劉全楨，高 鑫，李亮亮，李義鵬，孫立富

油品輸送過程靜電風(fēng)險監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用

劉全楨1,2*，高 鑫1,2，李亮亮1,2，李義鵬1,2，孫立富1,2

1中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，青島 266071

2化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，青島 266071

本文分析了近年來連續(xù)發(fā)生的數(shù)起油品靜電燃爆事故，對比了目前國內(nèi)外油品靜電風(fēng)險防控措施。通過對油品靜電現(xiàn)場測試以及各類特性參數(shù)分析，驗證目前油品靜電風(fēng)險防控措施的有效性，在此基礎(chǔ)上研究了油品靜電在線監(jiān)測技術(shù)，并對油品靜電監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，提出油品靜電燃爆危險性防控的新方法。

油品輸送；靜電風(fēng)險；燃爆；在線監(jiān)測

0 引言

汽油、柴油等易燃易爆油品，在卸油和加油等作業(yè)過程中極易發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1-4]。據(jù)美國石油設(shè)備協(xié)會(PEI)統(tǒng)計，在2000年至2004年期間，美國161起加油站火災(zāi)事故中，有78起是由靜電導(dǎo)致的。在我國，加油、卸油環(huán)節(jié)靜電燃爆事故也時有發(fā)生。2000年9月，湖北某加油站卸油過程中因靜電引發(fā)爆炸；2001年6月，廣東韶關(guān)某加油站將膠管直接插入量油孔噴濺式卸油，產(chǎn)生大量靜電并引發(fā)火災(zāi)；2004年1月，某加油站一摩托車加油，加油槍噴嘴靠近油箱口時發(fā)生靜電放電，導(dǎo)致油箱口冒出火苗；2005年1月，南京一加油站卸油過程中靜電引燃油蒸氣導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生；2011年河北廊坊一加油站在卸油結(jié)束前，控油根處發(fā)生靜電引燃事故。

1 油品靜電起電

1.1 油品輸送過程的靜電起電

液相與氣相或與固相的交界面上，由于電荷分布不均勻，在交界面處會形成極性相反的偶電層。當(dāng)液體在介質(zhì)管道中因壓力差而流動時，偶電層外層離子上的電荷被沖刷下來隨液體做定向運動，形成沖流電流，沖流電流使介質(zhì)中的電荷密度逐漸增大。沖流電流的大小與油品靜電帶電量直接相關(guān)，田強(qiáng)推導(dǎo)了涵蓋油品溫度T、管道半徑a、油品介電常數(shù)ε、離子遷移率μ、油品質(zhì)量密度ρ等因素的無限長管輸油品飽和沖流電流I∞(A)簡化計算公式[5]：

式中：AT和n是與管壁粗糙程度和物化性質(zhì)有關(guān)的修正系數(shù)；Um為油品平均流速，m/s；Wμ是離子遷移率的活化能，J；k為玻爾茲曼常數(shù)；σ0和μ0分別為離子遷移率和油品電導(dǎo)率的溫度函數(shù)關(guān)系式系數(shù)?？梢钥闯鲈诩佑驼竟芫€固定時，管輸油品靜電帶電量主要取決于油品流速。

1.2 液體流動起電的影響因素

液體流動起電的影響因素很多，如液體速度、管路長度、液體內(nèi)的雜質(zhì)、液體電導(dǎo)率、管道材質(zhì)及管壁粗糙程度、液體流動狀態(tài)等[6-9]。而且影響因素一般都不是單向的，如管路長度在一定范圍內(nèi)對靜電起電有影響，超過一定長度液體靜電會達(dá)到飽和值，不隨管路長度的變化而變化。輕質(zhì)油品的離子來源主要是雜質(zhì)，微量雜質(zhì)會導(dǎo)致油品靜電起電大幅增加，但是也不是雜質(zhì)越多越容易起電，雜質(zhì)過多導(dǎo)致電導(dǎo)率較大時，靜電電量并不過高。電導(dǎo)率過低、過高時不易產(chǎn)生靜電積聚現(xiàn)象。

2 油品靜電安全要求

2.1 國外油品靜電的主要安全要求

API RP2003《防止靜電、閃電和雜散電流引燃的措施》4.5.2對儲油罐靜電電荷的控制進(jìn)行了規(guī)定，當(dāng)儲罐的蒸汽空間中可能含有易燃混合物(中等蒸汽壓產(chǎn)品、被高蒸汽壓液體污染的低蒸汽壓產(chǎn)品、包含未溶解的氫氣或從處理工程中產(chǎn)生的輕碳?xì)浠衔锏牡驼羝麎寒a(chǎn)品、或轉(zhuǎn)換裝載)，必須采取以下保護(hù)措施：限制填充線和入射液流的填充速度1 m/s直到填充管在油中的浸沒深度為2倍管徑或達(dá)到61 cm(取二者較小值)。使用內(nèi)浮頂儲罐(內(nèi)部或者開頂)，要遵守1 m/s的極限速度直到頂浮起來。在靜電積累并且含有諸如水滴等分散相物質(zhì)的情況下，禁止通過吹壓機(jī)吹掃管線，入口速度在整個填充過程中應(yīng)限制在1 m/s。為了使電荷量最小，一些操作者在最初注油速率完成以后限制最大注油速率。通常使用的最大注油速率在7～10 m/s之間。

NFPA77-2000《關(guān)于處理防靜電措施的建議》的7.5.2.1條款中規(guī)定，在罐體注入初期，應(yīng)限制流速以減少液體翻滾和動蕩。在液體沒達(dá)到2倍的管徑或0.6 m時，流速要控制在1 m/s。因為較低的流速可以保證液體底部的水分沉淀，否則，水分及雜質(zhì)的混入將顯著地提升液體起電趨勢。體積大于50 m3的儲罐，無論是裝不導(dǎo)電液體還是電導(dǎo)率未知的液體，當(dāng)液面高于輸入管口時，可將流速提升至7 m/s。不導(dǎo)電液體罐裝過程中，當(dāng)混有水分時，流速應(yīng)限制在1 m/s。

BS 5958-2-1998《靜電控制 特殊工藝的推薦做法》中規(guī)定在油罐裝料時，灌入電導(dǎo)率≤50 pS/m的油料時，速度應(yīng)不超過1 m/s，直到入口被淹沒。在有第二種不能混合的相時，應(yīng)保持1 m/s的輸入速度。

2.2 國內(nèi)油品靜電的主要安全要求

GB12158-2006《防止靜電事故通用導(dǎo)則》中對烴類液體灌裝時的流速進(jìn)行了詳細(xì)的要求。灌裝鐵路罐車時，液體在鶴管內(nèi)的容許流速按下式計算：v×D≤0.8；灌裝汽車罐車時，液體在鶴管內(nèi)的容許流速按下式計算：v×D≤0.5，式中v—流速；D—鶴管內(nèi)徑。采用頂部進(jìn)油時，則其注油管宜伸入罐內(nèi)離罐底不大于200 mm處。在注油管未浸入液面前，其流速應(yīng)限制在1 m/s以內(nèi)。當(dāng)管道內(nèi)明顯存在第二物相時，其流速應(yīng)限制在1 m/s以內(nèi)。

GB13348-2009《液體石油產(chǎn)品靜電安全規(guī)程》第三章預(yù)防靜電危害的基本方法中規(guī)定，應(yīng)控制油品處于安全流速范圍內(nèi)。當(dāng)管道內(nèi)明顯存在不相容的第二相時，其流速應(yīng)限制在1 m/s以內(nèi)。對于電導(dǎo)率低于50 pS/m的油品，在注入口未浸沒前，初始流速不應(yīng)大于1 m/s，當(dāng)注入口浸沒200 mm后，可逐步提高流速，但最大流速不應(yīng)大于7 m/s。如果采用其他有效防靜電措施(如防靜電添加劑、靜電消除器等)，可不受上述限制。

2.3 油品靜電安全要求的不足

目前國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對油品靜電的主要要求表現(xiàn)為對流速、流量的要求，但是目前液體的最大輸入速度還不能精確的確定，安全閾值的確定大多還是依賴經(jīng)驗。

液體靜電的影響因素眾多，單一用流速、流量進(jìn)行安全管理已經(jīng)顯現(xiàn)出一些問題。比如說安全流速下依然有靜電事故發(fā)生，同時流速的限制也制約了生產(chǎn)效率。

2.4 油品靜電安全監(jiān)測

目前，國內(nèi)外油品靜電的檢測，主要檢測帶電油品的靜電電位。這種檢測存在難于實現(xiàn)在線監(jiān)測、安全控制略顯滯后、易受周圍構(gòu)件、環(huán)境、分布電容影響等問題。由于電荷密度更能反映油品帶電的本質(zhì)，而且受周圍條件的影響較小，所以選擇電荷密度作為油品靜電在線監(jiān)測參數(shù)是可行的。

3 油品靜電在線監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 油品靜電電荷密度監(jiān)測原理

管道內(nèi)的油品流動一般為湍流，油品電荷分布可視為均勻。由于管線長度遠(yuǎn)大于管道內(nèi)徑，因此可以將管道內(nèi)油品看成無限長帶電圓柱體，設(shè)油品的電荷密度為ρ，則管線橫斷面上的電位分布滿足：

式中：rV為管線斷面內(nèi)半徑為r處的電位，V；E為管線內(nèi)電場強(qiáng)度，V/m；r0為管線半徑(內(nèi)徑)，m；r為管線斷面內(nèi)任一點到圓心的距離，m。

金屬管道因接地，其電位為零，式(2)中的電場強(qiáng)度可由下式(高斯定理)求得：

式中：ρ為管線內(nèi)液體空間電荷密度，C/m3；ε=ε0εr為油品介電常數(shù)，F(xiàn)/m。

由(2)(3)可求得管線斷面上的電位分布為：

亦即：

一般測量管內(nèi)中心處的電位。這時r=0，由(5)可知：

則管內(nèi)中心電位V0與ρ有如下關(guān)系：

3.2 管道內(nèi)油品電荷密度測量

為了測量管內(nèi)中心電位，特設(shè)計了一種桿球傳感器，示意圖見圖1?；跅U球傳感器，開發(fā)了油品靜電監(jiān)測儀。如圖1所示，整個靜電監(jiān)測儀通過法蘭接入輸油管道，桿球傳感器的直桿部分通過絕緣密封組固定在連接孔上，球頭部分置于管道中央，當(dāng)液體在管道內(nèi)流動時，與管道絕緣的桿球被充電，電位逐漸升高，并開始向管壁泄漏。當(dāng)充電電流等于泄漏電流，達(dá)到充放電平衡時，桿球電位達(dá)到穩(wěn)定值。油品的帶電信息進(jìn)一步被采集、放大。

圖1 桿球傳感器示意圖Fig. 1 Schematic of rod ball sensor

靜電監(jiān)測儀經(jīng)特殊防爆設(shè)計，符合GB 3836.1-2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》和GB 3836.4-2010《爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》防爆標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 油品靜電在線監(jiān)測系統(tǒng)實驗

試驗系統(tǒng)：試驗設(shè)備包括帶油氣回收功能的靜電監(jiān)測儀、法拉第筒、ME284數(shù)字電荷量表、MLA900電導(dǎo)率儀和溫濕度計等。

油品電荷密度測試如圖2所示：帶油氣回收功能的靜電監(jiān)測儀(含油氣回收管線)，直接安裝于油氣回收膠管和加油槍之間，測試加油槍前端油流電荷密度；法拉第筒、ME284數(shù)字電荷量表測量加油槍口油流電荷密度。

對比表1中的數(shù)據(jù)可知，靜電監(jiān)測儀測試數(shù)據(jù)在數(shù)值上與法拉第筒測試的體電荷密度數(shù)值基本一致。說明靜電監(jiān)測儀可以對油流體電荷密度進(jìn)行檢測，可應(yīng)用于管輸油品的靜電體密度變化的監(jiān)測。

4 加油站油品靜電監(jiān)測應(yīng)用及分析

4.1 加油站靜電安全監(jiān)測

在全國各地選取了7個地區(qū)的加油站，開展管輸油品靜電在線監(jiān)測試驗。加油站檢測站點分布及現(xiàn)場測試方式分別如表2和圖3所示。

圖2 加油過程油品電荷密度對比測試示意圖Fig. 2 Schematic of testing oil electrostatic charge density before and after the self-closing oil fller

表1 加油槍前后油品電荷密度測試結(jié)果Table 1 Oil electrostatic charge density before and after the self-closing oil fller

表2 加油站靜電測試站點分布Table 2 The distribution of measured gas stations

圖3 加油站油品電荷密度現(xiàn)場測試圖Fig. 3 Photograph of measuring the oil charge density at gas stations

圖4 加油站油品電荷密度測試曲線Fig. 4 The oil charge density that measured while flling oils

4.2 數(shù)據(jù)分析

共計完成45站次的測試，收集了大量測試數(shù)據(jù)，選取兩個典型加油站測試數(shù)據(jù)見圖4。加油站加油設(shè)備通過跨接、接地、控制流速等措施，可以將油品電荷密度控制在較低的水平，如圖4a所示。但是部分加油站使用了絕緣膠管或者精細(xì)濾芯，油品靜電量較大(圖4b)[7]。由測試數(shù)據(jù)可知，有9站次加油站在測試試驗中出現(xiàn)了油品電荷密度超過30 μC/m3的現(xiàn)象，存在較大的靜電風(fēng)險。

5 結(jié)束語

(1)目前國內(nèi)外油品靜電安全管理多注重流速和流量的控制，但多起事故的發(fā)生表明，單一的流速和流量的要求無法滿足安全管理的需要。

(2)通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，基于高斯定理設(shè)計的油品靜電監(jiān)測儀可以實現(xiàn)油品管線電荷密度的在線監(jiān)測。

(3)通過加油站現(xiàn)場測試應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在安全流速的情況下，管線內(nèi)的靜電電荷密度依然存在過高的情況。

(4)基于管輸油流體電荷密度監(jiān)測技術(shù)，建立油流靜電在線監(jiān)測與聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，在加油站油流靜電起電突然加大的情況下采取停止裝卸等控制措施，避免油品靜電燃爆事故的發(fā)生，是油品靜電安全監(jiān)管的發(fā)展方向。

[1]HEARN G L, PIDOLL U, SMALLWOOD J M, et al. An assessment of electrostatic ignition hazards associated with fuel fow through plastic pipes at roadside flling stations[J]. Journal of Electrostatics, 2012, 70(2): 179-183.

[2]王振中, 張衛(wèi)華, 吳鋒棒. 自助加油站典型靜電事故案例分析及防范措施[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2013, 7(9): 169-173. [WANG Z Z, ZHANG W H, WU F B. Analysis and preventive measures on typical electrostatic accidents cases of self-service refueling stations[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2013, 7(9): 169-173.]

[3]WALMSLEY L. Electrostatic ignition hazards with plastic pipes at petrol stations[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2012, 25(2): 263-273.

[4]王浩, 江田漢, 周建新. 城市加油站火災(zāi)風(fēng)險分級研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2013, 6(9): 149-154. [WANG H, JIANG T H, ZHOU J X. Research on fre risk rank of city gas station[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2013, 6(9): 149-154.]

[5]田強(qiáng), 周紹騎, 劉凱, 等. 流速對管輸油品靜電的影響[J]. 油氣儲運, 2013, 32(02): 203-206. [TIAN Q, ZHOU S Q, LIU K, et al. Impact of fow rate on the static electricity of products in pipelining[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2013, 32(02): 203-206.]

[6]李義鵬, 劉全楨, 孫立富, 等. 油罐車卸油前靜置時間試驗[J]. 油氣儲運, 2015, 10(34): 1 077-1 079. [LI Y P, LIU Q Z, SUN L F, et al. Tests for holding time before unloading of oil tanker[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2015, 10(34): 1 077-1 079.]

[7]張云朋. 加油機(jī)濾芯對油品靜電起電的影響[J]. 安全、健康和環(huán)境, 2015, 24(5): 37-39. [ZHANG Y P. The infuence of fltrates for fuel dispensers on electrostatic performance of product oil[J]. Safety Health and Environment, 2015, 24(5): 37-39.]

[8]李義鵬, 孟鶴, 孫立富, 等. 大型車輛加油過程靜電危險因素的分析及試驗研究[J]. 石油庫與加油站, 2015, 24(1): 15-17. [ [LI Y P, MENG H, SUN L F, et al. Analysis on electrostatic risk factors of large vehicle refueling process[J]. Oil Depot and Gas Station, 2015, 24(1): 15-17.]

[9]孟鶴, 李義鵬, 劉全楨, 等. 油品裝卸過程靜電特性研究[J]. 安全、健康和環(huán)境, 2014, 14(11): 20-22. [MENG H, LI Y P, LIU Q Z, et al. Study on static properties during loading and unloading of oils[J]. Safety Health and Environment, 2014, 14(11): 20-22.]

Application of electrostatic safety monitoring techniques for oil transporting processes

LIU Quanzhen1,2, GAO Xin1,2, LI Liangliang1,2, LI Yipeng1,2, SUN Lifu1,2
1 SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Qingdao 266071, China
2 State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, Qingdao 266071, China

This paper analyzes cases of typical fre and explosion hazards from oil-fow static electricity during oil unloading and refueling processes to study electrostatic risk prevention and control measures. In order to test the effectiveness of the electrostatic risk prevention and control measures, an on-line static electricity monitoring instrument was designed and used to measure the oil charge density at gas stations. The test results showed that through establishing oil-fow chargemonitoring at gas stations based on electrostatic monitoring technology, blast accidents caused by static electricity could be avoided effectively.

oil transportation; electrostatic risk; explosion; on-line monitoring

2016-11-15

10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.043

(編輯 馬桂霞)

劉全楨, 高鑫, 李亮亮, 李義鵬, 孫立富. 油品輸送過程靜電風(fēng)險監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用. 石油科學(xué)通報, 2016, 03: 471-476

LIU Quanzhen, GAO Xin, LI Liangliang, LI Yipeng, SUN Lifu. Application of electrostatic safety monitoring techniques for oil transporting processes. Petroleum Science Bulletin, 2016, 03: 471-476. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.043

*通信作者, liuqz.qday@sinopec.com