崔守志，楊紹軍，李春華，曲 強(qiáng)，韓 銳

（1.神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.北京燕化正邦設(shè)備檢修有限公司，北京 102599）

0 引言

20 世紀(jì)90 年代起，國內(nèi)聚烯烴產(chǎn)品料倉靜電著火、爆炸事故頻繁反生，主要是因?yàn)榛に芰霞庸I(yè)發(fā)展過快，防靜電安全標(biāo)準(zhǔn)落后于生產(chǎn)需求。

某煤化工聚烯烴裝置年產(chǎn)30 萬噸聚乙烯和30 萬噸聚丙烯顆粒，工藝路線分別是Unipol 和Dow 化學(xué)公司的工藝包，產(chǎn)品料倉原始設(shè)計(jì)和安裝使用的是某進(jìn)口品牌的音叉料位開關(guān)。該煤化工企業(yè)于2010 年正式商業(yè)化運(yùn)行，2014年公司依據(jù)《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50813-2012》[1]和對(duì)周邊煤化工企業(yè)調(diào)研后，決定對(duì)產(chǎn)品料倉進(jìn)行靜電消除改造。

1 原始設(shè)計(jì)

聚烯烴裝置有24 個(gè)聚烯烴顆粒料倉和2 個(gè)顆粒接收料倉，原設(shè)計(jì)料倉高位料位開關(guān)選用的是某進(jìn)口品牌的音叉開關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)料倉料位高報(bào)警和高高報(bào)警，共計(jì)32 臺(tái)[3]。

1.1 音叉開關(guān)原理

音叉開關(guān)的工作原理是通過安裝在音叉基座上的一對(duì)壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動(dòng)。當(dāng)音叉開關(guān)的音叉與被測(cè)介質(zhì)相接觸時(shí)，音叉的頻率和振幅將改變，音叉開關(guān)的這些變化由智能電路來進(jìn)行檢測(cè)，處理并將之轉(zhuǎn)換為一個(gè)開關(guān)信號(hào)，如圖1 所示。

圖1 音叉開關(guān)Fig.1 Tuning fork switch

圖2 靜電起電—放電過程Fig.2 Electrostatic electrification - discharge process

1.2 物體靜電產(chǎn)生的原因

物體的靜電釋放是起電——放電（ESD）的過程，一般具有高電位、強(qiáng)電場(chǎng)和寬帶電磁干擾等特點(diǎn)。與一般常規(guī)電能量相比，靜電能量雖然較小，但瞬間釋放的功率卻十分巨大，瞬間大電流集中釋放，有可能導(dǎo)致易燃易爆物質(zhì)燃燒，甚至爆炸，還會(huì)形成強(qiáng)電磁脈沖，會(huì)對(duì)微電子設(shè)備造成電磁干擾和浪涌效應(yīng)，如圖2 所示。

從圖2 可以看出，靜電放電過程其峰值電流可達(dá)數(shù)十安培，靜電放電（包括接觸放電和空氣放電）對(duì)電路的干擾和對(duì)元器件的影響，尤其是對(duì)電磁場(chǎng)效應(yīng)元器件造成極大的破壞，這種破壞越來越引起人們的重視和關(guān)注。

1.2.1 靜電感應(yīng)

如果一個(gè)帶電體靠近一個(gè)中性導(dǎo)體，那么靜電場(chǎng)會(huì)使中性導(dǎo)體上一直處于平衡狀態(tài)下的電荷分離，距離帶電體最遠(yuǎn)的導(dǎo)體表面上出現(xiàn)與帶電體上電荷極性相同的電荷，而在距離帶電體最近的導(dǎo)體表面上出現(xiàn)與帶電體上電荷極性相反的電荷。

1.2.2 摩擦起電

圖3 料倉料位開關(guān)安裝位置圖Fig.3 Location of the silo level switch installation

圖4 音叉開關(guān)技術(shù)規(guī)格Fig.4 Tuning fork switch specifications

當(dāng)兩種物體互相摩擦?xí)r，由于電子和離子的親和性不同，將會(huì)引起兩個(gè)物體間的電子和離子移動(dòng)，形成一方帶負(fù)電荷，另一方帶正電荷。當(dāng)兩個(gè)物體分開時(shí)，又會(huì)使一部分的負(fù)電荷和正電荷再次結(jié)合，但還是會(huì)有一部分電荷殘留。那么殘留的電荷量越大，產(chǎn)生的靜電量則越大，殘留的電荷量多少由物體的絕緣性決定。

1.3 音叉開關(guān)技術(shù)要求

音叉開關(guān)安裝方向與水平位置成20°夾角，法蘭面距離料倉外壁150mm，音叉長度500mm，插入深度705mm，如圖3、圖4 所示。

1.4 存在的問題

1）音叉開關(guān)插入料位內(nèi)過長，不滿足《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

2）音叉開關(guān)外部沒有防靜電涂層，不滿足《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

3）低密度聚乙烯最小點(diǎn)火能量小于10MJ，聚丙烯最小點(diǎn)火能量小于30MJ，伸進(jìn)料倉內(nèi)檢測(cè)料位和報(bào)警的傳感器應(yīng)選用防靜電型，某品牌音叉開關(guān)無防靜電認(rèn)證，不滿足《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

4）料倉內(nèi)粉塵濃度較高，在高料位時(shí)音叉開關(guān)可能在一定的條件下引起高能放電，從而引發(fā)料倉內(nèi)粉塵燃爆，不滿足《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

1.5 粉體料倉防靜電料位計(jì)設(shè)計(jì)要求

依據(jù)《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)料位計(jì)的要求如下：

1）6.1.1：對(duì)報(bào)警頻率較高或料倉內(nèi)雜混粉塵最小點(diǎn)火能小于30MJ 的場(chǎng)合，伸進(jìn)料倉內(nèi)檢測(cè)料位和報(bào)警的傳感器應(yīng)選用防靜電型。

2）由倉頂垂直伸進(jìn)料倉的傳感器，其電極的形狀與尺寸應(yīng)選用不產(chǎn)生火花放電的形式，或采用不會(huì)引起火花放電的材料進(jìn)行表面保護(hù)。

3）6.1.3：水平或傾斜方式伸進(jìn)料倉的傳感器（包括傳感器上方的保護(hù)板），當(dāng)伸進(jìn)倉內(nèi)徑向尺寸大于100mm 時(shí)。

4）5.0.6：伸進(jìn)料倉內(nèi)的徑向尺寸不宜超過100mm，不得有尖角。伸進(jìn)料倉內(nèi)的徑向尺寸超過100mm，表面應(yīng)做防靜電處理[1]。

2 防靜電型料位開關(guān)

依據(jù)《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50813-2012》和對(duì)周邊煤化工企業(yè)調(diào)研后，決定使用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的防靜電UL 型阻移式料位開關(guān)進(jìn)行改造更換。

2.1 工作原理

UL 型物位計(jì)采用擺動(dòng)式傳動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)物料使檢測(cè)板受阻時(shí)，主軸停轉(zhuǎn)，電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，壓動(dòng)撥叉張開，使微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，繼電器觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換，發(fā)出料面信號(hào)，同時(shí)切斷電機(jī)電源。

當(dāng)物位下降時(shí)，檢測(cè)板的阻力消失，脫扣器恢復(fù)原位，電機(jī)恢復(fù)工作，發(fā)出物位未檢測(cè)到信號(hào)，儀表又處于檢測(cè)狀態(tài)。當(dāng)用于測(cè)量物位變化緩慢的場(chǎng)合時(shí)，可在物位儀表內(nèi)加裝定時(shí)器模塊，讓儀表的檢測(cè)板處于間隙工作狀態(tài)，這樣可以降低電機(jī)的功耗和磨損，有效地延長儀表的使用壽命，如圖5 所示。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

1）具有防粉塵認(rèn)證。

2）縮短徑向長度，徑向長度小于100mm。

3）料位開關(guān)插入倉內(nèi)部分噴涂F46 聚全氟乙丙烯材料。

詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1[2]。

2.3 聚全氟乙丙烯（簡稱F46）的性能及參數(shù)

聚全氟乙丙烯既有聚四氟乙烯相似的物理化學(xué)性能，又有熱塑性塑料的良好加工性能，而且本身具有一定阻燃性。因此，彌補(bǔ)了聚四氟乙烯加工困難的缺點(diǎn)，成為替代聚四氟乙烯的另一種材料。

圖5 阻移式料位開關(guān)Fig.5 Resistive level switch

2.3.1 電絕緣性能

聚全氟乙丙烯的電絕緣性能和聚四氟乙烯十分相近，其介電系數(shù)從50Hz ～1010Hz 超高頻的廣闊范圍內(nèi)，從深冷到最高工作溫度幾乎不變，并且很低。聚全氟乙丙烯的體積電阻率很高，一般大于1015s/m，隨溫度變化甚微，也不會(huì)受到水和潮氣的影響。聚全氟乙丙烯的擊穿場(chǎng)隨厚度的減少而提高，當(dāng)厚度大于1mm 時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)度要在30kv/mm 以上，但不會(huì)隨溫度的變化而改變。

2.3.2 熱性能

聚全氟乙丙烯樹脂的耐熱性能僅次于聚四氟乙烯，可以在-85℃～+200℃的溫度范圍內(nèi)連續(xù)使用。即使在-200℃或+260℃的極限情況下，其熱性能指標(biāo)也不惡化，可以短時(shí)間內(nèi)使用。聚全氟乙丙烯樹脂的熱分解溫度高于熔點(diǎn)溫度，在400℃以上時(shí)才會(huì)發(fā)生顯著的熱分解，熱分解的產(chǎn)物主要是四氟乙烯和六氟丙烯，在熔點(diǎn)溫度以下是非常穩(wěn)定的。

2.3.3 力學(xué)性能

聚全氟乙丙烯和聚四氟乙烯相比，除了硬度和抗拉強(qiáng)度略有提高外，其摩擦系數(shù)也比聚四氟乙烯略大。在常溫下，聚全氟乙丙烯具有較好的耐蠕變性能，但當(dāng)溫度高于100℃時(shí)，其耐蠕變性能反而不如聚四氟乙烯。

2.3.4 檢測(cè)報(bào)告（見表2）

2.4 UL型阻移式料位開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)

按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防靜電外層絕緣處理，涂層表面不粘結(jié)，不掛料。料位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，方便安裝，故障維護(hù)簡單，可連續(xù)運(yùn)行，具有防粉塵、防爆認(rèn)證。

2.5 改造情況

1）聚乙烯裝置：在摻混倉D8007 ～D8012、成品倉D8007A ～D8012A 和顆粒接收料斗D-8001 安裝的16 臺(tái)高料位音叉料位開關(guān)，全部更換成防靜電型阻移式料位開關(guān)。

2）聚丙烯裝置：在摻混倉D8007 ～D8012、成品倉D8013、D8014、D8101 ～D8104 和顆粒接收料斗D-8001安裝的16 臺(tái)高料位音叉料位開關(guān)，全部更換成防靜電型阻移式料位開關(guān)。

表1 UL型阻移式料位開關(guān)技術(shù)參數(shù)Table 1 UL Type resistive level switch technical parameters

表2 聚全氟乙丙烯檢測(cè)報(bào)告[4]Table 2 Polyfluoroethylene propylene detection report[4]

同時(shí)，將阻移式料位開關(guān)外殼接地端子連接到就近接地匯流排上。

3 靜電消除系統(tǒng)簡介

技改項(xiàng)目還包括PLC 控制系統(tǒng)（西門子S7-300）、靜電消除器、靜電檢測(cè)器。新增控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與原風(fēng)送系統(tǒng)西門子S7-400PLC 進(jìn)行通訊，控制系統(tǒng)不再新設(shè)上位操作站，利用原風(fēng)送系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)視和控制，并在原風(fēng)送系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)靜電檢測(cè)實(shí)時(shí)報(bào)警及記錄功能。

4 結(jié)論

該技改項(xiàng)目于2017 年11 月份通過竣工驗(yàn)收，經(jīng)過近兩年裝置穩(wěn)定運(yùn)行，防靜電型阻移式料位開關(guān)未出現(xiàn)過靜電高報(bào)警或高高報(bào)警，有效防止料倉靜電積聚和放電，防止粉塵燃爆及次生災(zāi)害的發(fā)生，從而保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全，為公司長周期、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。