Elektrostatische ontlading erkende risicofactor binnen de (proces)industrie

Vonkontlading vanwege energie-inhoud grootste boosdoener

Elektrostatische ontlading is binnen de (proces)industrie een erkende risicofactor. Met name de vonkvorming waarmee de ontlading gepaard kan gaan, kan gassen of brandbare stoffen tot ontbranding brengen met alle gevolgen van dien. Een tweede gevaar is electrostatic discharge (ESD), de latente schade aan elektronica. Het uiteindelijk gevolg hiervan is het onklaar raken van elektronische apparatuur, wat op den duur ingrijpende gevolgen zal hebben voor het productieproces. De meest efficiënte en vaakst toegepaste maatregel tegen statische ontlading is potentiaalvereffening, maar er zijn nog diverse andere mogelijkheden.

Statische energie

Die opbouw van statische elektriciteit is een natuurlijk verschijnsel en vindt plaats wanneer twee niet geleidende materiaaloppervlakken met elkaar in aanraking komen en vervolgens weer worden gescheiden. Wie bij helder en droog weer elektrostatisch geladen is door bijvoorbeeld wrijving tussen kleding/schoeisel en bepaalde soorten stof, kan bij aanraking van een geleider − een autoportier, het bedieningspaneel van een apparaat – een schok ervaren. Diegene reageert dan vaak wat lacherig, zeker als er mensen in de buurt zijn, maar ondervindt van die schok verder nagenoeg geen hinder. In een industriële zetting kan eenzelfde ontlading echter desastreuse gevolgen hebben. Deze gaat namelijk vaak gepaard met een vonk die in brand- of explosiegevaarlijke omgevingen gassen of stof kunnen laten ontbranden – zie kader Minimale ontstekingsenergie − waardoor een ontploffing ontstaat. Naar schatting 5 tot 10% van het totale aantal explosies is terug te voeren op een elektrostatische ontlading, en de ervaring leert dat er dan doorgaans bitter weinig te lachten valt.

Electrostatic discharge (ESD)
ESD is de binnen de elektronicabranche gehanteerde term voor een elektrostatische ontlading. Elektrische apparatuur is daarvoor zeer gevoelig: bij sommige Intergrated Circuits (IC’s) zijn ontladingen vanaf 10 Volt zelfs al toereikend. Aanvankelijk is er sprake van latente schade, maar uiteindelijk zal de aangetaste plek ‘doorbranden’. Dit kan soms tot wel negen maanden duren, vandaar dat men wel spreekt van Pregnant IC. De opgetreden schade leidt hoe dan ook tot het onklaar raken van elektronische apparatuur, met doorgaans ingrijpende gevolgen voor het bedrijfsproces.

(Foto: Rokatec)

De belangrijkste maatregel ter voorkoming van een ESD-gerelateerde schade is het inrichten van een zogeheten ESD Protected Area voorzien van onder meer ESD-aardestekker − om alles met de aarde te verbinden − een ESD-werkmat voor een geaard werkoppervlak, een ESD-polsband voor aarding van het personeel en bekabeling om alles met elkaar te verbinden. 

De sterk geleidende draden van een ESD-polsband leiden de statische elektriciteit naar de aarde waar deze veilig kan worden afgevoerd (foto: Conrad)

 

Disbalans

Statische elektriciteit wordt gekenmerkt door een geringe energie-inhoud. Er loopt geen stroom, maar er is wel sprake van een hoge (gelijk)spanning door een disbalans van elektronen en protonen. Deze situatie kan ontstaan door:

• Influentie of elektrostatische inductie: zie Figuur 1.
• Het tribo-elektrisch effect, waarbij materialen als gevolg van wrijving elektrische lading uitwisselen en worden geladen. De sterkte van die lading wordt bepaald door onder meer het soort materiaal, de ruwheid en de temperatuur (zie de tribo-elektrische reeks in Tabel 2).
• Het piëzo-elektrisch effect: het verschijnsel dat bepaalde kristallen onder druk een elektrisch veld of stroom genereren, waarvan onder meer gebruik wordt gemaakt in elektrische gasaanstekers. Omgekeerd kan een opgelegd elektrisch veld ook de structuur van het kristal beïnvloeden.
• Het pyro-elektrisch effect: het verschijnsel dat er bij verhitting van sommige materialen een elektrische spanning ontstaat. Bewegingssensoren worden vaak uit pyro-elektrische materialen gemaakt omdat lichaamswarmte toereikend is om een ladingsverandering te veroorzaken.

 

 

Minimale ontstekingsenergie
De minimale ontstekingsenergie (MOE) – Engels: MIE (Minimum Ignition Energy) − is een maat voor het gemak waarmee een explosiegevaarlijk poeder-luchtmengsel door elektrische vonken kan worden ontstoken. De MOE is afhankelijk van de deeltjesgrootte, de vochtigheidsgraad en de omgevingsomstandigheden. De MOE-waarde, die kan variëren van minder dan 0,1 mJ tot meer dan 1.000 mJ, is van belang om te kunnen inschatten of bepaalde typen elektrostatische ontlading gevaarlijk zijn, zodat daarop kan worden geanticipeerd. Apparatuur dient zodanig te worden geselecteerd dat deze het gasmengsel niet blootstelt aan temperaturen boven de ontstekingstemperatuur.

 

Elektrostatische ontlading

De bekendste vorm van statische ontlading is natuurlijk bliksem waarbij snelheden worden bereikt van 60.000 km per seconde en waarbij binnen de bliksemschicht temperaturen ontstaan tot wel 30.000 °C.

Zo’n vaart loopt het in industriële processen – gelukkig – niet.

Afhankelijk van de aard van de bewerking, het product, de vorm van de geleider en de proceseigenschappen kan opgebouwde statische elektriciteit op diverse manieren tot ontlading komen. De meest voorkomende vormen zijn:

• Een punt- of corona-ontlading treedt op bij een scherp, geleidend object dat lading opbouwt en vervolgens de omringende lucht ioniseert (energie ± 0,03 mJ – beperkt en dus in de meeste gevallen ongevaarlijk);
• Een borstelontlading is vergelijkbaar met een puntontlading, alleen is het geleidend object hier eerder bolvormig (energie tot 4 mJ);
• Een glijontlading is een bijzonder energierijke borstelontlading die onder meer optreedt wanneer er sprake is van pneumatisch transport door een niet-geleidende slang (energie tot 1.000 mJ);
• Bij een stortkegelontlading vindt ladingopbouw plaats op de stortkegel van hoog statisch geladen, isolerende goederen in een silo (energie doorgaans <100 mJ). Dit type ontlading is praktisch gezien het moeilijkst te voorkomen;
• Bij een vonkontlading vindt een supersnelle ontlading plaats tussen twee geleidende objecten die gepaard kán gaan met een energie van 1.000 mJ, maar in de praktijk doorgaans met niet meer dan enkele tientallen mJ. 

Voor wat betreft explosies in een industriële setting is de vonkontlading de grootste boosdoener. Omdat dat type ontlading de grootste energie-inhoud heeft, is de kans op ontsteking daarbij het grootst.

 

Potentiaalvereffening

De effectiefste maatregel tegen statische ontlading is potentiaalvereffening. Hierbij worden eventuele spanningsverschillen geneutraliseerd doordat de geleidende installatiedelen onderling zijn verbonden. De aanpak ten aanzien van een vaste opstelling en mobiele systeemdelen verschilt daarbij:

Bij een Vaste opstelling

Bij een vaste opstelling volstaat het alle aanwezige systeemdelen met elkaar en de aarde te verbinden. Door tussen de diverse installatiedelen en het aardpunt controlepunten aan te brengen, kunnen via periodieke metingen ‒ minimaal een keer per jaar ‒ veranderingen worden gesignaleerd, waarop kan worden geanticipeerd. Van de eerder beschreven ontladingsvormen is alleen vonkontlading op deze manier voor de volle honderd procent te voorkomen. Bij glij-ontladingen kan dit percentage worden bereikt door de keuze van voldoende geleidende materialen en door het voorkomen van niet-geleidende coatings in het leidingwerk.

Bij mobiele systeemdelen

Bij mobiele systeemdelen ligt het ingewikkelder. Wanneer bijvoorbeeld een tankauto op een vulopening dient te worden aangesloten, kan vonkontlading plaatsvinden op het moment dat een dergelijk mobiel deel in opgeladen toestand in de buurt komt van de geaarde installatie. Ook een manchet of een flexibele verbinding kan lading opbouwen en daarbij ook nog eens geleidende installatiedelen isoleren.

De eisen die aan potentiaalvereffening zijn gesteld, zijn in Nederland vastgelegd in de NEN1010 die sinds 1 januari 2017 van kracht is. De Belgische tegenhanger is het Algemeen Reglement op de Elektrische Installaties (AREI).

 

Overige maatregelen

Behalve door potentiaalvereffening kan het optreden van statische elektriciteit verder nog worden beperkt door:

• de stroomsnelheid van stoffen en gassen te beperken, zodat minder wrijving optreedt en de laadniveaus worden verminderd;
• de luchtvochtigheid op een hoog niveau te houden: door de toepassing van luchtbevochtiging – > 40% relatieve vochtigheid (RV) − ontstaat er een dun beschermend ‘laagje’ op oppervlakken van het aanwezige equipment dat dient als natuurlijke geleider om elektrische ladingen af te voeren;
• het gebruik van antistatische toevoegingen aan procesvloeistoffen;
• het gebruik van geleidende (antistatische) materialen/coatings voor pijpleidingen, tanks en andere installatie-onderdelen nodig voor de aan- en afvoer van grondstoffen. Het is daarbij zaak de aarding zoveel mogelijk te laten aansluiten op het reeds aanwezige aardleidingnet;
• het dragen van een antistatische armband en antistatische werkkleding, kleding waarbij een koolstofvezel in het doek is verwerkt. Zonder deze vezel kan statische ontlading vonken veroorzaken, wat kan leiden tot brand of explosies. Antistatische schoenen zorgen ervoor dat de opgebouwde statische elektriciteit het lichaam verlaat via de schoenen.

Van het belang van de aarding van mobiele systeemdelen en het dragen van antistatische werkkleding is de procesindustrie inmiddels wel doordrongen, maar als het gaat om de toepassing van voldoende geleidende (verbindings)slangen en manchetten bij pneumatisch transport is dat overduidelijk nog niet het geval, en dat is zorgelijk want juist die onderdelen vormen, althans wanneer ze onvoldoende geleidend zijn, niet zelden de aanleiding voor een industriële explosie.