палив за рівнем займистості

Рис.6.Залежність допустимої швидкості перекачування нафтопродуктів від питомого заряду, що накопичується, і провідності нафтопродуктів

Дослідження показали, що процес заповнення резервуару є безпечним, якщо потенціал на поверхні рідини не більше 25 кВ для «-» зарядженого палива і не більше 54 кВ для «+» зарядженого палива.

Виходячи з режимів роботи систем, що перекачують нафтопродукти, та умов їх безпечної роботи, визначається допустима продуктивність при накопиченні певного заряду в нафтопродуктах (рис. 6).

3.3. Блискавкозахист та захист

від статичної електрики

3.3.1. Технологічне обладнання, будівлі та споруди в залежності від призначення, класу вибухонебезпечних та пожежонебезпечних зонповинні бути обладнані блискавкозахистом, захистом від статичної електрики та вторинних проявів блискавок відповідно до вимог нормативних документівз проектування та влаштування блискавкозахисту будівель та споруд та захисту від статичної електрики.

3.3.2. Пристрої та заходи, що відповідають вимогам блискавкозахисту будівель та споруд, повинні бути закладені у проект та графік будівництва або реконструкції нафтобази (окремих технологічних об'єктів, резервуарного парку) таким чином, щоб виконання блискавкозахисту відбувалося одночасно з основними будівельно-монтажними роботами.

3.3.3. Окремі блискавковідводи повинні бути захищені резервуарні парки з ЛЗР та ГР загальною місткістю 100 тис. м3 і більше, а також резервуарні парки нафтобаз, розташованих на селитебних територіях.

3.3.4. Резервуарні парки загальною місткістю менше 100 тис. м3 повинні бути захищені від прямих ударів блискавки таким чином:

Корпуси резервуарів при товщині металу даху менше 4 мм - блискавковідводами, що окремо стоять, або встановленими на самому резервуарі;

Корпуси резервуарів при товщині 4 мм і більше, а також окремі резервуари одиничною ємністю менше 200 м3 незалежно від товщини даху металу - приєднані до заземлювачів.

3.3.5. Дихальна арматура резервуарів з ЛЗР та простір над нею, а також простір над зрізом горловини цистерн з ЛЗР, обмежена зоною висотою 2,5 м з діаметром 3 м повинна бути захищена від прямих ударів блискавки.

3.3.6. Захист від вторинних проявів блискавки забезпечується за рахунок наступних заходів:

Металеві конструкції та корпуси всього обладнання та апаратів, що знаходяться в будівлі, що захищається, повинні бути приєднані до заземлюючого пристрою електроустановок або до залізобетонного фундаменту будівлі за умови забезпечення безперервного електричного зв'язку по їх арматурі та приєднання до заставних деталей за допомогою зварювання;

У з'єднаннях елементів трубопроводів або інших металевих протяжних предметів повинні бути забезпечені перехідні опори не більше 0,03 Ом на кожен контакт.

3.3.7. Заземлене металеве обладнання, покрите лакофарбовими матеріалами, вважається електростатично заземленим, якщо опір будь-якої точки його внутрішньої та зовнішньої поверхні щодо магістралі заземлення не перевищує 10 Ом. Вимірювання цього опору повинні проводитися при відносній вологості навколишнього повітря не вище 60%, причому площа зіткнення вимірювального електрода з поверхнею обладнання не повинна перевищувати 20 см2, а при вимірюваннях електрод повинен розташовуватися в точках поверхні обладнання, найбільш віддалених від точок контакту цієї поверхні із заземленими металевими елементами, деталями, арматурою.

3.3.8. З'єднання блискавкоприймачів із струмовідводами та струмовідводів із заземлювачами повинні виконуватися, як правило, зварюванням, а при неприпустимості вогневих робіт дозволяється виконання болтових з'єднань з перехідним опором не більше 0,05 Ом за обов'язкового щорічного контролю останнього перед початком грозового сезону.

3.3.9. Заземлювачі, струмовідводи піддаються періодичному контролю раз на п'ять років. Щороку 20% загальної кількості заземлювачів та струмовідводів підлягає розтині та перевірці на ураження їх корозією. Якщо уражено понад 25% площі поперечного перерізу, такі заземлювачі замінюються.

Результати проведених перевірок та оглядів заносяться до паспорту блискавкозахисного пристрою та журналу обліку стану блискавкозахисних пристроїв.

3.3.10. Будівлі та споруди, де можуть утворитися вибухонебезпечні або пожежонебезпечні концентрації парів нафтопродуктів, підлягають захисту від накопичення статичної електрики.

3.3.11. Для запобігання небезпечним проявам статичної електрики необхідно усунення можливості накопичення зарядів статичної електрики на устаткуванні та нафтопродукті шляхом заземлення металевого обладнання та трубопроводів, зниження швидкості руху нафтопродуктів у трубопроводі та запобігання розбризкуванню нафтопродукту або зниження концентрації парів нафтопродуктів до безпечних меж.

3.3.12. З метою захисту від проявів статичної електрики заземленню підлягають:

Наземні резервуари для ЛЗР та ГР та інших рідин, що є діелектриками та здатні при випаровуванні створювати вибухонебезпечні суміші парів з повітрям;

Наземні трубопроводи через кожні 200 м та додатково на кожному відгалуженні з приєднанням кожного відгалуження до заземлювача;

Металеві оголовки та патрубки рукавів;

Пересувні засоби заправки та перекачування пального - під час їхньої роботи;

Залізничні рейки сливоналивних ділянок, електрично з'єднані між собою, а також металеві конструкції сливоналивних естакад із двох сторін по довжині;

Металеві конструкції автоналивних пристроїв;

Усі механізми та обладнання насосних станцій для перекачування нафтопродуктів;

Металеві конструкції морських та річкових причалів у місцях виробництва зливу (наливу) нафтопродуктів;

Металеві повітроводи та кожухи термоізоляції у вибухонебезпечних приміщеннях через кожні 40 – 50 м.

3.3.13. Заземлювальний пристрій для захисту від статичної електрики слід, як правило, об'єднувати із заземлюючими пристроями для захисту електрообладнання та блискавкозахисту. Опір заземлювального пристрою, призначеного тільки для захисту від статичної електрики, повинен бути не більше 100 Ом.

3.3.14. Усі металеві та електропровідні неметалеві частини технологічного обладнаннямають бути заземлені незалежно від застосування інших заходів захисту від статичної електрики.

3.3.15. З'єднання між собою нерухомих металевих конструкцій (резервуари, трубопроводи і т.д.), а також приєднання їх до заземлювачів здійснюється за допомогою смугової сталі перетином не менше 48 мм2 або круглої сталі діаметром понад 6 мм на зварюванні або за допомогою болтів.

3.3.16. Гумотканинні рукави спіральні (РБС) заземлюються шляхом приєднання (паянням) мідного багатожильного дроту перетином понад 6 мм2 до йоржа та металевої обмотки, а гладкі рукави (РБГ) - шляхом пропуску всередині рукава такого ж дроту з приєднанням його до йорж.

3.3.17. Захист від електростатичної індукції повинен забезпечуватися приєднанням всього обладнання та апаратів, що знаходяться в будинках, спорудах та установках, до захисного заземлення.

3.3.18. Будинки повинні захищатися від електростатичної індукції шляхом накладання на неметалічну покрівлю сітки сталевого дротудіаметром 6 - 8 мм, зі стороною осередків не більше 10 см, вузлики сітки повинні бути проварені. Струмовідведення від стінки повинні бути прокладені по зовнішніх стінах споруди (з відстанню між ними не більше 25 м) і приєднані до заземлювача. До зазначеного заземлювача повинні бути також приєднані металеві конструкції будівлі, корпуси обладнання та апаратів.

3.3.19. Для захисту від електромагнітної індукції між трубопроводами та іншими протяжними металевими предметами (каркас споруди, оболонки кабелів), прокладеними всередині будівлі та споруди, у місцях їх взаємного зближення на відстані 10 см і менше через кожні 20 м довжини необхідно приварювати або припаювати металеві перемички, щоб не допускати утворення замкнутих контурів. У з'єднаннях між собою елементів трубопроводів та інших протяжних металевих предметів, розташованих у спорудженні, необхідно влаштовувати перемички зі сталевого дроту діаметром не менше 5 мм або сталевої стрічки перетином не менше 24 мм2.

3.3.20. Для захисту від заносів високих потенціалів підземних металевих комунікацій (трубопроводів, кабелів, у тому числі прокладених у каналах і тунелях) необхідно при введенні в споруду приєднати комунікації до заземлювачів захисту від електростатичної індукції або до захисного заземлення обладнання.

3.3.21. Всі заходи щодо захисту будівель та споруд від вторинних проявів грозового розряду збігаються із заходами щодо захисту від статичної електрики. Тому пристрої, призначені для вторинних проявів вторинного грозового розряду, повинні бути використані для захисту будівель та споруд від статичної електрики.

Утворення зарядів статичної електрики пов'язано з тим, що нафта і нафтопродукти є діелектриками, і тому при інтенсивному терті їх частинок один про одного, а також про повітря має місце електростатична індукція.

Для забезпечення електростатичної іскробезпеки резервуарів необхідно:

• заземлити всі їх електропровідні вузли та деталі;
• виключити процеси розбризкування та розпилення нафти (нафтопродуктів), а також можливість іскроутворення при відборах проб та вимірах рівня рідини в резервуарах;
• обмежити швидкості заповнення резервуарів, а також закінчення нафти (нафтопродуктів) при розмиві донних відкладень.

Заземлювальні пристрої, що застосовуються для захисту від статичної електрики, поєднують з аналогічними пристроями електрообладнання або блискавкозахисту. Опір даних пристроїв не повинен перевищувати 100 Ом.

Залізобетонний резервуар вважається електростатично заземленим, якщо опір у будь-якій точці його внутрішньої та зовнішньої поверхні щодо контуру заземлення не перевищує 10 7 Ом. Щоб уникнути іскрових розрядів не допускається наявність у резервуарах на поверхні нафти (нафтопродуктів) незаземлених електропровідних плаваючих предметів (понтонів, плаваючих дахів, поплавців рівнемірів і т.д.). Їх заземлення здійснюється шляхом приєднання до корпусу резервуара. Причому понтон або плаваючий дах з'єднується з ним не менш як двома гнучкими сталевими перемичками.

Застосування неелектропровідних плаваючих пристроїв і предметів (зокрема призначених для зменшення втрат нафти і нафтопродуктів від випаровування) допускається тільки за погодженням зі спеціалізованою організацією, що займається захистом від статичної електрики.

Технологічні трубопроводи та обладнання, розташовані в резервуарному парку і на резервуарах, на всьому протязі повинні бути безперервним електричним ланцюгом і приєднуються до контуру заземлення не менше ніж у двох місцях.

Щоб уникнути розбризкування і розпилення нафти (нафтопродуктів), що призводять до утворення зарядів статичної електрики, заповнення резервуарів проводиться тільки під рівень. Якщо ж це неможливо (при заповненні резервуарів після дефектоскопії або ремонту), то швидкість закачування нафти (нафтопродуктів) у нього не повинна перевищувати 1 м/с до моменту затоплення приймально-роздавального патрубка в резервуарах типу РВС і до спливу понтону або плаваючого даху. у резервуарах типів РВСП та РВСПК.

При ручному відборі проб або вимірі рівня нафти (нафтопродуктів) в резервуарі через вимірний люк дані операції необхідно виконувати не раніше ніж через 10 хвилин після припинення операції закачування (відкачування).

• для рідин з питомим об'ємним електричним опором не більше 105 Ом·м швидкість закачування в резервуар повинна бути не більше 10 м/с;
• для рідин з питомим об'ємним електричним опором не більше 109 Ом·м - до 5 м/с;
• для рідин з питомим об'ємним електричним опором понад 10 9 Ом·м допустимі швидкості транспортування та закінчення встановлюються на основі спеціальних розрахунків.

Для зниження швидкості закінчення нафт (нафтопродуктів) з питомим об'ємним електричним опором вище 10 9 Ом · м в резервуари рекомендується застосовувати так звані релаксаційні ємності, що представляють собою горизонтальну ділянку трубопроводу довжиною L e і збільшеного діаметра D e , що знаходиться безпосередньо на вході в резервуар:

D e = D · √ 2 · W; L e = 2.2 · 10 -11 · ε · ρ v ,

Де D – діаметр трубопроводу; W - швидкість рідини у ньому, м/с; ε - діелектрична постійна нафти (нафтопродукту); ρ v - питомий об'ємний електричний опір рідини, Ом · м.