油品內電荷注入試驗研究*

李義鵬，劉全楨，高 鑫

(1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266100； 2.化學品安全控制國家重點實驗室，山東 青島 266100)

0 引言

管線油品輸送過程中，不可避免會有靜電的產生[1]，在油品裝卸過程中，經常引發(fā)靜電燃爆事故[2-4]。企業(yè)為降低管輸油品靜電風險，一般采用管道接地、降低油品流速等措施，但是影響油品裝卸過程靜電起電的因素很多，還包括油品電導率、油品含雜質情況、管道管徑、管道材質、油品裝卸方式、環(huán)境溫濕度等[5]。單純的只控制油品流速，并不能從根本上杜絕油品靜電事故的發(fā)生[6]。目前，油品靜電在線監(jiān)測技術已經成熟，該技術能實時監(jiān)測管線中油品的靜電電荷密度[7-8]，當電荷密度超過閾值時，可采取切斷輸油的方式來預防靜電事故的發(fā)生；但此種方式一定程度上影響了輸油的正常操作，如果監(jiān)測到油品靜電超過閾值時能采取措施消除管線中的油品靜電，將會進一步確保輸油操作的安全性與連續(xù)性。

目前，石化企業(yè)在用的管線油品靜電消除器是無源、自感應式消除器[9]，其原理決定了其只能消除粗管線內油品的靜電。由于石化企業(yè)用的許多管道、特別是成品油管道，其直徑小于100 mm，所以傳統(tǒng)的管線油品靜電消除器起不到靜電消除的作用。為解決以上問題，本文通過理論分析及試驗研究，對有源油品靜電消除技術進行了探索。

1 管線油品靜電消除理論研究

相關標準提出：當不能以控制流速等方法來減少靜電積聚時，可以在管道的末端裝設液體靜電消除器[10]。這里的液體靜電消除器指的是無源油品靜電消除器。

1.1 無源管線油品靜電消除機理

無源管線油品靜電消除器利用放電針在油品中感應出與油流極性相反的電荷，進而實現(xiàn)消除靜電的目的。其主要結構包括金屬法蘭、金屬外殼、聚合物內襯層、放電針、固定螺栓等[11]。其中，金屬法蘭用來跟輸油管道連接與固定，金屬外殼主要起到保護與接地的作用，兩者都采用不銹鋼材料制成。聚合物內襯層由聚四氟乙烯做成，內襯層的主要作用是減小靜電消除器對地電容。根據(jù)電容、電量與電壓的關系：

Q=CU

(1)

式中：C為對地電容；Q為消除器管道包裹的電荷量；U為消除器內油品的對地電位。

結合式(1)，由于進入內襯層后靜電消除器管體內的帶電量不變，對地電容C下降，則聚合物內襯層中的電壓U上升，如此一來，靜電消除器內部形成1個局部高壓段，使得油品電壓更容易達到放電針的起暈電壓，方便進行靜電消除。

但其存在如下幾個缺陷[12-13]：

1)絕緣套管的厚度較大，其厚度一般不應小于25 mm；

2)主要消除高帶電量的油品，消電效率低、消除效果差；

3)對針尖要求高，消電器使用時間越長,針尖磨損越嚴重，消電效果越差；

4)主要消除較大管徑(200 mm以上)中的油品靜電。

油庫及成品油輸送所使用的管道，其直徑一般不超過200 mm，傳統(tǒng)的靜電消除器很難起到靜電消除的效果。為解決細管道內油品靜電問題，就需要開發(fā)有源油品靜電消除器。

1.2 有源管線油品靜電消除機理

在管道內安裝1個電極，如果一段時間內電極上的注入電荷與管線中油品產生的電荷完全相等、極性相反，那么理論上通過有源的方式可以完全消除管線中的油品靜電。假設管道中油品的電荷密度為ρ，μC/m3；管道中油品流量為L，m3/s；有源注入的電流為I，A；電荷量為Q，C。則經過一段時間t，s；管道中油品產生的電荷Q1可用下列公式計算：

Q1=ρLt

(2)

相同時間內，注入的電荷Q2可用下列公式計算：

Q2=It

(3)

要完全消除油品靜電，那么應該Q1=Q2，則

I=ρL

(4)

即注入電流等于油品的流量與油品電荷密度的乘積，可完全消除管道中的油品靜電。管道中油品的流量越大、油品電荷密度越高，需要的注入電流就越大。

對成品油罐車裝車而言，假設油品起電最大為30 μC/m3，管道的的最大流量為1 000 L/min，根據(jù)公式(4)，經計算當電極的注入電流為500 nA，就可以完全消除管道中的油品靜電。對加油站加油而言，假設油品起電最大為30 μC/m3，管道的的最大流量為50 L/min，根據(jù)公式(4)，經計算當電極的注入電流為25 nA，就可以完全消除管道中的油品靜電。

從以上分析可以看出，理論上有源靜電消除技術可以完全消除細管徑管道中的油品靜電，但其使用過程中需要解決以下2個問題：

1)注入電流要平穩(wěn)，避免出現(xiàn)反向充電；

2)有源靜電消除器的動作應與油品帶電量的監(jiān)測連鎖。

無源靜電消除是通過放電針的電暈放電來消除油品靜電的，油中的起暈電壓較高，一般超過14 kV[14]。電暈放電其電流不但具有一定隨機性，且其數(shù)量級可以達到mA級[15]，而低流量油品的有源靜電消除，其電流的數(shù)量級只是μA甚至nA級別，因此，有源靜電消除過程中，放電電極不需要電暈放電，應研究低電壓時放電電極的電流注入特性。

2 油品內電流注入試驗

檢測電極上的注入電流，最直觀簡單的方法是使用電流表，但根據(jù)上文的分析，注入電流的數(shù)值很小，使用電流表測量不但要考慮信號干擾，還需考慮檢測后的電流進入油品前是否存在泄漏。為解決以上問題，選擇使用法拉第筒開展試驗研究，法拉第筒內盛有試驗油品，電荷量直接反映油品內的電荷注入情況，而電荷量除以時間就是注入電流。

2.1 試驗系統(tǒng)的組成

建立如圖1所示的試驗裝置，主要包括：Teslaman TD2202型50 kV直流高壓源， ME284數(shù)字電荷量表，Tektronix TPS 2024B型示波器，試驗電極、試驗油品等。試驗過程如下：在法拉第筒中裝入試驗油品，將電極深入油品內，給電極施加電壓，用數(shù)字電荷量表測量電荷量的變化情況。數(shù)字電荷量表將檢測結果轉化成0～2 V的電壓信號，輸出給示波器，根據(jù)電荷量表的量程，通過示波器圖形可以計算出實際檢測的電荷量值。

為確保安全，采用燃爆性差、電導率低的白油開展試驗，其電導率為1 pS/m。

圖1 試驗原理示意Fig.1 Test schematic diagram

首先使用與無源靜電消除器放電針類似的針狀電極，其針尖的曲率半徑為0.2 mm，當施加電壓為-7 kV時，出現(xiàn)如圖2所示的波形。

圖2 針狀電極電荷量變化曲線Fig.2 Charge variation curve of needle electrode

從電荷量的變化來看，注入電流是非線性的，不滿足有源靜電消除注入電流應平穩(wěn)的要求。所以實際試驗選擇了直徑為4 mm、無尖端且表面光滑的柱狀電極來開展，并將電壓控制在8 kV以下。

2.2 法拉第筒中有油及無油的試驗對比研究

對法拉第筒中有油及無油2種情況下電荷量變化情況進行對比。試驗結果見圖3，其中，圖3(a)是法拉第筒中無油時的波形，施加電壓為4 kV；圖3(b)是在法拉第筒中放入白油，深度80 mm，電極深入油面40 mm，施加電壓4 kV。

圖3 有油及無油的電荷量變化曲線Fig.3 Charge variation curve with oil or without oil

空筒無油時，電荷量不變，此時電荷量的數(shù)值主要由感應電壓引起；法拉第筒中有白油時，電荷量隨時間持續(xù)均勻增大，說明電極將電荷注入到油品中，其電荷的極性與電極極性相同。根據(jù)這一特性，認為可以用此方式向油品中注入電荷，以消除油品中原有的電荷。而電荷量隨時間是近似均勻增大，也就是電極上產生了恒定電流。

2.3 電壓對注入電流的影響試驗研究

電極在油內的深度為20 mm不變，在電極上，使用電壓源分別施加正負1，2，3，4，5，6，7和8 kV的電壓，根據(jù)電荷量的變化情況，計算注入電流的大小。試驗結果表明，在施加以上電壓后，電荷量皆均勻變化，表明注入電流都是恒定的。正負8 kV的試驗波形見圖4，其中圖4(a)施加電壓為8 kV，圖4(b)施加電壓為-8 kV。

根據(jù)示波器波形，計算出的電流數(shù)據(jù)，將負極性的數(shù)據(jù)反極性處理后與正極性的數(shù)據(jù)繪制在一張圖里，見圖5。

圖5 電壓對注入電流的影響Fig.5 The effect of voltage on injection current

圖5顯示，注入電流隨電壓的增大而增大，注入電流與電壓是近似成線性關系，而最大的注入電流達到了1.12 nA。

2.4 電極深度對注入電流的影響試驗研究

在法拉第筒內放入深度為80 mm的白油，改變電極在油中的深度，以改變電極在油中的面積，每個位置施加正負4 kV電壓各一次，測量電荷量隨時間的變化情況。試驗發(fā)現(xiàn)當電極深度大于40 mm時，電極距離筒底的距離比筒壁近，注入電流不隨時間均勻增大，為方便進行試驗對比，我們對電極深度小于等于40 mm 的數(shù)據(jù)進行了記錄。根據(jù)示波器波形，計算出的電流數(shù)據(jù)，將負極性的數(shù)據(jù)反極性處理后與正極性的數(shù)據(jù)繪制在一張圖里，見圖6。

圖6 電極深度對注入電流的影響Fig.6 The effect of electrode depth on injection current

從圖6中可以看出，注入電流隨電極的深度增大而增大，注入電流與電極的深度近似成線性關系，即注入電流與電極的面積是近似線性關系。

2.5 油品有源靜電消除可行性分析

試驗中檢測到的最大注入電流為1.12 nA，根據(jù)試驗結果，增加施加電壓或增加電極表面積可以增大注入電流，并最終可能實現(xiàn)靜電消除的目的。

3 結論

1)在油品內電極上施加電壓，可以將電荷注入到油品中，其電荷的極性與電極極性相同。

2)有源靜電消除應選擇曲率半徑大的電極，并建議進行光滑處理，避免尖端的出現(xiàn)。

3)注入電流隨施加電壓的增大而增大，并近似成線性關系。注入電流隨電極表面積的增大而增大，并近似成線性關系。

4)試驗測試到的最大注入電流為1.12 nA，根據(jù)注入電流與施加電壓及電極表面積的關系，注入電流可以更大。

[1] BRITTON L G, WALMSLEY H L. Static electricity: New guidance for storage tank loading rates[J]. Process Safety Progress, 2012, 31(3): 219-229.

[2] WALMSLEY H L. Electrostatic ignition hazards with plastic pipes at petrol stations[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2012, 25(2): 263-273.

[3] 王振中，張衛(wèi)華，吳鋒棒. 自助加油站典型靜電事故案例分析及防范措施[J]. 中國安全生產科學技術，2013，7(9)：169-173.

WANG Zhenzhong，ZHANG Weihua，WU Fengbang. Analysis and preventive measures on typical electrostatic accidents cases of self-service refueling stations[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2013, 7(9): 169-173.

[4] 朱心濤.油庫加油站靜電事故分析及預防措施[J].安全與健康，2007(19):46-48.

ZHU Xintao. Analysis and prevention of electrostatic accidents in gas stations and oil depots[J]. Safety and Health, 2007(19):46-48.

[5] Americanpetroleum institute. Protection against ignitions arising out of static, lighting, and stray currents: API RECOMMENDED PRACTICE 2003-2008[S]. Washington DC: API Publishing Services, 2008.

[6] 張宏宇,周俊良. 油庫火災原因分析[J]. 中國安全生產科學技術，2012,8(7):118-122.

ZHANG Hongyu, ZHOU Junliang. Analysis of the cause of oil depot fire[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2012，8(7)：118-122.

[7] 李亮亮,孫立富,劉全楨,等.管輸油流靜電監(jiān)測與聯(lián)鎖控制技術及應用[J].油氣儲運, 2017, 36(4): 426-429.

LI Liangliang, SUN Lifu, LIU Quanzhen, et al. Electrostatic monitoring and interlocking control technology for pipeline oil flow and its test application[J]. Gas Storage and Transportation, 2017, 36(4): 426-429.

[8] 李亮亮,孫立富,劉全楨,等.加油站油流靜電在線監(jiān)測技術及應用[J].中國安全生產科學技術,2016, 12(1):132-135.

LI Liangliang, SUN Lifu, LIU Quanzhen, et al. On-line monitoring technology of oil-flow electrostatic at gas stations and its application[J].Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(1):132-135.

[9] 孫艷德,劉愛民,李敏東.油品儲運過程中靜電的危害及預防[J].化工科技,2005，13(6):27-29.

SUN Yande, LIU Aimin, LI Mindong. The harm and prevention of static electricity in the process of oil storage and transportation [J]. Science & Technology in Chemical Industry，2005，13(6):27-29.

[10] 國家安全生產監(jiān)督管理總局.液體石油產品靜電安全規(guī)程：GB 13348-2009[S]. 北京:中國標準出版社,2009:1.

[11] 劉尚合,武占成.靜電放電及危害防護[M].北京: 北京郵電大學出版社,2004：116.

[12] 于格非. 輕質油品裝卸和運輸過程中靜電安全關鍵技術的研究 [D].上海：上海海事大學，2006：82.

[13] 中國石油化工集團公司安全環(huán)保局.靜電安全教育讀本[M]. 北京：中國石化出版社,2007:90.

[14] 陳新崗,趙陽陽.變壓器油中電暈放電特性及產氣規(guī)律[J].重慶理工大學學報(自然科學),2012,26(1):80-84，96.

CHEN Xin’gang, ZHAO Yangyang. Corona discharge characteristics and gas generation law in transformer oil[J]. Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), 2012,26(1):80-84，96.

[15] 許瀟,那日,楊軍,等.高壓電暈電場放電特性的研究[J].內蒙古大學學報(自然科學版),2009,40(5):600-604.

XU Xiao, NA Ri, YANG Jun, et al. A research on characteristics of corona discharge[J].Journal of Inner Mongolia University. 2009，40(5)：600-604.