管輸成品油靜電分布規律研究

彭 楊，趙曉剛

(中國人民解放軍后勤工程學院 軍事供油工程系， 重慶 401311)

管輸成品油靜電分布規律研究

彭 楊，趙曉剛

(中國人民解放軍后勤工程學院 軍事供油工程系， 重慶 401311)

簡述了管輸成品油靜電帶電問題的重要性和歷史研究概況，從理論、實驗與仿真3個方面詳細介紹了油流靜電領域的研究方法與研究成果。在分析了現有研究存在問題的基礎上展望了管輸成品油帶電領域今后的研究方向和趨勢。

成品油；油流靜電；管道輸送

1 概述

石油是國民經濟的命脈，而在石油產品儲運過程中，管道是重要的輸送方式。管輸成品油產生的靜電是影響石油產品儲運安全的關鍵因素之一。靜電作為一種不可見的威脅時刻存在于人們身邊，每年因管輸油流靜電而導致的安全事故時有發生。2007年，位于美國堪薩斯州的一處化工油庫發生爆炸及火災事故，造成嚴重的經濟損失，事后證明此事是由于石油流經管線和泵時產生靜電，由靜電火花引發油氣爆炸造成的。2011年，我軍某油庫在進行航煤收油作業時突然發生爆炸，致使多人死傷、建筑物受損。經調查，事故原因為靜電接地裝置斷裂，靜電荷大量積聚而導致的火花放電。此外，近年來在變壓器中油流靜電放電導致的絕緣擊穿效應也對整個電力行業造成了不小的損失和困擾。種種因素使得人們開始關注靜電領域中的流體帶電問題。在石油行業，據我國和日本方面的統計，超過10%的油庫火災爆炸事故屬于靜電事故。而人們對管輸油流靜電的防護依然停留在經驗性地接地和設置安全流速等方面，對管輸成品油靜電分布規律的了解卻不夠深入，從而無法為制定科學的靜電防控措施提供重要的理論和實驗支撐。如何更好地解決成品油輸送過程中的靜電安全問題逐漸成為人們關注的焦點。加之近年來隨著“一帶一路”和改革強軍國家戰略的實施與推進，我國民用和軍用航空事業飛速發展，給機場快速大流量加油提出了新的、更高的要求，油料加注過程中的靜電安全問題已成為國民經濟和國防安全的嚴峻考驗，這對開展輸油防靜電關鍵技術中的靜電分布規律研究具有重要意義。

2 研究現狀

對管輸成品油靜電分布規律的研究，其基礎理論是油流帶電，屬于靜電學的一個分支。油流靜電的安全性問題由來已久，早在1913年Dolezalek在研究苯和醚在金屬管道中的流動特性時，就己發現隨著流體的流動有靜電荷產生，隨后在石油行業也同樣觀察到油流帶電現象。近年來，由于相關領域對油流靜電問題的認識越來越深入，國內外對油流靜電領域的多手段研究愈加頻繁。

2.1 油流靜電相關理論現狀

國外對于油流靜電理論的研究開始較早，對其研究較為活躍的地區集中在美國、日本、法國3個國家。20世紀50年代，美國的一些學者對于油流靜電理論進行了一些初步探討。Cooper[1]對Helmhotz經典沖流起電模型進行了一定的改進研究，得到了適用于高電導率沖流電流的計算公式。Klinkenberg 和 van de Minne (1958)出版了一部關于油流靜電理論的書籍，書中提出的靜電帶電趨勢(ECT)等，為后人提供了重要的參考價值。此后，Koszman等[1]提出了一個低電導率流體流動帶電的理論計算公式。1978年，日本的Takagi在國際大電網會議上提出了變壓器中的油流靜電問題，人們的關注熱點逐漸分散至電力行業變壓器方面的研究。Tanaka等[2]對變壓器紙板圓形管道中的油流靜電問題進行了研究，推導出了層流和紊流狀態下的計算公式，通過實驗對理論模型進行了驗證，并重點研究了管壁粗糙度、外加電場的影響。時至今日，對油流靜電相關理論的探討仍未停止。2007年Kosei Tsuji等[3-4]提出了一種基于切應力的新型油流靜電產生模型。2013年，波蘭的Zmarly綜合考慮擴散、對流和傳導的機理，建立了等溫的牛頓不可壓縮流體湍流通過圓管的油流靜電計算模型，可應用于不同的黏度、電導率的液體。

在油流靜電問題被廣泛研究的同時，也形成了一些富有成效的模型理論：或基于不同的作用機理，或針對不同的計算條件。最有代表性的是3種模型[1-2,5]。

1) Gavis & Koszman模型

Gavis & Koszman推導的適合湍流條件下的低電導率流體沖流電流計算公式：

式中:r為管道半徑；Um為平均流速；λ為德拜長度；Z為油中離子化合價；F為法拉第常數；δd為擴散層厚度；n+為油中正離子遷移數；C-o為油中內部離子體積摩爾濃度；C-s為界面處離子體積摩爾濃度；τ為弛豫時間。

2) Touchard 計算模型

Touchard 基于固液界面處的物化腐蝕機理提出流體起電的計算模型。通過一定的假設，得出了界面電流密度公式。

j=K(qwd-qw)

式中：K為有效反應速率常數；qwd為壁面偶電層充分發展下的電荷密度；qw為壁面電荷密度。

3) Tanaka 計算模型

Takana 在充分考慮外加電場對油流起電的影響后，得到了有外電場及無外電場條件下的結論。基于該結論，無外電場條件下的油流靜電分布規律為

式中：qw為壁面電荷密度；λ為德拜長度；r′為到管壁的垂直距離；x為距管道入口處的距離。同時，Takana認為固液界面的電荷分離后以沖流電流的形式進入流體，該電流的值只與流體中離子濃度、流態和流體速度有關。

國內對于油流靜電理論方面的研究也取得了一些建設性的成果。主要基于Gavis & Koszman模型理論，采用諸如分離變量法、有限差分法或有限元法等不同的解析方法求解出包含可量化參數的簡化結果。清華大學的涂愈明[6]對超高壓變壓器復雜油道結構中的油流帶電現象進行了深入研究，綜合考慮油流的流動作用和外加電場的電動作用，推導出了紊流狀態下的電荷密度方程的兩種約束條件，并提出用混合格式的有限差分算法及迎風有限元算法求解變壓器油流靜電帶電問題的電荷密度方程，設計了具有扁矩形截面、可改變串并聯結構的3層油道實驗模型，得出了關于油流流速、流態、油溫和外加交流電場等因素對油流帶電的影響。中國人民解放軍后勤工程學院的王菊芬[7]對油流靜電數學模型進行了較多的研究，提出以Gavis & Koszman靜電產生機理為基礎確定固液界面處邊界條件的方法，分別推導出油品在層流和紊流條件下的沖流電流計算模型；通過對湍流擴散系數及軸向流速的簡化，同時考慮油品流速、電導率和溫度等對電荷量的影響，借助修正量來彌補難以量化的因素對結果的影響，歸納出了沖流電流的數學計算公式；采用基于算子分裂的數值計算方法，將紊流條件下電荷輸運方程分解成對流方程、反應方程及擴散方程3項，并通過數值差分法和特征線法進行了求解。中國石油大學的陳銀噸[8]建立了石油儲罐靜電分布的計算模型，運用有限差分法和超松弛迭代法求得解析解，從靜電電位分布、儲罐參數以及油品參數3個方面對儲油罐的靜電電位分布進行了定量分析。

2.2 油流靜電實驗研究現狀

管輸成品油靜電實驗是驗證理論模型，提供實踐依據的重要途徑。油流靜電的實驗研究方法，從工程實踐上可分為現場測量法和模型類比法等。現場測量法是指通過工程實際中的管流帶電現象的測量得出驗證理論模型的實驗數據的方法。由于安全性問題現場測量法逐漸被模型類比法所取代。而模型類比法從實驗系統上又可分為旋轉圓盤法、旋轉圓筒法、導電探頭測試法、小型靜電荷測試儀方法和管流研究法等。

國外對油流靜電的實驗研究開展較早，Perisse F等[9]通過自行研發的實驗裝置模擬研究汽油輸送中電荷的產生過程，探討電荷量與汽油的水分、溫度、雷諾數之間的關系，通過實驗確定靜電沖流電流的大小與各因素之間的相關性。Washabaugh[10]通過圓柱形的電極旋轉測試裝置對流體帶電進行了一定程度的定性與定量分析。該裝置由絕緣材料內筒和金屬外筒以及中間沖注的絕緣油構成，內筒可調節旋轉速度，外筒可控制油的溫濕度，該方法具有一定的創新性。2005年，Kitabayashi等[3]通過測量同一種絕緣油流過不同種類的金屬和絕緣體表面時的油流靜電帶電趨勢，發現油流靜電與固體材料的逸出功有關，并認為可以應用聚合物接觸帶電模型來解釋絕緣油-固體材料的油流靜電產生機理。2009年，法國的EL-Adawy等[11]以實驗為基礎研究了不充分發展的雙電層油流帶電模型，將實驗測定空間電荷密度分為靜態電荷和動力空間電荷，同時認為界面電化學腐蝕不僅與化學反應速率有關，還與切應力有關。在波蘭科學與高等教育部的支持下，Zmarly與Boczar[12]針對管道中層流與紊流狀態下的靜電沖流電流做了大量的實驗研究，運用可移動的球狀探頭測出軸向不同位置下的電荷密度以及沖流電流。結果表明：雷諾數越高，沖流電流軸向分布拋物線形越平緩，電荷密度分布越均衡。Zmarzly[13]還通過在容器中流體的旋轉圓盤來研究油流帶電問題，結果表明：油中產生的靜電與變壓器油的老化程度、旋轉圓盤的尺寸以及雷諾數等有關。2014年，加拿大的Fofana等[14]運用旋轉圓盤法研究了變壓器油以及絕緣紙板的老化對油流靜電產生的影響。實驗證明：隨著速度溫度增加以及圓盤涂層材料的老化、油中雜質的增多，產生的靜電越多。2016年，加拿大的Talhi等[15]通過實驗測量不同壓力下的變壓器油流帶電趨勢發現：隨著壓力的增加、紙板的多孔度和粗糙度增加，靜電電流會增大；同時，通過加入DDPH自由基試劑證明了自由基數量能夠影響油流靜電電流。

國內目前對管道中流動油品靜電參數的測量包括有電荷、電位、帶電度、管壁的靜電電流以及管道輸送中油品的電荷密度等。對電荷的測量開始得最早，常用的方法是法拉第筒法。在采用法拉第筒法測量沖流電流時，與采用微電流計測得的管壁逸散電流值比較，發現法拉第筒法測得的數值稍大，這主要是由于油品注入時的噴濺現象導致的靜電荷增多的緣故，由此帶來一定的不準確性。針對靜電帶電趨勢(ECT)的測量也由來已久，王加程[16]在分析國內外相關研究后建立了油紙絕緣靜電帶電性能的“過濾式”油流帶電度測量裝置。電位也是常測的參量之一，其測量方式可分為接觸式和非接觸式兩種。其中，接觸式只能用于金屬管道的靜電測量，常見有Q/V系列靜電電壓表、象限式靜電計等；非接觸式主要基于電荷耦合測量原理，采用靜電信號的高壓電極作為傳感器屏蔽電極，通過電荷量的測量得到被測電位。目前，接觸式測量由于精度、安全性等問題已逐步被非接觸式測量所取代。由于電位的測量較為復雜、影響因素多，特別當針對管道輸送油品的電位測量問題時往往不易實施。新的測試技術趨勢是直接測量管道輸送油品的電荷密度。這不僅更能反映油品帶電的本質，而且干擾因素少。目前，國內在相關領域已取得重要進步，中石化公司青島安全工程院的李亮亮等[17]設計了一種管輸油流靜電監測儀，并經過加油槍口前后由該儀器和法拉第筒的對比測量實驗，檢驗了其可靠性。在變壓器油流帶電的實驗研究領域，國內學者也取得了一定的成果。任雙贊等[18]通過改變環境溫度、濕度測量油流帶電量與介質損耗、電阻率以及pH值的關系，運用回歸分析方法擬合實驗數據，并建立起一套實驗室微靜電測量系統，測量關鍵參數(流動速度、溫度等)對油流帶電產生量的影響。池明赫等[19]通過搭建實驗平臺，測量不同流速條件下的靜電帶電數值，通過數學物理方程，建立附加電場條件下油流帶電的數學模型。

2.3 油流靜電仿真研究現狀

油流靜電仿真對于理論和實踐都具有重要意義，仿真方法是通過建立系統的數學模型，將它轉換為能夠在計算機上編程實現的模型，然后對此模型進行仿真試驗。由于靜電測量對實驗裝置的要求較高，且易受各項外部條件干擾，重復性較低，開展相關的仿真試驗工作能夠極大地減少人力物力、快速有效檢驗模型的正確性。油流靜電的仿真研究近年來已成為油流靜電領域的熱點方向之一。

1996年，在法國電力研發中心，O.Moreau[20]等用三維計算流體力學軟件estet來模擬在電力變壓器中油流帶電現象。為了達到這一目的，對estet進行了擴展，引入了電勢泊松方程，實現在電場中流體粒子的遷移，在化學平衡離子的解離重組和在N-S方程中的電場力。界面電荷交換定律來源于H.Walmsley的模型，但涉及界面兩側的離子濃度。與實驗數據吻合良好的瞬態和穩態模擬表明：一些實驗參數導致的巨大的電勢梯度可能是在電力變壓器中觀察到危險放電的原因。2003年，日本的K.Nishi等[21]通過簡化假設對油流靜電問題進行了數值仿真，建立了速度平均分布模型和二次分布計算模型，經過與實驗結果的對比認為速度二次分布模型更能反映實際情況。2007年，Kosei Tsuji、Hirotaka Motu[4,22]等提出了一種基于切應力的新型油流靜電產生模型，并運用直流場分析的方法基于流網絡算法對變壓器油流靜電進行了計算機仿真，并在不同管道參數下進行了實驗驗證。2010年，法國的EL-Adamy等[23]通過有限體積法CFD工具Code_Staturne的改進版本對雙電層的發展過程進行了模擬，研究了速度、油品添加劑、雜質等對變壓器油流靜電產生的影響，節約了大量的時間和資源。

我國對油流靜電的仿真研究開始較晚。2010年，閆澤陸[24]針對變壓器內部油流靜電建立了油道模型，對4類酯類油的靜電可靠性進行了分析，通過計算仿真得到了油道內部油紙界面處空間電荷密度的分布情況及沖流電流的數值。2013年，金福寶等[25]通過實驗研究了變壓器內部并聯油道中外加場強、油品流動速度以及油品溫度各因素對沖流電流數值的影響，以期得出沖流電流的分布規律，為了進一步得到油道內場強分布情況，根據實驗對模型進行了有限元仿真分析，重點計算了有外加交流電場和表面靜電荷作用下的電場強度。2015年，董巨輝[26]建立了管內液氫流體靜電電荷密度的計算模型，提出二階迎風格式和中心差分格式的方法求解方程，使用Matlab工具得到了速度、溫度等參數對管內電荷分布影響的仿真結果，并建立旋轉圓盤實驗臺架測量起電速率，對模型進行了一定驗證。

3 管輸成品油靜電分布規律領域存在的問題與研究方向

3.1 管輸成品油靜電分布規律研究存在的主要問題

目前，對管輸成品油靜電分布規律方面的研究還有很大的空間，這對于指導管道靜電防護、機場大流量加油等實際問題具有重要意義。結合已閱讀的相關文獻，在進行深入探討前，必須明確目前油流靜電研究存在的主要問題，有的放矢。

3.1.1 管輸油流靜電模型理論的主要問題

國內外有關管輸成品油靜電的理論模型雖然通過不斷的改進已大大提高了準確性，但仍有較多不足。其一，管輸油流的理論模型不一而足，對油流帶電的機理尚未形成統一的認識，至今沒有一套令人信服的完整理論；其二，這些模型是由前人總結的經驗公式經過一定簡化設置推出，還包含未經過實驗測量直接得到的參數，需要經過復雜運算或實驗擬合，實用性不強；其三，已有理論模型缺乏對一些重要參數的納入，比如環境因素、管材的特性參數等，而這些因素對沖流電流的大小有著重要的影響；其四，這些模型往往基于不同的機理；適用于不同的條件，對于管輸成品油靜電分布規律這一特殊課題不具有針對性。

3.1.2 管輸油流靜電實驗研究的主要問題

國內外對于油流靜電進行了較多的實驗研究，但研究仍具有一定的局限性。其一，實驗成果大都集中于電力行業，雖然結論對管輸油流靜電的起因具有一定的指導意義，但是由于外加電場、流動介質等條件的不同并不完全符合管輸成品油行業的實際工況；其二，采用的實驗方法和測量裝置各異，沒有經過科學的論證，且由于實驗條件的限制對導致靜電產生因素分析不全，其精度和準確性有待進一步發掘；其三，靜電產生、積聚和逸散機理的實驗研究大部分集中在小流量下，關于大流量條件下靜電積聚起爆模式機理、靜電荷放電間隙量化研究、沖流電流緩和長度方面的研究還很缺乏。

3.1.3 管輸油流靜電仿真研究的主要問題

國內外對于管輸油流靜電仿真方面的研究尚不成熟，存在許多可為的空間。其一，現已開展的仿真研究依據不同的油流帶電模型理論，運用的分析軟件也各不相同，不具有通用性；其二,目前國內大多采用的數值仿真方法對公式準確性的依賴程度較高，但理論公式往往作了較多簡化，只能直觀地給出仿真結果而不具有代表性；其三，目前國外的仿真成果大多集中在變壓器方面，主要是對冷卻復雜油道內部的結構進行仿真分析，不符合管輸成品油簡單油道的實際情況。

3.2 管輸成品油靜電分布規律的研究方向

目前油流靜電研究領域存在的問題與局限也是繼續研究該問題的動力和方向。通過分析，管輸成品油油流帶電領域的研究存在理論不夠扎實、仿真研究手段尚有些缺乏和湍流大流量條件下的實驗數據不夠完善等問題。在進行管輸油流靜電分布規律研究中提出以下方向：利用管輸油流靜電產生微觀機理擬合的基本公式，結合邊界條件推導并建立管輸油流的靜電數學計算模型，并討論其管輸瞬變大流量梯度時的適應性；運用計算機數值仿真等方法模擬靜電電流在管道中的分布狀況并對其進行建模分析研究，尋找管道在輸送成品油的過程中靜電電荷的積聚、逸散分布規律；通過建立管輸油流靜電實驗臺架，測量不同流量等條件下靜電的積聚和逸散的相關數值，研究和驗證靜電積聚和逸散的相關機理，通過對比試驗研究油品物理性質與靜電產生量之間的關聯程度，得出湍流條件下管輸成品油防靜電的操作條件。總之，管輸成品油靜電領域的研究對理論和實踐都具有重要意義，應結合多手段的研究方式深入研究其基本分布規律。

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(責任編輯 陳 艷)

Studies on Static Electrification Distribution Regularities Owing to Oil Product Flow in Pipeline

PENG Yang, ZHAO Xiaogang

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China)

The importance and historical research of the static electrification problem owing to oil flow in pipeline is reviewed. From three aspects of theory, experiment and simulation, this paper introduces the research methods and achievements in oil flow electrostatic field. Finally, on the basis of analyzing the existing problems, this paper also looks forward to the future research direction and trend in the field of static electrification problem owing to pipeline transportation of oil product.

oil product; streaming electrification; pipeline transportation

2017-02-21 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51276195)

彭楊(1994—),男,湖北當陽人,碩士研究生,主要從事油流靜電安全領域的研究，E-mail：156616144@qq.com； 通訊作者 趙曉剛(1963—),男,四川樂山人,博士,教授,主要從事油氣儲運及安全系統工程研究。

彭楊，趙曉剛.管輸成品油靜電分布規律研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(8):163-169.

format：PENG Yang, ZHAO Xiaogang.Studies on Static Electrification Distribution Regularities Owing to Oil Product Flow in Pipeline[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):163-169.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.027

TE88

A

1674-8425(2017)08-0163-07