化工企業靜電風險及防范措施

曾月香(阿科瑪(中國)投資有限公司上海分公司，上海 200072)

0 引言

化工企業里經常要使用、儲存和輸送易燃易爆氣體、可燃液體及固體粉末，而在化工操作過程中如果沒有采取恰當且充分的靜電預防和減緩措施，很容易有靜電產生、積聚和釋放。在過往的化工事故中，由靜電引起的火災爆炸事故時有發生，小則是對生產的中斷或產品質量導致的業務的中斷，大則可能是設備設施的損壞等直接財產損失，甚至可能危及事故現場工廠員工的生命安全。如果形成多米諾效應，則會影響到工廠周圍的裝置或社區財產和人員的安全。

1 靜電風險分析

靜電風險是化工安全生產中風險管理的重要組成部分，產生和積聚的靜電釋放后可能引起火災爆炸等重大安全事故，嚴重影響安全生產，導致設備設施損壞等經濟損失，也可能危及工廠人員安全甚至工廠周圍社區的人員健康。雖然人們能夠認識到靜電是火災和爆炸的源頭之一，但靜電引發的事故還時有發生。為此，總結靜電的特征和引燃的規律，對靜電風險的規避和危害的防控就具有重要現實意義。

1.1 靜電的特征

靜電是一種常見的自然現象，存在于諸多環境之中，在石油化工等易燃易爆場所中，靜電具有一些較為典型的特征：

(1)廣泛性。靜電普遍存在于石油化工的各個場所之中，分布廣泛且常見，如石油管道中石油流動時，液體會和管道界面發生靜電荷的交換，進而產生靜電。基于此，在開展石油化工生產時很難完全消除靜電現象，但可以根據靜電產生的原因和特征降低靜電的出現頻率，提升靜電荷的消散速度，預防靜電風險。

(2)隱蔽性。靜電是一種無法直接觸碰觀察到的現象，只有在黑暗的環境中能看到靜電產生的火花。同時，由于人體能感受到的電壓有限，只有電壓在2～3 kV時靜電電壓才能被人們所感知到，普通較低靜電電壓既看不見也摸不著，隱蔽性較強。

(3)隨機性。靜電出現的時間段和位置有較大的隨機性，在石油化工相關產品、設備的加工制造到使用、運輸任一環節都可能會產生靜電，引發靜電危害。另外，靜電放電的條件和后果受到周圍環境中易燃易爆物質的多少、設備情況及操作人員操作規范等因素的影響，產生的靜電放電后果也會有不同，具有明顯的隨機性。

(4)潛在性。一些石油化工材料、設備及線路等構件受到靜電危害后，可能表面上這些材料和構件沒有出現問題，性能也暫時沒有衰退，但實際上多次靜電放電已經對這些材料和構件產生不可逆轉的傷害，若操作人員在日常巡檢和管理中沒有及時檢查處理，將埋下巨大的安全隱患。同時，潛在性也是指靜電荷的積累，在材料和設備的使用過程中，靜電危害在逐漸積累，一旦工況和周圍環境等出現變化就會引發潛在的靜電危害。

(5)危害性。石油化工企業的工作環境較為復雜，具備引發爆炸、火災等事故的氣體環境，較大的靜電放電會引爆氣體，導致重大安全事故。另外，巨大的靜電放電還會造成靜電點擊的出現，威脅作業人員生命安全，導致電擊及高空墜落等事故。

(6)復雜性。若因為靜電放電而引發爆炸火災事故，事故溯源將會存在一定的難度，無法在復雜的爆炸火災環境中確定引發事故的具體原因。

1.2 靜電引發火災爆炸事故的條件

由靜電放電而引發火災爆炸事故需要滿足4個條件：

(1)明確的靜電來源。若要產生靜電現象，必須有產生靜電的來源，如摩擦靜電、感應靜電、沉降靜電等。(2)達到一定的靜電累積量才能發生靜電放電。靜電產生后可以通過接地等方式轉移消散靜電，靜電荷就無法積聚或積聚量較少，也就不會進一步產生靜電放電。反之，若因為靜電來源穩定，產生了靜電也不能及時通過接地系統轉移靜電荷，靜電荷就會逐漸積累，產生放電現象，埋下引發火災爆炸事故的隱患。(3)周圍有火災爆炸的環境。如果只是在普通環境中產生靜電放電火花，不會引發安全事故，但如果在爆炸性環境中靜電荷積聚到一定量，并且產生了放電火花，火花會迅速點燃爆炸環境中的氣體和粉塵，引起火災爆炸事故。(4)靜電放電的能量超過爆炸性混合物的最小點燃能量。在自然環境和非自然環境中，任何一個物體都有最小點燃點，若靜電放電火花是引燃點，那么靜電放電的能量必須超過爆炸混合物的最小點燃能量時才會引發火災爆炸事故。而爆炸混合物的最小點燃能量會受到不同爆炸物質類型、體積、形狀及周圍環境的影響。

2 靜電產生、積聚和釋放機理

靜電產生的現象是電荷在物質內部或者表面移動的結果。靜電產生類型分別有摩擦起電、感應帶電及接觸帶電。摩擦起電是物體之間摩擦會引起電荷的轉移；感應帶電是當物體靠近帶電物體，物體就會帶電；接觸帶電是兩種不同材質的物體相互接觸后分離，物體就會帶電。

電荷由于不同物質之間的摩擦(接觸/分離)被分離。電荷的產生發生在表面之間，一面因為失去電子而帶正電荷，另一面因為得到電子而帶負電荷。這種現象產生的電量大小取決于物質的特性(包括電導率、電阻率)和移動的機械特性(分離的速度、放電的表面積等)等因素。這種接觸/分離的原理經常會以不同的形式發生，很難去監測，例如液體或粉末的處置、人員或移動部件的移動、用抹布來清理表面、用刷子打掃等。

當導體部分放置在電場內的時候可能會被帶電。通過處在初始電場中的帶電體的影響，導體表面的電荷將被轉移而分開。當將導電體移出電場后，導電體的電荷將回到中性而消失。假如一個接地的導體在電場的影響下，當導電體離開電場后也會因為接地的中斷而被帶電。

電荷的產生和分離本身不會導致危險的狀況，風險主要存在于這些電荷積聚和釋放的過程中。這種積聚將決定靜電產生(充電電流)和釋放(放電電流)。事實上，電荷會發生在與大地絕緣的導體部件上或者絕緣物質和產品(塑料等)以及帶點液滴的蒸汽或者薄霧上。另外，天氣條件(空氣濕度)也將影響電荷的積聚。寒冷干燥的天氣特別有利于靜電現象的發生。

當靜電積聚到一定程度時，在一定條件下靜電會釋放并釋放出大小不同的能量。在易燃環境下(空氣和有機蒸汽或者空氣和粉塵)，靜電的釋放如果超過了最低點火能就會點燃易燃混合物。

靜電的釋放類型又分火花放電、傳播刷型放電、刷型放電和電暈放電[1]。

(1)火花放電，是指放電發生在一個孤立的帶電體和另一個接地的導電體之間，只要潛在的能量達到一個足夠高的值并且兩者之間的距離合適就會發生。能量可能達到幾焦耳到幾千焦耳，而高于點燃易燃氣體、蒸汽和大多數粉塵的能量。(2)傳播刷型放電，是指當電荷以相反雙層電荷分散在一個低厚度絕緣板的平面上時，放電出現。絕緣板可以是一個獨立鍍層的導體或者涂料絕緣的金屬板。在這種幾焦耳放電的情況下，可以點燃氣體、蒸汽和大多數粉塵團。(3)刷型放電和電暈放電，是指電荷分布在一個不導電的平面上并且不能被消除，當表面接近一個接地的電極，刷型放電或者電暈放電發生。刷型放電或電暈放電的能量能夠積聚到幾個毫焦耳，足夠點燃氣體、蒸汽，但不足以點燃粉塵團。

3 化工生產中靜電危害的識別

在使用易燃液體時，靜電危害是一個火災和爆炸風險必須考慮的因素，當使用的原料、產品、中間品、廢料等中間含有易燃的物質和產品(氣體、液體或固體粉末)時，靜電的風險應該被考慮。應根據靜電產生、積聚和釋放的機理識別化工生產過程中的靜電危害。

在不同物質之間相接觸/分離后產生靜電，非常有必要在這些地方做一些防止靜電產生的措施。在兩種物質接觸的表面容易發生電子的轉移，例如人和車輛的運動；液體的流動和攪拌；固體粉末的處置；設備的移動部件；擦拭或摩擦的表面。

霧狀物的噴濺和積聚是指通過噴濺使液體發生分離，形成的薄霧能導致液滴和液體表面電荷的分離?？赡艿耐緩骄唧w如下：包裝軟管沒有浸入到液體中；包裝速度過快；高壓清洗作業(噴射)。

電荷的傳導，接觸或者接地連接的分離，或者從帶更強電荷的物體產生的電場里分離都會讓電荷傳導到絕緣體上。例如，設備會產生很強的電荷(轉動部件、傳送帶等)。

4 靜電的安全措施

靜電安全措施分預防措施、控制減緩措施和人員靜電管理。

4.1 預防措施

預防措施主要是從消除燃燒爆炸環境和盡量減少靜電產生的角度考慮，本文重點介紹惰化和限制管道流速這兩種化工企業最常用的措施。(1)惰化經常被作為防止火災和爆炸發生的主要措施，易燃環境中增加惰性氣體，氧氣的濃度就會被降低，爆炸范圍將會縮小，低于某個氧含量的值后(每種氣體對應的值不同)，消除了燃燒爆炸環境，有靜電產生也沒有火災和爆炸發生。惰化一般使用氮氣，但也可以使用一種地氧含量的混合氣體(如工業上貧氧氮)，但氮氣會帶來窒息的新風險，所以氬氣、CO2作為惰化介質在工業上也會用到。根據每種可燃物的燃燒性所需最低氧含量來決定惰化程度，通常來說惰化到5%(體積百分比)能夠確保大多數條件下的安全環境。但也有例外，如氫氣最低氧濃度是4%，所以它的惰化程度要求到1%～2%，甚至更低。還有一些特例，并非惰化程度越低越好，如一些單體物質(如丙烯酸)，為維持其穩定劑的作用，必須維持一定的氧濃度，所以其環境氧含量控制在5%左右。惰化需要檢查其操作執行的正確性、有效性，如環境的測量、流量的控制、壓力等，并連鎖對應的安全設備，才能驗證其惰化的有效性。(2)限制物料流速。低導電率的可燃/易燃液體在管道內通過接觸/分離而產生電荷。電荷的產生受很多因素的影響，包括管道線速度。上游設備會產生大量的電荷，金屬管線能夠幫助消散管道中流體的電荷。管道中的流速取決于下游管道的狀況。在靜電可能發生積聚(如使用絕緣材料設備或管道)的情況下，電導率低于50 pS/m(皮西門子/米)的易燃液體，在注入口未浸沒前，初始管道流速應控制在1 m/s以內[2]。導體或者高的半導體沒有限制，除非噴射和薄霧形成的線速度不超過7 m/s。其他可以依據國家相關標準規范來執行。

4.2 工藝控制減緩措施

工藝控制減緩措施主要是消除靜電，從工藝過程設計(如原材料投料順序，先加導電性好的原材料)、添加導電試劑(如在不影響工藝和產品質量下添加增加導電性試劑)、設備結構和材質選擇(如使用導電性好的材料，限制或禁止使用絕緣材料)等角度來減少靜電的積聚，及時安全地釋放靜電。本文重點介紹靜電跨接和接地這兩種化工企業常用的強制措施。

靜電跨接和接地就是將靜電導向大地，是及時釋放靜電簡單而有效的措施。靜電跨接和接地具體是指在一個易燃的環境中阻止物質和設備上靜電的積聚可以通過下列方法：

(1)通過與一個接地的設備等電位連接。(2)盡可能使用導電的原料(包裝、容器、軟管、管道等)。優先使用導電的材料，等電位連接和導電設備的接地是預防與靜電有關風險的措施。(3)建筑物和大型設備的接地經常作為防止靜電影響的安全措施，例如防雷或防靜電措施。

4.3 人員靜電管理

人員靜電管理主要從靜電風險告知和操作制度培訓、人體自身靜電防護管理兩個角度來考慮。化工企業從安全管理制度角度對員工進行有關靜電機理和風險的知識掌握、與靜電相關操作制度執行等培訓。靜電風險的防范基于員工的主要行為：(1)設備和包裝/容器的接地；(2)防靜電工作服的穿戴；(3)包括抗靜電劑使用在內的特殊的操作；(4)持續的用電驗證。員工應該被培訓并正確地執行這些操作，以確保員工有足夠的靜電風險意識并掌握這些必要措施的應用。人體自身靜電管理是基于人體靜電的消除。具體措施如下：(1)在可能的燃燒爆炸環境入口應安裝金屬接地棒。確保人員在進入危險區域前用手觸摸接地棒以消除人體所帶的靜電。(2)人員衣裝要求。應按要求穿戴防靜電工作服、鞋襪和手套。(3)安全操作。危險區域要使用銅扳手、銅榔頭等防爆工具。

5 結語

綜上所述，文章從靜電產生、積聚到釋放機理的角度，系統介紹了靜電在化工企業工段、操作中風險的識別問題，同時借鑒相關規范，針對靜電風險制定了安全措施，并從風險的預防、控制減緩到人員安全管理等三個方面來介紹安全措施。靜電安全是一項復雜的課題，不管對設計還是運營管理都提出了要求，需要相關人員不斷深入認識和改進安全措施。