MUNKABIZTONSÁG 2.5
Elektrosztatikus gyulladásveszély üzemanyagok műanyag csőben való szállítása során Tárgyszavak: elektrosztatikus feltöltődés; műanyag csővezeték; üzemanyag; gyújtás.
A villamos szigetelő szintetikus anyagok, pl. a műanyagok felhasználása csővezetékekhez vagy egyéb üzemanyag-kezelő berendezésekhez egyre inkább terjed. A töltőállomások földbe fektetett vezetékei esetén korrózióállóságuk jobb, élettartamuk nagyobb, és csökken a szivárgás okozta környezetszennyezés. Fémcső esetén az áramlás a csővezetékben jelentős elektrosztatikus töltést okozhat az üzemanyagban. Kevéssé foglalkoztak azonban a műanyag csövekkel, amelyekben a töltés az üzemanyag és a cső határfelületén alakulhat ki. Üzemi vizsgálatokat végeztek nagysűrűségű polietilén csővezetékrendszerben. A vizsgálat során ismert vezetőképességű és ellenőrzött oktán/toluol üzemanyag-keveréket áramoltattak a rendszerben változó áramlási sebességgel. Szimulálták mind a föld alatti, mind a szabadon álló csővezetékkonfigurációkat. A vizsgálatok adatokat szolgáltattak az elektrosztatikus aktivitásról, az elektrosztatikus kisülés természetéről és helyéről, valamint a kisülés energiájáról. Vizsgálták a fém komponensek, pl. szelepek és összekötő elemek befolyását is. A vizsgálatok alapján fontos következtetések vonhatók le a gyúlásveszélyt befolyásoló tényezőkre. Elektrosztatikus töltés keletkezése Elektrosztatikus töltés keletkezik, ha üzemanyagot szivattyúznak csővezetékben. A feltöltődés az üzemanyagban lévő ppm mennyiségű ionok jelenlététől függ. Megállapították, hogy a pozitív vagy negatív ionok szelektíven adszorbeálódnak az üzemanyaggal érintkező cső belső falán, és a műanyag csövekben a töltéskoncentráció megváltozhat a cső belső falán lévő vegyületek ionokra disszociálódásának következtében. Így a cső belső felületéhez azonos töltésű ionok kötődnek, és magukhoz vonzzák az üzemanyagban lévő ellenkező töltésű ionokat. A töltéssel rendelkező réteg vastagsága nő az üzemanyag vezetőképességének csökkentésével, és ha az üzemanyag nyugalomban van
a csőben, a töltés nulla. Az üzemanyag áramlásakor a határrétegben lévő ionok a cső hosszában elmozdulnak, míg az ellenkező töltés a földbe vándorol, aminek a sebessége a cső anyagának vezetőképességétől függ. A különböző tulajdonságok (a fal vezetőképessége, mérete, kémiai összetétele, a felület érdessége) hozzájárulnak az ionos adszorpció és diffúzió sebességéhez a cső különböző helyein. A szűrők, szelepek, könyökcsövek növelik a töltést. Az üzemanyagban lévő szabad víz is ugyanezt teszi, az emulgeált folyadék nagy érintkező felülete miatt. A földbe fektetett fém csővezetékekben az üzemanyagok elektrosztatikus viselkedése jól ismert. Ugyanakkor a műanyag csövekben keletkező töltés jelentős mértékben függhet a cső belső falának kémiájától, és rendszerint nem jósolható. Mindkét csőtípusnál a feltöltődés elsődleges oka az üzemanyag áramlása. Fémcső esetén a földelés a töltést elvezeti. Műanyag csöveknél az elektrosztatikus töltés a cső falán összegyűlhet, és átmehet a földeletlen fém alkatrészekre. Az áramlás következtében keletkező elektrosztatikus feltöltődés mechanizmusa mellett az súrlódás hatására is létrejöhet. Gyulladásveszély A benzingőz 1–6 %(V/V)-os keveréke levegővel gyúlékony. A gyújtási energia minimum 0,25 mJ a felső és alsó gyulladási határ között. E koncentráción, ill. a közelében a gőz gyulladása bekövetkezhet szikrától vagy a feltöltődött műanyag elektrosztatikus koronakisülésétől. Megállapították, hogy a szikra okozta gyulladás elsődlegesen az energiatartalomtól és a szikra távolságától függ. 2 mm szikratávolság esetén a kisülési feszültség ~6 kV. Ez alatti értékek nem jelentenek gyulladási veszélyt. Gyújtási kísérletekben meghatározták, hogy a műanyag felületről származó kisülési energia ~3,6 mJ. Az ilyen kisülés csak szénhidrogének esetében okozott gyulladásveszélyt, ha azok negatívan töltött felületről származtak. Továbbá, ahhoz hogy koronakisülés keletkezzék, először kb. – 20 kV felületi potenciált kell létrehozni. Vizsgálatok A vizsgálatokat töltőállomáson felállított rendszeren végezték. Az üzemanyagokhoz használt műanyag csővezetékek konstrukciója mindenütt azonos. Az extrudált PE csövek külső átmérője 32–160 mm, a falvastagság 6–10 mm. A földbe fektetett csöveket három helyen lehet megközelíteni, az állomást üzemanyaggal ellátó töltőhelyen, a föld alatti tartály kezelő aknájában és a szivattyúkezelő dobozban.
A vizsgálatok során a következő lehetséges gyújtóforrásokat vették figyelembe: a csőfal és a kezelőakna műanyag falának elektrosztatikus koronakisülései és a szigetelt fémrészekről származó szikrakisülések. A PE csővezeték különböző elemein, az üzemanyag áramlása következében keletkező elektrosztatikus potenciálok vizsgálatára poliamiddal bélelt PE csőrendszert készítettek. Nagy sebességgel üzemanyagot juttattak a rendszerbe, és különböző pontokon elektrosztatikus méréseket végeztek. A vizsgálati rendszernek két szára volt, egy 63 mm átmérőjű és egy 90 mm átmérőjű cső, amelyek szeleppel kapcsolódtak. Egy sor elektrofúziós egyenes és könyökcsatlakozás volt a rendszerben. A földbetemetés szimulálására a cső egyes szakaszait földelt alumíniumfóliával borították (1. ábra). A kísérletekhez 600 l finomított izooktán és toluol keverékét (50:50) használták. A mért vezetőképesség 4,0 pS/m volt. A szelepet elektrosztatikus voltméterhez csatlakoztatták, amely viszont komputerhez kapcsolódott a keletkezett elektrosztatikus potenciál folyamatos követésére. Összesen 22 kísérletet végeztek, egyenként kb. 200 l üzemanyaggal. Monitor jelezte az üzemanyag áramlási sebességét és vezetőképességét, és mérték a cső falán, az elektrofúziós csatlakozásokon és a szelepen az elektrosztatikus potenciált. A relatív nedvességtartalom 35–47% volt, a hőmérséklet pedig 10–18 °C. A 2. ábra a szelepen mért elektrosztatikus potenciált ábrázolja az üzemanyag áramlása alatt és közvetlenül utána. A potenciál gyorsan kialakul, majd maximumot ér el. Ez a hatás valószínűleg attól van, hogy a belső csőfal telítődik a töltéssel. Az üzemanyag-áramlás megszakításakor az elektrosztatikus töltés 90 s alatt szétszóródik. A 3. ábra adatokat tartalmaz arról, hogyan változik az elektrosztatikus potenciál a szelepen és az első elektrofúziós kötésen az üzemanyag vezetőképességének függvényében. A maximális potenciált kb.50 pS/m vezetőképességnél észlelték. Az eredmények összefoglalása és következtetések Az üzemanyag-áramlási kísérletek során alkalmazott csőhosszúságok hasonlóak, mint a töltőállomáson. A 2,8 m/s üzemanyag-sebesség a legrosszabb esetet képviseli, mivel a tipikus áramlási sebesség 40–50 l/min fúvókánként (4– 5 fúvóka szállítja egyidejűleg az üzemanyagot ugyanazon csövön át). A 4,0– 500 pS/m vezetőképesség-tartomány is reális. A maximális elektrosztatikus potenciál – 8,4 kV volt egy elektorfúziós, 4,4 pF kapacitanciájú csatlakozáson. Elektrosztatikus kisülési energia szempontjából ez 0,16 mJ-nak felel meg, és a benzingőz 0,25 mJ minimális gyulladási energiája alatt van. A maximális potenciálokat 50 pS/m vezetőképességnél
tapasztalták. Ezen eredmények alapján az üzemanyag vezetőképességének 200 pS/m felett kell lennie a minimális elektrosztatikus töltés kialakulásához a műanyag csőrendszerben. fém szelep 2,8 m
1,8 m
9
8
7
6
5 1,8 m
2, 4 10 2,8 m 2,8 m 90 mm
63 mm
3
cső
11
2,8 m földelt fólia a csövön
2,8 m
elektrofúziós kötés 12
2
2,8 m
1
flexibilis cső
flexibilis cső
diafragmás szivattyú fogadózsomp
kiadózsomp
levegőellátás
1. ábra Kísérleti csővezeték az üzemanyag-áramlási vizsgálatokhoz. Az elektrofúziós csatlakozások számozása 1–12.
20
-0,5 potenciál (kV)
az áramlás vége
az áramlás kezdete
0,0
40
60
eltelt idő (s)
80
100
120
160
140
-1,0 -1,5 -2,0 -2,5
üzemanyagáramlás
-3,0
a töltés relaxációja
2. ábra A szeleptesten kialakult elektrosztatikus potenciál az üzemanyag-áramlás alatt és után 2,0
szeleppotenciál
potenciál az 1. sz. elektrofúziós kötésen
potenciál (kV)
1,0 0,0 50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
-1,0 az üzemanyag vezetőképessége -2,0 -3,0 -4,0
3. ábra Maximális elektrosztatikus potenciálok az 1. számú szelepen, az üzemanyag vezetőképességének függvényében. A grafikon mindenegyes pontja egy kísérletnek felel meg A cső falán képződött elektrosztatikus potenciál az üzemanyag áramlása során mindig jelentősen a –20 kV koronakisülési küszöbérték alatt volt. A megfelelő villamos térerősség a cső falán legalább két nagyságrenddel kisebb volt, mint a polietilén villamos átütési szilárdsága. Az üzemanyag hosszú idejű (a vizsgálati időtartamnál hosszabb), nagysebességű áramlása kissé nagyobb potenciálokat eredményezhet. Más csővezetékkonfigurációk csekély mértékben eltérő potenciálokat adhatnak. Ilyen
esetekben elérhető az üzemanyag minimális gyulladási energiája valamely csatlakozáson vagy szelepen. Ha elő is fordul, csak rövid ideig marad fenn, mivel a töltés relaxációja azonnal bekövetkezik, amint az üzemanyag-áramlás megáll. Tanácsos azonban, hogy a személyzet ne lépjen be az aknába vagy más föld alatti helyiségbe az üzemanyag áramlásakor vagy közvetlenül áramlása után, ha gyúlékony gőz van jelen. Ha személyzet nincs jelen, az egyedüli mechanizmus az áramló folyadék által keltett elektrosztatikus töltés. Ekkor nincs jelentős kockázata az elektrosztatikus gyulladásnak, kivéve, ha elektromos szikra keletkezik a töltéssel rendelkező fém komponensekből. Ha a személyzet belép, töltés keletkezhet ruházatán és testén, valamint a helyiség műanyag falán is a személy mozgása következtében, a súrlódástól. A legnagyobb veszélyt a földeletlen személyen keletkező szikra jelenti. Ebben az esetben a nemzetközi szabványokban előírt óvintézkedéseket kell alkalmazni. A vizsgálatok alapján megállapítható, hogy gyakorlati körülmények között a műanyag csővezeték-rendszerek és kapcsolt elemeik (szelepek, csatlakozások stb.) az üzemanyag áramlása miatt nem jelentenek nagyobb elektrosztatikus gyulladásveszélyt, mint a meglévő fémrendszerek. (Szobor Albertné) Hearn, G. L.: Electrostatic ignition hazards arising from fuel flow in plastic pipelines. = Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 15. k. 2. sz. 2002. p. 105–109. Eichendorf, K.; Guntrum, E. stb.: Analyse zur Bewertung des Gefahrenpotenzials von processbezogenen Anlagen. = Chemie Ingenieur Technik, 73. k. 7. sz. 2001. p. 809–812.
