李義鵬,孟 鶴,劉全楨,蘭 琦

(1.化學品安全全國重點實驗室,山東青島 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

2016年陜西某油庫發(fā)生2起油罐車裝油過程中的靜電閃爆事故,2021年南方某企業(yè)也發(fā)生1起類似靜電閃爆事故。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)這3起靜電閃爆事故有一共同點:罐車都是從灌裝柴油改為灌裝汽油。在汽油、柴油的儲運環(huán)節(jié),油罐車是這兩種油品從油庫運轉至加油站的最主要交通工具[1]。由于國家并沒有嚴格要求汽油、柴油罐車專車專用,所以油罐車只是經(jīng)過簡單清洗甚至不做清洗就可以換裝另一種油品,汽柴油混裝過程中的靜電風險應引起相關從業(yè)人員的關注[2-4]。雜質(zhì)是引起油品靜電起電的另一個重要因素,當油中某些雜質(zhì)含量小于5%時,油品靜電將有很大的提升,試驗已經(jīng)證實了水跟乙醇在汽油中以雜質(zhì)形式出現(xiàn)時,會極大影響汽油的靜電特性,汽油靜電起電有較大提升[5-6]。

為研究汽油中混入柴油及柴油中混入汽油后的靜電起電特性,通過開展汽油、柴油混合后的靜電衰減特性試驗,即汽油中混入不同比例柴油、以及柴油中混入不同比例汽油后輸送過程中的靜電起電特性試驗,針對汽柴油混裝后的靜電風險,提出相應措施建議。

1 汽柴油混裝靜電風險試驗

試驗主要包括汽柴油混合后的靜電衰減特性試驗,以及混合油品輸送過程中的靜電起電特性試驗(包括柴油對汽油輸送過程中的靜電影響試驗,汽油對柴油輸送過程中的靜電影響試驗)。

1.1 汽柴油混合后的靜電衰減特性試驗

靜電衰減測試是測量物體從充電到某個高電壓,然后靜電泄放到某個指定電壓的放電時間,這個放電時間代表了物體靜電泄放的能力,是評價物體靜電風險的重要參數(shù)[7-8]。靜電緩和時間是指帶電體上的電位消散至其初始值的1/e時所需要的時間,一般用此參數(shù)來表征物體的靜電衰減特性。利用JCI155靜電衰減測試儀(Chilworth公司)對汽油、柴油及其混合油品的靜電衰減特性進行測試,試驗時其電暈電壓設置為-9 000 V[9]。

1.2 柴油對汽油輸送過程中的靜電影響試驗

模擬油罐車裝柴油后未經(jīng)過清洗直接加裝汽油的工況,研究汽油中混有一定量柴油后,輸送過程中的靜電風險變化情況。

1.2.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)主要包括變頻泵、25 mm輸油管道、流量計、油品電荷密度表等,結構如圖1所示。

圖1 油品靜電測試系統(tǒng)結構

1.2.2試驗過程

環(huán)境條件為溫度15 ℃,濕度41.5 RH%。試驗步驟為:①在試驗罐中裝入40 L汽油,其電導率為213 pS/m,擬添加的柴油電導率為50 pS/m;②啟動油泵,使汽油在管道中的流速固定在2.6 m/s不變,當油品電荷密度表的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,記錄數(shù)據(jù);③在汽油中依次添加柴油,使柴油占汽油和柴油體積和的百分比(不考慮汽油和柴油混合后體積的變化)范圍為0～20%(包括0%在內(nèi)共15個不同百分比),待電荷密度表數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,記錄靜電電荷密度穩(wěn)定值。

1.3 汽油對柴油輸送過程中的靜電影響試驗

采用如圖1所示的試驗系統(tǒng),研究柴油中混有一定量汽油后,輸送過程中的靜電風險變化情況。

環(huán)境條件為溫度21 ℃,濕度43.8 RH%。試驗步驟:①在試驗罐中裝入40 L柴油,其電導率為68 pS/m,擬添加的汽油電導率為477 pS/m;②啟動油泵,在柴油中依次添加汽油,使汽油占柴油和汽油體積和的百分比(不考慮汽油和柴油混合后體積的變化)范圍為0～3%(包括0%在內(nèi)共20個不同百分比),待電荷密度表數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,記錄靜電電荷密度穩(wěn)定值。

2 分析及討論

根據(jù)試驗結果,對汽油、柴油混合后的靜電特性進行分析及討論。

2.1 靜電衰減特性

不同柴油、汽油及其混合油品靜電衰減實驗數(shù)據(jù),見表1。

表1 不同柴油、汽油及其混合油品靜電衰減試驗數(shù)據(jù)

油品的靜電緩和時間根據(jù)公式(1)計算[10]。

t=εrε0/σ

(1)

式中:t——靜電緩和時間,s;

εr——油品相對介電常數(shù),無量綱;

ε0——真空介電常數(shù),pF/m;

σ——油品電導率,pS/m。

公式(1)說明油品靜電緩和時間與油品的介電常數(shù)及電導率密切相關,電導率高、油品相對介電常數(shù)小,油品靜電緩和時間就小,油品靜電風險低。汽油的相對介電常數(shù)為1.9,柴油為2.1,試驗油品中汽油電導率44 pS/m,柴油電導率7 pS/m,根據(jù)公式(1)計算得到汽油的緩和時間為0.38 s,柴油的緩和時間為2.66 s。而表1的測試結果是汽油的緩和時間為0.29 s,柴油的緩和時間為0.90 s,該結果推測由試驗用汽油、柴油的介電常數(shù)比經(jīng)驗數(shù)值小導致。

根據(jù)表1的靜電衰減測試結果,可以發(fā)現(xiàn):

a) 汽油的峰值電壓為-304.8 V,柴油的峰值電壓是-276.0 V。汽油的電導率高于柴油,易于靜電的泄放,但汽油的峰值電壓高于柴油的峰值電壓,說明汽油比柴油更易產(chǎn)生靜電。

b) 汽油中混有柴油以及柴油中混有汽油,峰值電壓皆高于汽油及柴油的峰值電壓,說明汽柴油混合后比汽油更易產(chǎn)生靜電。

c) 當汽油中混有2%的柴油時,峰值電壓為-595.9 V,比汽油的峰值電壓提高了近一倍,靜電風險急劇增加。

2.2 汽油中混有柴油輸送過程中的靜電風險分析

管道輸送過程中汽油摻混柴油后,混合油品電荷密度隨柴油含量的變化趨勢,見圖2。

圖2 柴油對汽油靜電的影響

由圖2可以看出:

a) 汽油中添加柴油后,隨著柴油含量的增加,油品電荷密度出現(xiàn)略微下降后迅速增大,達到一個最大值后緩慢下降。

b) 當柴油含量為5%及8%時,油品電荷密度最高,為-28.63 μC/m3,相較不含雜質(zhì)的汽油,其電荷密度增加了約110%?？梢酝茢喈敳裼秃吭?%～8%之間時,油品電荷密度會出現(xiàn)最大值,此時油品的靜電風險也最大。

c) 當柴油含量為20%時,油品電荷密度為-21.81 μC/m3,相較不含雜質(zhì)的汽油,其電荷密度增加了約60%,靜電風險依然遠高于純汽油。

d) 整體而言,汽油中混入柴油后,靜電風險增大,該結論與汽柴油混合后靜電衰減測試結果相符合。

e) 假如一輛罐車卸完柴油后不清余油就灌裝汽油,那么柴油在混合油品中的含量將持續(xù)降低,但混合油品的靜電風險將越來越大,當柴油含量在5%～8%之間時靜電風險最大。由于這個時刻出現(xiàn)在裝車初期,因此,裝車初期采取降低油品流速的措施是很有必要的。

2.3 柴油中混有汽油輸送過程中的靜電風險分析

管道輸送過程中柴油摻混汽油后,混合油品電荷密度隨汽油含量的變化趨勢見圖3。

圖3 汽油對柴油靜電的影響

由圖3可以看出:

a) 柴油混入汽油后,即使汽油電導率遠高于柴油,油品電荷密度將發(fā)生較大的變化,隨汽油含量出現(xiàn)先增大后降低的趨勢。

b) 試驗數(shù)據(jù)中,汽油含量為0.4%～0.5%時,油品電荷密度最高,為-29.08 μC/m3,相較不含雜質(zhì)的柴油,其電荷密度增加了約193.7%,可以推斷當汽油含量在0.4%～0.5%之間時,油品電荷密度會出現(xiàn)最大值。

c) 當汽油含量為2%時,油品電荷密度已經(jīng)低于純柴油的電荷密度,這主要是試驗用汽油的電導率遠高于柴油所致。

d) 假如一輛罐車卸完汽油后不清余油就灌裝柴油,那么汽油在混合油品的含量將持續(xù)降低,當汽油含量在0.4%～0.5%之間時靜電風險最大,而由于這個時刻出現(xiàn)在裝車初期,因此,裝車初期采取降低油品流速的措施是很有必要的。

3 結論及建議

油中存在雜質(zhì)后,偶電層的出現(xiàn)會導致油品儲運過程中的靜電風險增大[11-13],但石化行業(yè)一般都關注與油品性質(zhì)差別大的雜質(zhì),譬如汽油中出現(xiàn)水和乙醇。本文通過試驗重點研究了汽柴油混合后的靜電風險,提出確保油罐車靜電安全的針對性建議。

a) 靜電衰減試驗表明,柴汽油混合后,其峰值電壓高于汽油及柴油的峰值電壓,說明汽柴油混合后更易產(chǎn)生靜電。當汽油中混有2%的柴油時,峰值電壓比汽油的峰值電壓增加了近一倍;當柴油中混有10%的汽油時,峰值電壓比柴油的峰值電壓增加了一倍以上。

b) 油品輸送過程中的靜電試驗表明,汽柴油的混合油品比汽油或柴油的靜電風險高。汽油中混有柴油時,可使油品電荷密度最高增加一倍以上;柴油中混有汽油,可使油品電荷密度最高增加近兩倍。

c) 建議應嚴格限制油罐車不經(jīng)過清洗就換裝另一種油品,即使兩種油品的特性非常接近。同時,如果油罐車是通過清水進行的清洗作業(yè),必須保證清洗液已完全排空、干燥后才允許進行裝車作業(yè),汽油中含水同樣會增加汽油裝車過程中的靜電風險。該研究成果對確保油罐車的安全具有重要意義。