一起靜電火災(zāi)調(diào)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(zhèn)績西慶豐一路有一矽立硅膠制品廠天面鋅鐵棚的生產(chǎn)車間發(fā)生一起較大安全生產(chǎn)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(chǎn)器械、生產(chǎn)材料一批，并造成3 名生產(chǎn)工人當(dāng)場死亡。經(jīng)過現(xiàn)場勘查、詢問當(dāng)事人、調(diào)取現(xiàn)場監(jiān)控錄像、調(diào)取相關(guān)資料、模擬實驗、聘請安全生產(chǎn)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(chǎn)生的靜電導(dǎo)致白電油著火燃燒并蔓延成災(zāi)。

（二）現(xiàn)場勘查情況

據(jù)現(xiàn)場初步勘查，該矽立硅膠制品廠設(shè)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(shè)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(jīng)燃燒變形，頂棚坍塌，磨砂車間全部過火。磨砂車間內(nèi)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(nèi)側(cè)4.5 米，距離北面內(nèi)側(cè)11.65 米）擺放一張工作臺，在工作臺西側(cè)地面有一個電子秤殘骸，在工作臺的北側(cè)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(nèi)側(cè)7.88 米，距離北面內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)10.5 米，距離北面內(nèi)側(cè)9.7 米）擺放一臺烤箱；北面（距離東面內(nèi)側(cè)2.67 米，距離北面內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)5.6 米，距離北面內(nèi)側(cè)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(shù)對視頻進行提幀處理，合計提出1554 幀。

2.視頻分析結(jié)論

事故發(fā)生時工人首先操作膠桶，并將膠桶內(nèi)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(qū)域，并向地面容器內(nèi)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(jié)論：第一次火焰?zhèn)鞑ニ偌s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(jié)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(nèi)為硅膠原料，測量膠桶外壁靜電電位及旋轉(zhuǎn)1 分鐘、3 分鐘后電位變化情況。

測量結(jié)果表明，膠桶外壁存在靜電電位，在旋轉(zhuǎn)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?zāi)z桶三種情形電位數(shù)值記錄表

2.物料混合后膠桶內(nèi)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(nèi)，測量注入物料后膠桶內(nèi)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(nèi)靜電電位數(shù)值記錄表

3.膠桶內(nèi)最大靜電電位值

搖晃膠桶內(nèi)混合物測量膠桶內(nèi)最大靜電電位值。

表3 搖晃膠桶后膠桶桶內(nèi)最大靜電電位數(shù)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(fù)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(shù)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(fù)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(shù)值記錄表

三、靜電能量估算

物質(zhì)產(chǎn)生靜電后能否保留聚集，由物質(zhì)的電阻率和介電常數(shù)決定。電阻率小于108?·cm 的物質(zhì)是靜電導(dǎo)體，即使產(chǎn)生靜電電荷也可瞬間移除。電阻率為108~1010?·cm 的物質(zhì)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(zhì)最容易產(chǎn)生并聚集靜電電荷。膠桶材質(zhì)為聚乙烯，電阻率為1.52×1012?·cm，屬于易帶靜電材質(zhì)。

（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(jù)電容計算公式：

式中：ε 是介質(zhì)的相對介電常數(shù)，其中聚乙烯的相對介電常數(shù)取值2.0；

S 是表面積，單位m2；

K 是靜電力常量，數(shù)值為9.0x109N·m2/C2；

d 為間距，單位m，取值0.001m。

對膠桶內(nèi)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(jù)膠桶內(nèi)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(nèi)帶電量進行計算。

表6 模擬實驗3 中膠桶內(nèi)帶電量計算數(shù)值表

若把膠桶蓋看成一個絕緣帶電體，根據(jù)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(zhuǎn)移電量數(shù)值記錄表

模擬實驗5 中鐵絲接觸帶電絕緣體，計算轉(zhuǎn)移電量。

表8 模擬實驗5 中鐵絲接觸帶電絕緣體轉(zhuǎn)移電量數(shù)值記錄表

（三）實驗結(jié)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(zhuǎn)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(yè)過程分析

通過監(jiān)控視頻及現(xiàn)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(fā)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(zhì)，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(nèi)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(fā)，當(dāng)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(dāng)白電油流經(jīng)高電位膠桶表面時，電荷從膠桶表面向白電油轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移。模擬實驗中膠桶自身帶量能量和轉(zhuǎn)移電荷能量，均具備引燃白電油的能力。結(jié)論：事故原因為白電油蒸汽遇靜電火花發(fā)生爆燃。

五、結(jié)語

在這起火災(zāi)調(diào)查過程中，對火災(zāi)現(xiàn)場走訪、勘查以及視頻分析，我們也許可以得出明顯的結(jié)果，就是工人在操作白電油的過程中引起火災(zāi)。但在長期生產(chǎn)過程中，為何又未曾發(fā)生此類事件，其發(fā)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(xué)研究起發(fā)生火災(zāi)的機理，進一步解釋了靜電引起火災(zāi)的奧秘，為下一步防范靜電火災(zāi)指明方向。