ГОСТ 31610.32-1-2015/IEC/TS 60079-32-1:2013 Взрывоопасные среды. Часть 32-1. Электростатика. Опасные проявления. Руководство

Приложение А
(справочное)

     
Основы статического электричества

А.1 Электростатическое заряжение
     

    А.1.1 Введение

Первичный источник электростатического заряда - контактное заряжение (электризация). Если два ранее незаряженных вещества входят в соприкосновение, то на их общей границе обычно происходит перенос зарядов. При их разделении друг от друга на каждой поверхности взаимного контакта будут находиться заряды, равные по величине, но противоположной полярности. Проводящие объекты могут заряжаться по индукции, если они находятся в электрическом поле других заряженных объектов, или вблизи от проводников с высоким потенциалом. Любой объект может также стать заряженным, если на нем накапливаются заряженные частицы или ионы.

А.1.2 Контактное заряжение

Контактное заряжение может происходить на границах фаз "твердое тело/твердое тело", "жидкость/жидкость" или "твердое тело/жидкость". Газы не могут так заряжаться, но если присутствуют взвешенные в газе твердые или жидкие частицы, подвергающиеся контактному заряжению, то газ, несущий заряженные частицы, становится электростатически заряженным. Контактному заряжению могут подвергаться конденсированная или замороженная вода в воздухе или снег, образующийся, например, при адиабатическом расширении углекислого газа.

В случае разнородных твердых частиц, первоначально незаряженных и обычно находящихся под потенциалом земли, между ними, пока они находятся в контакте между собой, происходит обмен некоторым количеством электрических зарядов. Поэтому эти два материала оказываются противоположно заряженными и, следовательно, между ними существует электрическое поле. Если материалы разделяются, то затрачивается работа по преодолению взаимного притяжения их зарядов и с увеличением расстояния между ними увеличивается и разность потенциалов. Разность потенциалов проявляется и в конечных точках соприкосновения разделяемого контакта. В случае двух проводников при этом происходит почти полная взаимная нейтрализация разделяемых зарядов и никакого значительного количества зарядов не остается ни на том, ни на другом материале после разделения их контакта.

Если один или оба материала не являются проводящими, полная взаимная нейтрализация разделяемых зарядов не может иметь места и на разделенных материалах заряды частично сохраняются. Поскольку расстояние между зарядами, первоначально разделенными в состоянии контакта только межфазной границей, чрезвычайно мало, то потенциал при последующем разделении возрастает во много раз и может достигать многих киловольт. Для реальных поверхностей в процессе трения площадь контакта увеличивается и увеличивается эффективность контактного заряжения.

А.1.3 Контактное заряжение жидкостей

Точно так же происходит контактное заряжение жидкостей, но в этом случае процесс заряжения может зависеть от присутствия ионов или микроскопических заряженных частиц (последние обычно менее важны). Ионы (или частицы) одной полярности могут быть адсорбированы на внутренней поверхности межфазной границы и будут захватывать ионы противоположной полярности, которые образуют диффузионный заряженный слой у поверхности. Если жидкость затем перемещается относительно межфазной границы, то потоком уносится часть диффузионного слоя, и тем самым обеспечивается разделение положительных и отрицательных зарядов. Типичные примеры - перемещение жидкости относительно твердой поверхности (например, в трубе, в насосе или в фильтре), возмущение или воздействие мешалкой, распыление или дробление жидкости. Если в жидкости присутствует вторая несмешивающаяся фаза в виде взвешенных твердых частиц или диспергированных жидкостей, или воздушных пузырей, заряжение значительно возрастает из-за большого увеличения площади межфазных поверхностей.

Как в случае твердых частиц, высокое напряжение генерируется вследствие совершения работы по разделению положительных и отрицательных зарядов, при условии, что жидкость обладает достаточными изоляционными свойствами, чтобы предотвратить их рекомбинацию. Такие процессы могут происходить как на межфазных границах "твердое тело/жидкость", так и на границах "жидкость/жидкость".

Обычно с опасным уровнем заряжения сталкиваются главным образом при обращении с жидкостями с низкой электрической проводимостью. Однако из-за быстрого разделения зарядов распыление жидкостей может сопровождаться образованием высоко заряженного тумана или брызг, независимо от проводимости жидкости.

Хотя высоко проводящие жидкости обычно заряжаются очень слабо, существуют высоко заряжающиеся проводящие жидкости, особенно некоторые органические ацетаты, эфиры и высшие кетоны, при обращении с которыми требуются чрезвычайные меры обеспечения безопасности. К ним относятся этилацетат и изопропилацетат, но не ацетон.

Биотоплива представлены в C.8.

А.1.4 Электризация жидкостей в трубах и фильтрах

А.1.4.1 Трубы с постоянным диаметром

При течении жидкостей по трубам происходит разделение отрицательных и положительных зарядов и в результате жидкость и труба заряжаются равными по величине и противоположными по знаку зарядами (заряд трубы, если труба проводящая, стекает на землю). Турбулентный поток электризуется больше, чем ламинарный. Так как в промышленных установках течение обычно турбулентное, учитывается и рассматривается только турбулентное течение. При турбулентном течении ток потока в длинной трубе примерно пропорционален квадрату скорости.

Примечание - При ламинарном потоке ток потока прямо пропорционален скорости.

Если жидкость входит в трубу незаряженной, конвективный электрический ток потока и плотность зарядов в потоке должны увеличиваться с длиной трубы и постепенно приближаться к стационарному значению, если труба достаточно длинная. Для жидкостей с низкой проводимостью, в особенности для насыщенных углеводородных жидкостей, теоретически в "длинной" проводящей заземленной трубе значение плотности зарядов, , постоянно, не очень зависит от проводимости и диэлектрической постоянной жидкости и приблизительно пропорционально скорости жидкости, v, деленной на диаметр трубы, d:

,

где K - константа с размерностью Кл с м.

Примечание - Ранее были предложены другие выражения. Исторически чаще выражения предложенного выше применялось выражение (закон Шена). При этом считалось, что предельная плотность зарядов в потоке в длинной трубе пропорциональна vd. Однако представляется, что выражение значительно лучше соответствует результатам измерений, о которых сообщается в литературе (Walmsley and Mills 1992 [30], Britton and Smith 2012 [31]). Оно ближе к теоретическим выражениям (Koszman and Gavis 1962 [32], Walmsley 1982 [33]). К тому же оно при соответствующем выборе константы K обеспечивает те же значения тока, которые получены в хорошо исследованных условиях. Константа Шена, указанная выше, была получена при измерениях на трубах сравнительно малого диаметра (50 мм) и давала слишком завышенные значения плотности зарядов для труб большего диаметра (например, 100 мм). Так что выше предложенная формула дает более низкие значения плотности зарядов для труб большего диаметра, что лучше соответствует реальным данным.

Для константы K были предложены разные значения. Значение 1,0 мкКл с м должно быть приемлемым для большинства углеводородов. Однако не исключено, что для менее изученных жидкостей и для жидкостей с антистатическими добавками могут потребоваться более высокие значения. Значение 1,6 мкКл·с·м удовлетворяет (перекрывает) все сообщаемые уровни заряжения в обычных трубах.

Основному практическому диапазону скоростей и диаметров труб (v=от 1 м/с до 10 м/с, d=от 0,025 м до 0,2 м) соответствует диапазон значений объемной плотности зарядов от 5 мкКл/ м до 400 мкКл/м.

Практически труба может считаться "длинной", если

при ,