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液體燃料靜電起電方程與安全靜止電導(dǎo)率

文檔作者：游佩林文檔來源：長沙鐵道學(xué)院數(shù)理系		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月26日
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6卷1期
7 弓
靜電(季科) 1991年第l期 酶第22期)
· 理論研究·
液體燃料靜電起電方程與安全靜止電導(dǎo)率
長沙鐵道學(xué)院數(shù)理系 游佩林
摘 要
本文運用經(jīng)典電磁理論建立了反 佳燃料貯存和運輸過程電碹鐾散規(guī)律的靜電起電方程．首次從
理論上推導(dǎo)了迪雖塞全靜止電導(dǎo)牢為lOOps／m，通過實獰證明用這一數(shù)值代替現(xiàn)行國際上邐彳亍的標(biāo)準(zhǔn)值
50ps／m的必要性與可行性． (Ips／m穹1微{：2I西門子／米)
關(guān)鍵詞： 液體燃料靜電起電壹全靜止電導(dǎo)率
以 翩品為主的液體燃料是商絕緣物質(zhì)．當(dāng)這些易燃易爆液體，特別是汽油、煤
油、柴油等輕質(zhì)油品裝入油罐，鐵路槽車， 油罐汽車、飛機等金屬容器時， 由于存在摩
擦·分離等現(xiàn)象，常常會產(chǎn)生大量的靜電荷． 由于輕油燃點低，如果靜電荷不能及時泄
漏， 則這種電荷的積聚可能引起放電面造成燃爆事故． 雖然目前國際上從經(jīng)驗出發(fā)鋪訂了
一些安全標(biāo)準(zhǔn)·但是從理論的角度，系統(tǒng)研究液體燃料貯運過程防靜電災(zāi)害的文獻還很少
見．本文將主要針對石油莉品，探討其靜屯起屯與泄漏規(guī)律并推導(dǎo)出可用于指導(dǎo)實踐的安
壘標(biāo)準(zhǔn)．
1、油品注入金屬容器耐靜電起電方程
將研究系統(tǒng)劃分為三部分：石油制品．金屑容器，操作人員及工具．油品屬于非導(dǎo)電
性液體，它的起電方式主要是摩擦分離起電．液體在起電的同時還伴有電荷的泄漏。其起
電方程為
等= (口 一口)一陽
式中Qs為不計泄謂時的飽和帶電量， 為起電系數(shù)， 為泄漏系數(shù)．在油品注入金屬容
器時存在三種泄漏途徑，可令
=p【+p p3
其中， 為通過接地導(dǎo)線導(dǎo)向大地的泄漏系效； 為通過跨接導(dǎo)線導(dǎo)向周圍不等電位物
體(比如輸油管)的泄漏系數(shù)；口3為通過空氣的泄漏系數(shù)．當(dāng)空氣擊穿時．以表現(xiàn)為氣
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體放電形式．
盒屬容器是導(dǎo)體， 人的阻抗在10 ～I{Y 歐姆之間，對靜電而言，也相當(dāng)予導(dǎo)體(靜電導(dǎo)
體)，其起電方式主要是感應(yīng)起電，應(yīng)滿足高斯定理：
口= D ·ds (2)
式中D為電位移矢量． 以上(1)(2)兩式即為油品注入金屬容器時的靜電起電方 ．
對(1)式積分
口【f) 南Q|(1-e ” 口m(1_e-t／~) (3)
式中Om為油品最大帶電量，f稱為弛豫時間．
考慮起電停止后末發(fā)生氣體放電時的泄漏過程．即t=0時Q=Q．且 ：島=0．對
于包圍油品任一閉合面，泄漏電流
= 一等=餓川s (4)
因為D=E E j= E
其中毒。和8，分別為真空和相對介電系數(shù)， 為油品電導(dǎo)率．與(2)式聯(lián)立可得電荷泄漏
方程
口=口。e一
：
(5)
(6)
由平不同油品的s．值相差不大．而即使是同一種油品． 由于雜質(zhì)臺量不同，電導(dǎo)率 會
有明顯差異．因此， 值幾乎完全由 決定．
，2 l 以上關(guān)于電荷積聚與泄漏的規(guī)律
} ／1 (3)式與(5)式已得到實驗證實，典
『 ／ ， 型的實驗圖線如圖一所示．這是將汽油
『／ ；＼ 注入正在使用的100千升油罐(直徑
蠱’『／ 停j ＼ 4．8米，高6米)的過程中，對固定在
‘『 止； 、＼ 油罐中的金屬(離底板0．7米)櫻I得電
?！?— _ - -_ 位隨時問變化的曲線
．
時向(分，
一2 一
|： 輛曩帕灝 2、油品安全靜止電導(dǎo)率
的理論推導(dǎo)
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液體燃料的唣導(dǎo)率為多大時就不會造成靜電危害呢?國際空運協(xié)會(IATA)的標(biāo)準(zhǔn)
是? ：當(dāng)燃料的咆導(dǎo)畢超過50x 10。。 歐姆。。米～=50ps／m 時，就可以保證安全．參照
這一標(biāo)準(zhǔn)， 我國GB6950--86規(guī)定：0 輕質(zhì)油品安全靜止電導(dǎo)率值為50ps／m．鑒于這一
標(biāo)準(zhǔn)值的重要性，下面從理論與實驗兩方面進行探討。
因為油品中電荷泄褥規(guī)律可由(5)式描述，因此，安全電導(dǎo)率應(yīng)由此推導(dǎo)．由(6)
式可知，關(guān)鍵是確定弛豫時間常數(shù)．1953年，W．Fordhom在他的論文 靜屯災(zāi)害的實際
估；r 一文中論述了當(dāng)放電時間常數(shù)f=0．2秒時， 液體中電荷泄漏較快不會造成危
害0)．i975年，J．F．Hughes等人用實驗說明1 是有靜電放電就能引起燃燒或爆作，并
測得導(dǎo)致引爆的靜電火花的持續(xù)時間至少為0．2眇 ．這佯． 當(dāng)t=f=0,2秒時，電荷已
泄褥了63％，在各種可燃性混合氣體中不會 f起靜電放電，更不會產(chǎn)生持續(xù)0．2秒的靜
電火花． 由此可知
f=0．2秒 (7)
的時問常數(shù)界限是臺適的．
將(7)式代人(6)式， 油品相應(yīng)的電導(dǎo)牢為
= 等 25c，( (8)
因為油品的靜止電導(dǎo)牢是指油品不帶電荷時的電導(dǎo)率，此時油品介質(zhì)中的電導(dǎo)既沒有
離子損耗也沒有由于極化效應(yīng)而引起的減小。上面推導(dǎo)時用到的是油品帶電情況下的電導(dǎo)
率(稱為有效電導(dǎo)率)，它比靜止電導(dǎo)率要?。O(shè)差值 靜止一 技=△ ，則安全靜止電導(dǎo)
率 可表為
=44．25￡+△
輕質(zhì)油品的相對介電系數(shù)E．值相差甚徽，通常取為 一2．0，不含抗靜電添加劑時，
油品的有效電導(dǎo)率在l～1013s／m范圍內(nèi)，根據(jù)實驗研究結(jié)果，在此范圍內(nèi)其靜止電導(dǎo)率
可按有效電導(dǎo)率乘2來計算， 即當(dāng) 右鼓=lops／m 時 止=2q 赦=20ps／m，差值
△J=10ps／m， 這也是由于帶電而引起電導(dǎo)率的最大變化量．根據(jù)油品的相對介電系
數(shù)，對應(yīng)于f=0．2秒，油品的有效電導(dǎo)翠的數(shù)量級在lOOps／m左右．由于油品電導(dǎo)率的
增加主要靠添加抗靜電劑，所以△ 仍取為10ps／m，則△ ／嚙 =0．i左右， 將
△ 0-1 代人，可得
s， l_】x 44．2
，
：48．
，
(1O)
再考慮測定電導(dǎo)率的實驗誤差， 輕質(zhì)油品安全靜止電導(dǎo)率取值為
= 50e
，
：1 00 ／m (11)
3、油品帶電量與電導(dǎo)率關(guān)系的實驗研究
D．T．Rogers等人使輕質(zhì)油品通過玻璃纖維循環(huán)，放電間隔為7干伏，研究10分鐘內(nèi)
一3 一
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放電次數(shù)與電導(dǎo)牢的關(guān)系．所得的實驗弦{珥和圈線分別由表H5】和圖二f6何示．這一實驗
結(jié)果在各國文獻中廣泛被_I rn· 審
一一— —
表1 油品電導(dǎo)率與艚電次數(shù)
電導(dǎo)牢 (10- 歐-’米 -’) 放電獻數(shù)
(TKV 10rain)
0．5
1
5
l0
50
35
1
500
60O
550
電導(dǎo)事敢 ／厘米
． 二油匭堂史 皇皇!辛的 系
從圖中可清楚看Ⅱ!， 當(dāng)油品電導(dǎo)率很高或根低時帶電量都很少． 當(dāng)電導(dǎo)率為5ps／m
～ 50ps／m 時油品產(chǎn)生的靜電最為嚴重． 而當(dāng)電導(dǎo)率由50ps／1TI增加到lOOps／m時，
反映油品帶電性的放電次數(shù)已下降了60％ ，因此．以lOOps／iTl作為安全靜止電導(dǎo)率的
分界線是比較合理的．
表Ⅱ是在各種不同油品中加入國產(chǎn)T1501抗靜屯添肌劑后所測試的消靜電效果．測
試時在貯油罐內(nèi)用直徑l0厘米的銅浮球引出油面電位，用靜}乜電壓表測定．
表2 抗靜電添加劑消靜電的測試結(jié)果
溫度T=25±I℃相對溫度；．h=37±1％
油品名稱 添加劑含量 電導(dǎo)率 油面電位 (K )
Tl50l ∞ ／mz 10 n一1／m
0 7 l 9．6
大慶2號 0．1ppm 50 4 6
噴氣燃料 0．2ppm lo0 1．5
0．5pprn 25o n4
0 2 20
70號車用 0．1ppm 50 3．5
汽 油 0．3ppm 1O0 2 0
0．5ppm 165 1．6
O 5 14
0號柴油 0
．5ppm 】O0 0．5
從表中可知， 國產(chǎn)抗靜也添加劑對各種輕質(zhì)油品均有良好的消靜電效果．同時可以看
到，若以50ps／m作為安壘標(biāo)準(zhǔn)．則對于達到這個標(biāo)準(zhǔn)值的噴氣燃料和汽油，油面IU位
— — 4 ——
薯鍪霉 遙?；涜上=卜 采永0一
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仍有4．6千伏和3 5千伏， 在個別情況下，有可能出現(xiàn)靜電放r乜造成事故。若以
lOOps／m為安生標(biāo)準(zhǔn)，則電位下降到1．5千伏和2千伏，對于這一數(shù)量級的靜【乜是不足
以造成靜電危害的。
我國對輕質(zhì)油品中抗靜電添加劑的使用量一般為百萬分之一重量(1ppm)。多次使f【『】
證明． 國產(chǎn)各種牌號的航空燃料只要加上1ppm 的添加劑就可使電導(dǎo)率維持在150～
200ps／m 以上．此外．從(6)式可知，若以50ps／m作為標(biāo)準(zhǔn)值，相當(dāng)于時問常數(shù)值
口：0．4秒． 這佯就可能在0．4秒泄漏時問的前一半時間內(nèi)． 出現(xiàn)0．2秒的持續(xù)靜電放電而
造成危害． 由此可知， 以lOOps／m 代替現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)值50ps／m 是既有必要又完全可行
的。
日車勞動省編制的《靜電安全指南》雖然沒有規(guī)定油品的安全靜止電導(dǎo)率， 但是， 從
防止可燃性液體帶屯的規(guī)則條文5144與6321兩條中， 明顯是以lOOps／m 作為分界
線的 ．這與本文的論證豐H符．
參考文獻
1 國際空運擲會標(biāo)準(zhǔn)，IATA-煤油型， 標(biāo)準(zhǔn)化譯叢，1974，2，1 6
2 GB6950— 86． 輕質(zhì)油品安全靜止電導(dǎo)率， 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 1987，1
3、Fordhom ．W etal， Brit．J．Appl phys Supp 1953， 2， 571
4、]-Iughes．J．F eta1 Inst．Phys．Con~．Ser 1975， 27， 264
5、 (日)櫻井俊男著， 石油產(chǎn)品添加劑翻譯組譯．《石油產(chǎn)品添加劑》，石油工業(yè)出
版社．1980年，175
6、Rogers．D．T et a1． Oil Gas．J．1957， 55， 166
7 (日)勞動省產(chǎn)業(yè)安全研究所著，吉林化學(xué)工業(yè)公司設(shè)計院，勞動部勞動保護局
譯，《靜電安全指南》，勞動出版社，(1982)

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