一起靜電火災調查和模擬實驗還原分析

■ 李潔濱 任超 中山市消防救援支隊

一、案例介紹

（一）基本情況

2020年11月13日，中山市小欖鎮績西慶豐一路有一矽立硅膠制品廠天面鋅鐵棚的生產車間發生一起較大安全生產事故，該起事故起火蔓延面積為243.4 平方米，燒毀烤箱、磨砂機、水簾柜、塑膠等生產器械、生產材料一批，并造成3 名生產工人當場死亡。經過現場勘查、詢問當事人、調取現場監控錄像、調取相關資料、模擬實驗、聘請安全生產事故專家等，認定事故原因為員工在傾倒鐵桶裝120號溶劑油（俗稱白電油）的過程中產生的靜電導致白電油著火燃燒并蔓延成災。

（二）現場勘查情況

據現場初步勘查，該矽立硅膠制品廠設置兩條疏散樓梯通往天面，在天面搭建有一個鋅鐵棚臨時建筑，鋅鐵棚除北面外，其余三面空出距離天面女兒墻3 米作為通道，分為一個小作坊（稱磨砂車間）和一個廚房。磨砂車間面積約243.4 平方米，只設置一個安全出口，安全出口朝向東面，北面是廚房。磨砂車間經燃燒變形，頂棚坍塌，磨砂車間全部過火。磨砂車間內東面靠近安全出口處擺放一個滑軌、一臺烤箱和硅膠管。磨砂車間中心位置（距離東面內側4.5 米，距離北面內側11.65 米）擺放一張工作臺，在工作臺西側地面有一個電子秤殘骸，在工作臺的北側地面有兩個鐵桶殘骸。在中心位置工作臺的南面2.26 米由北向南依次擺放一臺支架和一臺水簾柜。磨砂車間西面（距離東面內側7.88 米，距離北面內側9.9 米）由北向南依次擺放一臺小推車、兩張工作臺、一臺磨砂機、一臺水簾柜，小推車和兩張工作臺上擺放鐵枝；西南角擺放一臺空壓機；西面（距離東面內側10.5 米，距離北面內側9.7 米）擺放一臺烤箱；北面（距離東面內側2.67 米，距離北面內側6米）由東向西順序擺放兩個貨架和硅膠管、一臺小推車（小推車擺放鐵枝）和一個鐵架，北面（距離東面內側5.6 米，距離北面內側1 米）擺放一臺卷筒機。

（三）視頻分析

1.視頻處理過程

文件大小為15.5MB，時長00:01:02，記錄時間為北京時間2020-11-13，09:00:03 到09:01:05，幀速率為25.00 幀/ 秒，幀間隔40 毫秒，采用提幀技術對視頻進行提幀處理，合計提出1554 幀。

2.視頻分析結論

事故發生時工人首先操作膠桶，并將膠桶內液體傾倒于地面容器中，傾倒完畢后移開膠桶。隨后工人將身后鐵桶拎至操作區域，并向地面容器內傾倒液體，火焰從底部竄出，迅速蔓延至工人腰部。

起火部位為底部，參照傳播距離為底部至人體腰身位置，大約為1 米，從底部至人體腰身僅用1 幀時間，傳播時間為40 毫秒。

結論：第一次火焰傳播速約度為：

二、模擬實驗

（一）實驗材料：白電油（鐵桶裝）、硅油（膠桶裝）

（二）實驗儀器：靜電測量儀（SIMCO FMX-003）

（三）實驗過程及結論

1.膠桶靜電電位測量

實驗所用膠桶（取自該起火單位未過火膠桶）直徑為10 厘米，膠桶內為硅膠原料，測量膠桶外壁靜電電位及旋轉1 分鐘、3 分鐘后電位變化情況。

測量結果表明，膠桶外壁存在靜電電位，在旋轉過程中底部靜電電位下降較快，中部和上部靜電電位下降較慢。

表1 實驗膠桶三種情形電位數值記錄表

2.物料混合后膠桶內靜電電位測量

模擬工人操作過程，將硅膠原料與白電油按1:6 混合后注入30cm 直徑膠桶內，測量注入物料后膠桶內外靜電電位，測量位置分別為高于液面1cm 和3cm。

表2 模擬混合物料后膠桶內靜電電位數值記錄表

3.膠桶內最大靜電電位值

搖晃膠桶內混合物測量膠桶內最大靜電電位值。

表3 搖晃膠桶后膠桶桶內最大靜電電位數值記錄表

4.模擬白電油灑落于帶電絕緣體表面

取膠桶蓋（直徑30cm，厚度約1mm），通過反復摩擦，使膠桶蓋表面帶電。將白電油從鐵桶中傾倒在帶電膠桶蓋表面，觀察靜電電位值。

表4 模擬白電油灑落于帶電絕緣體表面電位數值記錄表

傾倒白電油后電位/kV 0.38 1.86 2.1 5.0

5.模擬鐵絲接觸帶電絕緣體

取膠桶蓋（直徑30cm，厚度約1mm），通過反復摩擦，使膠桶蓋表面帶電。將細鐵絲接近膠桶蓋高電位處，記錄電位下降情況。

表5 模擬鐵絲接觸帶電絕緣體電位數值記錄表

三、靜電能量估算

物質產生靜電后能否保留聚集，由物質的電阻率和介電常數決定。電阻率小于108?·cm 的物質是靜電導體，即使產生靜電電荷也可瞬間移除。電阻率為108~1010?·cm 的物質帶上靜電是電量不大，故危險性不大。電阻率為1011~1015?·cm 的物質最容易產生并聚集靜電電荷。膠桶材質為聚乙烯，電阻率為1.52×1012?·cm，屬于易帶靜電材質。

（一）電容計算

模擬實驗所用膠桶直徑D 為30cm，高度H 為30cm，厚度為1mm。若把膠桶看作一個整體，根據電容計算公式：

式中：ε 是介質的相對介電常數，其中聚乙烯的相對介電常數取值2.0；

S 是表面積，單位m2；

K 是靜電力常量，數值為9.0x109N·m2/C2；

d 為間距，單位m，取值0.001m。

對膠桶內部表面積進行計算：

S=0.25D2+DH=0.25×3.14×0.32+3.14×0.3×0.3=0.353m2

C桶= 2.0×0.353/4×9.0×109×3.14×0.001=6.245×10-9F

對膠桶蓋表面積進行計算：

S=0.25D2=0.25×3.14×0.32=0.0706m2

參照公式（1）C蓋=1.25×10-9F

（二）靜電能量計算

若把膠桶看成一個絕緣帶電體，根據膠桶內測得的電位值估算，膠桶帶電能量。

式中：E 是電容儲能，也是火花能，單位J；

C 是電容值，單位F；

U 是電容兩端電壓值，單位V。

對模擬實驗3 中膠桶內帶電量進行計算。

表6 模擬實驗3 中膠桶內帶電量計算數值表

若把膠桶蓋看成一個絕緣帶電體，根據公式（2）對模擬實驗4 中膠桶蓋放電前后帶電能量進行計算。

表7 模擬實驗4 中膠桶蓋放電前后帶轉移電量數值記錄表

模擬實驗5 中鐵絲接觸帶電絕緣體，計算轉移電量。

表8 模擬實驗5 中鐵絲接觸帶電絕緣體轉移電量數值記錄表

（三）實驗結論

參考白電油點火能量為0.2mJ，上述模擬實驗中膠桶自身帶量能量和轉移電荷能量，均具備引燃白電油的能力。

四、靜電事故原因分析

（一）作業過程分析

通過監控視頻及現場勘查可知，事故中工人使用膠桶作為混合容器，并在傾倒白電油（鐵桶裝）的過程中發生爆燃，火焰從底部竄出。

（二）靜電聚集原因分析

作為混合容器的膠桶為塑料材質，電阻率高，在缺少靜電泄放通道的條件下，靜電易于聚集不散，無論是膠桶內部還是外部均存在較高的靜電電位值。

（三）可燃物分析

事故中白電油為易燃液體，易于揮發，當白電油傾倒于膠桶中可在膠桶底部形成蒸汽云，達到引燃條件。

（四）放電過程分析

當白電油流經高電位膠桶表面時，電荷從膠桶表面向白電油轉移。由于盛裝白電油的鐵桶直接碰觸膠桶，電荷也存在向鐵桶轉移。模擬實驗中膠桶自身帶量能量和轉移電荷能量，均具備引燃白電油的能力。結論：事故原因為白電油蒸汽遇靜電火花發生爆燃。

五、結語

在這起火災調查過程中，對火災現場走訪、勘查以及視頻分析，我們也許可以得出明顯的結果，就是工人在操作白電油的過程中引起火災。但在長期生產過程中，為何又未曾發生此類事件，其發生的機理是我們進一步研究的方向。通過進一步的模擬還原實驗，科學研究起發生火災的機理，進一步解釋了靜電引起火災的奧秘，為下一步防范靜電火災指明方向。