PHÂN TÍCH CÁC NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH TĨNH ĐIỆN TRONG KHOANG HÀNG TÀU CHỞ DẦU THÔ
ANALYSING THE CAUSES OF ELECTROSTATIC FORMATION IN CARGO TANKS OF CRUDE OIL TANKERS
ThS. LÊ ĐÌNH DŨNG
Bộ môn Máy tàu thủy - Khoa Máy tàu biển
1. Đặt vấn đề
Điện tích đóng vai trò cơ bản trong sự tiến hoá của cuộc sống trên hành tinh, tuy nhiên nó cũng có thể gây ra hiểm họa về cháy nổ. Trên các tàu chở dầu sự hình thành tĩnh điện gây ra những nguy hiểm về cháy nổ, mối nguy hiểm về tĩnh điện này do: thứ nhất là người thiết kế chưa lưu ý đến việc loại bỏ hiện tượng tĩnh điện; thứ hai là quá trình khai thác của tàu dầu (trong bơm dầu hàng, rửa két, khai thác hệ thống khí trơ,...) có thể dẫn đến sự tích tụ điện tích và phóng điện tích với một năng lượng đủ lớn để gây ra cháy những hỗn hợp khí hydrocacbon trong không khí. Do vậy việc phân tích những nguyên nhân hình thành tĩnh điện trong khoang hàng của tàu chở dầu thô nhằm mục đích giảm nguy cơ cháy nổ trong quá trình khai thác tàu chở dầu là thực sự cần thiết.
2. Sự hình thành hiện tượng tĩnh điện
Trong quá trình khai thác tàu chở dầu trên biển có thể hình thành hiện tượng phóng tĩnh điện dẫn đến nguy cơ xảy ra cháy nổ, có ba giai đoạn cơ bản dẫn tới mối nguy hiểm hình thành của tĩnh điện là: sinh ra tĩnh điện, tích tụ tĩnh điện và phóng điện tích. Sau đây ta sẽ xem xét chi tiết của các giai đoạn này.
2.1. Sinh ra tĩnh điện
Khi hai vật liệu không giống nhau cọ sát vào nhau đều sinh ra điện tích ở trên bề mặt tiếp xúc. Hai vật liệu này đó có thể là hai chất rắn, chất rắn và chất lỏng, hoặc chất lỏng và chất lỏng. Khi trà sát hai vật qua bề mặt tiếp xúc một vật sẽ bị mất đi electron thì mang điện tích dương, một vật sẽ nhận thêm electron thì mang điện âm. Điện tích có thể bị phân cách bởi nhiều quá trình, như là:
- Dòng chất lỏng như dầu mỏ hoặc hỗn hợp của dầu mỏ và nước chảy qua ống hoặc phin lọc;
- Sự tồn tại của một chất rắn hoặc một chất lỏng không trộn lẫn được vào một chất lỏng khác, ví dụ: gỉ sắt hoặc nước ở trong dầu mỏ;
- Phun chất lỏng từ một súng phun như trong quá trình rửa két có liên quan tới hơi nước;
- Phun chất lỏng vào một bề mặt của chất rắn, ví dụ: quá trình rửa két bằng nước hoặc những giai đoạn đầu của quá trình bơm dầu vào két;
- Sự cọ sát mạnh vào nhau của các hợp chất polyme, ví dụ: trượt một sợi dây làm bằng polyprotylen lên găng tay làm bằng nhựa PVC.
Điện tích ở trong két dầu sinh ra một trường điện tích ở khắp két, kể cả ở bên trong chất lỏng và trong không gian không chứa chất lỏng ở phía trên của két, điện tích cũng được sinh ra từ một hạt sương nước trong quá trình rửa két, khi điện tích được sinh ra, một sự chênh lệch lớn về điện thế phát triển giữa chúng, sự phân tán điện thế xảy ra khắp vùng lân cận và được gọi là trường tĩnh điện.
2.2. Tích tụ điện tích
Những điện tích bị cách ly luôn có xu hướng kết hợp lại để trung hoà lẫn nhau, quá trình đó được gọi là sự giảm điện tích. Nếu một hoặc cả hai vật liệu bị cách ly có tính dẫn điện kém, thì sự kết hợp điện tích lại là bị cản trở dẫn đến vật liệu này tích tụ điện tích ở trong nó, khoảng thời gian cho điện tích được tích tụ được mô tả bằng thời gian tồn tại ở trong vật liệu, những vật liệu có tính dẫn điện thấp hơn thì thời gian tồn tại sẽ dài hơn.
Nếu một vật liệu có tính dẫn điện cao, sự kết hợp lại để trung hoà của điện tích là rất nhanh và có thể làm mất đi quá trình cách ly, do vậy rất ít hoặc không có điện tích tĩnh điện tập trung ở trong vật liệu. Vật liệu có tính dẫn điện cao chỉ có thể tích tụ điện tích nếu nó được bao phủ bằng một vật liệu có tính dẫn điện thấp, và tốc độ biến mất sau đó phụ thuộc vào thời gian tồn tại của vật liệu có tính đẫn điện kém hơn.
Như vậy những yếu tố quan trọng điều khiển sự tồn tại của điện tích là tính dẫn điện của vật liệu và những vật liệu bao phủ, chúng có thể can thiệp vào sự cách ly điện tích.
2.3. Phóng điện tích
Sự phóng điện tích giữa hai điểm phụ thuộc vào trường điện tích trong khoảng không giữa hai điểm, cường độ của điện trường hoặc giải điện áp được tạo ra bởi sự chênh lệnh về điện áp giữa hai điểm và khi cường độ của điện trường đạt khoảng 3000 kV/m là có thể gây ra sự phóng điện trong không khí hoặc trong môi trường két dầu.
Cường độ của điện trường ở gần những chỗ nhô ra lớn hơn cường độ điện trường ở tất cả các vị trí khác trong khu vực lân cận và do đó sự phóng điện xảy ra ở những chỗ nhô ra ở một khoảng trong khu vực lận cận tồn tại điện tích trái dấu.
Sự phóng điện xảy ra ở giữa hai điện cực đặt ngần nhau như: Giữa dụng cụ lấy mẫu được đưa vào trong một két hàng và bề mặt của một chất lỏng là dầu tích điện; Giữa một thiết bị đo mức không nối đất nổi ở trên bề mặt của chất lỏng tích điện và kết cấu két ở gần đó; Giữa thiết bị không nối đất được treo lơ lửng ở trong một két và kết cấu của két ở gần đó.
Hai điện cực phóng điện xảy ra khi tồn tại sự chênh áp (các điện tích trái dấu) trong điều kiện khe hở đủ nhỏ để xảy ra sự phóng điện tích và năng lượng điện này đủ để cung cấp một lượng năng lượng cần thiết dẫn đến cháy nổ.
3. Những nguyên nhân hình thành tĩnh điện trong khai thác tàu chở dầu
3.1. Nguyên nhân hình thành tĩnh điện trong quá trình rửa két
Trong suốt quá trình rửa két, nước từ các súng phun làm sạch két bắn thành tia nước có áp suất tương đối lớn, tia nước tạo thành một chất dẫn điện cách ly và dẫn điện tích còn lại trong két. Điện tích hình thành trong tia nước tạo nên trường tĩnh điện trong khi nó vẫn tiếp xúc với súng phun nước. Số lượng điện tích là độc lập với khả năng của trường điện tích, trường điện tích này bị ảnh hưởng bởi khoảng điện thế ở nơi đó, khi tia nước phun ra tiếp cận với đáy két, tia nước đi vào khu vực nơi khoảng điện thế là thấp hơn ở những nơi khác trong vùng lân cận của súng phun và một điện thế khác nhau sinh ra ở giữa tia nước và những kết cấu nối đất (giống như các thanh cứng trong két, như lối đi hoặc cầu thang gần với nó). Khi hiệu điện thế trong khu vực xung quanh súng phun vượt quá ±10 kV và tia nước có chiều dài ở mức nhỏ nhất 0,5 m thì một tia lửa có thể sinh ra từ tia nước tới mặt đất (tiếp đất) gây ra cháy nổ trong môi trường có hơi dầu.
Các nguyên nhân phát sinh tĩnh điện trong két khi rửa két có thể kể đến bao gồm:
- Khi rửa két vẫn còn một lượng lớn của dầu còn lại trong két;
- Trong nước tồn tại hóa chất được thêm vào khi rửa két;
- Hệ thống nước rửa két được thiết kế tuần hoàn khép kín;
- Rửa những két dầu hàng có thể tích lớn;
- Khi rửa két bằng nước nóng và khi bay hơi với lượng hơi nước lớn, những giọt nước từ hơi nước sẽ tích tụ điện tích và có thể phóng điện.
3.2. Nguyên nhân hình thành tĩnh điện trong quá trình làm hàng
Mối nguy hiểm của tĩnh điện khi bơm dẫn chất lỏng; Điện tích khi chúng được bơm qua các đường ống, các bầu lọc..vv. Điện tích là nguyên nhân gây ra ion hoá trong các sản phẩm dầu mỏ. Khi một sản phẩm dầu mỏ chảy qua một đoạn ống, những ion phân cực sẽ bị hút rất mạnh vào bề mặt ở bên trong ống, trong khi đó các ion mang dấu ngược lại sẽ bị dẫn đi bởi chất lỏng. Dòng chảy này của các ion có thể được coi như là một dòng điện và nó có ảnh hưởng rất lớn tích tụ điện tích, điều này sẽ gây ra mối nguy hiểm về phóng điện.
- Bên trong những két chứa dầu, điện tích sẽ giảm dần từ chất lỏng tới các vách của két, mức độ suy giảm của điện tích bị chi phối bởi tính dẫn điện của chất lỏng. Trong những két này các dầu mỏ có tính dẫn điện kém, quá trình suy giảm điện tích sẽ là rất chậm và điện tích sẽ tích tụ trên bề mặt chất lỏng ở trong két, điều này sẽ gây ra một điện thế cao trong bề mặt của chất lỏng chúng sẽ gây ra sự phóng điện giữa bề mặt nhiễm điện đó với thiết bị nối đất, giống như là súng phun làm sạch két cố định hoặc là thanh kim loại dẫn nối đất (giống như là ống đo).
- Những thiết bị không nối đất hoặc những đối tượng dẫn điện không nối đất nổi trên bề mặt của chất lỏng bị cách ly (cô lập) dẫn đến sự hình thành một điện thế tự do, điều này là nguy cơ cao gây ra sự phóng tia điện trong không gian của một két đang hở hoặc bên trong két tồn tại lượng oxy đủ để xảy ra cháy.
- Sự hình thành tĩnh điện cũng có thể là do trong dầu còn tồn tại nước, lượng nước được bơm hàng chuyển tới một két dầu lớn có thể sinh ra điện tích lớn làm chênh lệch điện thế cao trên các bề mặt dầu mỏ nguy cơ gây ra sự phóng điện, điện thế này có thể gọi chúng là điện thế định cư (cư ngụ).
Hình 1: Sự hình thành điện tích của dòng chất lỏng trong ống.
3.3. Nguyên nhân hình thành tĩnh điện trong vận hành hệ thống khí trơ
Đối với tàu chở dầu thô, khí trơ được sử dụng trong hệ thống khí trơ được lấy từ khí xả của nồi hơi phụ. Do vậy thành phần hóa học của khí trơ chính là thành phần hóa học của khí xả từ nồi hơi phụ như được chỉ rõ trong Bảng 1.
Bảng 1: Các thành phần của khí trơ từ khí thải của nồi hơi.
Khí trơ được lấy trên đường khí xả của nồi hơi để đưa tới sử dụng trong những két dầu hàng. Dòng khí trơ còn tồn tại những hạt muội nhỏ mang điện tích, một lượng đáng kể những hạt muội nhỏ này chúng đã vượt qua bầu lọc và được phân phối tới két hàng. Khoảng điện tích tăng trong két dầu hàng trong suốt quá trình phun khí trơ bị giới hạn tới một giá trị dưới yêu cầu để sinh ra sự phóng điện nhưng khoảng điện thế có thể bị sinh ra sự phóng tia điện rất nguy hiểm từ những vật dẫn cách ly (thiết bị đo mức, thiết bị lấy mẫu,…)
Trong khí trơ tồn tại các khí SOx và NOx khi được tiếp xúc trực tiếp vào nước biển ở bầu lọc tạo thành các ion axit mang điện tích một phần nhỏ tồn tại được phân phối tới két hàng. Độ lớn và sự phân cực của điện tích liên quan tới sự đốt cháy ở trong lò đốt, tức là trong nồi hơi.
4. Kết luận
Bài báo đã đưa ra các giai đoạn của quá trình hình thành tĩnh điện, phân tích các nguyên nhân hình thành tĩnh điện trong két hàng tàu chở dầu thô. Sự hình thành tĩnh điện xảy ra trong các quá trình làm hàng, rửa két và vận hành hệ thống khí trơ. Căn cứ trên các phân tích này có thể đưa ra các biện pháp giảm hiện tượng tĩnh điện trong khoang hàng của tàu chở dầu thô, đảm bảo không để xảy ra hiện tượng cháy nổ do tĩnh điện trong quá trình khai thác các con tàu này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tổ chức Hàng hải thế giới, “Công ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển”, SOLAS – 1974, 1974.
[2] Tổ chức Hàng hải thế giới, “Công ước quốc tế về phòng chống ô nhiễm tàu dầu”, MARPOL 1973/1978, 1978.
[3] Cơ quan đăng kiểm ABS (Mỹ). “Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép 2009”, ABS – Phần 5: Các loại tàu đặc biệt, 2009.
[4] Quy phạm tàu vỏ thép 5-1-7/21.5.2 và 5-9-15/12.2 (Luật IBC 15.12.2).
[5] Quy phạm SVR [5-1-7/21.5.2. (d) ] và hướng dẫn được xuất bản bởi Trung tâm phòng vệ bờ biển (11/09/93).
[8] International safety guide for oil tankers and terminal (ISGOTT), 1979
- Log in to post comments