Rischio elettrostatico

Rischio elettrostatico
ing. Nicola Mazzei
Stazione sperimentale per i Combustibili
Divisione di Innovhub-Stazioni Sperimentali Industria
Tel: 02 51604.256
Fax: 02 514286
[email protected]
Corso CINEAS: La ricerca delle cause di esplosioni e di incendi
15, 16, 17 Maggio 2012
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Elettrostatica
L’elettrostatica studia:
X i fenomeni caratterizzati dalla presenza di cariche
elettriche, ferme o in movimento, e le interazioni
di queste derivanti solo dalle cariche stesse e dallo
loro posizione e non dal loro movimento
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Formazione di cariche nei solidi
X
Per effetto del contatto
Quando due metalli diversi A e B sono messi in contatto si
osserva una differenza di potenziale perché gli elettroni si
spostano facilmente da A a B piuttosto che da B ad A.
Se si separano rapidamente si avrà A carico positivamente
e B negativamente.
La differenza di potenziale sarà al massimo pari a 3÷4 V
per i metalli e 0,1÷2 V per i più comuni materiali.
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Formazione di cariche nei solidi
Elettrizzazione per contatto e separazione
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Oggetti
neutri
-
Trasferimento
cariche
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
Separazione
cariche
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Oggetti
carichi
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Formazione di cariche nei solidi
Serie triboelettrica
Una lista di materiali fatta in modo che uno si carica positivamente
dopo il contatto con l’altro posto in basso nella serie.
Esistono varie serie e non sempre si ottengono i risultati previsti a
ragione della variabilità della superficie del materiale e del suo stato
oltre alle condizioni ambientali.
Per limitare la generazione di cariche è necessario scegliere i materiali
posti vicino nelle serie.
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Formazione di cariche nei solidi
X
Per effetto del campo elettrico (Induzione):
Un corpo conduttore o isolante con carica Q1 in presenza
di un secondo corpo non carico, ma conduttore, induce
sulla superficie del secondo corpo in vista del primo una
carica di segno opposto di valore Q2
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Formazione di cariche nei liquidi
X
X
Induzione: come per i solidi
Meccanismo del doppio strato:
- modello di Helmholtz,
- modello Gouy-Chapman,
- modello di Stern.
La generazione della carica dipende da:
- costante dielettrica,
- resistività elettrica,
- velocità di separazione.
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Formazione di cariche nei liquidi
La generazione di cariche al variare del tempo può variare
secondo tre andamenti:
a) aumento della carica fino ad un massimo costante,
b) aumento fino ad un massimo e stabilizzazione ad un
livello più basso,
c) aumento fino ad un massimo, passaggio per lo zero e
stabilizzazione ad un valore di segno opposto.
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Rilassamento della carica
X
Ogni sistema (conduttore o isolante) raggiunge una condizione di
equilibrio con una determinata carica, quando cessa la generazione ha
inizio la scarica caratterizzata dal tempo di rilassamento che è
l’intervallo di tempo necessario affinché la carica si riduca a 0,37 volte
il suo valore massimo iniziale.
τ = ε· ε0· ρ
ε0= 8.85 ·10-12F/m
ε = C/C0
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Rilassamento della carica
Prodotto
Conducibilità
S/m
Costante
dielettrica
Tempo di
rilassamento
s
Idrocarburi
puri
10-15
2
1,8⋅1048
Prodotti
chiari
10-13÷10-10
2
1,8 ⋅10-1÷102
10-9÷10-7
2
1,8 ⋅10-4÷10-2
10-15
80
7,1⋅10-5
Grezzo
Acqua
demineralizzata
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Resistività di superficie
X
X
La resistenza superficiale di un solido può essere
misurata utilizzando due elettrodi cilindrici
concentrici.
La resistività di superficie è legata alla resistenza
misurata fra i due elettrodi dalla relazione:
ρs=2πR ln(r2/r1)
r2 raggio cilindro esterno
r1 raggio cilindro interno
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Classificazione: Classificazione americana
X
X
X
Le polveri possono essere classificate in tre gruppi in base
ai valori di resistività:
Gruppo E: polveri con resistività minore di 1 Ω·m o che
generano un corto circuito nella cella di misura standard ad
una d.d.p. di 1000V
Gruppo F: polveri con resistività compresa fra 1 e 106 Ω·m
o che non generano corto circuito nella cella di misura
standard ad una d.d.p. di 1000V
Gruppo G: polveri con resistività maggiore di 106 Ω·m o
che non generano corto circuito nella cella di misura
standard.
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Classificazione: DIN 53482
X
Tale norma consente di classificare liquidi, solidi e polveri
X
La superficie di un materiale è conduttiva se la resistenza
fra gli elettrodi di misura non supera i 1011Ω
X
I liquidi aventi resistività inferiore a 108 Ω·m
(corrispondenti a 104 pS m-1) sono considerati conduttivi.
I solidi e le polveri possono essere classificati allo stesso
modo.
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Classificazione: CEI EN 5028-2-1 (CEI 31-36)
X
Una polvere
si considera elettroconduttrice se ha
resistività elettrica uguale o inferiore a 103 Ω·m e non
elettroconduttrice se ha resistività superiore a 103 Ω·m.
X
La cella di misura è costituita da due barre di acciaio
inossidabile aventi dimensioni: lunghezza(W)-100 mm,
altezza (H)-10mm e larghezza (B)- da 20 a 40 mm. Le
barre sono poste a distanza nominale L fra loro di 10 mm
su un supporto di spessore compreso fra 5 mm e 10 mm.
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Significato della resistività
X
Conformità norme CEI vigenti
La probabilità che le polveri penetrino all’interno delle
apparecchiature elettriche ed elettroniche provocando corto
circuito o altro aumenta se la polvere processata ha una
resistività bassa.
Valutazione rischi connessi alla generazione e
all’accumulo di cariche elettrostatiche.
La possibilità di accumulare cariche elettrostatiche in un
processo industriale aumenta se la polvere processata ha
una resistività elevata.
X
26
Resistività:Tempo di rilassamento
Il tempo di rilassamento τ è il tempo necessario affinchè un
materiale carico elettrostaticamente perda il 37% della
carica iniziale.
Il tempo di rilassamento dipende dalla resistività ρ e dalla
costante dielettrica ε del materiale
τ = ε· ε0· ρ
ε0= 8.85 ·10-12F/m
ε = C/C0
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Esplosione di un reattore durante il caricamento
¤
Un reattore da 4500 litri, rivestito in vetro, è caricato manualmente con
1000 kg di prodotto farmaceutico in polvere
¤
Il reattore è previamente lavato con acetone e poi asciugato per 24 ore
¤
La polvere è contenuta in fusti di carton-fibra rivestiti in polietilene
contenenti ciascuno circa 50 kg di materiale
¤
Due operatori scaricano il contenuto dei fusti nel reattore, facendo
attenzione a non lasciar cadere l’involucro di polietilene
¤
Al caricamento del sesto fusto si verifica un’esplosione nel reattore che
sfogando attraverso il portello di carica del reattore ustiona gravemente
gli operatori
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Esplosione di un reattore durante il caricamento
Proprietà della polvere e del solvente:
¤
Resistività di volume a 5kV
1015Ω m
¤
Tempo di decadimento della carica
3 ore
¤
MIE della polvere
1-5 mJ
¤
MIE dell’acetone
1.1 mJ
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Esplosione di un reattore durante il caricamento
Proprietà dell’apparecchiatura
¤
Resistenza del fusto rispetto alla terra
(conservata dall’operatore dovuta alle calzature)
1013Ω
¤
Resistenza del pavimento rispetto alla terra
(pavimento metallico)
106Ω
¤
Resistività dell’involucro
1015Ω m
¤
Resistenza finale del fusto
106Ω
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Esplosione di un reattore durante il caricamento
Accertamento del rischio elettrostatico
¤
Esisteva un’atmosfera infiammabile?
¤
Poteva generarsi una carica?
¤
Poteva accumularsi una carica?
¤
Poteva esserci il pericolo di scintille?
¤
La scintilla avrebbe avuto sufficiente energia per incendiare
un’atmosfera infiammabile?
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Esplosione di un reattore durante il caricamento
¤
¤
¤
¤
¤
L’atmosfera infiammabile era una miscela di vapore di acetone,
derivato dal lavaggio, più la polvere dispersa nel reattore durante il
caricamento
La polvere, il fusto e la nube di polvere generata durante il caricamento
del reattore erano elettricamente carichi
Il fusto e gli operatori potevano immagazzinare la carica
L’accumulo di tensione sul fusto era di 12000 V, tensione sufficiente
per scaricare l’elettricità statica dal fusto all’impianto collegato a terra
L’energia immagazzinata dal fusto (18 mJ), misurata nei test, è
superiore all’energia minima di ignizione sia della polvere che dei
vapori d’acetone
32
Esplosione di un reattore durante il caricamento
Suggerimenti per migliorare la sicurezza dell’operazione di caricamento
del reattore:
¤ Evitare di caricare polveri in reattori contenenti solventi infiammabili
¤ Inertizzare il reattore con azoto prima del caricamento
¤ Limitare la generazione di nubi di polvere
¤ Assicurare una buona messa a terra delle persone mediante l’impiego
di scarpe e guanti conduttori
¤ Garantire rispetto alla terra una resistenza operatore-pavimento
inferiore a 108Ω
¤ Utilizzare involucri conduttivi
¤ Caricare il reattore in modo che rimanga inertizzato con azoto
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Tipi di scariche
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Scintilla elettrica Spark discharge
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Scarica corona Corona discharge
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Scarica spazzola Brush discharge
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Scarica spazzola propagante
Propagating brush discharge
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Scarica da cono (Maurer)
Cone discharge
W = 5,22·D3,36·d1,462
W energia in mJ
D diametro silo in m
d diametro mediano mm
Validità formula per
0,5 m < D <3,0 m
0,1 mm < d < 3,0 mm
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Esplosione durante il carico di un big-bag
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Esplosione durante il carico di un big-bag
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Esplosione durante il carico di un big-bag
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Esplosione durante il carico di un big-bag
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Esplosione durante il carico di un big-bag
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Esplosione durante il carico di un big-bag
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Esplosione durante produzione vernice
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Esplosione durante produzione vernice
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Esplosione durante produzione vernice
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Esplosione durante produzione vernice
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Esplosione durante produzione vernice
51
Esplosione durante produzione vernice
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Esplosione durante produzione vernice
53
Esplosione durante produzione vernice
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Strano incendio! Opera del diavolo?!
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Strano incendio!
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Strano incendio!
57
Strano incendio!
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Strano incendio!
59
Strano incendio!
60
Strano incendio!
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