發射藥制造中的靜電在線檢測及消除

董朝陽，郭茂林，李國峰

(1.瀘州北方化學工業有限公司， 四川 瀘州 646605； 2.中北大學 化工與環境學院， 太原 030051)

【裝備理論與裝備技術】

發射藥制造中的靜電在線檢測及消除

董朝陽1，郭茂林2，李國峰1

(1.瀘州北方化學工業有限公司， 四川 瀘州 646605； 2.中北大學 化工與環境學院， 太原 030051)

為了保證發射藥生產安全，在雙基藥中添加含量為0.1%～0.2%的石墨，可使干燥結束時靜電電位降低到600 V左右；而采取增濕措施后，干燥結束時發射藥靜電電位降低約70%。采用靜電在線檢測與控制系統，能夠檢測準確、響應及時，實現發射藥生產過程中靜電實時消除。

發射藥；靜電；在線檢測；靜電消除

靜電是一種客觀的自然現象，發射藥生產是個復雜多程序過程，如原材料分離、攪拌、輸送，成品包裝、運輸等過程[1]。生產工藝中，由于物料與工具、容器、設備、包裝材料等介質的摩擦都會產生靜電[2]，而發射藥是電的不良導體且易燃易爆，由于發射藥及原材料自我釋放靜電的能力較差，就會導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]。

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

國內外消除靜電的方法主要有3類：泄露法、中和法與不產生靜電法[7]。在實際生產中主要采用泄露法，目前國內發射藥生產行業主要采用手工作業的靜電檢測與消除方式，尚未出現靜電在線檢測與自動消除技術，存在較大安全風險。通過靜電在線檢測與實時消除研究以促進實現發射藥自動化生產就顯得十分必要。本研究以各類發射藥通用的烘干工序為研究對象，采用本質安全的靜電檢測傳感器，結合EST-405新型靜電電位檢測儀與計算機控制系統(DCS系統)，將靜電電位在線檢測與監控、實時報警及消除功能結合在一起，保證安全生產。

1 試驗部分

1.1 發射藥生產工藝中靜電消除試驗

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

1.2 發射藥生產工藝中靜電在線檢測試驗

發射藥生產工藝中，靜電危害最主要集中在烘干及其以后的工序，本試驗在烘干工房設置了靜電在線檢測與消除系統。系統分為3路靜電檢測，分別位于3個盆式烘干機中距發射藥面1 cm處，3路靜電監測均采用EST-405靜電監測系統，最后通過A/D輸入計算機顯示，工作示意圖如圖1所示。

圖1 發射藥烘干工序靜電監測工作示意圖

2 結果分析與討論

2.1 發射藥及主要原材料靜電測試結果及分析

發射藥是電的不良導體，當未采取有效措施時，會使靜電荷積聚，這種積聚的電荷表現出很高的靜電電位(最高可達幾萬伏)，一旦存在放電條件，就會產生火花。當放電火花的能量大于發射藥的最小發火能量時，就會發生著火及爆炸事故。在生產過程中構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、爆炸事故瞬間發生，因此需明確發射藥生產過程中物料、半成品、產品的靜電感度、安全的靜電電位的數值以及生產過程中各工序靜電要求的安全值。

從表1的數據可看出，常用發射藥及原材料的靜電感度都比較高，對靜電比較敏感。同時發射藥在生產過程中，在制物料量一般比較大，易發生靜電危害。盡管在生產過程中常見發射藥及常用原材料產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的關系式為：U=Q/C，容易產生尖端放電[8]。

根據電荷積累電壓方程[7]

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

靜電引起燃燒和爆炸，必須具備以下條件：① 產生火花放電的電壓；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]。發射藥生產過程靜電的消除一般以控制靜電的積累為主要手段。

表1 常用發射藥及主要原材料的靜電感度

注：試驗以50%的發火率計算，放電電容為0.22 μF，放電間隙為1.2 mm。

2.2 有無翻動情況下不同發射藥黃藥靜電測試結果及分析

針對發射藥生產工藝通用的烘干工藝，以幾種不同發射藥為研究對象，進行了多次超長時間盆式烘干靜電電位積累試驗，取其中有效數據，經處理得到多種發射藥在有無翻動情況下的靜電電位平均值如表2所示。

表2 不同發射藥在烘干過程中有無翻動情況下的靜電情況

從表2的數據可以看出發射藥藥粒在烘干過程中，靜電電位隨著藥粒的翻動逐漸增加，在出料時達到較高電位(2 000～2 700 V)，約為靜止干燥時的35～44倍；并且隨著發射藥組分中硝化甘油含量的增加，所產生的靜電電位增大。主要是由于藥粒干燥和藥粒之間的摩擦以及發射藥導電性的不良，產生靜電的集聚。導體發射藥物料靜電感度很高，在生產過程中會因翻動產生大量靜電，靜電最為可怕的危險是產生爆炸和火災[10-12]。

2.3 是否加導電劑的情況下發射藥電位測試結果及分析

靜電消除的方法主要有3類：泄露法、中和法及不產生靜電。為考察導電劑對發射藥干燥工序發射藥靜電的影響，測試了發射藥黃藥和加石墨藥在翻動狀態和烘干出料過程中的靜電電位，測試結果如表3所示。

表3 發射藥粒石墨加否干燥靜電對比試驗

根據表3數據，對比添加導電劑石墨與未加石墨，其他生產條件相同的情況下，發射藥干燥過程中添加石墨對靜電電位影響很大，添加石墨明顯提高了發射藥的導電性。在大、小粒雙基藥中分別添加0.1%和0.2%含量的石墨，均可使干燥結束時靜電電位降低到600 V左右。在目前盆式烘干靜電電位積累試驗中發現，發射藥在達到一定的電位(3 800 V)時，靜電電位就不再明顯增加且發射藥未發生燃燒，因此烘干工房靜電位警報值就以此為標準。相比于生產中所要求的安全靜電閾值(3 800 V)，生產工藝中添加適量導電劑時可視為基本消除了靜電。

2.4 工房是否增濕情況下發射藥靜電測試結果及分析

當空氣濕度提高時，空氣中的水分子作熱運動撞擊到物質表面的幾率增大，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，由于水分子的強極性以及溶解在水中雜質的作用，可大大降低物體的表面電阻率。為研究工房增濕對發射藥干燥過程中的靜電影響，以探究增濕是否能有效降低發射藥靜電，試驗通過在干燥工房增濕，控制干燥工房內的濕度，測試發射藥黃藥在干燥完畢狀態下的靜電電位，并對照未采取增濕措施時的發射藥干燥完畢狀態下靜電電位，測試結果如表4所示。

由表4數據可知，在發射藥生產過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)，干燥完畢的發射藥靜電電位(1 000 V左右)降低了約70%，表明工房增濕能明顯消除發射藥靜電。對不同火炸藥進行了相關實驗，結果表明環境濕度在60%～80%范圍比較適宜。

表4 工房增濕與否干燥完畢的發射藥靜電電位對比

2.5 發射藥制造工藝中靜電在線監測分析

使用在線監測系統進行在線檢測與控制時，系統一旦實時測得某處靜電電位超過預警值(試驗測定為3 800 V)，系統發出相應點位靜電超標警示信號(聲、光報警)，計算機DCS系統發出相應指令，停止烘干設備運作，并立即啟動安全雨淋；當系統測得靜電電位超過安全值(2 000 V)時，系統發出相應點位靜電超標警示信號(聲、光報警)，停止烘干風機送熱風，并立即啟動增濕風機往該處噴淋蒸汽增濕，以消除該處靜電到設定的安全許可范圍，警示信號解除，系統恢復到待機狀態，生產線重新運行，保證生產的安全。控制系統如圖2所示。

圖2 發射藥烘干工序靜電檢測及控制系統框圖

試驗中發射藥的導靜電預處理設備由加料斗、定量螺桿石墨加料機和混合攪拌器組成。采用EST405在線靜電檢測儀，通過非接觸式靜電電壓檢測技術測試了干燥過程中石墨含量不同時發射藥藥粒的靜電電位，試驗結果如表5所示。

表5 發射藥干燥過程中靜電電位的實時在線檢測數據

3 結論

發射藥在烘干過程中，藥粒翻動產生大量靜電，在出料時靜電電位約為靜止干燥時的35～44倍。采用添加導電劑、工房增濕等措施能夠明顯降低發射藥靜電電位，達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，可使干燥結束時靜電電位降低到600 V左右；而采取增濕措施后，干燥結束時發射藥靜電電位可降低約70%。

采用計算機系統對發射藥靜電進行在線監控、實時報警和應急處理，能直觀顯示發射藥制造工藝過程靜電狀況，即時處理因靜電過高導致的緊急狀況，系統響應及時、準確，實現了發射藥生產作業靜電在線檢測和消除。本研究可用于單基發射藥(含溶劑回收)制造、雙基發射藥和混合酯制造、球扁藥生產后處理、火工品藥劑制造工藝過程。

[1] 趙敬,夏一峰.化工生產靜電危害分析及對應措施研究[J].機電工程技術,2010,39(8):149-151.

[2] 蔣永琨,陳正昌.國內外火災與爆炸事故1000例[M].成都：四川科學技術出版社,1986.

[3] 王成國.火炸藥典型事故案例1000例[M].北京：兵器工業出版社,2008:14-15.

[4] 潘廣鋒.淺析涂料生產工藝中的靜電危害及防護措施[J].廣東化工,2010,37(6):265,240.

[5] 趙玄.氯化苯生產車間靜電的危害和防范措施[J].中國氯堿,2011(10):34-35.

[6] 汪佩蘭,李桂茗.火工與煙火安全技術[M].北京:北京理工大學出版社,1996:199-201.

[7] 林文建.化工廠靜電危害與防護措施[J].福建化工,2006(6):18-22.

[8] 許小群.化工生產過程中的靜電火災爆炸危害與防護[J].安全、健康與環境,2004,4(10):13-15.

[9] 趙憲慶.化工裝置靜電危害分析及應對措施[J].科技與生活,2012(9):154-155.

[10]錢仲,任曉玲.火工品藥劑生產中的防靜電問題研究[J].火工品,1996(2):18-23.

[11]王軍杰.化工工廠靜電接地設計探討[J].工程技術,2016(2):217.

[12]劉廣朝,王飛飛.靜電危害及防護[J].山東工業技術,2016(19):203-203.

(責任編輯 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 作者簡介：董朝陽(1967—)，男，研究員級高級工程師，主要從事發射藥工藝技術研究。

郭茂林(1991—)，男，研究生，主要從事發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，郭茂林，李國峰.發射藥制造中的靜電在線檢測及消除[J].兵器裝備工程學報，2017(5):27-30.