化工企業(yè)靜電風(fēng)險(xiǎn)及防范措施

曾月香(阿科瑪(中國(guó))投資有限公司上海分公司，上海 200072)

0 引言

化工企業(yè)里經(jīng)常要使用、儲(chǔ)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(dāng)且充分的靜電預(yù)防和減緩措施，很容易有靜電產(chǎn)生、積聚和釋放。在過往的化工事故中，由靜電引起的火災(zāi)爆炸事故時(shí)有發(fā)生，小則是對(duì)生產(chǎn)的中斷或產(chǎn)品質(zhì)量導(dǎo)致的業(yè)務(wù)的中斷，大則可能是設(shè)備設(shè)施的損壞等直接財(cái)產(chǎn)損失，甚至可能危及事故現(xiàn)場(chǎng)工廠員工的生命安全。如果形成多米諾效應(yīng)，則會(huì)影響到工廠周圍的裝置或社區(qū)財(cái)產(chǎn)和人員的安全。

1 靜電風(fēng)險(xiǎn)分析

靜電風(fēng)險(xiǎn)是化工安全生產(chǎn)中風(fēng)險(xiǎn)管理的重要組成部分，產(chǎn)生和積聚的靜電釋放后可能引起火災(zāi)爆炸等重大安全事故，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，導(dǎo)致設(shè)備設(shè)施損壞等經(jīng)濟(jì)損失，也可能危及工廠人員安全甚至工廠周圍社區(qū)的人員健康。雖然人們能夠認(rèn)識(shí)到靜電是火災(zāi)和爆炸的源頭之一，但靜電引發(fā)的事故還時(shí)有發(fā)生。為此，總結(jié)靜電的特征和引燃的規(guī)律，對(duì)靜電風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避和危害的防控就具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 靜電的特征

靜電是一種常見的自然現(xiàn)象，存在于諸多環(huán)境之中，在石油化工等易燃易爆場(chǎng)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(gè)場(chǎng)所之中，分布廣泛且常見，如石油管道中石油流動(dòng)時(shí)，液體會(huì)和管道界面發(fā)生靜電荷的交換，進(jìn)而產(chǎn)生靜電?；诖?，在開展石油化工生產(chǎn)時(shí)很難完全消除靜電現(xiàn)象，但可以根據(jù)靜電產(chǎn)生的原因和特征降低靜電的出現(xiàn)頻率，提升靜電荷的消散速度，預(yù)防靜電風(fēng)險(xiǎn)。

(2)隱蔽性。靜電是一種無(wú)法直接觸碰觀察到的現(xiàn)象，只有在黑暗的環(huán)境中能看到靜電產(chǎn)生的火花。同時(shí)，由于人體能感受到的電壓有限，只有電壓在2～3 kV時(shí)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(qiáng)。

(3)隨機(jī)性。靜電出現(xiàn)的時(shí)間段和位置有較大的隨機(jī)性，在石油化工相關(guān)產(chǎn)品、設(shè)備的加工制造到使用、運(yùn)輸任一環(huán)節(jié)都可能會(huì)產(chǎn)生靜電，引發(fā)靜電危害。另外，靜電放電的條件和后果受到周圍環(huán)境中易燃易爆物質(zhì)的多少、設(shè)備情況及操作人員操作規(guī)范等因素的影響，產(chǎn)生的靜電放電后果也會(huì)有不同，具有明顯的隨機(jī)性。

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

(5)危害性。石油化工企業(yè)的工作環(huán)境較為復(fù)雜，具備引發(fā)爆炸、火災(zāi)等事故的氣體環(huán)境，較大的靜電放電會(huì)引爆氣體，導(dǎo)致重大安全事故。另外，巨大的靜電放電還會(huì)造成靜電點(diǎn)擊的出現(xiàn)，威脅作業(yè)人員生命安全，導(dǎo)致電擊及高空墜落等事故。

(6)復(fù)雜性。若因?yàn)殪o電放電而引發(fā)爆炸火災(zāi)事故，事故溯源將會(huì)存在一定的難度，無(wú)法在復(fù)雜的爆炸火災(zāi)環(huán)境中確定引發(fā)事故的具體原因。

1.2 靜電引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的條件

由靜電放電而引發(fā)火災(zāi)爆炸事故需要滿足4個(gè)條件：

(1)明確的靜電來源。若要產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，必須有產(chǎn)生靜電的來源，如摩擦靜電、感應(yīng)靜電、沉降靜電等。(2)達(dá)到一定的靜電累積量才能發(fā)生靜電放電。靜電產(chǎn)生后可以通過接地等方式轉(zhuǎn)移消散靜電，靜電荷就無(wú)法積聚或積聚量較少，也就不會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生靜電放電。反之，若因?yàn)殪o電來源穩(wěn)定，產(chǎn)生了靜電也不能及時(shí)通過接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)移靜電荷，靜電荷就會(huì)逐漸積累，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，埋下引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的隱患。(3)周圍有火災(zāi)爆炸的環(huán)境。如果只是在普通環(huán)境中產(chǎn)生靜電放電火花，不會(huì)引發(fā)安全事故，但如果在爆炸性環(huán)境中靜電荷積聚到一定量，并且產(chǎn)生了放電火花，火花會(huì)迅速點(diǎn)燃爆炸環(huán)境中的氣體和粉塵，引起火災(zāi)爆炸事故。(4)靜電放電的能量超過爆炸性混合物的最小點(diǎn)燃能量。在自然環(huán)境和非自然環(huán)境中，任何一個(gè)物體都有最小點(diǎn)燃點(diǎn)，若靜電放電火花是引燃點(diǎn)，那么靜電放電的能量必須超過爆炸混合物的最小點(diǎn)燃能量時(shí)才會(huì)引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。而爆炸混合物的最小點(diǎn)燃能量會(huì)受到不同爆炸物質(zhì)類型、體積、形狀及周圍環(huán)境的影響。

2 靜電產(chǎn)生、積聚和釋放機(jī)理

靜電產(chǎn)生的現(xiàn)象是電荷在物質(zhì)內(nèi)部或者表面移動(dòng)的結(jié)果。靜電產(chǎn)生類型分別有摩擦起電、感應(yīng)帶電及接觸帶電。摩擦起電是物體之間摩擦?xí)痣姾傻霓D(zhuǎn)移；感應(yīng)帶電是當(dāng)物體靠近帶電物體，物體就會(huì)帶電；接觸帶電是兩種不同材質(zhì)的物體相互接觸后分離，物體就會(huì)帶電。

電荷由于不同物質(zhì)之間的摩擦(接觸/分離)被分離。電荷的產(chǎn)生發(fā)生在表面之間，一面因?yàn)槭ル娮佣鴰д姾桑硪幻嬉驗(yàn)榈玫诫娮佣鴰ж?fù)電荷。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的電量大小取決于物質(zhì)的特性(包括電導(dǎo)率、電阻率)和移動(dòng)的機(jī)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(jīng)常會(huì)以不同的形式發(fā)生，很難去監(jiān)測(cè)，例如液體或粉末的處置、人員或移動(dòng)部件的移動(dòng)、用抹布來清理表面、用刷子打掃等。

當(dāng)導(dǎo)體部分放置在電場(chǎng)內(nèi)的時(shí)候可能會(huì)被帶電。通過處在初始電場(chǎng)中的帶電體的影響，導(dǎo)體表面的電荷將被轉(zhuǎn)移而分開。當(dāng)將導(dǎo)電體移出電場(chǎng)后，導(dǎo)電體的電荷將回到中性而消失。假如一個(gè)接地的導(dǎo)體在電場(chǎng)的影響下，當(dāng)導(dǎo)電體離開電場(chǎng)后也會(huì)因?yàn)榻拥氐闹袛喽粠щ姟?/p>

電荷的產(chǎn)生和分離本身不會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的狀況，風(fēng)險(xiǎn)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(chǎn)生(充電電流)和釋放(放電電流)。事實(shí)上，電荷會(huì)發(fā)生在與大地絕緣的導(dǎo)體部件上或者絕緣物質(zhì)和產(chǎn)品(塑料等)以及帶點(diǎn)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(xiàn)象的發(fā)生。

當(dāng)靜電積聚到一定程度時(shí)，在一定條件下靜電會(huì)釋放并釋放出大小不同的能量。在易燃環(huán)境下(空氣和有機(jī)蒸汽或者空氣和粉塵)，靜電的釋放如果超過了最低點(diǎn)火能就會(huì)點(diǎn)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(fā)生在一個(gè)孤立的帶電體和另一個(gè)接地的導(dǎo)電體之間，只要潛在的能量達(dá)到一個(gè)足夠高的值并且兩者之間的距離合適就會(huì)發(fā)生。能量可能達(dá)到幾焦耳到幾千焦耳，而高于點(diǎn)燃易燃?xì)怏w、蒸汽和大多數(shù)粉塵的能量。(2)傳播刷型放電，是指當(dāng)電荷以相反雙層電荷分散在一個(gè)低厚度絕緣板的平面上時(shí)，放電出現(xiàn)。絕緣板可以是一個(gè)獨(dú)立鍍層的導(dǎo)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(diǎn)燃?xì)怏w、蒸汽和大多數(shù)粉塵團(tuán)。(3)刷型放電和電暈放電，是指電荷分布在一個(gè)不導(dǎo)電的平面上并且不能被消除，當(dāng)表面接近一個(gè)接地的電極，刷型放電或者電暈放電發(fā)生。刷型放電或電暈放電的能量能夠積聚到幾個(gè)毫焦耳，足夠點(diǎn)燃?xì)怏w、蒸汽，但不足以點(diǎn)燃粉塵團(tuán)。

3 化工生產(chǎn)中靜電危害的識(shí)別

在使用易燃液體時(shí)，靜電危害是一個(gè)火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)必須考慮的因素，當(dāng)使用的原料、產(chǎn)品、中間品、廢料等中間含有易燃的物質(zhì)和產(chǎn)品(氣體、液體或固體粉末)時(shí)，靜電的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該被考慮。應(yīng)根據(jù)靜電產(chǎn)生、積聚和釋放的機(jī)理識(shí)別化工生產(chǎn)過程中的靜電危害。

在不同物質(zhì)之間相接觸/分離后產(chǎn)生靜電，非常有必要在這些地方做一些防止靜電產(chǎn)生的措施。在兩種物質(zhì)接觸的表面容易發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，例如人和車輛的運(yùn)動(dòng)；液體的流動(dòng)和攪拌；固體粉末的處置；設(shè)備的移動(dòng)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(fā)生分離，形成的薄霧能導(dǎo)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(yè)(噴射)。

電荷的傳導(dǎo)，接觸或者接地連接的分離，或者從帶更強(qiáng)電荷的物體產(chǎn)生的電場(chǎng)里分離都會(huì)讓電荷傳導(dǎo)到絕緣體上。例如，設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電荷(轉(zhuǎn)動(dòng)部件、傳送帶等)。

4 靜電的安全措施

靜電安全措施分預(yù)防措施、控制減緩措施和人員靜電管理。

4.1 預(yù)防措施

預(yù)防措施主要是從消除燃燒爆炸環(huán)境和盡量減少靜電產(chǎn)生的角度考慮，本文重點(diǎn)介紹惰化和限制管道流速這兩種化工企業(yè)最常用的措施。(1)惰化經(jīng)常被作為防止火災(zāi)和爆炸發(fā)生的主要措施，易燃環(huán)境中增加惰性氣體，氧氣的濃度就會(huì)被降低，爆炸范圍將會(huì)縮小，低于某個(gè)氧含量的值后(每種氣體對(duì)應(yīng)的值不同)，消除了燃燒爆炸環(huán)境，有靜電產(chǎn)生也沒有火災(zāi)和爆炸發(fā)生。惰化一般使用氮?dú)?，但也可以使用一種地氧含量的混合氣體(如工業(yè)上貧氧氮)，但氮?dú)鈺?huì)帶來窒息的新風(fēng)險(xiǎn)，所以氬氣、CO2作為惰化介質(zhì)在工業(yè)上也會(huì)用到。根據(jù)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(shù)條件下的安全環(huán)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(zhì)(如丙烯酸)，為維持其穩(wěn)定劑的作用，必須維持一定的氧濃度，所以其環(huán)境氧含量控制在5%左右。惰化需要檢查其操作執(zhí)行的正確性、有效性，如環(huán)境的測(cè)量、流量的控制、壓力等，并連鎖對(duì)應(yīng)的安全設(shè)備，才能驗(yàn)證其惰化的有效性。(2)限制物料流速。低導(dǎo)電率的可燃/易燃液體在管道內(nèi)通過接觸/分離而產(chǎn)生電荷。電荷的產(chǎn)生受很多因素的影響，包括管道線速度。上游設(shè)備會(huì)產(chǎn)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(fā)生積聚(如使用絕緣材料設(shè)備或管道)的情況下，電導(dǎo)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(yīng)控制在1 m/s以內(nèi)[2]。導(dǎo)體或者高的半導(dǎo)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(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來執(zhí)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(shè)計(jì)(如原材料投料順序，先加導(dǎo)電性好的原材料)、添加導(dǎo)電試劑(如在不影響工藝和產(chǎn)品質(zhì)量下添加增加導(dǎo)電性試劑)、設(shè)備結(jié)構(gòu)和材質(zhì)選擇(如使用導(dǎo)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(shí)安全地釋放靜電。本文重點(diǎn)介紹靜電跨接和接地這兩種化工企業(yè)常用的強(qiáng)制措施。

靜電跨接和接地就是將靜電導(dǎo)向大地，是及時(shí)釋放靜電簡(jiǎn)單而有效的措施。靜電跨接和接地具體是指在一個(gè)易燃的環(huán)境中阻止物質(zhì)和設(shè)備上靜電的積聚可以通過下列方法：

(1)通過與一個(gè)接地的設(shè)備等電位連接。(2)盡可能使用導(dǎo)電的原料(包裝、容器、軟管、管道等)。優(yōu)先使用導(dǎo)電的材料，等電位連接和導(dǎo)電設(shè)備的接地是預(yù)防與靜電有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的措施。(3)建筑物和大型設(shè)備的接地經(jīng)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(fēng)險(xiǎn)告知和操作制度培訓(xùn)、人體自身靜電防護(hù)管理兩個(gè)角度來考慮。化工企業(yè)從安全管理制度角度對(duì)員工進(jìn)行有關(guān)靜電機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn)的知識(shí)掌握、與靜電相關(guān)操作制度執(zhí)行等培訓(xùn)。靜電風(fēng)險(xiǎn)的防范基于員工的主要行為：(1)設(shè)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(nèi)的特殊的操作；(4)持續(xù)的用電驗(yàn)證。員工應(yīng)該被培訓(xùn)并正確地執(zhí)行這些操作，以確保員工有足夠的靜電風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)并掌握這些必要措施的應(yīng)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(huán)境入口應(yīng)安裝金屬接地棒。確保人員在進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)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(yīng)按要求穿戴防靜電工作服、鞋襪和手套。(3)安全操作。危險(xiǎn)區(qū)域要使用銅扳手、銅榔頭等防爆工具。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章從靜電產(chǎn)生、積聚到釋放機(jī)理的角度，系統(tǒng)介紹了靜電在化工企業(yè)工段、操作中風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別問題，同時(shí)借鑒相關(guān)規(guī)范，針對(duì)靜電風(fēng)險(xiǎn)制定了安全措施，并從風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防、控制減緩到人員安全管理等三個(gè)方面來介紹安全措施。靜電安全是一項(xiàng)復(fù)雜的課題，不管對(duì)設(shè)計(jì)還是運(yùn)營(yíng)管理都提出了要求，需要相關(guān)人員不斷深入認(rèn)識(shí)和改進(jìn)安全措施。