董朝陽(yáng)，郭茂林，李國(guó)峰

(1.瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司， 四川 瀘州 646605； 2.中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院， 太原 030051)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

發(fā)射藥制造中的靜電在線檢測(cè)及消除

董朝陽(yáng)1，郭茂林2，李國(guó)峰1

(1.瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司， 四川 瀘州 646605； 2.中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院， 太原 030051)

為了保證發(fā)射藥生產(chǎn)安全，在雙基藥中添加含量為0.1%～0.2%的石墨，可使干燥結(jié)束時(shí)靜電電位降低到600 V左右；而采取增濕措施后，干燥結(jié)束時(shí)發(fā)射藥?kù)o電電位降低約70%。采用靜電在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)，能夠檢測(cè)準(zhǔn)確、響應(yīng)及時(shí)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥生產(chǎn)過(guò)程中靜電實(shí)時(shí)消除。

發(fā)射藥；靜電；在線檢測(cè)；靜電消除

靜電是一種客觀的自然現(xiàn)象，發(fā)射藥生產(chǎn)是個(gè)復(fù)雜多程序過(guò)程，如原材料分離、攪拌、輸送，成品包裝、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程[1]。生產(chǎn)工藝中，由于物料與工具、容器、設(shè)備、包裝材料等介質(zhì)的摩擦都會(huì)產(chǎn)生靜電[2]，而發(fā)射藥是電的不良導(dǎo)體且易燃易爆，由于發(fā)射藥及原材料自我釋放靜電的能力較差，就會(huì)導(dǎo)致大量的靜電不斷積累，因而極易受到靜電危害，造成燃燒、爆炸事故[3-4]。

發(fā)射藥制造工藝中，物料間相互摩擦就會(huì)產(chǎn)生靜電。同樣，物料流動(dòng)時(shí)與別的物體摩擦也會(huì)產(chǎn)生靜電，產(chǎn)生靜電的方式不是單一的，而是幾種方式共同作用的結(jié)果[5,6]。比較容易產(chǎn)生和積累危險(xiǎn)靜電的工序有:① 成型與切斷工序；② 驅(qū)溶與烘干工序；③ 混同與包裝工序；其中烘干工序在干燥發(fā)射藥過(guò)程中是靜電最易造成危害的操作工序。

國(guó)內(nèi)外消除靜電的方法主要有3類：泄露法、中和法與不產(chǎn)生靜電法[7]。在實(shí)際生產(chǎn)中主要采用泄露法，目前國(guó)內(nèi)發(fā)射藥生產(chǎn)行業(yè)主要采用手工作業(yè)的靜電檢測(cè)與消除方式，尚未出現(xiàn)靜電在線檢測(cè)與自動(dòng)消除技術(shù)，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)靜電在線檢測(cè)與實(shí)時(shí)消除研究以促進(jìn)實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥自動(dòng)化生產(chǎn)就顯得十分必要。本研究以各類發(fā)射藥通用的烘干工序?yàn)檠芯繉?duì)象，采用本質(zhì)安全的靜電檢測(cè)傳感器，結(jié)合EST-405新型靜電電位檢測(cè)儀與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))，將靜電電位在線檢測(cè)與監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警及消除功能結(jié)合在一起，保證安全生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 發(fā)射藥生產(chǎn)工藝中靜電消除試驗(yàn)

測(cè)試幾種發(fā)射藥的靜電感度，確定其對(duì)靜電的敏感程度；測(cè)試幾種不同發(fā)射藥黃藥的靜電電位及感度；測(cè)試發(fā)射藥黃藥在靜止和翻動(dòng)情況下的靜電電位；測(cè)試發(fā)射藥在是否加導(dǎo)電劑(石墨)情況下的靜電電位；測(cè)試發(fā)射藥在工房是否增濕情況下的靜電電位。

1.2 發(fā)射藥生產(chǎn)工藝中靜電在線檢測(cè)試驗(yàn)

發(fā)射藥生產(chǎn)工藝中，靜電危害最主要集中在烘干及其以后的工序，本試驗(yàn)在烘干工房設(shè)置了靜電在線檢測(cè)與消除系統(tǒng)。系統(tǒng)分為3路靜電檢測(cè)，分別位于3個(gè)盆式烘干機(jī)中距發(fā)射藥面1 cm處，3路靜電監(jiān)測(cè)均采用EST-405靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最后通過(guò)A/D輸入計(jì)算機(jī)顯示，工作示意圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射藥烘干工序靜電監(jiān)測(cè)工作示意圖

2 結(jié)果分析與討論

2.1 發(fā)射藥及主要原材料靜電測(cè)試結(jié)果及分析

發(fā)射藥是電的不良導(dǎo)體，當(dāng)未采取有效措施時(shí)，會(huì)使靜電荷積聚，這種積聚的電荷表現(xiàn)出很高的靜電電位(最高可達(dá)幾萬(wàn)伏)，一旦存在放電條件，就會(huì)產(chǎn)生火花。當(dāng)放電火花的能量大于發(fā)射藥的最小發(fā)火能量時(shí)，就會(huì)發(fā)生著火及爆炸事故。在生產(chǎn)過(guò)程中構(gòu)成靜電危害的條件易形成且容易被忽視，因靜電造成的燃燒、爆炸事故瞬間發(fā)生，因此需明確發(fā)射藥生產(chǎn)過(guò)程中物料、半成品、產(chǎn)品的靜電感度、安全的靜電電位的數(shù)值以及生產(chǎn)過(guò)程中各工序靜電要求的安全值。

從表1的數(shù)據(jù)可看出，常用發(fā)射藥及原材料的靜電感度都比較高，對(duì)靜電比較敏感。同時(shí)發(fā)射藥在生產(chǎn)過(guò)程中，在制物料量一般比較大，易發(fā)生靜電危害。盡管在生產(chǎn)過(guò)程中常見發(fā)射藥及常用原材料產(chǎn)生靜電的能量都很小，但帶電體的電容可能在很大范圍變化，而電壓U與電容C和電量Q的關(guān)系式為：U=Q/C，容易產(chǎn)生尖端放電[8]。

根據(jù)電荷積累電壓方程[7]

式中：U為電荷積累電壓；K為單位時(shí)間產(chǎn)生的電量；R為放電電阻；t為放電時(shí)間；C為靜電電容；R越大，電荷積累電壓U越大；反之，若設(shè)備或裝置接地良好，R越小，則靜電積累不起來(lái)。

靜電引起燃燒和爆炸，必須具備以下條件：① 產(chǎn)生火花放電的電壓；② 有能引起火花放電的合適間隙；③ 有爆炸性混合物；④ 放電火花有足夠能量[9]。發(fā)射藥生產(chǎn)過(guò)程靜電的消除一般以控制靜電的積累為主要手段。

表1 常用發(fā)射藥及主要原材料的靜電感度

注：試驗(yàn)以50%的發(fā)火率計(jì)算，放電電容為0.22 μF，放電間隙為1.2 mm。

2.2 有無(wú)翻動(dòng)情況下不同發(fā)射藥黃藥?kù)o電測(cè)試結(jié)果及分析

針對(duì)發(fā)射藥生產(chǎn)工藝通用的烘干工藝，以幾種不同發(fā)射藥為研究對(duì)象，進(jìn)行了多次超長(zhǎng)時(shí)間盆式烘干靜電電位積累試驗(yàn)，取其中有效數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到多種發(fā)射藥在有無(wú)翻動(dòng)情況下的靜電電位平均值如表2所示。

表2 不同發(fā)射藥在烘干過(guò)程中有無(wú)翻動(dòng)情況下的靜電情況

從表2的數(shù)據(jù)可以看出發(fā)射藥藥粒在烘干過(guò)程中，靜電電位隨著藥粒的翻動(dòng)逐漸增加，在出料時(shí)達(dá)到較高電位(2 000～2 700 V)，約為靜止干燥時(shí)的35～44倍；并且隨著發(fā)射藥組分中硝化甘油含量的增加，所產(chǎn)生的靜電電位增大。主要是由于藥粒干燥和藥粒之間的摩擦以及發(fā)射藥導(dǎo)電性的不良，產(chǎn)生靜電的集聚。導(dǎo)體發(fā)射藥物料靜電感度很高，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)因翻動(dòng)產(chǎn)生大量靜電，靜電最為可怕的危險(xiǎn)是產(chǎn)生爆炸和火災(zāi)[10-12]。

2.3 是否加導(dǎo)電劑的情況下發(fā)射藥電位測(cè)試結(jié)果及分析

靜電消除的方法主要有3類：泄露法、中和法及不產(chǎn)生靜電。為考察導(dǎo)電劑對(duì)發(fā)射藥干燥工序發(fā)射藥?kù)o電的影響，測(cè)試了發(fā)射藥黃藥和加石墨藥在翻動(dòng)狀態(tài)和烘干出料過(guò)程中的靜電電位，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 發(fā)射藥粒石墨加否干燥靜電對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，對(duì)比添加導(dǎo)電劑石墨與未加石墨，其他生產(chǎn)條件相同的情況下，發(fā)射藥干燥過(guò)程中添加石墨對(duì)靜電電位影響很大，添加石墨明顯提高了發(fā)射藥的導(dǎo)電性。在大、小粒雙基藥中分別添加0.1%和0.2%含量的石墨，均可使干燥結(jié)束時(shí)靜電電位降低到600 V左右。在目前盆式烘干靜電電位積累試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，發(fā)射藥在達(dá)到一定的電位(3 800 V)時(shí)，靜電電位就不再明顯增加且發(fā)射藥未發(fā)生燃燒，因此烘干工房靜電位警報(bào)值就以此為標(biāo)準(zhǔn)。相比于生產(chǎn)中所要求的安全靜電閾值(3 800 V)，生產(chǎn)工藝中添加適量導(dǎo)電劑時(shí)可視為基本消除了靜電。

2.4 工房是否增濕情況下發(fā)射藥?kù)o電測(cè)試結(jié)果及分析

當(dāng)空氣濕度提高時(shí)，空氣中的水分子作熱運(yùn)動(dòng)撞擊到物質(zhì)表面的幾率增大，水分子容易被物體吸收或者附著在表面，形成一層很薄的水膜，由于水分子的強(qiáng)極性以及溶解在水中雜質(zhì)的作用，可大大降低物體的表面電阻率。為研究工房增濕對(duì)發(fā)射藥干燥過(guò)程中的靜電影響，以探究增濕是否能有效降低發(fā)射藥?kù)o電，試驗(yàn)通過(guò)在干燥工房增濕，控制干燥工房?jī)?nèi)的濕度，測(cè)試發(fā)射藥黃藥在干燥完畢狀態(tài)下的靜電電位，并對(duì)照未采取增濕措施時(shí)的發(fā)射藥干燥完畢狀態(tài)下靜電電位，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

由表4數(shù)據(jù)可知，在發(fā)射藥生產(chǎn)過(guò)程中采取工房增濕措施后，相比于未采取措施的靜電電位(3 300 V左右)，干燥完畢的發(fā)射藥?kù)o電電位(1 000 V左右)降低了約70%，表明工房增濕能明顯消除發(fā)射藥?kù)o電。對(duì)不同火炸藥進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明環(huán)境濕度在60%～80%范圍比較適宜。

表4 工房增濕與否干燥完畢的發(fā)射藥?kù)o電電位對(duì)比

2.5 發(fā)射藥制造工藝中靜電在線監(jiān)測(cè)分析

使用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行在線檢測(cè)與控制時(shí)，系統(tǒng)一旦實(shí)時(shí)測(cè)得某處?kù)o電電位超過(guò)預(yù)警值(試驗(yàn)測(cè)定為3 800 V)，系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)點(diǎn)位靜電超標(biāo)警示信號(hào)(聲、光報(bào)警)，計(jì)算機(jī)DCS系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令，停止烘干設(shè)備運(yùn)作，并立即啟動(dòng)安全雨淋；當(dāng)系統(tǒng)測(cè)得靜電電位超過(guò)安全值(2 000 V)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)點(diǎn)位靜電超標(biāo)警示信號(hào)(聲、光報(bào)警)，停止烘干風(fēng)機(jī)送熱風(fēng)，并立即啟動(dòng)增濕風(fēng)機(jī)往該處噴淋蒸汽增濕，以消除該處?kù)o電到設(shè)定的安全許可范圍，警示信號(hào)解除，系統(tǒng)恢復(fù)到待機(jī)狀態(tài)，生產(chǎn)線重新運(yùn)行，保證生產(chǎn)的安全。控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 發(fā)射藥烘干工序靜電檢測(cè)及控制系統(tǒng)框圖

試驗(yàn)中發(fā)射藥的導(dǎo)靜電預(yù)處理設(shè)備由加料斗、定量螺桿石墨加料機(jī)和混合攪拌器組成。采用EST405在線靜電檢測(cè)儀，通過(guò)非接觸式靜電電壓檢測(cè)技術(shù)測(cè)試了干燥過(guò)程中石墨含量不同時(shí)發(fā)射藥藥粒的靜電電位，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 發(fā)射藥干燥過(guò)程中靜電電位的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

發(fā)射藥在烘干過(guò)程中，藥粒翻動(dòng)產(chǎn)生大量靜電，在出料時(shí)靜電電位約為靜止干燥時(shí)的35～44倍。采用添加導(dǎo)電劑、工房增濕等措施能夠明顯降低發(fā)射藥?kù)o電電位，達(dá)到有效消除靜電的目的。在雙基藥中添加含量為0.1%～0.2%的石墨，可使干燥結(jié)束時(shí)靜電電位降低到600 V左右；而采取增濕措施后，干燥結(jié)束時(shí)發(fā)射藥?kù)o電電位可降低約70%。

采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射藥?kù)o電進(jìn)行在線監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警和應(yīng)急處理，能直觀顯示發(fā)射藥制造工藝過(guò)程靜電狀況，即時(shí)處理因靜電過(guò)高導(dǎo)致的緊急狀況，系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射藥生產(chǎn)作業(yè)靜電在線檢測(cè)和消除。本研究可用于單基發(fā)射藥(含溶劑回收)制造、雙基發(fā)射藥和混合酯制造、球扁藥生產(chǎn)后處理、火工品藥劑制造工藝過(guò)程。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Online Detecting and Elimination of Electrostatic Charge in Propellant Manufacturing Process

DONG Chao-yang1, GUO Mao-lin2， LI Guo-feng1

(1.Luzhou North Chemical Industries Co., Ltd., Luzhou 646605, China; 2.School of Chemical and Environmental Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

To ensure the safety of propellant production, with the addition of 0.1%～0.2% of graphite, the electrostatic potential values of double-base propellant after the drying process are reduced to 600 V; while the electrostatic values of propellant electro are reduced by about 70% after taking the humidifying measures. With accurate detecting and punctual response, the electrostatic charge online detecting and control system can achieve in-time elimination of electrostatic charge during propellant manufacturing process.

propellant; electrostatic charge; online detecting; elimination of electrostatic charge

2016-12-29；

2017-01-25 作者簡(jiǎn)介：董朝陽(yáng)(1967—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事發(fā)射藥工藝技術(shù)研究。

郭茂林(1991—)，男，研究生，主要從事發(fā)射藥工藝及性能研究。

10.11809/scbgxb2017.05.006

format:DONG Chao-yang, GUO Mao-lin，LI Guo-feng.Online Detecting and Elimination of Electrostatic Charge in Propellant Manufacturing Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):27-30.

TJ55

A

2096-2304(2017)05-0027-04

本文引用格式：董朝陽(yáng)，郭茂林，李國(guó)峰.發(fā)射藥制造中的靜電在線檢測(cè)及消除[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(5):27-30.