船舶輸油管路中的靜電分析

包　磊,　曹志忻

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

船舶輸油管路中的靜電分析

包磊,曹志忻

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

摘要:針對船舶輸油管路中的靜電會危及整個船舶航行安全的問題，對輸油管路中靜電產(chǎn)生的原因進(jìn)行細(xì)致地分析。找出油品在不同管路中的流速、管徑及管路長度對產(chǎn)生靜電的影響。根據(jù)相關(guān)結(jié)論提出了預(yù)防和消除靜電的措施。

關(guān)鍵詞:船舶輸油； 靜電； 放電； 流速； 管徑； 動態(tài)平衡

0引言

油品通常是不容易產(chǎn)生電荷的，但是如果油中含有水分或其他含有電荷的雜質(zhì)，其靜電荷的生成就會增加。如果油中的正負(fù)電荷數(shù)量相同，油就會呈中性。當(dāng)油與其他物品接觸而發(fā)生摩擦?xí)r，電荷的分布就會被打亂，使得油與物品接觸面的電荷重新分布，讓接觸面形成一層正負(fù)電荷按層對應(yīng)等量的電偶層。由于電偶層的電荷是等量的，沒有增加或減少，因此其電荷仍為中性。然而，油具有較強的附著力，會使帶電的油中的電偶層附著在物體表面，當(dāng)油品在管路中流動時，一部分電荷就會隨著油的流動而被帶走，使得油品的中性被破壞，從而產(chǎn)生靜電。由于鋼制船體本身具有一定的導(dǎo)電功能，因此少量的靜電不會產(chǎn)生危害，但當(dāng)靜電集聚到一定程度又沒有及時疏導(dǎo)時，就會在空氣中或油中發(fā)生電擊穿現(xiàn)象并產(chǎn)生電火花，從而引起火災(zāi)和爆炸，威脅船舶的安全航行。油品的導(dǎo)電率小，絕緣性能好，因此能夠較好地保持靜電能，使靜電不會在在短時間內(nèi)被消滅。通過分析輸油管路中的靜電，得出影響靜電的各因素之間的關(guān)系，以盡量減少靜電的產(chǎn)生。

1輸油管路的靜電產(chǎn)生

1.1油品的流速

導(dǎo)電率小的油品在管路內(nèi)流動時,會與管壁摩擦而產(chǎn)生靜電，這些靜電與油品一起在管路內(nèi)流動，便形成了電容電流。油品產(chǎn)生的靜電與油品和管路的接觸面積及流動速度有關(guān)，且在不同的溫度和濕度下測量值也會不同。根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系式可計算出一定長度的管路條件下液體產(chǎn)生的最大電流。其廣泛采用的是Schon方程：

(1)

式(1)中：I為油品流動產(chǎn)生的最大電流;v為油品流動的平均速度;d為管路直徑;K1為常數(shù)，油品導(dǎo)電率與溫度、空氣濕度綜合函數(shù)。

可以看出，油品在管路中流動是產(chǎn)生靜電的重要原因，流速越快，靜電的集聚就越快，潛在危險也就越大。特別是開始裝油時，管路中可能殘存著少量水分或其他油品，而汽油等輕質(zhì)油品中摻有水分或其他油品時更容易產(chǎn)生靜電，因此在裝油過程中，特別是在裝油初期，低速裝油是有好處的。

1.2管路長度的影響

油品在管路中輸送時間越長，油品與管路之間的碰撞次數(shù)就越多，摩擦就越大，其表面上帶的靜電也就越多，但這也增加了電荷的釋放機會，因此最終表現(xiàn)出來的結(jié)果為靜電帶電趨于平衡，即開始運輸時靜電產(chǎn)生量不斷增加，但經(jīng)過一段時間之后，靜電電量逐漸趨于平衡。

1.3管路形狀的影響

管路的形狀、歪曲的曲率半徑、管路內(nèi)壁的光滑程度都能影響油品輸送時的摩擦阻力，從而影響靜電的產(chǎn)生和積累。研究發(fā)現(xiàn):彎曲的管路比直的管路更容易產(chǎn)生靜電；管路的狹窄部分比寬闊部分更容易產(chǎn)生靜電。

2輸油管路的油品放電

若靜電已大量產(chǎn)生，則需采取措施盡量使其消散、泄漏，從而消除電荷的大量集聚。假設(shè)某一定長度的標(biāo)準(zhǔn)輸油管路中有流動的油品，該管路為直線，不考慮彎頭處的摩擦加劇，管路中的油品電荷均勻分布，則該段管路可看作是1個靜態(tài)的帶電電容，故在輸送過程中，電荷也在通過油品的對地電阻和對地電容進(jìn)行放電，放電時間與電壓等級及電阻、電容的時間常數(shù)有關(guān)。

圖1　輸油管路等值電路

輸油管路等值電路可表示成圖1，其中：Rd為管壁的接地電阻；C為油品的對地分布電容；v為油品的平均流動速度；d為管路內(nèi)徑；D為管路外徑。在等值電路中，從放電角度講，可不考慮帶電油品的移動速度，此時油品和管路可看作是一個對地放電的電容。

油品對管壁的電阻[5]可表示為

(2)

式(2)中：L為管路；D為管路外徑；d為管路內(nèi)徑；K2為絕緣電阻常數(shù)。故油品對地電阻為R=Rc+Rd(其中Rd為管壁的對地電阻)。

油品對地電容可按照同心圓柱體電容計算公式計算

(3)

式(3)中：ε0為油品的介電常數(shù)。

管路中電量Q可表示為

(4)

式(4)中：v為液體的流動速度。

3油品靜電的動態(tài)平衡分析與預(yù)防措施

油品在輸油管路中流動的過程與管壁摩擦是電荷積累的過程，同時又在放電。靜電自然流散不會產(chǎn)生危害，但是如果以火花的形式釋放，就會具有很大的危險性。因此，避免靜電產(chǎn)生或合理地放電都是有效防止靜電危害的措施。油品流動的距離越長、與渣壁的接觸面積越大，產(chǎn)生的電荷就越多，電壓就越高，油品的放電速度也就越快。當(dāng)摩擦產(chǎn)生的電量與釋放的電量一致時，最終會形成動態(tài)平衡狀態(tài)。

假設(shè)在船舶中管壁接地良好，接地電阻與油品對管壁電阻相比可忽略，則放電電流(即摩擦電荷產(chǎn)生的電流)為

(5)

將式(2)~式(4)代入式(5)，可得

(6)

式(6)中：K為與導(dǎo)電率、溫度和濕度有關(guān)的常數(shù)。

以上結(jié)果均是在理想條件下得出的，若是在足夠長度的直線輸油管路中，則由摩擦產(chǎn)生的靜電電流與輸油速度、管路內(nèi)徑、管路長度及導(dǎo)電率等常數(shù)有關(guān)。因此，由摩擦產(chǎn)生的電荷電量可近似為

Q=It=Kd2L2

(7)

由式(7)可看出，摩擦產(chǎn)生的電荷電量與流速無關(guān)，只與油路管徑、長度及導(dǎo)電常數(shù)有關(guān)，但降低流速可增加電荷的釋放時間，達(dá)到減少流體中殘留電荷的目的，進(jìn)而增加油品至油箱或油柜的安全性。

在船舶設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)不同油品的引燃能量設(shè)計理論管路和流速的極限值；在油品輸送過程中，可采取必要的手段減少由靜電造成的事故的發(fā)生。根據(jù)上述推導(dǎo)，可得出以下結(jié)論：

(1) 雖然摩擦產(chǎn)生的電荷量與油品流速無關(guān)，但在滿足輸送要求的前提下，仍應(yīng)盡量降低油品流速，增加電荷通過管壁釋放的時間；

(2) 采用抗靜電添加劑、改善油品導(dǎo)電率、降低對地電阻及電容等措施均可減少靜電荷的產(chǎn)生及加快放消靜電速度；

(3) 盡可能地減小油路管徑及輸油距離，可有效減少摩擦電荷的產(chǎn)生；

(4) 輸油管路連續(xù)可靠接地，降低管路的對地電阻可有效阻止靜電荷的集聚(接地電阻雖然不能影響靜電荷的產(chǎn)生，但可以大大增加靜電荷的釋放速度)。

除此之外，還要在油艙中設(shè)置消靜電板，在人為操作過程中消除人體靜電，以防油品通過輸油管路后靜電在油艙內(nèi)積累而產(chǎn)生爆炸危險。

4結(jié)語

由于油品在輸送過程中是連續(xù)運動的，與管壁間的摩擦起電現(xiàn)象也是不間斷的，因此輸送過程中帶來的靜電是不可能完全消除的，只能通過運用不同手段盡量減少其靜電量來保證安全。石油靜電科學(xué)涉及到的問題有很多，機理復(fù)雜，特別是各種突然干擾參與的機因較多，使得靜電往往成為一種缺乏再現(xiàn)性的自然現(xiàn)象和概率現(xiàn)象, 以致防止靜電災(zāi)害的許多方面尚無定論。

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[5]The Okonite Company. Engineering Data For Copper and Aluminum Conductor Electrical Cables[M] .Bulletin EHB-98.

中圖分類號：U665； X937

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-03-24

作者簡介：俞葉萍(1981—)，女，上海人，工程師，主要從事電子技術(shù)研究工作。

文章編號：1674-5949(2015)03-043-04

Static Electricity in Ship Oil Piping

BaoLei，CaoZhixin

(Hudong & Zhonghua Shipbuilding(group) Co., Ltd, Shanghai 200129， China)

Abstract:The static electricity in ship oil piping can endanger the safe operation of the whole ship. The causes of the static electricity in ship oil piping are analyzed. The relation between the static electricity and the pipe diameter and oil speed is determined. Measures for preventing and eliminating static electricity are proposed.

Key words:ship oil piping; static electricity; discharge; oil speed; pipe diameter; dynamic equilibrium