石油化工静电安全技术

石油化工静电安全技术孙可平上海海事大学教授，博士生导师上海海事大学静电技术研究所所长中国物理学会静电专业委员会副主任兼秘书长上海市物理学会静电专业委员会主任JournalofElectrostatics十人编委会编委石油化工静电安全技术1.概述2.静电起电机理3.静电放电危害及案例4.静电危害综合防治对策5.GB13348-2009液体石油产品静电安全规程修改内容简述1.概述•人们一般意义上所说的的静电，是指静电荷或静电场。所谓静电荷，是指相对于观察者而言静止的电荷或带电体。无论是静电荷或带电体，都会在空间激发出静电场。静电场才是静电荷或带电体的物理本质。因为其对外表现是通过静电场来实现的。静电场是一种物质存在，有能量，有动量，对其中的其他带电体施加力的作用。•静电放电（ElectrostaticDischarge,简写为ESD）则是另外不同的物理概念或物理过程。因为伴随着静电放电，往往有电量的转移、电流的产生和电磁场辐射。现代静电学的主要研究内容静电应用技术静电安全技术静电测试技术静电生物效应静电基础理论抗静电材料与制品消静电设备静电应用技术•静电除尘技术•静电喷涂技术•静电复印与电摄影技术•静电分选技术•驻极体•静电药物传送（electrostaticdrugdelivery）•静电推进(electrostaticpropulsion)•静电起电机静电安全技术•船舶静电安全技术•石油和石油化工静电安全技术•电子行业静电安全技术•雷电与防雷技术（大气静电学）•橡胶行业、塑料行业、制药、纺织、印刷、面粉、炸药、电火工品、航空航天等行业的ESD危害与防治•因此如何进行静电防护及控制是各行业非常关注的安全问题之一。2.静电起电机理2.1静电的产生2.2影响静电产生的因素2.3固体静电2.4粉体静电2.5液体静电2.6气体（蒸汽）静电2.7人体静电2.1静电的产生静电的产生主要是两个物体当它们相互紧密接触时，在接触面产生电子转移，而分离时造成两物体各自正、负电荷过剩，由此形成了静电带电。人类认识静电的历史历程•BC600年即公元前六百年Thales就记载了丝绸与琥珀的摩擦起电现象。我国关于静电现象的最早记载见于汉代。东汉王充“论衡”中有“顿牟辍芥”等摩擦起电的论述。西晋张华“博物志”有“今人梳头，解著衣，有随梳解结，有光者，亦有咤声”的记载，与我们现代人的生活经历已很接近。人类认识静电的历史历程•大约几百年前，人们就发现了不同金属之间摩擦带电的序列不同，排出了早期的静电起电序列:(+)铝，锌，锡，镉，铅，锑，铋，汞，铁，铜，银，金，钯（－）。1879年Hlmholtz发现了偶电层理论，可以较好地解释静电起电序列。人类认识静电的历史历程•早在1796年，伏打就发现，两种不同的金属A和B接触后，如果接触距离很小（达到或小于25×10-8cm），在接触面上就产生电势差。该电势差一般在十分之几伏到几伏之间，并且存在着一个系列，即：（+）铝、锌、锡、镉、铅、锑、铋、黄铜、汞、铁、钢、铜、银、金、铂、钯、MnO2、PbO2，前后任意两种固体接触时，前者带正电，后者带负电。1879年亥姆霍兹（Helmholtz）指出，在固体接触面的两方，形成等量异号的电荷层，如图所示，称为偶电层。AB+++++-----现代静电学阶段：上世纪二、三十年代，量子力学的建立，开创了物理学的新纪元。人们对静电起电规律的认识，也发生了质的飞跃。偶电层理论得到了进一步的的完善。Harper1951年根据金属势能井理论，可以定量计算出两种不同金属接触时接触面上的面电荷密度（见下述）。两种金属接触分离以后，分别带上了静电。这很快得到了实验证实。1932年Kullrath将金属粉末从铜管内吹出去，粉末与铜管经历了接触分离过程，使这个对地绝缘的粉末发生器产生了26万伏的高电压。并观测到，吹铁粉或锑粉时，起电效果最显著。两金属接触后再分离产生的静电起源于接触电势差，这一点是由HarPer1951年证实的。根据金属内电子的势能井，很容易计算出接触面上的面电荷密度：2112ed金属与半导体接触，同样出现偶电层。但已不象两种金属那样对称，半导体表面电荷已有一部分深入到表面层内部。1971年Krupp根据金属——半导体接触面的势垒理论，计算了接触面上的表面电荷密度:012XEededgmsm如果两种高分子材料相接触，则面电荷密度22112191077.1rrePP2.2影响静电产生的因素2.2.1物体的种类2.2.2物体电阻率2.2.3物质介电常数2.2.4杂质的影响2.2.5接触面积、接触压力2.2.6分离速度2.2.7环境的温度、湿度2.2.1物体的种类接触分离的两物质的种类及组合不同，会影响静电产生的大小和极性。通过大量实测试验，按照不同物质相互磨擦时带电极性的顺序，人们排出了静电带电序列表。下面列举三个典型的静电序列表，供参考。不同的静电序列⑴⑵（+）石棉－玻璃－云母－羊毛－猫皮－铅－镉－锌－铝－铁－铜－镍－银－金－铂（-）⑶市售常用衣料带电序列（＋）纯毛－绦纶绸－窗帘绸－人造棉－富春纺－麻衬－毛腈华达呢－毛绦凉爽呢－棉白布－真丝－美丽绸－平绒－纺毛花呢－凡立丁－的确良－涤卡－麻纱－涤丝绸－花瑶－富古罗－涤腈花呢－乔纱－猪尤皮－人造苯（－）2.2.2物体电阻率物体上产生了静电,能否积聚起来主要取决于电阻率体电阻率表面电阻率静电导体≦1×106Ω·m≦1×107Ω静电亚导体1×106Ω·m～1×1010Ω·m1×107Ω～1×1011Ω·m静电非导体≧1×1010Ω·m≧1×1011Ω·m静电导体难以积聚静电，而静电非导体在其上能积聚足够的静电而引起各种静电现象，静电亚导体介于其中。一般汽油、苯、乙醚等物质的电阻率在1010～1013Ω·m之间，它们容易积聚静电。金属的电阻率很小，电子运动快，所以两种金属分离后，显不出静电。水是静电良导体，但当少量的水混杂在绝缘的液体中，因水滴液品相对流动时要产生静电，反而使液品静电量增多。金属是良导体，但当它被悬空后就和绝缘体一样，也会带上静电。2.2.3物质介电常数•介电常数亦称电容率，是决定电容的一个因素，物体的电容与电阻结合起来，决定了静电起电与静电消散规律。2.2.4杂质的影响任何物体都不同程度地含有各种杂质，有的杂质是自然存在的，有的是加工时加入的，也有的是在贮运过程中难免混入的。杂质的存在，不仅影响带电程度，还影响到带电极性。2.2.5接触面积、接触压力•接触面积关系到静电产生的范围，所以接触面积越大，静电产生就越大，接触压力越大，静电产生就越大。2.2.6分离速度•物体接触后分离的速度越快，产生的静电越大。2.2.7环境的温度、湿度•环境的温度、湿度的不同直接影响物体的表面电阻率及电场的分布。2.3固体静电上面列出的人类认识静电的历程主要是固体静电。不再赘述。许多生产工艺过程均可能产生静电。固体物质大面积的磨擦，如橡胶或塑料碾制、传动皮带与皮带轮或传送皮带与导轮磨擦等；固体物质在压力下接触而后分离，如塑料压制、上光等；固体物质在挤出过滤时与管道、过滤器等发生的磨擦，如塑料、橡胶的挤出等；固体物质的粉碎、研磨和搅拌过程2.4液体静电液体在输送、喷射、混合、搅拌、过滤、灌注、剧烈晃动过程中，会产生带电现象。如在石油化工企业中，物料反复的加温、加压、喷射、输送、灌注运输等过程，都会产生大量的静电，有时达到数千至数万伏，一旦放电可造成非常严重的后果。液体的带电与液体的电阻率（电导率）、液体所含杂质、管道材料和管道内壁情况、注液管、容器的几何形状、过滤器的规格与安装位置、流速和管径等有关。重点讨论一下固体与液体接触时的偶电层理论。亥姆霍兹（Helmholtz）,Perrin,Gouy等人认为：液体与固体之间虽然也出现偶电层，但与两种金属固体接触时的偶电层并不相同。以水在玻璃管内流动为例，其偶电层示意图如图3-2所示。从图中可见，偶电层中两层电荷的分布是不相同的。固体表面上的电荷仍紧贴在固体表面，而液体表面的电荷却呈扩散分布，电荷已渗透到液体内部。而且，在液体中，既有正离子，又有负离子，正离子占优势，而整个偶电层体积内还是电中性。只是电荷分布不均匀罢了。+++++__+++++++++______________为了下面讨论液体流动起电的需要，有必要讨论一下液体中的偶电层厚度。假定固体表面吸附的是负离子，液体中是正离子，如下图所示。很明显，离界面越近，液体中离子浓度愈大，随着与界面距离x的增加而逐渐减小，直到某点b才等于液体中离子的平均浓度n(∞)，b点到界面的距离定义为偶电层的厚度，用δ表示。下面求解δ的表式，看它与哪些因素关。设离界面距离为x的地方，单位体积中第i型离子的数目为ni（x），ni（x）与该点的电势有关，用玻尔兹曼方程表示如下：式中，ni(∞)——远离界面处i型离子的平均浓度KTxeZnxniiiexp在x处的电势同时满足Poisson方程：rxx02x由上面3式式可得：为泊凇一玻尔兹曼方程，它是偶电层理论的基本方程。KTxeZenZdxxdiiiirexp1022用近似解法来求出它的解。将（3-8）式右端指数按幂级数展开并取其前两项得：因为在远离界面处是电中性的，因此各种类型离子的电荷总和为0，即iiiiriirxKTneZenZdxxd22002211iiienZ0亦即上式右端第一项为零，于是（3-9）式变为：式中M2为xMdxxd222KTnezMriii0222方程（3-10）的通解为利用边界条件：x→∞时=0x→0时=定出积分常数c1=0,c2=，于是得出泊凇一玻尔兹曼方程（3-8）式的近似解为：式中——界面上的电势MXMXececx21MXoxexp上式表明，偶电层中的电势在界面处最高，随着与界面距离的增加而按指数规律衰减，衰减的快慢决定于M的值。同时还表明，l/M具有长度的因次，因此称l/M为偶电层的厚度，并用δ表示，即iiirneZKTM2201如果液体中只有一种正离子和一种负离子，且设他们的离子价相等；在远离界面处，由于电中性，两种离子的平均浓度亦相等，则可写为：由此可知，偶电层的厚度不仅与温度与介电常数有关，还与离子价和离子均匀分布状态下的平均浓度n有关。一定的液体在一定温度下，离子的浓度越大，偶电层的厚度愈薄，反之亦然。r0必须指出，上述提到的偶电层整体是电中性，是指固体与液体相对静止而言的。但是，如果二者作相对运动，比如油品在管道中流动时，电中性就会受到破坏，偶电层中两层电荷被分离，这时就会出现静电起电现象。实验发现，当固体与液体作相对运动时，滑动不是直接发生在固体表面，而是在液体内部距固体表面有一距离d处的AB面上发生，如图3-4所示。AB面叫做滑动面。滑动面与界面的距离d长约为一个分子大小。滑动面的存在，表明了吸附在固体表面上的离子与滑动面内的那些液体中离子（指图中虚线左边的那些正离子）紧密地结合成了一个整体。因此，滑动面内的那些液中离子与紧贴在固体表面上的离子一样是不随液体流动而带走的。习惯上常把整个这一部分（即滑动面左边的全部）叫固定层或吸附层。另一部分（滑动面右边部分）叫活动层或扩散层。固定层与扩散层之间的电势差就是所谓的电动电势（又叫ζ电势），而固液界面处的电势为总电势。显然这是两种不同的电势。ζ电势取决于固定层内正负离子电荷的代数和（即固体表面上吸附的离子与滑动面内的液中离子之差），而总电势决定于固体表面上所吸附的离子量。偶电层与电动电势根据上式可求得偶电层两边的电势差（ζ电势）为：dEDr0由于d远小于毛细管的半径r，所以可以看成平行偶电平面，相当于一个平板电容器，可知偶电层间的电场为rE0当沿着毛细管轴向加一个外电场E。时，在扩散