管輸成品油靜電分布規(guī)律研究

彭 楊，趙曉剛

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系， 重慶 401311)

管輸成品油靜電分布規(guī)律研究

彭 楊，趙曉剛

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系， 重慶 401311)

簡(jiǎn)述了管輸成品油靜電帶電問(wèn)題的重要性和歷史研究概況，從理論、實(shí)驗(yàn)與仿真3個(gè)方面詳細(xì)介紹了油流靜電領(lǐng)域的研究方法與研究成果。在分析了現(xiàn)有研究存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上展望了管輸成品油帶電領(lǐng)域今后的研究方向和趨勢(shì)。

成品油；油流靜電；管道輸送

1 概述

石油是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，而在石油產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，管道是重要的輸送方式。管輸成品油產(chǎn)生的靜電是影響石油產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)安全的關(guān)鍵因素之一。靜電作為一種不可見(jiàn)的威脅時(shí)刻存在于人們身邊，每年因管輸油流靜電而導(dǎo)致的安全事故時(shí)有發(fā)生。2007年，位于美國(guó)堪薩斯州的一處化工油庫(kù)發(fā)生爆炸及火災(zāi)事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，事后證明此事是由于石油流經(jīng)管線(xiàn)和泵時(shí)產(chǎn)生靜電，由靜電火花引發(fā)油氣爆炸造成的。2011年，我軍某油庫(kù)在進(jìn)行航煤收油作業(yè)時(shí)突然發(fā)生爆炸，致使多人死傷、建筑物受損。經(jīng)調(diào)查，事故原因?yàn)殪o電接地裝置斷裂，靜電荷大量積聚而導(dǎo)致的火花放電。此外，近年來(lái)在變壓器中油流靜電放電導(dǎo)致的絕緣擊穿效應(yīng)也對(duì)整個(gè)電力行業(yè)造成了不小的損失和困擾。種種因素使得人們開(kāi)始關(guān)注靜電領(lǐng)域中的流體帶電問(wèn)題。在石油行業(yè)，據(jù)我國(guó)和日本方面的統(tǒng)計(jì)，超過(guò)10%的油庫(kù)火災(zāi)爆炸事故屬于靜電事故。而人們對(duì)管輸油流靜電的防護(hù)依然停留在經(jīng)驗(yàn)性地接地和設(shè)置安全流速等方面，對(duì)管輸成品油靜電分布規(guī)律的了解卻不夠深入，從而無(wú)法為制定科學(xué)的靜電防控措施提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)支撐。如何更好地解決成品油輸送過(guò)程中的靜電安全問(wèn)題逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。加之近年來(lái)隨著“一帶一路”和改革強(qiáng)軍國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施與推進(jìn)，我國(guó)民用和軍用航空事業(yè)飛速發(fā)展，給機(jī)場(chǎng)快速大流量加油提出了新的、更高的要求，油料加注過(guò)程中的靜電安全問(wèn)題已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全的嚴(yán)峻考驗(yàn)，這對(duì)開(kāi)展輸油防靜電關(guān)鍵技術(shù)中的靜電分布規(guī)律研究具有重要意義。

2 研究現(xiàn)狀

對(duì)管輸成品油靜電分布規(guī)律的研究，其基礎(chǔ)理論是油流帶電，屬于靜電學(xué)的一個(gè)分支。油流靜電的安全性問(wèn)題由來(lái)已久，早在1913年Dolezalek在研究苯和醚在金屬管道中的流動(dòng)特性時(shí)，就己發(fā)現(xiàn)隨著流體的流動(dòng)有靜電荷產(chǎn)生，隨后在石油行業(yè)也同樣觀察到油流帶電現(xiàn)象。近年來(lái)，由于相關(guān)領(lǐng)域?qū)τ土黛o電問(wèn)題的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，國(guó)內(nèi)外對(duì)油流靜電領(lǐng)域的多手段研究愈加頻繁。

2.1 油流靜電相關(guān)理論現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于油流靜電理論的研究開(kāi)始較早，對(duì)其研究較為活躍的地區(qū)集中在美國(guó)、日本、法國(guó)3個(gè)國(guó)家。20世紀(jì)50年代，美國(guó)的一些學(xué)者對(duì)于油流靜電理論進(jìn)行了一些初步探討。Cooper[1]對(duì)Helmhotz經(jīng)典沖流起電模型進(jìn)行了一定的改進(jìn)研究，得到了適用于高電導(dǎo)率沖流電流的計(jì)算公式。Klinkenberg 和 van de Minne (1958)出版了一部關(guān)于油流靜電理論的書(shū)籍，書(shū)中提出的靜電帶電趨勢(shì)(ECT)等，為后人提供了重要的參考價(jià)值。此后，Koszman等[1]提出了一個(gè)低電導(dǎo)率流體流動(dòng)帶電的理論計(jì)算公式。1978年，日本的Takagi在國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議上提出了變壓器中的油流靜電問(wèn)題，人們的關(guān)注熱點(diǎn)逐漸分散至電力行業(yè)變壓器方面的研究。Tanaka等[2]對(duì)變壓器紙板圓形管道中的油流靜電問(wèn)題進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出了層流和紊流狀態(tài)下的計(jì)算公式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并重點(diǎn)研究了管壁粗糙度、外加電場(chǎng)的影響。時(shí)至今日，對(duì)油流靜電相關(guān)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(yīng)力的新型油流靜電產(chǎn)生模型。2013年，波蘭的Zmarly綜合考慮擴(kuò)散、對(duì)流和傳導(dǎo)的機(jī)理，建立了等溫的牛頓不可壓縮流體湍流通過(guò)圓管的油流靜電計(jì)算模型，可應(yīng)用于不同的黏度、電導(dǎo)率的液體。

在油流靜電問(wèn)題被廣泛研究的同時(shí)，也形成了一些富有成效的模型理論：或基于不同的作用機(jī)理，或針對(duì)不同的計(jì)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(dǎo)的適合湍流條件下的低電導(dǎo)率流體沖流電流計(jì)算公式：

式中:r為管道半徑；Um為平均流速；λ為德拜長(zhǎng)度；Z為油中離子化合價(jià)；F為法拉第常數(shù)；δd為擴(kuò)散層厚度；n+為油中正離子遷移數(shù)；C-o為油中內(nèi)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(shí)間。

2) Touchard 計(jì)算模型

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

j=K(qwd-qw)

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

3) Tanaka 計(jì)算模型

Takana 在充分考慮外加電場(chǎng)對(duì)油流起電的影響后，得到了有外電場(chǎng)及無(wú)外電場(chǎng)條件下的結(jié)論?；谠摻Y(jié)論，無(wú)外電場(chǎng)條件下的油流靜電分布規(guī)律為

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

國(guó)內(nèi)對(duì)于油流靜電理論方面的研究也取得了一些建設(shè)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(shù)的簡(jiǎn)化結(jié)果。清華大學(xué)的涂愈明[6]對(duì)超高壓變壓器復(fù)雜油道結(jié)構(gòu)中的油流帶電現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究，綜合考慮油流的流動(dòng)作用和外加電場(chǎng)的電動(dòng)作用，推導(dǎo)出了紊流狀態(tài)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(fēng)有限元算法求解變壓器油流靜電帶電問(wèn)題的電荷密度方程，設(shè)計(jì)了具有扁矩形截面、可改變串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的3層油道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得出了關(guān)于油流流速、流態(tài)、油溫和外加交流電場(chǎng)等因素對(duì)油流帶電的影響。中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院的王菊芬[7]對(duì)油流靜電數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了較多的研究，提出以Gavis & Koszman靜電產(chǎn)生機(jī)理為基礎(chǔ)確定固液界面處邊界條件的方法，分別推導(dǎo)出油品在層流和紊流條件下的沖流電流計(jì)算模型；通過(guò)對(duì)湍流擴(kuò)散系數(shù)及軸向流速的簡(jiǎn)化，同時(shí)考慮油品流速、電導(dǎo)率和溫度等對(duì)電荷量的影響，借助修正量來(lái)彌補(bǔ)難以量化的因素對(duì)結(jié)果的影響，歸納出了沖流電流的數(shù)學(xué)計(jì)算公式；采用基于算子分裂的數(shù)值計(jì)算方法，將紊流條件下電荷輸運(yùn)方程分解成對(duì)流方程、反應(yīng)方程及擴(kuò)散方程3項(xiàng)，并通過(guò)數(shù)值差分法和特征線(xiàn)法進(jìn)行了求解。中國(guó)石油大學(xué)的陳銀噸[8]建立了石油儲(chǔ)罐靜電分布的計(jì)算模型，運(yùn)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(chǔ)罐參數(shù)以及油品參數(shù)3個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)油罐的靜電電位分布進(jìn)行了定量分析。

2.2 油流靜電實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

管輸成品油靜電實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證理論模型，提供實(shí)踐依據(jù)的重要途徑。油流靜電的實(shí)驗(yàn)研究方法，從工程實(shí)踐上可分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法和模型類(lèi)比法等。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法是指通過(guò)工程實(shí)際中的管流帶電現(xiàn)象的測(cè)量得出驗(yàn)證理論模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。由于安全性問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法逐漸被模型類(lèi)比法所取代。而模型類(lèi)比法從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上又可分為旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)法、旋轉(zhuǎn)圓筒法、導(dǎo)電探頭測(cè)試法、小型靜電荷測(cè)試儀方法和管流研究法等。

國(guó)外對(duì)油流靜電的實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)展較早，Perisse F等[9]通過(guò)自行研發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置模擬研究汽油輸送中電荷的產(chǎn)生過(guò)程，探討電荷量與汽油的水分、溫度、雷諾數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定靜電沖流電流的大小與各因素之間的相關(guān)性。Washabaugh[10]通過(guò)圓柱形的電極旋轉(zhuǎn)測(cè)試裝置對(duì)流體帶電進(jìn)行了一定程度的定性與定量分析。該裝置由絕緣材料內(nèi)筒和金屬外筒以及中間沖注的絕緣油構(gòu)成，內(nèi)筒可調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度，外筒可控制油的溫濕度，該方法具有一定的創(chuàng)新性。2005年，Kitabayashi等[3]通過(guò)測(cè)量同一種絕緣油流過(guò)不同種類(lèi)的金屬和絕緣體表面時(shí)的油流靜電帶電趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)油流靜電與固體材料的逸出功有關(guān)，并認(rèn)為可以應(yīng)用聚合物接觸帶電模型來(lái)解釋絕緣油-固體材料的油流靜電產(chǎn)生機(jī)理。2009年，法國(guó)的EL-Adawy等[11]以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)研究了不充分發(fā)展的雙電層油流帶電模型，將實(shí)驗(yàn)測(cè)定空間電荷密度分為靜態(tài)電荷和動(dòng)力空間電荷，同時(shí)認(rèn)為界面電化學(xué)腐蝕不僅與化學(xué)反應(yīng)速率有關(guān)，還與切應(yīng)力有關(guān)。在波蘭科學(xué)與高等教育部的支持下，Zmarly與Boczar[12]針對(duì)管道中層流與紊流狀態(tài)下的靜電沖流電流做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，運(yùn)用可移動(dòng)的球狀探頭測(cè)出軸向不同位置下的電荷密度以及沖流電流。結(jié)果表明：雷諾數(shù)越高，沖流電流軸向分布拋物線(xiàn)形越平緩，電荷密度分布越均衡。Zmarzly[13]還通過(guò)在容器中流體的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)來(lái)研究油流帶電問(wèn)題，結(jié)果表明：油中產(chǎn)生的靜電與變壓器油的老化程度、旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的尺寸以及雷諾數(shù)等有關(guān)。2014年，加拿大的Fofana等[14]運(yùn)用旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)法研究了變壓器油以及絕緣紙板的老化對(duì)油流靜電產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)證明：隨著速度溫度增加以及圓盤(pán)涂層材料的老化、油中雜質(zhì)的增多，產(chǎn)生的靜電越多。2016年，加拿大的Talhi等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同壓力下的變壓器油流帶電趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)：隨著壓力的增加、紙板的多孔度和粗糙度增加，靜電電流會(huì)增大；同時(shí)，通過(guò)加入DDPH自由基試劑證明了自由基數(shù)量能夠影響油流靜電電流。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)管道中流動(dòng)油品靜電參數(shù)的測(cè)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(duì)電荷的測(cè)量開(kāi)始得最早，常用的方法是法拉第筒法。在采用法拉第筒法測(cè)量沖流電流時(shí)，與采用微電流計(jì)測(cè)得的管壁逸散電流值比較，發(fā)現(xiàn)法拉第筒法測(cè)得的數(shù)值稍大，這主要是由于油品注入時(shí)的噴濺現(xiàn)象導(dǎo)致的靜電荷增多的緣故，由此帶來(lái)一定的不準(zhǔn)確性。針對(duì)靜電帶電趨勢(shì)(ECT)的測(cè)量也由來(lái)已久，王加程[16]在分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究后建立了油紙絕緣靜電帶電性能的“過(guò)濾式”油流帶電度測(cè)量裝置。電位也是常測(cè)的參量之一，其測(cè)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(cè)量，常見(jiàn)有Q/V系列靜電電壓表、象限式靜電計(jì)等；非接觸式主要基于電荷耦合測(cè)量原理，采用靜電信號(hào)的高壓電極作為傳感器屏蔽電極，通過(guò)電荷量的測(cè)量得到被測(cè)電位。目前，接觸式測(cè)量由于精度、安全性等問(wèn)題已逐步被非接觸式測(cè)量所取代。由于電位的測(cè)量較為復(fù)雜、影響因素多，特別當(dāng)針對(duì)管道輸送油品的電位測(cè)量問(wèn)題時(shí)往往不易實(shí)施。新的測(cè)試技術(shù)趨勢(shì)是直接測(cè)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(zhì)，而且干擾因素少。目前，國(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域已取得重要進(jìn)步，中石化公司青島安全工程院的李亮亮等[17]設(shè)計(jì)了一種管輸油流靜電監(jiān)測(cè)儀，并經(jīng)過(guò)加油槍口前后由該儀器和法拉第筒的對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了其可靠性。在變壓器油流帶電的實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)學(xué)者也取得了一定的成果。任雙贊等[18]通過(guò)改變環(huán)境溫度、濕度測(cè)量油流帶電量與介質(zhì)損耗、電阻率以及pH值的關(guān)系，運(yùn)用回歸分析方法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并建立起一套實(shí)驗(yàn)室微靜電測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)(流動(dòng)速度、溫度等)對(duì)油流帶電產(chǎn)生量的影響。池明赫等[19]通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量不同流速條件下的靜電帶電數(shù)值，通過(guò)數(shù)學(xué)物理方程，建立附加電場(chǎng)條件下油流帶電的數(shù)學(xué)模型。

2.3 油流靜電仿真研究現(xiàn)狀

油流靜電仿真對(duì)于理論和實(shí)踐都具有重要意義，仿真方法是通過(guò)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將它轉(zhuǎn)換為能夠在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)的模型，然后對(duì)此模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。由于靜電測(cè)量對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的要求較高，且易受各項(xiàng)外部條件干擾，重復(fù)性較低，開(kāi)展相關(guān)的仿真試驗(yàn)工作能夠極大地減少人力物力、快速有效檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性。油流靜電的仿真研究近年來(lái)已成為油流靜電領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向之一。

1996年，在法國(guó)電力研發(fā)中心，O.Moreau[20]等用三維計(jì)算流體力學(xué)軟件estet來(lái)模擬在電力變壓器中油流帶電現(xiàn)象。為了達(dá)到這一目的，對(duì)estet進(jìn)行了擴(kuò)展，引入了電勢(shì)泊松方程，實(shí)現(xiàn)在電場(chǎng)中流體粒子的遷移，在化學(xué)平衡離子的解離重組和在N-S方程中的電場(chǎng)力。界面電荷交換定律來(lái)源于H.Walmsley的模型，但涉及界面兩側(cè)的離子濃度。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)模擬表明：一些實(shí)驗(yàn)參數(shù)導(dǎo)致的巨大的電勢(shì)梯度可能是在電力變壓器中觀察到危險(xiǎn)放電的原因。2003年，日本的K.Nishi等[21]通過(guò)簡(jiǎn)化假設(shè)對(duì)油流靜電問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值仿真，建立了速度平均分布模型和二次分布計(jì)算模型，經(jīng)過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比認(rèn)為速度二次分布模型更能反映實(shí)際情況。2007年，Kosei Tsuji、Hirotaka Motu[4,22]等提出了一種基于切應(yīng)力的新型油流靜電產(chǎn)生模型，并運(yùn)用直流場(chǎng)分析的方法基于流網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)變壓器油流靜電進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，并在不同管道參數(shù)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2010年，法國(guó)的EL-Adamy等[23]通過(guò)有限體積法CFD工具Code_Staturne的改進(jìn)版本對(duì)雙電層的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了模擬，研究了速度、油品添加劑、雜質(zhì)等對(duì)變壓器油流靜電產(chǎn)生的影響，節(jié)約了大量的時(shí)間和資源。

我國(guó)對(duì)油流靜電的仿真研究開(kāi)始較晚。2010年，閆澤陸[24]針對(duì)變壓器內(nèi)部油流靜電建立了油道模型，對(duì)4類(lèi)酯類(lèi)油的靜電可靠性進(jìn)行了分析，通過(guò)計(jì)算仿真得到了油道內(nèi)部油紙界面處空間電荷密度的分布情況及沖流電流的數(shù)值。2013年，金福寶等[25]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了變壓器內(nèi)部并聯(lián)油道中外加場(chǎng)強(qiáng)、油品流動(dòng)速度以及油品溫度各因素對(duì)沖流電流數(shù)值的影響，以期得出沖流電流的分布規(guī)律，為了進(jìn)一步得到油道內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了有限元仿真分析，重點(diǎn)計(jì)算了有外加交流電場(chǎng)和表面靜電荷作用下的電場(chǎng)強(qiáng)度。2015年，董巨輝[26]建立了管內(nèi)液氫流體靜電電荷密度的計(jì)算模型，提出二階迎風(fēng)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(shù)對(duì)管內(nèi)電荷分布影響的仿真結(jié)果，并建立旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架測(cè)量起電速率，對(duì)模型進(jìn)行了一定驗(yàn)證。

3 管輸成品油靜電分布規(guī)律領(lǐng)域存在的問(wèn)題與研究方向

3.1 管輸成品油靜電分布規(guī)律研究存在的主要問(wèn)題

目前，對(duì)管輸成品油靜電分布規(guī)律方面的研究還有很大的空間，這對(duì)于指導(dǎo)管道靜電防護(hù)、機(jī)場(chǎng)大流量加油等實(shí)際問(wèn)題具有重要意義。結(jié)合已閱讀的相關(guān)文獻(xiàn)，在進(jìn)行深入探討前，必須明確目前油流靜電研究存在的主要問(wèn)題，有的放矢。

3.1.1 管輸油流靜電模型理論的主要問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外有關(guān)管輸成品油靜電的理論模型雖然通過(guò)不斷的改進(jìn)已大大提高了準(zhǔn)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(duì)油流帶電的機(jī)理尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，至今沒(méi)有一套令人信服的完整理論；其二，這些模型是由前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)過(guò)一定簡(jiǎn)化設(shè)置推出，還包含未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量直接得到的參數(shù)，需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜運(yùn)算或?qū)嶒?yàn)擬合，實(shí)用性不強(qiáng)；其三，已有理論模型缺乏對(duì)一些重要參數(shù)的納入，比如環(huán)境因素、管材的特性參數(shù)等，而這些因素對(duì)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(jī)理；適用于不同的條件，對(duì)于管輸成品油靜電分布規(guī)律這一特殊課題不具有針對(duì)性。

3.1.2 管輸油流靜電實(shí)驗(yàn)研究的主要問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外對(duì)于油流靜電進(jìn)行了較多的實(shí)驗(yàn)研究，但研究仍具有一定的局限性。其一，實(shí)驗(yàn)成果大都集中于電力行業(yè)，雖然結(jié)論對(duì)管輸油流靜電的起因具有一定的指導(dǎo)意義，但是由于外加電場(chǎng)、流動(dòng)介質(zhì)等條件的不同并不完全符合管輸成品油行業(yè)的實(shí)際工況；其二，采用的實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量裝置各異，沒(méi)有經(jīng)過(guò)科學(xué)的論證，且由于實(shí)驗(yàn)條件的限制對(duì)導(dǎo)致靜電產(chǎn)生因素分析不全，其精度和準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步發(fā)掘；其三，靜電產(chǎn)生、積聚和逸散機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究大部分集中在小流量下，關(guān)于大流量條件下靜電積聚起爆模式機(jī)理、靜電荷放電間隙量化研究、沖流電流緩和長(zhǎng)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(wèn)題

國(guó)內(nèi)外對(duì)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(xiàn)已開(kāi)展的仿真研究依據(jù)不同的油流帶電模型理論，運(yùn)用的分析軟件也各不相同，不具有通用性；其二,目前國(guó)內(nèi)大多采用的數(shù)值仿真方法對(duì)公式準(zhǔn)確性的依賴(lài)程度較高，但理論公式往往作了較多簡(jiǎn)化，只能直觀地給出仿真結(jié)果而不具有代表性；其三，目前國(guó)外的仿真成果大多集中在變壓器方面，主要是對(duì)冷卻復(fù)雜油道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，不符合管輸成品油簡(jiǎn)單油道的實(shí)際情況。

3.2 管輸成品油靜電分布規(guī)律的研究方向

目前油流靜電研究領(lǐng)域存在的問(wèn)題與局限也是繼續(xù)研究該問(wèn)題的動(dòng)力和方向。通過(guò)分析，管輸成品油油流帶電領(lǐng)域的研究存在理論不夠扎實(shí)、仿真研究手段尚有些缺乏和湍流大流量條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠完善等問(wèn)題。在進(jìn)行管輸油流靜電分布規(guī)律研究中提出以下方向：利用管輸油流靜電產(chǎn)生微觀機(jī)理擬合的基本公式，結(jié)合邊界條件推導(dǎo)并建立管輸油流的靜電數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并討論其管輸瞬變大流量梯度時(shí)的適應(yīng)性；運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真等方法模擬靜電電流在管道中的分布狀況并對(duì)其進(jìn)行建模分析研究，尋找管道在輸送成品油的過(guò)程中靜電電荷的積聚、逸散分布規(guī)律；通過(guò)建立管輸油流靜電實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，測(cè)量不同流量等條件下靜電的積聚和逸散的相關(guān)數(shù)值，研究和驗(yàn)證靜電積聚和逸散的相關(guān)機(jī)理，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究油品物理性質(zhì)與靜電產(chǎn)生量之間的關(guān)聯(lián)程度，得出湍流條件下管輸成品油防靜電的操作條件?？傊?，管輸成品油靜電領(lǐng)域的研究對(duì)理論和實(shí)踐都具有重要意義，應(yīng)結(jié)合多手段的研究方式深入研究其基本分布規(guī)律。

[1] GAVIS J,KOSZMAN I.Development of charge in low conductivity liquids flowing past surfaces:A theory of the phenomenon in tubes[J].Journal of Colloid Science,1961,16(4):375-391.

[2] TANAKA T,YAMADA N,YASOJIMA Y.Characteristics of streaming electrification in pressboard pipe and the influence of an external electric field[J].Journal of Electrostatics,1985,17(3):215-234.

[3] KITABAYASHI H,TSUJI K,ITOH K.A streaming electrification model based on differences of work function between solid materials and insulating oil[J].Journal of Electrostatics,2005,63(6/10):735-741.

[4] MUTO H,TSUJI K,KISE K.Novel charge generation model for simulation of streaming current based on shearing stress at the oil/pressboard interface[J].2007,380-383.

[5] TOUCHARD G,ROMAT H.Electrostatic charges convected by flow of dielectric liquid through pipes of different length and different radii,(Theoretical model and experimental results)[J].Journal of Electrostatics,1981,10(81):275-281.

[6] 涂愈明,王贊基,江緝光,等.變壓器油流帶電數(shù)學(xué)模型的研究及其應(yīng)用第二部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1998,18(2):34-38.

[7] 王菊芬,蒲家寧,孟浩龍.輸油管道油流靜電帶電數(shù)值計(jì)算[J].計(jì)算物理,2006,23(5):614-620.

[8] 陳銀噸.大型鋼制石油儲(chǔ)罐內(nèi)靜電分布規(guī)律的有限差分方法研究[M].青島:中國(guó)石油大學(xué),2009.

[9] PERISSE F,VAZQUEZ J,PAILLAT T,et al.Gasoline electrification:moisture and temperature influence[J].Journal of Electrostatics,2005,63(6/10):481-487.

[10]WASHABAUGH A P,ZAHN M.Flow electrification measurements in a Couette flow facility[C]//Electrical Insulation,USA:[s.n.],1994:133-136.

[11]EL-ADAWY M,CABALEIRO J M,PAILLAT T,et al.Experimental determination of space charge density associated with flow electrification phenomenon:Application to power transformers[J].Journal of Electrostatics,2009,67(2/3):354-358.

[12]ZMARZLY D,BOCZAR T.Measurements of distribution of streaming electrification current inside a pipe[J].IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation,2009,16(6):1-4.

[13]ZMARZLY D,FRACZ P.Nonlinear modeling of streaming electrification measured in swinging cylinder system[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2016,23(1):174-182.

[14]FOFANA I,BOUSLIMI Y,HEMMATJOU H,et al.Relationship between static electrification of transformer oils with turbidity and spectrophotometry measurements[J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems,2014,54:38-44.

[15]TALHI M,FOFANA I,FLAZI S.Impact of various stresses on the streaming electrification of transformer oil[J].Journal of Electrostatics,2016,79:25-32.

[16]王加程.變壓器油流帶電度測(cè)試方法研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2007.

[17]李亮亮,孫立富,劉全楨,等.加油站油流靜電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2016,12(1):132-135.

[18]任雙贊,鐘力生,于欽學(xué),等.變壓器油加速熱老化過(guò)程中的多參量相關(guān)-回歸分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,44(10):88-92.

[19]池明赫,陳慶國(guó),高源,等.電場(chǎng)下油流帶電特性及其對(duì)擊穿電壓的影響[C]//全國(guó)工程電介質(zhì)學(xué)術(shù)會(huì)議,上海：[出版者不詳],2011.

[20]MOREAU O,PLION P,TOUCHARD G.Modelling of flow electrification in a 3D computational fluid dynamics software:application to power transformers[C]// Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.USA:[s.n.],1995:424-427.

[21]NISHI K,OGURA T,SHIBUYA Y.Simulation of streaming electrification phenomenon[J].Proceedings of the Asian Test Symposium,2003,3:1011-1014.

[22]TSUJI K,MUTO H,KISE K.A simulation method for streaming electrification by direct current field analysis[C]//proceedings of the Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.USA:[s.n.],2007:485-488.

[23]EL-ADAWY M,PAILLAT T,CABALEIRO J M,et al.Numerical Simulation of the Electrical Double Layer Development at the Solid and Dielectric Liquid Interface[J].Flow Electrification Phenomenon,2010,18(5):1-8.

[24]閆澤陸.變壓器油流帶電現(xiàn)象及其靜電可靠性的研究[D].南昌:南昌大學(xué),2010.

[25]金福寶,周遠(yuǎn)翔,賀俊杰,等.變壓器油道內(nèi)油流帶電現(xiàn)象與油道電場(chǎng)的仿真計(jì)算[J].高電壓技術(shù),2013,39(6):1367-1373.

[26]董巨輝.液氫流體輸送和貯存靜電積聚特性研究[D].上海:上海交通大學(xué),2015.

(責(zé)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276195)

彭?xiàng)?1994—),男,湖北當(dāng)陽(yáng)人,碩士研究生,主要從事油流靜電安全領(lǐng)域的研究，E-mail：156616144@qq.com； 通訊作者 趙曉剛(1963—),男,四川樂(lè)山人,博士,教授,主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)及安全系統(tǒng)工程研究。

彭?xiàng)睿w曉剛.管輸成品油靜電分布規(guī)律研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，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