Применение спецодежды из материалов с антистатическими свойствами

Требования стандартов безопасности

Одежду с антистатическими свойствами следует применять для снижения электростатической искроопасности объектов, в соответствии с ГОСТ 12.1.018-93 «ССБТ. Пожаровзрывобезопасность статического электричества. Общие требования». Материалы антиэлектростатической специальной одежды должны иметь удельное поверхностное электрическое сопротивление не более 10E7 Ом по ГОСТ 19616-74, в соответствии с ГОСТ 12.4.124-83 «ССБТ. Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования». Такая упрощенная концепция искробезопасности спецодежды все еще преобладает в определенных кругах, несмотря на отсутствие пояснений как она работает (и работает ли вообще), в каких взрывоопасных зонах, и при каких условиях.

Специализированные стандарты по взрывобезопасности, однако, устанавливают иные требования к электрическим свойствам материалов антистатической одежды. Так, например, в соответствии с ГОСТ 31613-2012 «Электростатическая искробезопасность. Общие технические требования и методы испытаний» для обеспечения соответствия специальной одежды требованиям электростатической искробезопасности необходимо, чтобы  удельное поверхностное электрическое сопротивление ткани не превышало 10E9 Ом по ГОСТ 19616-74.

Современные стандарты безопасности на защитную одежду предлагают более информативные методы испытаний, новые понятия и характеристики. Так ГОСТ Р ЕН 1149-5 (EN 1149-5) «Одежда специальная защитная. Электростатические свойства» вводит понятие материала, рассеивающего электростатический заряд. Такой материал должен иметь удельное поверхностное электрическое сопротивление 5 х 10E10 Ом (поверхностное сопротивление не более 2,5 х 10E9 Ом) по методу EN 1149-1 или обладать свойством убывания заряда, определяемым по методу EN 1149-3.

Несмотря на вышесказанное, при выборе одежды для работы во взрывоопасных зонах недостаточно руководствоваться выборочными требованиями к материалам из понравившегося стандарта. Необходимо учитывать требования к заземлению работающего и его одежды, состав материалов из которых она сшита, условия окружающей среды, минимальную энергию зажигания (МЭЗ) взрывоопасной среды, тип рабочей активности и сооответствующую вероятность электризации одежды. В настоящей статье затрагиваются краткие теоретические основы образования электростатического заряда на изолированных поверхностях, рассматриваются известные факторы, влияющие на зажигающую природу электростатических разрядов с поверхности одежды и человеческого тела, предлагается методика по выбору антиэлектростатической спецодежды для применения во взрывоопасных зонах.

Образование электростатического заряда

Образование электростатического заряда происходит при взаимном контакте и последующем разделении поверхностей двух твердых тел. Заряд возникает из-за того, что изначально электронейтральные атомы одного вещества теряют один или несколько электронов, приобретая положительный заряд, а атомы другого вещества присоединяют один или несколько электронов, приобретая отрицательный заряд. Это физическое явление называется контактной электризацией или трибоэлектризацией, от греческого «tribos» – тереть и «elektron» - янтарь [1]. Свойство янтаря наэлектризовывать мех животных использовалось еще древними греками. Следует отметить, что споры по механизму переноса трибоэлектрических зарядов продолжаются до сих пор. Авторы различных теорий  приписывают эту функцию электронам, ионам (потерявшим электронейтральность атомам) и даже самому веществу [1].

При контактной электризации любой материал может заряжаться как положительно, так и отрицательно, в зависимости от того, с каким вторым материалом он вступает в контакт. Путем экспериментов распространенные материалы были помещены в т.н. трибоэлектрические ряды по их склонности к приобретению положительного или отрицательного заряда (рисунок 1). Чем дальше находятся материалы друг от друга в трибоэлектрическом ряду, тем выше магнитуда вырабатываемого электростатического заряда при их взаимном контакте [2]. Знак трибоэлектрического заряда оказывает на его поджигающую способность не меньшее влияние, чем его величина.

К сожалению, ни одна физическая характеристика не может описать всех происходящих явлений трибоэлектризации, что подтверждает существование других, менее изученных механизмов указанного феномена [1]. Все знания о нем преимущественно основаны на эмпирических данных и часто противоречивы. По этой причине наибольшее практическое значение для снижения электростатической искроопасности одежды имеют современные методы испытаний, основанные на прямых измерениях характеристик, пропорциональных заряду (например, напряженности электрического поля после накопления заряда по EN 1149-3), в условиях приближенных к реальным условиям эксплуатации. Взаимосвязи механизма образования статического заряда с удельным поверхностным электрическим сопротивлением не установлено [2]. Эта характеристика электрических свойств материалов не связана с характеристиками заряда. К трибоэлектризации  незаземленного работника приводят, например, такие распространенные типы активности, как ходьба по изолированному полу, вставание с кресла, снятие одежды.

Рисунок 1. Обобщенный трибоэлектрический ряд некоторых материалов.

Особенности применения спецодежды во взрывоопасных зонах

С 1 декабря 2017 года вводится в действие межгосударственный стандарт ГОСТ 31610.32-1-2015/IEC/TS60079-32-1:2013 «Взрывоопасные среды. Часть 32-1. Электростатика. Опасные проявления. Руководство», идентичный международному стандарту IEC/TS 60079-32-1:2013 «Explosive atmospheres - Part 32-1: Electrostatic Hazards – Guidance» (далее – «Руководство») Руководство рекомендовано в качестве дополнения и методического пособия к действующим стандартам ГОСТ 12.1.018-93, ГОСТ 31613-2012 и содержит конкретные рекомендации по применению спецодежды во взрывоопасных зонах, основанные на опыте развитых стран и ведущих международных нефтегазовых компаний.

Порядок применения антистатической одежды во взрывоопасных зонах

Несмотря на то, что одежда из синтетических тканей может легко наэлектризовываться, при надлежащем заземлении пользователя через рассеивающую обувь и полы - риска зажигания нет. Применение рассеивающей одежды рекомендуется Руководством только при определенном сочетании вероятности электризации и присутствия газов и паров с низкими значениями минимальной энергии зажигания - МЭЗ (таблица 1).

Таблица 1. 

Порядок применения рассеивающей специальной одежды по ГОСТ 31610.32-1-2015/IEC/TS60079-32-1:2013

Логика применения антистатической одежды учитывает две ситуации. Если МЭЗ взрывоопасной среды более 0,2 мДж, то может быть достаточно мер по предотвращению статических разрядов с тела человека, а применение рассеивающей одежды только рекомендуется или вообще не требуется (кроме зоны 0 при высокой вероятности заряжания). Вторая ситуация связана с атмосферами, МЭЗ которых менее 0,2 мДж, где энергии статических разрядов от одежды уже может быть достаточно для зажигания, что в большинстве случаев требует применения рассеивающей одежды. При выборе одежды для взрывоопасных зон с МЭЗ менее 0,02 мДж (например, водородные атмосферы) необходимо консультироваться со специалистами.

МЭЗ большинства распространенных взрывоопасных газов и паров превышает 0,2 мДж. Наибольшая из всех углеводородов МЭЗ у метана (0,28 мДж), а наименьшее значение МЭЗ по сравнению с любым другим углеводородом, не содержащим двойных, тройных или кольцевых связей, у бензола (0,2 мДж). Интервалы типовых значений МЭЗ приведены в таблице 2.

Таблица 2

Интервалы типовых значений МЭЗ по ГОСТ 31610.32-1-2015/IEC/TS60079-32-1:2013

Требования к рассеивающей одежде

В соответствии с Руководством рассеивающая одежда определяется, как одежда, материал и конструкция которой соответствуют требованиям стандарта EN 1149-5. Материалы рассеивающей одежды должны иметь полупериод убывания заряда t50 менее 4 секунд или коэффициент экранирования S менее 0,2, определяемые по методу испытаний 2 стандарта EN 1149-3, или обладать поверхностным электрическим сопротивлением не более 2,5 х 10E9 Ом (удельным поверхностным сопротивлением не более 5 х 10E10 Ом), определяемым по EN 1149-1. Из-за принципа, лежащего в основе последнего метода измерений, он применим только к материалам с проводящей поверхностью, и не информативен для оценки статической предрасположенности тканей с каркасными волокнами с проводящим сердечником.

Для материала, содержащего проводящие нити, расстояние между ними в одном направлении не должно превышать 10 мм.

Вышеуказанные требования стандарта EN 1149-5 (ГОСТ Р ЕН 1149-5) к материалам рассеивающей одежды не противоречат требованиям подпункта 4.7.9 Технического регламента Таможенного союза ТР ТС 019/2011 к материалам средств индивидуальной защиты от воздействия статического электричества, что не препятствует подтверждению соответствия рассеивающей одежды в форме сертификации.

Конструкция рассеивающей одежды должна позволять ей полностью покрывать остальную (не антистатическую) одежду, в том числе и при двигательной активности пользователя. Если одежда состоит из нескольких слоев, то верхний слой должен удовлетворять вышеуказанным требованиям к рассеивающим материалам. Одежда должна быть правильно подогнана по размеру в соответствии с EN 340 и обеспечивать полную свободу движений в застегнутом состоянии, в соответствии с инструкцией изготовителя. Тонкие, не рассеивающие электростатический заряд детали, такие, как светоотражающие полосы, шевроны, необходимые для безопасности труда, допускаются, если закреплены постоянно таким образом, чтобы исключить трибоэлектрическое заряжание (трение с последующим разделением) при контакте с материалом одежды. Токопроводящие детали и фурнитура (молнии, пуговицы и т.д.) допускаются, если полностью закрываются материалом рассеивающей одежды при ношении во взрывоопасных атмосферах. Руководство дополнительно рекомендует, чтобы рассеивающая одежда была настолько облегающей, насколько позволяет ее практичность, но в то же время во взрывоопасной среде (например, зоны классов 0, 1, 20 и 21) она не должна быть слишком свободной, расклешенной и разлетающейся.

Электрический удар

Разряды статического электричества через тело человека могут вызвать электрический удар. К таким разрядам относятся:

Кистевой разряд может возникнуть, когда человек передвигается рядом или касается сильно заряженного диэлектрика (твердого или жидкого).

Искровой разряд происходит при контакте человека с сильно заряженными металлами или проводящими телами.

Скользящий кистевой разряд происходит, например, когда человек держит биполярно заряженный пластиковый лист или касается сильно заряженных сыпучих материалов или гранул внутри больших пластиковых емкостей.

Если разрядная энергия более 350 мДж или переносимый заряд превышает 50 мкКл, такие разряды представляют непосредственную угрозу для здоровья. Кистевые и искровые разряды от небольших изолированных объектов (бочка, канистра, ручной инструмент) с энергией до 1 мДж не вызывают опасных для здоровья электрических ударов. Разряды с энергией в несколько мДж опасны из-за ответных движений пользователя, вызванных непроизвольным судорожным сокращением мышц. Такие движения могут привести к травмам от непреднамеренного контакта с движущимися механизмами или падению с высоты. В дополнение, электростатический разряд через тело человека может вызвать зажигание взрывоопасной среды или одежды, если она загрязнена воспламеняемыми веществами.

Для снижения статической предрасположенности материалов одежды в составе ткани часто используются металлические волокна (например, из нержавеющей стали) с низким удельным объемным сопротивлением. Металлические волокна в составе ткани не предотвращают опасности электрических ударов и соответствующая одежда должна применяться в зонах, где такие риски исключены. Металлические волокна также могут причинять слабые неприятные покалывания, которые можно почувствовать в местах их соприкосновения с кожей (например, на запястьях и шее). Эти покалывания причиняются электростатическими разрядами между кожей пользователя и металлическими волокнами, а не прямым механическим воздействием, как иногда принято считать.

Современные каркасные волокна, рассеивающие электростатический заряд, имеют проводящий сердечник, изолированный снаружи. Принцип рассеивания электростатического заряда этими волокнами основан на явлении электростатической индукции, а не на электропроводящих свойствах поверхности, поэтому одежда из таких материалов более защищена от электрических ударов.

Требования к заземлению

Если человек изолирован от земли, например, из-за того, что подошвы обуви и покрытия полов сделаны из диэлектрических материалов, то происходит его электризация. При соприкосновении наэлектризованного человека с проводящим предметом может произойти искровой разряд. Зажигания газов, паров или пыли могут произойти от зарядов, которые даже не ощущаются человеком. Применение рассеивающей одежды начинается с взрывоопасных сред с МЭЗ ниже 0,2 мДж, а заземление человека требуется в средах с МЭЗ от 10 мДж и ниже. Указанная разница пороговых наглядно демонстрирует соотношение эквивалентной энергии зажигания разрядов с поверхности одежды и с поверхности человеческого тела.

Учитывая вышесказанное, требования стандартов безопасности к материалам антистатической специальной одежды применимы только в том случае, если пользователь заземлен.

Для обеспечения заземления людей во взрывоопасных помещениях оборудуются проводящие или рассеивающие полы, а люди обеспечиваются рассеивающей обувью. Рассеивающие полы должны иметь сопротивления утечки от 1 до 10E8 Ом, такому требованию в производственных условиях соответствует, например, бетонный пол. Рассеивающая обувь это обувь, гарантирующая, что у человека, стоящего на проводящем или рассеивающем полу сопротивление с землей достаточно мало, чтобы гарантировать рассеивание заряда на землю, но при этом оно и достаточно велико, чтобы предотвратить сильный удар электрическим током при напряжении менее 500 В.

Стандарты безопасности предъявляют одинаковые требования к рассеивающей обуви – электрическое сопротивление между подпятником и ходовой стороной должно быть в интервале от 10E5 до 10E8 Ом. Обувь с электрическим сопротивлением ниже 10E5 Ом считается проводящей и предназначена для лиц, обращающихся с чувствительными взрывчатыми веществами, ее не следует применять там, где присутствует риск поражения электрическим током. Кроме случаев обращения с особо чувствительными взрывоопасными веществами обычно применяется рассеивающая обувь. Там, где рассеивающая обувь не может обеспечить требуемого заземления персонала, должны использоваться дополнительные заземляющие устройства. В соответствии с Руководством рассеивающую одежду также следует заземлить  либо посредством контакта с телом пользователя, либо напрямую с землей. Требование к заземлению антиэлектростатической одежды содержится, например, в ГОСТ 12.4.124-83.

Таким образом, антиэлектростатическая (рассеивающая) одежда обеспечивает дополнительный уровень защиты от электростатических разрядов, после заземления пользователя, а не вместо него. Применение такой одежды без обеспечения надлежащего заземления не имеет практического смысла и не соответствует требованиям действующих стандартов безопасности, даже если удельное поверхностное сопротивление материалов одежды ниже 10E7 Ом.

Поджигающая способность электростатических разрядов

Разряды статического электричества с тела человека

Энергия разряда статического электричества (энергия заряда статического электричества перед разрядом) с тела человека может быть рассчитана по формуле для проводников:

W=0,5 * CU2

где  С – электрическая емкость тела человека, Ф (в разных источниках от 95 пФ до 304 пФ)

       U – электрическое напряжение на человеке, В

Считается, что тело человека может зарядиться до потенциала 20 кВ, что при емкости человеческого тела 150 пФ соответствует запасу разрядной энергии 30 мДж. Однако из-за высокого омического сопротивления кожи человека примерно две трети энергии заряда рассеивается на теле в виде тепла и только одна треть идет на зажигание, поэтому максимальная энергия зажигания электростатического разряда с тела человека составляет около 10 мДж.

Незаземленный человек может очень быстро зарядиться до максимального потенциала. В источнике [3] описан пример, когда изолированный от земли рабочий заряжался до 16 кВ всего после десяти движений вверх-вниз валиком по стенкам резервуара, на которые он наносил герметик. Для зажигания стехиометрической метановоздушной смеси искровым разрядом между пальцем пользователя и заземленным электродом диаметром 1.0 мм тело человека должно зарядиться до 6 кВ [4]. Такой потенциал соответствует энергии накопленного заряда 1,7 мДж, что в 4,4 раза превышает минимальную энергию зажигания указанной взрывоопасной смеси.

При увеличении диаметра заземляющего электрода до 12.0 мм для образования поджигающей искры потенциал человека должен быть уже 11 кВ. Таким образом, чем меньше диаметр электрода, на который проходит искровой разряд, тем меньший потенциал заряда тела нужен для зажигания взрывоопасной среды. Такая же зависимость энергии, необходимой для зажигания, от емкости между телом человека и землей [4]. Энергия заряда, накопленного незаземленным телом человека, может в сотни и даже в тысячи раз превышать минимальную энергию зажигания некоторых газов и мгновенно разряжаться через искровой разряд.

Разряды с одежды на человеке

Если не рассматривать высокочувствительных к зажиганию взрывоопасных сред, задокументированные и засвидетельствованные примеры возникновения пожаров или взрывов, вызванных статическими разрядами с тела человека, а тем более с поверхности одежды в нашем распоряжении отсутствуют. Накопления заряда на изолированных поверхностях одежды и на незаземленном проводнике, которым можно считать тело человека, образуют две очень разные ситуации. Значительная площадь поверхности и большое поверхностное электрическое сопротивление материалов одежды затрудняют такие же быстрые искровые разряды в одну точку, поэтому только часть заряда может разрядиться [2]. Накопление значительного статического заряда какой-бы то ни было одеждой при условии надлежащего заземления пользователя маловероятно. Тем не менее, в присутствии высокочувствительных к зажиганию атмосфер, таких, как, например, водородовоздушная или ацетиленовоздушная смеси, вероятность поджигающих разрядов статического электричества с поверхности одежды должна приниматься во внимание [3].

Зажигающую способность статического электричества, накопленного на поверхности тканей одежды можно определить по заряду в импульсе. Для этого используется осциллограф, электрод-датчик специальной конструкции для снятия заряда с поверхности ткани, интегрирующая RC цепочка, включаемая в цепь заземления датчика. Зная емкость системы, характеристику заряд-время электростатического разряда можно получить из характеристики напряжение-время, записанной осциллографом. В работе [5] указанным способом были исследованы образцы из 100% хлопковой и 100% полиэфирной тканей диаметрами от 8 до 25 см, которые закреплялись в изолированной круглой рамке из плексигласа и наэлектризовывались положительно и отрицательно с помощью, соответственно, тканями из тефлоновых (ПТФЭ) и нейлоновых волокон при различных значениях относительной влажности (RH).

Было установлено, что поджигающая способность разрядов статического электричества напрямую зависит от знака заряда. Разрядные импульсы с поверхностей отрицательно заряженных тканей на порядок больше по амплитуде и значительно короче по времени, чем с положительно заряженных поверхностей. Искры с отрицательным зарядом в районе 0,1 мкКл могут зажечь стехиометрическую смесь природного газа с воздухом, а для зажигания водородновоздушной смеси достаточно искры с зарядом 0,02 мкКл. Вероятность зажигания во втором случае вдвое выше. Максимальный разряд -0,563 мкКл наблюдался между поверхностью образца хлопковой ткани наибольшей площади и электродом наибольшего диаметра при минимальной относительной влажности RH=15%. Таким образом, в отличие от разрядов с тела человека, поджигающая способность разрядов с поверхности одежды прямо пропорциональна диаметру заземленного электрода.

Разрядов с поверхностей положительно заряженных тканей (за исключением 100% полиэфирной ткани при относительной влажности 15%) недостаточно для поджигания стехиометрической смеси природного газа и воздуха, но при определенных условиях искровые разряды с поверхностей положительно заряженных тканей могут поджечь водородновоздушную смесь.

Влияние условий окружающей среды

Человек, идущий по нейлоновому ковру, при нормальной температуре и 40% относительной влажности может зарядиться до 1.2 кВ, а при относительной влажности 30% уже до 3.0-3.6 кВ [2]. При температуре +20°C и снижении относительной влажности с 65% до 20% арамидные ткани начинают показывать чуть меньшее удельное поверхностное сопротивление, чем хлопок или хлопковые ткани с пропиткой [6]. Электризация тела человека и его одежды зависит от количества влаги в окружающем воздухе.

В исследовании [5] электризуемость образца хлопковой ткани от трения с нейлоновым образцом увеличилась втрое при снижении относительной влажности RH с 50% до 15% (+21°C). На статический заряд аналогичным образом электризуемого образца полиэфирной ткани снижение относительной влажности существенного влияния не оказала. Это объясняется тем, что хлопковые волокна имеет высокую гигроскопичность, поэтому  статическая предрасположенность хлопковых тканей сильно зависит от количества водяного пара в окружающем воздухе. При низких отрицательных температурах, когда абсолютная влажность стремится к нулю, хлопковые ткани теряют влагу и способны накапливать электростатический заряд наравне с тканями из синтетических волокон. В соответствии с ГОСТ 19616-74 измерения удельного поверхностного электрического сопротивления тканей антистатической спецодежды проводятся в климатических условиях по ГОСТ 10681-63 (RH65%, 20ºC), соответствующих Батуми в середине мая, а носить одежду из этих тканей могут на Ямале или в Красноярском крае, например, зимой. При существенной зависимости статической предрасположенности хлопковой одежды от окружающей температуры информативность измерений в указанных климатических условиях сомнительна.

Измерения электрических характеристик материалов, используемых во взрывоопасных зонах при относительной влажности 50% и более, за рубежом больше не применяются из-за возможности ошибки в ущерб обеспечения безопасности. Распространенные нормативные условия испытаний RH25%, 23ºC. В этих условиях, например, проводят измерения убывания заряда по EN 1149-3 (ГОСТ Р ЕН 1149-3-2008).

Таким образом, «сакральное» для многих удельное поверхностное электрическое сопротивление 10E7 Ом материалов само по себе не делает одежду искробезопасной. Только комплексный подход, использующий современные стандарты безопасности, актуальные методики и инновационные материалы может эффективно решить задачу снижения искроопасности одежды во взрывоопасных зонах. Все перечисленное уже доступно для заинтересованных специалистов, стремящихся к обеспечению безопасности труда не на словах, а на деле.

1. Logan S. McCarty, George M. Whitesides. Electrostatic Charging Due to Separation of Ions at Interfaces: Contact Electrification of Ionic Electrets . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2008

2. Jasti, Vamsi Krishna. Electrostatic Charge Generation and Dissipation on Woven Fabrics Treated with Antistatic and Hydrophilic Surface Finishes.North Carolina State University 2011

3. Luttgens G., Wilson N. Electrostatic Hazards. Reed Educational and Professional Publishing Ltd 1997

4. Wilson N. The Nature and Incendiary Behavior of Spark Discharger From The Body. IOP Conf. 1979

5. Wilson N. The Nature and Incendiary Behavior of Spark Discharger From Textile Surfaces. Journal of Electrostatics (16) 1985

6. Richard A. Scott. Textiles for Protection. Woodhead Ltd & CRC Press LLC 2005

При перепечатке материалов сайта ссылка на сайт обязательна.

kermelrus