衛(wèi)水愛, 白春華

(1. 北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室, 北京 100081; 2. 兵器工業(yè)安全技術研究所, 北京 100053)

1 引 言

靜電放電是引發(fā)火炸藥燃燒爆炸事故的重要致災源,某軍工企業(yè)曾經(jīng)在單基發(fā)射藥混同工序由于靜電放電造成了27人死亡的嚴重事故[1]。料倉作為事故高發(fā)設備,防止其靜電放電是重要研究方向。料倉的靜電放電有兩種,一是料倉的火花放電,可通過接地消除該風險。二是粉堆場強超過空氣擊穿閾值的錐形放電,可通過實時獲取靜電場強,并限制其不超過空氣擊穿閾值消除該風險。

靜電場強的獲取方法有兩種,一是靜電場強監(jiān)測方法,有學者對奧克托今(HMX)的靜電進行了監(jiān)測[2]研究,但尚未見到監(jiān)測準確性、有效性的研究報道。二是孫可平等[3]提出的以電荷量為參量、仿真計算為手段的方法,其關鍵是靜電電荷量的監(jiān)測。電荷量的監(jiān)測有法拉第筒法和感應電流積分法。法拉第筒法已應用多年,許多學者采用該方法測量了含能材料的靜電電荷量[4-6]。感應電流積分法是作者研究開發(fā)的[7],通過測量料倉內壁的感應電流,并對其積分,根據(jù)本研究設計并建立了實驗裝置,采用代用材料方式,對靜電場強監(jiān)測、法拉第筒和感應電流積分靜電電荷量監(jiān)測三種方法進行了對比實驗,開展了數(shù)據(jù)準確性、監(jiān)測系統(tǒng)安全性、靜電放電風險判定的可靠性分析研究,得出適用于火炸藥研制生產(chǎn)過程的靜電帶電監(jiān)測方法,為防止火炸藥粉體放電提供監(jiān)測手段。

2 實驗

2.1 靜電場強監(jiān)測實驗

2.1.1 裝置與儀器

實驗裝置包括三個部分: 滑槽、料倉、10只靜電場強傳感器,組成如圖1所示。

圖1 靜電場強監(jiān)測實驗裝置示意圖

1—粉體容器, 2—滑槽, 3—料倉, 4—靜電場強傳感器

Fig.1 Schematic diagram of testing device for electrostatic field strength 1—container of powder, 2—chute, 3—storage bin, 4—electrostatic field strength probe

滑槽用于粉體的靜電起電,材料采用304#不銹鋼,長度1000 mm,寬度300 mm,傾斜角度0～60°連續(xù)可調; 料倉為單層結構并直接接地,用于經(jīng)滑槽帶電的粉體堆積儲存,材料采用304#不銹鋼,直徑300 mm,高度300 mm,在其側壁和底部分別等距設置由大孔徑絕緣網(wǎng)封堵的4個測量孔,孔直徑30 mm,每個測量孔處均安裝傳感器,料倉內部安裝的傳感器,一只為固定安裝方式,距底部距離為300 mm,另一只為移動式,始終保持與粉堆表面10 mm的距離。傳感器為兵器工業(yè)靜電檢測中心研制,測量方式為非接觸式,場強監(jiān)測范圍為10～100000 kV·m-1,直徑10 mm,其標定測量距離10 mm。

為保證實驗結果的可靠性,實驗裝置建立在人工環(huán)境實驗室內,溫度為18～22 ℃,濕度為30%RH～40%RH。同時實驗前對測試裝置進行擦拭、清洗并保持干燥。

2.1.2 實驗樣品

由于在實驗過程中可能發(fā)生靜電放電,為保障實驗安全,樣品選取與典型火炸藥絕緣電阻、起電規(guī)律相近的代料進行,由于場強分布決定于電荷量和設備尺寸,代料不影響實驗結果,代料為聚氯乙烯粉體,粉體直徑3～5 mm,體積電阻率1014Ω·m。為保證粉體物料起電不受粉體水分影響,實驗前將樣品在50 ℃烘干箱內烘干5 h,然后再存放于人工環(huán)境實驗室內24 h后進行實驗。

2.1.3 實驗過程

將13 kg試驗樣品加入滑槽上方的容器中,打開容器閘門,使粉體均勻流入滑槽,經(jīng)摩擦帶電后進入料倉形成堆積,在粉體堆積高度h分別為25,50,100,125,150,200 mm時,記錄固定安裝和可移動式傳感器的測量值; 在粉體堆積高度h為200 mm時,記錄10只傳感器的測量值。按上述方法重復10次實驗。

2.2 法拉第筒法和電流積分法靜電電荷量監(jiān)測對比實驗

2.2.1 裝置與儀器

法拉第筒與感應電流積分兩種靜電電荷量監(jiān)測方法對比實驗裝置如圖2所示。

雙分支式滑槽用于摩擦起電,且保證分別進入法拉第筒料倉和低電阻接地料倉的粉體物料經(jīng)歷相同的流動距離,滿足相同的靜電起電條件,材料采用304#不銹鋼,長度分別為1000 mm,寬度300 mm,傾斜角度0～60°連續(xù)可調。法拉第筒料倉用于收集經(jīng)滑槽分支Ⅰ的粉體,并連接至電荷量表進行靜電電荷量監(jiān)測,材料采用304#不銹鋼,外筒直徑400 mm; 內筒直徑300 mm,內筒接地電阻>1014Ω,與電荷量表之間由屏蔽電纜連接,料倉下部安裝粉體質量測量系統(tǒng),用于實時監(jiān)測進入料倉的粉體質量,測量范圍0～100 kg。低電阻接地料倉用于收集經(jīng)滑槽分支Ⅱ的粉體,并連接至感應電流積分靜電電荷量測試儀進行靜電電荷量監(jiān)測,為雙層結構,材料采用304#不銹鋼; 外筒接地,直徑400 mm; 內筒直徑300 mm,接地電為1 kΩ,料倉下部安裝粉體質量測量系統(tǒng),用于實時監(jiān)測進入料倉的粉體質量,測量范圍0～100 kg。接觸式靜電電壓表用于測量法拉第筒料倉內筒的電壓,型號為Q3V,測量范圍3～100 kV。感應電流積分法電荷量測試儀為作者自行研制[7],測量范圍為1 nC～100 μC。電容表用于測量料倉的電容,型號為LC型,測量范圍1 pF～200 μF。電壓表測量范圍0.01～100 V,用于測量低電阻接地料倉的電壓。紫外光成像儀為Doycar型,光譜范圍200 mm～400 nm。

圖2 靜電電荷量監(jiān)測實驗裝置示意圖

1—電容表, 2—紫外光成像儀, 3—接觸式靜電電壓表, 4—法拉第筒料倉, 5—電荷量表, 6—滑槽雙分支Ⅰ, 7—滑槽雙分支Ⅱ, 8—電壓表, 9—粉體質量測量系統(tǒng), 10—低電阻接地料倉, 11—感應電流積分靜電電荷量測試儀, 12—計算機

Fig.2 Schematic diagram of electrostatic charge quantity monitoring test device

1—capacitance table, 2—ultraviolet imager, 3—contact electrostatic voltmeter, 4—Faraday cylinder storage bin, 5—charge scale, 6—chute double branch Ⅰ, 7—chute double branch Ⅱ, 8—voltmeter, 9—powder quality measurement system, 10—low resistance grounding storage bin, 11—electrostatic charge induced current integral tester, 12—computer

為保證實驗結果的可靠性,實驗環(huán)境溫度、濕度與靜電場強監(jiān)測實驗相同,并對電容表、接觸式靜電電壓表進行標定。

2.2.2 實驗樣品

采用與靜電場強監(jiān)測實驗相同的代料樣品及前處理方法。

2.2.3 實驗過程

采用電容表測量法拉第筒電容值并進行記錄,然后將26 kg試驗樣品注入滑槽上部的儲存料斗中,打開放料閘門,使粉體均勻流經(jīng)滑槽的兩個分支后分別流入法拉第筒料倉和低電阻接地料倉,在料倉中粉體粉體質量為1,2,4,6,8,10,12 kg時,進行數(shù)據(jù)記錄。記錄Q3V的測量電壓,根據(jù)Q=CU,計算獲得法拉第筒料倉粉體的靜電電荷量,當粉堆高度為200 mm,采用一個直徑為10 mm的接地金屬球靠近并接觸內筒,用紫外成像儀拍攝放電圖像,并根據(jù)W=CU,計算法拉第筒料倉可能發(fā)生的火花放電能量; 記錄感應電流積分靜電電荷量測試儀數(shù)據(jù),獲得低電阻料倉中粉體的靜電電荷量,記錄電壓表測量值,獲得該料倉的電壓值。重復10次上述實驗并記錄數(shù)據(jù)。

3 結果與討論

3.1 靜電場強實驗結果與討論

3.1.1 場強傳感器安裝方式對粉堆表面場強監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性的影響

粉體堆積高度h分別為25,50,100,125,150,200 mm時,固定安裝和可移動安裝方式靜電場強監(jiān)測數(shù)據(jù)10次平均值,結果如圖3所示。

圖3 不同方式監(jiān)測的靜電場強

Fig.3 Electrostatic field strength obtained by difference monitoring mode

由圖3可見,不同的粉堆高度,傳感器固定安裝方式獲得的場強數(shù)值均遠遠低于可移動方式的測量值,如在料倉中粉堆高度為100 mm時,可移動方式的測量值為1540 kV·m-1,而固定安裝方式的測量值為80kV·m-1,兩者相差近20倍; 在料倉中粉堆高度為200 mm時,可移動方式的測量值為2160 kV·m-1,而固定安裝方式的測量值為460 kV·m-1,兩者相差近5倍。原因是由于靜電場強傳感器是非接觸式測量,當粉堆表面電位U為一定值時,根據(jù)U=Ed,場強的數(shù)值與傳感器和粉堆之間的距離密切相關,當兩者距離為標定距離時,測量值應為真實場強,距離增大時,測量值將小于真實值?？梢苿臃绞絺鞲衅魇冀K保持與粉堆表面距離為標定距離,其測量數(shù)據(jù)應為真實場強; 而當粉堆高度分別為100 mm和200 mm時,固定安裝方式傳感器距粉堆表面的實際距離分別為200 mm和100 mm,遠大于標定距離,因此測量數(shù)據(jù)小于真實場強,固定安裝場強傳感器的方式不能實現(xiàn)對靜電場強的準確測量。

3.1.2靜電場強在料倉不同部位的分布規(guī)律

粉體堆積高度為200 mm時,粉堆表面、料倉側壁和底部的靜電場強10次平均值的實驗結果見表1。

表1 可移動方式監(jiān)測不同部位的靜電場強

Table 1 Electrostatic field strength of moved mode monitoring at different position

positionfieldstrength/kV·m-1surface2160side12614bottom14709

由表1可見,在料倉中粉堆高度為200 mm時,靜電場強在粉堆表面、料倉側壁和底部出現(xiàn)不同的分布規(guī)律和數(shù)值,最大靜電場強值出現(xiàn)在料倉底部,粉堆表面的靜電場強僅為料倉底部場強的1/7。

這是因為根據(jù)靜電場強疊加原理:點電荷系電場中某點總場強等于各點電荷單獨存在時在該點產(chǎn)生的場強矢量和。將料倉內每個粉體顆粒看作是點電荷,料倉內粉體點電荷的總量相等,但距粉堆表面、料倉側壁和底部的距離不同,且料倉側壁和底部為接地金屬物,將引起場強畸變,導致料倉中底部場強最大、表面場強最小。因此如果僅在粉堆表面安裝靜電場傳感器,將不能實時監(jiān)測到料倉中某處可能出現(xiàn)的最大場強,該種安裝方法對于判定靜電放電風險存在重大隱患。

3.2 法拉第筒法和感應電流積分法靜電電荷量監(jiān)測實驗結果與討論

3.2.1 兩種靜電電荷量測量方法數(shù)據(jù)一致性的分析

采用法拉第筒法和感應電流積分法對粉體靜電進行測量,結合質量監(jiān)測數(shù)據(jù),重復10次平均值的實驗結果見表2。

表2 不同方法監(jiān)測的靜電電荷量

Table 2 Electrostatic charge quantity of difference mode monitoring

FaradaycylindermethodM/kgQ/μC(Q/M)/μC·kg-1inducedcurrentintegralchargequantitymonitoringmethodM/kgQ/μC(Q/M)/μC·kg-11．000．810．810．900．720．812．101．650．812．401．940．813．803．000．794．003．150．796．004．860．815．704．620．818．106．490．808．606．860．8010．208．170．809．807．840．8012．109．800．8111．909．650．81

Note:Mis the mass of powder;Qis the charge of powder;Q/Mis the charge-mass ratio.

由表2可見,兩種監(jiān)測方法均可實時監(jiān)測料倉中粉體的靜電電荷,靜電電荷量隨粉體質量的增加呈現(xiàn)線性增長; 當料倉內粉體集聚到一定質量時,讀取兩個料倉的測量數(shù)據(jù),此時進入兩個料倉的粉體質量略有差別,靜電電荷量也相應變化,換算成荷質比,則兩者完全相同,說明兩種監(jiān)測方法均可準確、實時地監(jiān)測靜電電荷量。

3.2.2 兩種靜電電荷量監(jiān)測方法安全性評估

法拉第筒料倉的電容為190 pF,當粉堆高度為200 mm,兩個料倉的靜電電壓測量結果見表3,采用接地金屬球靠近法拉第筒料倉,用紫外成像儀拍攝的放電圖像見圖4。

表3 不同料倉內筒的靜電電壓

Table 3 Electrostatic voltage of inner cylinder for difference storage bin

measurementofFaradaycylindermassofpowder/kgvoltageofinnercylinder/VMeasurementoflowresistentcurrentmassofpowder/kgvoltageofinnercylinder/V1．0042630．900．022．1086842．400．033．80157904．000．056．00255805．700．078．10341608．600．0810．20430009．800．112．105150011．900．1

圖4 法拉第筒內筒火花放電紫外成像

Fig.4 Faraday inner cylinder spark discharge ultraviolet imaging

4 結 論

(1) 采用代用材料實驗結果表明,采用粉堆表面安裝固定式靜電場強傳感器的監(jiān)測方式,當粉堆高度為100 mm時,監(jiān)測值與真實場強相差近20倍; 粉堆高度為200 mm時,兩者相差近5倍。粉堆高度為200 mm時,粉堆最大場強出現(xiàn)在料倉底部,粉堆表面監(jiān)測到的場強為底部場強的1/7。因此,目前火炸藥生產(chǎn)過程中采用的在粉堆表面安裝固定式靜電場強傳感器的監(jiān)測方法,不能準確監(jiān)測到粉堆的真實場強數(shù)據(jù)、不能獲取到最大場強,從而不能可靠判定靜電放電風險。

(2) 法拉第筒法和感應電流積分法兩種監(jiān)測方法測量數(shù)據(jù)基本相同,說明兩種監(jiān)測方法均可準確、實時地監(jiān)測料倉中粉體的靜電電荷量。

(3) 采用法拉第筒法進行靜電電荷量監(jiān)測時,當粉堆高度為200 mm時,料倉發(fā)生火花放電的能量達到237.5 mJ; 而采用電流積分法監(jiān)測時,料倉最大電位僅為0.1 V。因此采用法拉第筒法進行靜電電荷量監(jiān)測存在燃燒爆炸危險,不適用于火炸藥研制生產(chǎn)過程中的靜電災害預警監(jiān)測。感應電流積分法具有較好的測量特性及安全性,適用于火炸藥研制生產(chǎn)過程中的靜電災害監(jiān)測預警。

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