石油化工静电安全技术.ppt

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 Journal of Electrostatics 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. GB 13348-2009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（Electrostatic Discharge, 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（electrostatic drug delivery） 静电推进(electrostatic propulsion) 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2510-8cm），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。,A,B,+ + + + +,- - - - -,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：,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:,如果两种高分子材料相接触，则面电荷密度,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, （+）石棉玻璃云母羊毛猫皮铅镉锌铝铁铜镍银金铂（-）,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,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10101013m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，用表示。下面求解的表式，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,在 x处的电势 同时满足 Poisson 方程：,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。,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,亦即上式右端第一项为零，于是（3-9）式变为： 式中M2为,方程（3-10）的通解为 利用边界条件：x时 =0 x0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,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，并用表示，即,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。,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。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（电势）为：,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,当沿着毛细管轴向加一个外电场E。时，在扩散电荷层上（图中的正电荷层）每单位面积作用的静电力为 此力推动扩散层的离子移动，移动时带动液体。另外，液体运动时还受到粘滞阻力作用，根据牛顿公式，单位面积上所受的粘滞阻力,因为d很小，在一段很小的距离d内速度由零变到u，因此，可用速度随距离变化的平均变化率u/d来代替du/dr，于是 在稳定流动时，静电力与粘滞力平衡，即,消去便得到电渗速度 从上式中可以看出，电渗速度与电势有关，它指出了测量电势的方法。已知液体和外电场时,0，r，E0均已知，只要测出电渗速度，便可从（3-18）求出电势,通常工程技术上不是测u值，而是测量单位时间里从毛细管流出来的液体体积V。如果毛细管内半径为 r，截面积则为 r2，单位时间内通过毛细管的液体体积V=r2u，将此代入，得： 测出了V，即可求出。,若让液体流动时，使一边液面上升，另一边下降则两边形成压力差P，在P的作用下液体发生倒流。根据泊氏滞流公式 式中l为管长。当电渗流动与压差流动平衡时，压差P达到最大值。从（3-19）、（3-20）式可得到： 上式指出，测出稳定时两水面间水压力差P，亦可算出。这里给出一个计算实例：当水通过r=3.710-4m的玻璃毛细管时，求得P/E0l为2.02610-8 N/Vm2，水的相对介电常数r=80，从而求得=-0.049V。负号表示玻璃带负电。,冲流电流与冲流电压,路中的液体在其接触面处产生偶电层，当液体两端存在压强差P时，液体将从一端流向另一端。液体流动带走扩散层的电荷，在管路内形成冲流电流（Streaming current），记为Is，有时又称流动电流。由于Is的存在，使管路一端有较多的正电荷，另一端有较多的负电荷，于是在管路两端产生电势差，叫做冲流电压（又叫流动电压），记为U。如果管路两端的总电阻为R，在冲方向相反的欧姆电流 U/R。若管路是绝缘的，当冲流电流与欧姆电流相等时，达到平衡，这时冲流电压达到稳定。,下面推导一下冲流电流的表达式。在推导中，我们使用下述假设： （1）偶电层的厚度远小于管的内半径，即r。 （2）若液体为紊流，偶电层的厚度也比管壁附近的片流层薄（根据流体力学理论，在紊流状态下，管壁附近有一薄层是片流流动，这一薄层叫紊流边界层），即认为电荷不进入紊流区，只在片流层流动。 （ 3）不计管长对冲流电流的影响。 （ 4）为了数学上处理简单，扩散层电荷假设全部集 中在与管壁相距d的滑动面上（这时=d，）如图3-7所示。,根据假设（2），不管液体是片流或紊流，扩散层电荷总是在片流区。利用片流公式即可求得扩散层的流速为 式中（r-d）为扩散层与中心轴线间的距离，l为管路长度，P为管路两端的压强差，为液体的粘滞系数，r为管路内半径。由于rd，所以(r-d)2r2-2rd，故,该扩散层单位面积上的电量为，则在单位时间里液体从扩散层上冲刷下来的电量即冲流电流为 根据第1和第4点假设，偶电层相当于一个平板电容器，因此电势与面电荷密度之间的关系为：,根据 Poiseuille定律，片流状态下cf与Re满足 则片流状态下的冲流电流为：,对于不太强的紊流情况（2108Re106），将布拉修(Blassius)经验公式 代入（3-25），即得紊流不太强时的冲流电流为：,从而可知，在片流状态，冲流电流与平均流速成正比，与管路直径无关。在不太强的紊流状态下，冲流电流与平均流速的1.75次方成比例，与直径的0.75次方成比例。 若设液体的电导率为k，则长为l，截面积为r2的液柱之电阻R为 故在平衡状态下，冲流电流等于欧姆电流，两端的冲流电压可表示为： 若将（3-26）、（3-27）代入上式，即可得到片流和紊流状态下的冲流电压。,这里要强调指出，当液体作片流流动时，以上结果才是正确的。若液体作紊流流动，只有满足偶电层的厚度比紊流边界层薄的假设条件才能应用上述结果。对于电导率很高的液体，如水溶液，由于离子浓度大，偶电层厚度总是很薄，能够满足该假设条件。然而，对于大多数碳氢化合物的烃类液体，由于是非导电性液体，离子浓度小，电导低，偶电层的厚度可能远大于紊流边界层的厚度，上面的公式当然不适用。,为了解决这一困难，Rutgers, Moyer等人提出了新的假设。他们认为，偶电层的厚度远大于紊流边界层的厚度，说明电荷不再局限在紊流边界层内流动。他们假设，在紊流状态下，管内的液中电荷均匀分布于管截面上。在偶电层的固定层上若有一个确定的面电荷密度，与此对应的扩散层电荷在空间形成体电荷密度s，因为偶电层是电中性的，所以在长为dx的一段管路中，液中电量与固定层上的电量之间有以下关系（不计紊流边界层）： 即：,其近似计算公式为 如果这些电荷从紊流边界层上冲刷下去后又均匀分布于管内，从（3-30）式可得冲流电流为：,如果引入雷诺数 式中dP=2r为管道内径，则： 可见，冲流电流与速度的1.875次方成正比。这与Schn指出的速度指数介于1.82之间相符合。 但是，必须指出，Rutgers的假设即液中电荷均匀分布于管截面上，实际上只有低电导率液体在强紊流情况下才是可能的。（3-32）式也只适用于这种液流。,管道长度对起电的影响,起电的同时, 一部分电荷通过管壁泄放, 形成泄漏电流. 开始时, 起电快, 泄漏慢. 随着起电量的增加, 泄漏加快. 当泄漏等于起电量时, 达到平衡, 管道内形成稳定的冲流电流.,设在单位时间内从偶电层单位面积上冲刷下来的电量为Js（即起电电流密度，在平均流速v一定条件下，Js为常量），在单位时间内向管壁的单位面积上泄放的电量为Ja（即泄漏电流密度），则在一小段管路dl中，液中的电流增量为： 式中r为管道内半径。设液体的电导率为K，则泄漏电流密度为,假定在dl范围内各点的Ew都相等；由于dl很短，在dl两端面上的轴向电场亦可视为相等；设dl这段液柱内的总电量为dQ，由高斯定理得： 亦即： 因此得到：,如果液中的电荷体密度为e，平均流速为v，则dl段内的电量dQ又可表示为： 液体内的电流,当e和v在整个管截面上为常数时（只有在强紊流情况下才正确），把二式相除并化简得： 将（3-39）代入（3-36）得：,再把此式代入（3-33）并分离变量得 这就是冲流电流在考虑管长时的微分方程。其通解为,设液体在送入管路时不带电，则l=0时I=0,据此可定出 此时冲流电流为,利用电流强度与电荷密度的关系I=sr2v可求出液中电荷密度s与管长的关系为：,几点结论： （l）在起电过程中，冲流电流或电荷密度随长度l按指数规律增加。增加的速度取决于v。v小者，增加得慢，如图（3-8）所示。 （2）当l时，冲流电流或电荷密度趋于一稳定值，称为饱和冲流电流或饱和电荷密度，亦即：,虽然从理论上讲需经无限长的管路才达饱和，但实际上,当液体流经的长度l=v时，电流（或电荷）已达饱和值的63；若l=3v,已达饱和值的95%;若流经5v的距离，则可达饱和值的99。所以有的人认为，只要流经v的距离电流或电荷密度就算达到了饱和,并把v称为饱和距离。笔者与导师皆认为,应该把3v5v称为饱和距离更合理些。,（3）在推导（3-42）式时，利用了l0时,I0这样的边界条件。实际上这不是最一般的情况。如果假定送入管路时液体就已带有电流I0，这时应该使用l0，II0这一边界条件来确定积分常数c，这时 这就得到： 式中I0为进入管路时的初始电流。由上式可见，初始电流随管长按指数规律衰减。（3-46）式才是冲流电流的一般表式，即：管路内的冲流电流由两部分组成，一部分是管路内偶电层分离形成的电流，另一部分是从管外带进来的初始电流。前者随管长按指数规律上升，后者随管长按指数规律下降。当经无限长管路后，前者上升到饱和值Is，后者降为零。这就是说足够长的管路后，初始电流I0对管路电流的贡献可以忽略不计。,（4）对于电解质的水溶液，因为电导率K大，所以很小，因此I达饱和所需的距离很短，对这类液体不必考虑管长的影响。对于非导电性溶液，由于电导率低，很大，I达饱和所需距离35v 就较长。这时，如果流经管路亦很长，即lv，则可认为I早已达饱和。如果流经管路很短，即lv，则必须考虑l对I 的影响。从下面的推导可出，这时I与l成正比： 由于lv，将（3-42）式中指数按幂级数展开并取前两项，则得： 同理,5）在上面的推导过程中，忽略了起端速度的变化，即认为在管路入口处的流速等于稳定时的平均流速，这是不合实际的，因为液体从一个容器流入管内，无论是片流还是紊流，都不可能在管入口处完成各自应有的速度分布，需流经一段距离之后才能达到稳定的速度分布，这一段距离就是流体力学上所说的“助跑距离”。Borssiness给出片流的“助跑距离”L0=0.13rRe;Nikukadse给出湍流即紊流的“助跑距离”L=（5080）r。显然，“助跑距离”对I是有影响的，因此，上述结果只有在管路长度达到可以忽略“助跑距离”影响时才正确。另外，还要指出，上述结果是假设电荷密度和流速在整个管截面内为常数的条件下得出的，对很细的管和高导电液体这个假定不成立，因此，上述结果只对粗管和低电导率液体在强紊流状态下才成立。,输油管线静电起电的实验规律,冲流电流理论公式变量多, 影响因素多. 公式中又存在一些难于计算的量 通过实验, 总结出了静电起电的实验规律. 再与理论相结合, 总结出了一些半经验半理论的公式, 在工程上应用.,Schn在实验研究的基础上，对冲流电流的饱和值提出了一个简单经验公式，来计算饱和电流的上限： 式中 d管道直径，m； v液体流速，m/s 公式为SI制，对计算无限长管道的紊流液体适用。,对于有限长的管道，他使用了一个修正系数。其公式为： 式中 l管道长度 液体弛豫时间或时间常数,Schn还以液体中电荷密度来表示冲流电流。他预计电荷密度与流速成正比，即,国际著名的液体静电专家W.M.Bustin，与同伴一起用JP4航空煤油在内径为 1/4英寸的光滑不锈钢管内作了四十多次冲流电流实验，得到如下半理论半经验公式，该公式与他们的实验结果很好的符合，误差小于土5，这个公式是以英制单位给出的，为： 式中 v液体流速，英尺秒； I0液体流进管道时的初始电流，单位为10-10A； l管道长度，英尺； I管路中的电流，单位为10-10A。,目前，对于无限长管道，在紊流状态下，冲流电流的饱和值Is，国际上许多研究者承认用以下公式计算：,式中A由液体的各种物理参数，如密度、粘度、电导率等因素决定，而且随条件变化而变化，因此计算A值很复杂。对于煤油、汽油等碳氢液体，在长直管道（lv）内流动时，A取（15/4）10-6 As2/m4。 式中、对不同的管道取不同的值，如表3-1所示。,喷雾起电与带电水雾,喷雾起电(Spray Electrification)(又称喷射起电) 溅泼起电(Splash Electrification) 液滴破碎起电,破碎起电,1890年Elster, Geitel发现阿尔卑斯山的急流溅起的水滴强烈带电. 1892年lenard发现上升气流从瀑布底部水面带起的小水滴带负电. 1909年Simpson发现强烈垂直射流中水滴破碎产生了可观电荷. 1921年Lenard实验证实了这些结果.,Zeleny在1933年使用高度净化的水作实验。他发现在20m/s水平射流中的一个水滴破碎后会产生约710-6C/m3的电量。1952年查普曼（ChaPman）使直径4mm的许多蒸馏水水滴落到速度为17.3 m/s垂直射流中，则剧烈的破碎使每个水滴产生约110-10C的电量，约合3.3310-3C/m3。然而，当使两个水滴碰撞后的不稳定水滴在8m/s的稳定上升气流中破碎成若干较大的碎滴时，产生的电量与Simpson和Zeleny发现的量级相同。由此看来，水滴破碎时产生的电量取决于它们破碎的剧烈程度。,后来人们又发现，电场的存在对水滴破碎起电量影响较大。Matthews和Mason1944年在1500V/m的电场中和静止空气中，对下落水滴的破碎和起电进行实验室研究。他们使一个直径约为12mm的水滴下落12m以后，在一对产生垂直电场的水平电极间破碎，使较大碎滴无溅射地通过法拉第筒以测出其电量，而破碎的体积可在收集称量后确定。测试结果表明,当没有外加电场时,破碎水滴产生的电量约为3.3310-6 C/m3，这与Simpson和Zeleny的结果相吻合。当有外加电场时，每单位体积水的平均电量随场强增大而增大。当场强达到1500V/cm时，起电量可达到1.8310-3 C/m3，提高了近550倍！,实验还发现，水面上的气泡膨胀破裂时，喷射出来的小水滴同样是带电的。Blanchar(1963)以及Iribarne和Mason(1967)的实验表明，气泡破裂时喷射出来的小液滴所带电荷与气泡半径、溶液浓度以及破裂前气泡的寿命有关。一个半径为R的气泡所喷射出来的许多水滴上的总电量为： 式中C是溶液浓度，单位为克分子升。该式表明，电量随溶液浓度增大而减小。这是因为偶电层的厚度随溶液浓度增大而减小的结果。,下表给出了几艘轮船洗舱水喷雾起电所形成的空间电荷密度实测值。,洗舱的电荷密度饱和值随时间的衰减以及静电尺寸效应,激涌起电,19671972年，若干艘大型OBO船在海上相继爆炸。这些事故与油轮洗舱没有关系。我国1986年10月爆炸的一艘2万多吨的油轮，既未洗舱，又未航行，而是停泊在码头进行排放压舱水作业。事后进行的大量调查研究与实验研究证实，这些事故，均与压舱水（为了配载平衡和船舶稳度的需要人为装载的海水又称压载水）有关。,在船舶航行过程中，压舱水不可避免地因摇晃而引起激涌，冲刷舱壁及其构件，激涌的本身所激起的波浪也会产生带电的水雾。激涌的过程又伴随着溅泼，水柱的破碎等起电过程。因此，压舱水同样能在船舱空间产生带电水雾，产生很强的静电场。实测表明：混装船的压舱水激涌时所产生的静电位与油轮洗舱时的静电位非常相近。例如，含有油脚水的货舱中每边最大为4o的摇晃就足以形成很强的带电雾气。其电荷密度可与用水清洗含污水的相似货舱时所产生的电荷密度相比拟，甚至更高。其达到饱和值所需时间更短。观测到的最大空间电位为-50kV，最大电荷密度为50nC/m3。这恰好是洗舱时静电场的数量级。,上表是几艘船舶航行过程中压舱水激涌时所产生的舱内静电场的实测值（测量的是空间电荷密度）。很容易发现，压舱水激涌时所产生的空间电荷密度与油轮洗舱时的空间电荷密度非常相似，甚至更高。 必须指出，无论是洗舱水还是压舱水，所形成的带电水雾均是由一个个带电悬浮粒子所组成。这些成悬浮状态的粒子与原来液体的连续相有完全不同的性质。首先，液相的电导率原来对起电量有举足轻重的影响，但变成悬浮粒子后，这些不连续相的粒子就具有特殊的起电规律，电导率不再是重要因素。其次，由于空气是良好的绝缘体，悬浮粒子的电荷不容易泄放（这里暂不考虑粒子碰撞所引起的电荷中和），因此，悬浮的液滴能保持多长时间，电荷就几乎能保持同样的时间。,沉降起电（第二部分再讲）,W.M.Bustin测量了装油期间和装油之后大型油舱内电场强度、油品时间常数理论值与实测值之间有巨大差异.这是由沉降电势所引起. 沉降起电的本质仍是接触分离起电.,2.5 气体（蒸汽）静电,纯净的气体在通常条件下不会引起静电，但由于气体中往往含有悬浮液体微粒或灰尘等固体颗粒，当高压喷出时相互间磨擦、分离、能产生较强的静电，如二氧化碳气由钢瓶喷出时静电可达8KV。 气体静电与气体的性质、喷出速度，管径及材质，固体或液体微粒的性质及几何形态、压力、密度、温度等有关。,2.6 人体静电,通常情况下，人体电阻在数百欧姆至数千欧姆之间，可以说人体是一个静电导体。 但当人们穿着一般的鞋袜、衣服时，在干燥环境中人体就成了绝缘导体。 当人进行各种活动时，由于衣服之间、皮肤与衣服、鞋与地面、衣服与接触的各种介质间发生摩擦，可产生几千伏甚至上万伏的静电。 例如：在相对湿度39%的情况下，人体从铺有PVC薄膜的软椅上突然起立时人体电位可达18KV。,人体在静电场中，也会感应起电，如果人体与地绝缘，就成为独立的带电体。如果空间存在带电颗粒，人们在此环境中可产生吸附带电。 人体静电的极性和数值受人们所处的环境的温湿度、所穿的内外衣的材质、鞋、袜、地面、运动速度、人体对地电容等因素影响。,接触分离和活动带电,感感应和触摸带电带电,人体感应静电,感应静电测试结果静电感应静电测试结果测试结果感应感应静电测试结果静感应静电测试结果电测试结果,感应静电测试结果,感应静电测试结果,感应静电测试结果,感应静电测试结果,感应静电测试结果,在干燥地面人体行走起电过程,不同地面和不同湿度时人体静电电压,不同活动形式的人体静电,人体静电测试仪,人体静电消除器,3.静电放电危害 及案例,3.1 静电放电的主要种类 3.2 静电危害 3.3 静电危害的安全界限 3.4 案例,3.1 静电放电的主要种类,静电放电是带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质电离而使带电体上的电荷部分或全部消失的现象。 其静电能量变为热量、声音、光、电磁波等而消耗，这种放电能量较大时，就会成为火灾、爆炸的点火源。 分电晕放电、刷形放电、火花放电、传播型刷形放电、粉堆放电、雷状放电、电场辐射放电7种。,3.1.1 电晕放电,电晕放电是在不均匀电场强度很高的部分发生局部电离的放电。 电晕放电有时有声光，气体介质在物体尖端附近局部电离，并不形成放电通道。 带电体有针状突出部分，两电极相距较远时常常发生电晕放电。,电晕放电是发生在不均匀的电场中，空气被局部电离的一种放电形式。若要引发电晕放电，通常要求电极或带电体附近的电场较强。对于两极间的静电放电，只有当某一电极或两个电极本身的尺寸比起极间距离小得多时才会出现电晕放电。例如，在空气中两平行细线间的ESD，只有当细线的半径r与两线间距d之比d / r 5.85时，才有可能产生电晕放电。否则，随着极间电压的升高，两极间直接产生火花放电而不会产生电晕放电。其它能产生电晕放电的典型的电极结构还有圆柱筒与其轴线上的细导线，细线与平板，尖端与平板等。另外，处在空气中的带电体及接地表面上有突起或楞角部分，当其带电体的电位足够高时也会产生电晕放电。这种放电有时又称尖端放电。,引发电晕放电的机制、阈值电压及放电产生的电晕形态都与放电尖端的极性密切相关。根据放电尖端的极性不同，电晕放电可分为正电晕和负电晕两种。当放电尖端为负极性时，产生的电晕称为负电晕放电。形成负电晕的机制即所谓汤逊（Townsend）机制，即产生二次电子雪崩的次级电子是由正离子碰撞阴极表面引起阴极的电子发射而产生的。而放电尖端为阳极时的电晕放电则称为正电晕。在这种情况下，流向阳极的正离子难以从场中获取足够的能量引起阴极的二次电子发射，此时在尖端处维持放电过程的二次电子主要是由其附近的中性分子和原子的光电离而提供的。从电晕放电产生的电晕的形状来看，负电晕是包围着放电尖端的均匀光晕圈，而正电晕则呈现出非均匀的丝状。一般来说，正电晕的起晕电压要比负电晕的高。,电晕放电是一种高电位、小电流、空气被局部电离的放电过程。它产生的电流很小，约在1A到几百个A之间。因此一般不具备引燃能力。一方面，电晕放电的许多特点正被人们广泛的利用，例如静电除尘、静电分选以及静电消除器、盖革米勒计数器中都用到了电晕放电技术；但另一方面，电晕放电又会给许多系统造成电磁干扰。在一定条件下，电晕放电产生的放电电流会呈现出周期性的脉冲形式。当放电电极为阴极时，电流脉冲重复频率可达104Hz；而防盗电极为阳极时，这一频率可达106Hz。这就是所谓特里切尔（Trichel）脉冲（由他于1938年首次发现）。由于这些脉冲正好位于射频段，因此会产生强烈的射频干扰。这一现象对于航空、航天以及武器装备中微电子系统将产生不可忽视的危害。飞机、航天器、导弹在飞行过程中，机壳或弹体上会因磨擦而产生静电。当静电电位足够高时，可引发电晕放电，而电晕放电形成的电磁干扰会对飞机、航天器、导弹的制导系统产生干扰，造成制导失灵或通信中断，引发事故。另外，高压输电线上的电晕放电会造成不必要的电力浪费。,电晕放电部分图例,感应电晕单次脉冲放电能量小于20J，引燃能量甚小，因此人门常常根据电晕放电的原理制作消静电器。,3.1.2 刷形放电,这种放电往往发生在导体与带电绝缘体之间。带电绝缘体可以是固体、气体或低电导率液体。产生刷型放电时形成的放电通道在导体一端集中在某一点上，而在绝缘体一端有较多分叉，分布在一定空间范围内。根据其放电通道的形状，称为刷型放电。,当绝缘体相对于导体电位的极性不同时，其形成的刷型放电所释放的能量和在绝缘体上产生的放电区域及形状是不一样的。当绝缘体相对导体是正电位时，在绝缘体上产生的放电区域为均匀的圆状，放电面积较小，释放的能量也较少。而当绝缘体相对于导体是负电位时，在绝缘体上的放电区域是不规则的星状区域，面积比较大，释放的能量也较多。另外，刷型放电还与参与放电的导体的线度及绝缘体的表面积的大小有关。在一定范围内，导体线度越大，绝缘体的带电面积越大，刷型放电释放的能量也越大。一般地说，刷型放电释放的能量可高达4mj。因此，它可引燃大多数的可燃气体，但它一般不会引燃粉体。可是，90年代欧洲的最新研究成果则推翻了这个结论。Glor, Maurer已用哈特曼管的刷形放电成功点燃硫磺粉和聚乙烯粉. 新实验中确定的聚乙烯粉和硫磺粉的最小点火能量分别为13和1mJ.,感应性刷形放电,3.1.3 火花放电,火花放电是由于分隔两电极的空气或其它电介质材料突然被击穿，使电流急剧上升，电压急剧下降，引起的放电。 放电时有声光，放电通道一般不形成分叉，电极上有明显放电集中点，释放能量比较集中，引燃能力很强，主要发生在相距较近外形较光滑的带电金属间。 火花放电是产生工业静电危害的主要放电形式之一。,当静电电位比较高的带电导体或人体,靠近其它导体、人体或接地导体时，便会引发静电火花放电。火花放电是一个瞬变的过程。放电时两导体间的空气被击穿，形成“快如闪电”的火花通道。与此同时，还伴随着劈啪的爆裂声。爆裂声是由火花通道内空气温度的急剧上升形成的冲击波造成的。在发生火花放电时，静电能量瞬时集中释放，其引燃、引爆能力较强。另外，火花放电产生的放电电流及电磁脉冲具有较大的破坏力。它可对一些敏感的电子器件和设备造成危害。,还应当指出，带电导体产生的火花放电和人体产生的火花放电是不完全相同的。在多数情况下，导体的静电放电，形成一次火花通道便能放掉绝大部分静电电荷，即静电能量可以集中释放。而对于人体静电放电来说，由于人体阻抗是随人体静电电位变化而变化，在一次放电过程中可能包含了多次火花通道的形成、消失过程，即重复放电。在每次放电过程中仅仅放掉一部分电荷。即每次仅释放人体静电能量的一部分。,3.1.4 传播型刷形放电,在高速起电场所及静电非导体背面衬有接地导体的情况下，在静电非导体上所发生的放电能量集中的一种放电。 放电时有声光，非静电导体上一定范围内所带的大量电荷释放，放电能量大，引燃能力强。 和火花放电一样产生静电灾害与故障的概率高。,传播型刷型放电又称沿面放电，还称Lichtenberg放电。只有当绝缘体的表面电荷密度大于2.710-4C/m2时才可能发生。但在常温、常压下，如此高的电荷面密度较难出现。因为在空气中单极性绝缘体表面电荷密度的极限值约为2.710-5C/m2，超过此极限值时就会使空气电离。只有当绝缘体两侧带有不同极性的电荷且其厚度小于8mm时，才有可能出现这样高的表面电荷密度，此时绝缘体内部电场很强，而在空气中则较弱。当绝缘板一侧紧贴有接地金属板时，就可能出现这样高的表面电荷密度。另外，当电介质板被高度极化时也可能出现这种情况。若金属导体靠近带电绝缘体表面时，外部电场得到加强，也可引发刷性放电。刷型放电导致绝缘板上某一部分的电荷被中和，与此同时它周围部分高密度的表面电荷便在此处形成很强的径向电场，这一电场会导致进一步的击穿，这样放电沿着整个绝缘板的表面传播开来，直到所有的电荷全部被中和。传播型刷型放电释放的能量很大，有时可达数焦耳，因此其引燃引爆能力极强。实际上这种很高的表面电荷密度主要发生在气流输送粉料时，或者由绝缘材质构成的大型容器或由带绝缘衬层的金属材质构成的大型容器，在灌充粉状绝缘材料时。,3.1.5 粉堆放电（大型料仓内的粉堆放电）,这是近十几年才发现的新的放电形态。当把绝缘性很高的粉粒由气流输送经过管道和滑槽进入大型料仓时，在沉积的圆锥型粉堆表面可能发生强烈的放电.因此欧洲又将之成为锥体放电(cone discharge)。这种放电的能量可达10mJ。随着粉料的不断灌充，堆积状态的粉体电荷密度迅速增加，表面的场强也不断增强。当场强增加到一定程度时，首先在粉堆的顶部产生空气电离，形成从仓壁到粉堆顶部的等离子体通道，使粉堆与仓壁之间发生静电放电。一般地说，料仓体积越大，粉体进入料仓时流量越大，粉粒绝缘性越高，越容易形成放电。此种放电一般发生在直径3m以上或容积100m3以上的料仓。,3.1.6 雷状放电,雷电，一种大范围的空间放电形式。一般发生在雷雨时。人们在火山爆发的尘埃中也曾观察到这种放电。 雷状放电，是在料仓内发现了类似的放电。,3.1.7电场辐射放电,电场辐射放电依赖于高电场强度下气体的放电。当带电体附近的电场强度达到3MV/m时，这种放电就有可能发生。放电时，带电体表面可能发射电子。这类放电能量较小，引燃引爆能力弱。这种放电出现的概率也不大。,3.2 静电危害,静电在工业生产中的危害主要表现两个方面 一方面是由于静电场的存在造成的危害 另一方面是静电放电造成的危害 即静电场危害和静电放电危害。,3.2.1 静电场危害,静电场的存在对不同行业、不同物体、不同的生产条件和环境状况影响不同。,3.2.2 静电放电的危害,静电放电有着高电压，有的放电瞬时大电流，并伴有电磁辐射等特点，静电放电可引起种种灾害。 造成干扰：静电放电能引起计算机、自动控制等电子设备的故障和误动作，造成安全事故。 绝缘击穿引起短路：静电电压高易引起空气或介质绝缘击穿， 如日本一台500KVA变压器，用泵打循环油冷却，油流活动与绕组线圈摩擦产生静电，静电放电击穿绕组绝缘引起短路发生爆炸。,引起人体电击和诱发二次事故。,人体对静电电击的敏感程度,由于人体电击刺激带来的精神紧张，往往会造成手脚动作失常，被机器设备碰伤或从高处坠落，造成静电危害的二次事故。,火灾爆炸危险场所的点火源,静电火花或刷形等放电，其放电能量可直接点燃最小点火能较低的气体、液体、粉体、固体，成为安全事故的点火源。,3.3 静电危害的安全界限,3.3.1 带电体为导体 3.3.2 带电体为静电非导体,3.3.1 带电体为导体,导体静电放电能量为W=0.5CV2当其数值大于可燃物的最小点燃能量时就有引燃危险。 在接地针尖等局部空间发生的感应电晕放电不会引燃最小点燃能量大于0.2mJ的可燃气。 当两导体电极间的电位低于1.5KV时，将不会因静电放电使最小点燃能量大于或等于0.25mJ的石油蒸气引燃。,3.3.2 带电体为静电非导体,当带电物体为静电非导体时，如发生放电，一般情况下带电体不能一次对静电能量全部放出，因此带电物体为静电非导体的放电界限，就不能用带电体所用方法求出,其它静电安全判例,电引爆装置很普遍. EMI感应耦合控制线路而引爆. 1949年美国杜邦公司石油勘探船上, 50W发射机的水平天线在5磅炸药的引爆电路上感应出0.42A的电流而意外爆炸. 有一枚正在运输途中的导弹, 行至距雷达设备约61米处, 突然意外点火发射. 飞机机翼副油箱在无线电辐射干扰下引起误投放. 军舰鱼雷在调频广播电台电磁波作用下意外发射屡见不鲜.,电磁干扰对燃油的危害,直接照射: 燃油蒸汽在2 13MHz电磁波的发射天线辐射的电磁波照射下, 若发射功率为100W, 天线与燃油为11.5 75米之间, 就会发生自燃而引起爆炸.,电磁干扰对燃油的危害,电火花点燃 在大功率发射天线周围给飞机加油时, 在特定条件下, 当油嘴从飞机油箱中抽出来的瞬间, 会引起爆炸. 原因: 油枪、接地电缆和飞机构架组成了一个射频接受回路, 形成约0.12A的电流, 油枪嘴离开油箱时引起电弧放电, 电火花使燃油燃爆. 实验指出: 引起电弧和电火花放电所需的极限是50VA. 一中型加油车为飞机加油时, 若飞机油箱附近存在电磁辐射, 频率在24 32MHz之间, 场强只需37V/M, 即可获得引起火花放电的电磁能量, 达到50VA的极限值.,电磁干扰对燃油的危害,静电放电: 燃油在油箱内晃动产生静电, 若发生ESD, 可能点燃.,电磁能量与人体,热效应: 电磁辐射通过对细胞加热增加血液的流动和发热, 并使外部感觉神经末梢受到加热刺激作用产生病理、生理和神经反应, 称为热效应. 人体细胞在 1 3GHz范围内热效应最严重. 主要加热人体深处细胞. 在3GHz以上只加热表面皮肤. 体温超过正常值时, 每升高一度, 基础代谢大约增加5 14%, 组织中的氧气需增加50 100%. 因而对人体造成伤害. 部位不同, 伤害程度也不同. 皮肤受伤害程度最轻. 因它有丰富的微血管, 能带走较多能量, 散热效率高. 眼睛: 对1 3GHz的频率最敏感. 眼睛晶状体水分多, 血管极少, 不易带走热量. 在射频照射下易水肿. 照射强度增大, 会使晶体混浊, 形成白内障. 在极强照射下, 会失明.,电磁能量与人体,睾丸: 比眼睛还要脆弱. 危害阈值比眼睛小一个数量级. 在微波辐射作用下, 睾丸发热升温会引起暂时或永久性不育. 大脑: 颅骨传热性差. 在一定强度辐射下, 大脑的温升比其它部位更快地达到较高的最终温度, 使脑功能减退和病理反应. 神经系统: 高强度辐射, 会刺激末梢神经系统和中枢神经系统反应迟钝和疼痛, 或者引起慌乱、摇晃及痉挛. 血液: 引起白细胞和红细胞数目减少. 长期微波照射还会损害骨骼的生成, 破坏骨髓等.,电磁能量与人体,非热效应 机理还不十分明了. 但确有危害. 在一定强度的电磁场中, 人的血液特性有微小变化. 在辐射场作用下, 染色体结构出现变异. 在脉冲射频照射下, 蛋白质分子运动、定位和极化.,电磁干扰危害与频率,1GHz频率照射: 有50 60%能量穿透人体. 在1 3GHz内辐射能量全部被皮肤、脂肪和肌肉吸收, 使人体深处细胞加热, 造成内部器官损伤. 3GHz以上时, 一部分能量被皮肤表面吸收, 一部分被反射, 危害不大. 我国规定电磁辐射量不允许超过如下临界值: 对于连续照射: 平均功率密度为4mW/cm2. 对于脉冲波照射: 平均功率密度为2mW/cm2. 暴露时间为6分钟 美、英、德、加规定界限值为：10mW/cm2， 暴露时间为6分钟 原苏联界限值为：10W/cm2， 暴露时间为8小时。,3.4 案例,（略）,4.静电危害综合防治对策,4.1 主要场所 4.2 消除静电危害的基本措施,4.1 主要场所,静电的主要危险是引起火灾和爆炸，因此下列场所必须采取防静电措施。 生产、使用、贮存、输送、装卸易燃易爆物品的生产装置； 产生可燃性粉尘的生产装置、干式集尘装置以及装卸料场所； 易燃气体、易燃液体槽车和船的装卸场所； 有静电电击危险的场所。,部分企业的防静电措施,4.2 消除静电危害的基本措施,静电燃爆事故，需满足三个必要的条件形成了爆炸性混合气体；空气中有充足的含氧量；存在静电点火源。只要采取技术措施，消除其中的任何一条，就能防止油轮静电事故的发生。这是静电事故综合防治技术的基本指导思想。,采用浮顶式油罐,浮顶式油罐，顾名思义，是在