（交通信息工程及控制专业论文）防止船舶静电事故措施的研究.pdf

， 7 i 陟 t h er e s e a r c ho nt h em e a s u r e st op r e v e n ts h i pa c c i d e n t s c a u s e db ye l e c t r o s t a t i c s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b v q ix i n ( t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g c o n t r 0 1 ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r w a n gj i a n p i n g s e p t e m b e r 2 0 1 0 一l 0 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = =随止丛自自赶电皇趑造旌的丛宜：。除沦义- l ，l 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均l 作迁 t 以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体l 经公j l ：发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：窿支超 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究7 t - ：学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事人学町以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也町采用影印、缩印或 j 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“” ) 论文作者签名：戚名红导师签名： 日期：刎口年l 。月知日 中文摘要 摘要 石油具有易燃易爆的特点，在运输过程中因静电放电引燃油品而导致的重大 安全事故从未间断。 美国于1 9 3 6 年成立了静电协会。自2 0 世纪5 0 年代以来，因装卸油的速率过 高引起的油轮静电事故时有发生。世界航运界高度关注船舶静电安全问题由1 9 6 9 年1 2 月接连几起超级油轮爆炸开始。在随后的2 0 世纪7 0 年代，一些大型油轮又 陆续发生由压载水激涌或排放油污压载水静电所导致的重大事故。 随着众多专家学者对静电研究的深入，油轮静电起电机理逐渐被人们认识。 人们根据已掌握的油轮静电起规律，从多方面提出静电事故防治措施。相关适用 于油轮的静电安全规定也相继出台。 本文以油轮作业为主，运用偶电层理论分别论述了船舶装卸、洗舱、运输、 油位检测、人员操作等环节有资料记录的船舶静电事故的主要静电起电机理。进 一步完善已有措施，关注船员静电防护，增加预防散装谷物、煤炭等易产生粉体 静电事故的措施研究。通过分析在不同作业过程中的静电带电形式，论述影响各 环节起电量的因素，量化计算各种常见因素对静电荷起电量的影响：分析静电积 聚、放电的过程、特点，计算衡量可能产生的静电电荷量、静电场强度，论述船 舶静电所能产生的危害。造成爆炸等灾害性事故的重要原因是静电积聚引起的放 电。本论文从防止静电产生、积聚、放电的角度重新整合船舶油品装卸、运输、 洗舱、测量、日常工作等多方面作业，有针对性地分析研究防静电事故措施。 关键词：静电；船舶静电；油品；防护措施 一 h f ， 英文摘要 a b s t r a c t i ti sr e c o g n i z e dt h a tm o s to ft h ec r u d eo i l sa n do t h e rl i q u i dc a r g o e sa l ef l a m m a b l e ， a n dt h e i rv a p o r s ，m i x e dw i t ha i r , a r ee x p l o s i v e a l s o ，s o m eo fd u s t so ft h eg r a i n sa n d c o a l sc r e a t e di nl o a d i n ga n dd i s c h a r g i n go p e r a t i o n s ，m i x e dw i t ha i r , a r ee x p l o s i v e i ti s b e l i e v e dt h a tq u i t eaf e wo ft h e s ee x p l o s i o na c c i d e n t sa r ec a u s e db y t h ef l a m e sp r o d u c e d b ye l e c t r o s t a t i c s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n ds t u d yo f t h el a w sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es h i p o p e r a t i o np r o d u c e ds t a t i ce l e c t r i c i t ya r eo fs i 鲥f i c a n ti m p o r t a n c ef o rt h e p r e v e n t i o na g a i n s ts h i pa c c i d e n t sc a u s e db y e l e c t r o s t a t i c s t h i sp a p e r , b a s e do nt h ec a r g oo p e r a t i o n so ft a n k e r sa n ds o m eo ft h es o l i db u l k e r s ， i n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no ft h ed o u b l ee l e c t r o s t a t i cl a y e r st h e o r yi nt h ep r e v e n t i o no f t h es t a t i ce l e c t r i c i t yp r o d u c e di nt h eo p e r a t i o n so ft h el o a d i n ga n dd i s c h a r g i n g , t a n k w a s h i n g , c a r eo fc a r g od u r i n gt h ec a r r i a g e ，u l l a g es u r v e y , e t c ，a n da n a l y z e st h ef o r m s a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o s t a t i c si n d u c e di nt h e s eo p e r a t i o n s i ni t sc o n c l u s i o n ，a s e r i e so fn e c e s s a r ys u g g e s t i o n s ，a d v i s e sa n dp r e c a u t i o n a r ym e a s u r e sa l er e c o m m e n d e d f o rt h ep r e v e n t i o no fs h i pa c c i d e n t sc a u s e db ys t a t i ce l e c t r i c i t y t h ec o n c l u s i o na n dr e c o m m e n d a t i o na c h i e v e di nt h er e s e a r c ha n ds t u d yo ft h i s p a p e ra r eo fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i c ；s h i ps t a t i c ；o f f ；p r o t e c t i v em e a s u r e s ， 目录 目录 第1 章绪论一l 1 1 历史沿革2 1 1 1 船舶静电事故问题的提出：。2 1 1 2 防止船舶静电事故措施研究的沿革3 1 2 现状及存在问题4 1 2 1 船舶静电安全现状一4 1 2 2 存在问题5 1 3 本人研究思路5 第2 章船舶静电产生机理6 2 1 静电起电的偶电层理论6 2 2 液体的静电起电一7 2 2 1 输油时的流动起电7 2 2 2 洗舱时的喷射起电、溅泼起电1 0 2 2 3 压载水的激涌起电1 2 - 2 2 4 沉降起电13 2 3 粉体的静电起电18 2 4 人体的静电起电1 9 2 4 1 接触起电1 9 2 4 2 感应起电2 0 2 4 3 吸附起电2 0 第3 章船舶静电放电与危害2 1 3 1 油品静电的积聚与放电2 1 3 1 1 静电的积聚2 1 3 1 2 静电放电形式2 2 3 1 3 静电放电能量计算2 5 3 2 船舶静电危害2 5 3 2 1 液体静电的危害2 6 3 2 2 粉体静电的危害2 7 3 2 3 人体静电的危害2 8 3 3 船舶静电危害的特点3 0 3 4 静电放电危害的评估3 0 f 目录 第4 章防止静电事故的措施3 2 4 1 限制静电产生的措施3 2 4 1 1 限制装油流速、流量3 2 4 1 2 使用适当注油方式3 3 4 1 3 严格规范洗舱作业3 5 4 1 4 做好人体静电防范工作3 7 4 1 5 确保油品清洁4 3 4 1 6 预防静电感应4 3 4 2 减少静电积聚的措施。4 4 4 2 1 正确添加抗静电添加剂4 4 4 2 2 规定静置时间_ 4 5 4 2 3 提高环境空气湿度4 6 4 - 3 减少静电放电的措施4 7 4 3 1 加强金属设备、船体、人员以及其它导体的接地4 7 4 3 2 安装静电消除器4 9 4 4 防止形成爆炸性混合气体5 3 4 4 1 配置惰性气体系统5 3 4 4 2 浮顶式油舱5 4 第5 章结论5 5 参考文献。5 6 致谢5 9 防止船舶静电事故措施的研究 第1 章绪论 油轮作为一种能源运输工具，用于装运散装石油以及其他易燃液体，结构较为 复杂，在海上航行或锚泊过程中极易发生火灾事故。壳牌石油公司在1 9 3 3 年就开 始研究油轮在注油时的静电问题，但人们并没有重视。直到1 9 6 9 年，接连多起2 0 万吨级超级油轮发生静电爆炸事故才引起世界范围内科学家的关注。由于在海上 无法及时获得外界的帮助，若一旦发生火灾和爆炸事故且处置不当，极容易造成 船毁人亡的严重后果，同时还会造成严重的海上污染事故。因此，做好油轮静电 事故预防工作，具有重要意义。通常引起油船火灾爆炸事故的明火、电器火花、 撞击火花是容易觉察的，而静电放电引起的火灾爆炸则常常不易觉察，具有更大的 危险性。根据海事资料分析，在油船火灾事故中，3 3 的事故是由静电放电引发的。 我国船舶运输尤其是油船运输业近年来发展很快，相应随之而来的静电事故也多 次发生。甚至在某一艘船刚发生不久的事故，又会在另一艘船上重演。对静电知 识了解不足、进而对操作和管理不够科学往往是这些事故发生的根本原因。因此， 在油船运输的过程中，要认真分析静电产生的原因和影响因素，严格采取措施积极 预防静电。 各类石油产品都是电的不良导体，油品和其他化学溶剂在管道和油舱中流动、 震荡会因磨擦而产生十分危险的静电，特别是在油品运输领域。在青岛港黄岛区 的原油码头上，油船的泵油速度每小时最高可达7 0 0 0 吨，这种泵油速度，会产生 大量静电。油轮的其他作业中有些能造成静电储集，达到一定程度就会突然放电， 足以点着可燃的油气或其他可燃混合气体。石油静电的起电机理受到很多因素的 影响，静电科学工作者深入研究了对如何有效地减少或消除油品在运输、装卸及 油轮洗舱过程中所产生的电荷，提出了有益的防治措施。国内外的石油静电专家 都致力于寻求能取得全面的船舶静电防范措施，但由于各种偶发干扰的因素较多， 涉及到的问题众多、机理复杂，船舶静电缺乏再现性，大大减缓了防静电措施的 研究进程。目前国际静电会议已举行过多次并公开发表了大量的有关论文，但为 了理论认识和工程实践一致，还有待于进一步去做大量的实验和理论研究工作。 第1 章绪论 1 1 历史沿革 1 1 1 船舶静电事故问题的提出 人们早已认识到静电的存在。一方面，静电的应用能够造福于人类，另一方 面，静电产生的危害也能够造成相当严重的后果和损失。十九世纪以来，随着世 界经济的快速发展，油船运输行业也发展迅猛。船舶静电业已严重影响到航运安 全。现代油轮趋于大型化、巨型化，货油系统也趋于复杂化，这给油船船员的货 油装卸作业技能也提出了更高的要求。由于人们对油轮静电的危害认识时间不长， 因而付出了巨大的代价。尽管壳牌石油公司在1 9 3 3 年就开始研究油轮在注油时的 静电问题，但人们并没有重视。 1 9 4 9 年3 月，工作人员在日本下滓港给停泊在码头上的油船装汽油。操作时 从岸上将油罐的油通过直径1 0 c m 、长6 m 的橡胶软管伸进直径为2 0 c m 的舱口装进 油船。油舱在装油开始几分钟后便爆炸，炸飞舱盖，甲板起火。据调查该事故是 油品静电荷聚集产生放电所致。 2 0 世纪6 0 年代初，前苏联油轮埃罗来夫斯克号也有过三起相类似的静电爆炸 起火事故发生。 1 9 6 7 年7 月2 9 日，美国f o r r e s t a l 航空母舰上发生严重事故，一家a 4 飞机上 的导弹突然点火，造成了7 2 0 0 万美元的损失，并有1 3 4 人受伤。经调查事故原因 是导弹屏蔽接头不合格，静电突然放电引起点火。 1 9 6 9 年1 2 月1 1 日，荷兰一艘2 0 8 万吨级超级油轮在压载航行途中开始海水 洗舱作业，冲洗过程油舱中发生爆炸，致使油船沉没。1 9 6 9 年1 2 月1 9 日，2 1 9 万 吨“k i n g h a c k o n ”号挪威油船，左右二舷油舱冲洗完毕，注入压载海水，冲洗第5 号和第4 号中央油舱时于2 2 时5 0 分发生爆炸火灾，船舱损坏严重，大部分船员离 船。1 9 6 9 年1 2 月2 9 日，英国2 0 8 万吨“m a c t r a ”号油船用海水冲洗油舱，在第4 号油舱清洗即将结束时爆炸失火。3 艘2 0 万吨超级油轮在一个月内接连在采用海 水洗舱、喷射高压蒸汽冲洗油舱时，产生静电而引起爆炸，事故引起了世界范围 内科学家对静电防护的关注。一年后又有6 艘万吨级油轮发生爆炸。 根据1 9 6 7 年i t s c ( i n t e r n a t i o n a lt a n k e rs a f e t yc o n f e r e n c e ) 发布的一份统计资 防止船舶静电事故措施的研究 料以及日本学者今井金矢在油轮火灾及对策中提供的资料，给出了1 9 4 8 1 9 6 5 年间的船舶事故统计表1 1 ，可供参考。 表1 1 油轮事故点火源综合统计 t a b 1 1g e n e r a ls t a t i s t i c si g n i t i o n $ o u l c ct a n k e ra c c i d e n t 从表1 1 的统计资料中可知：早在1 9 6 9 年以前静电放电作为点火源就已威胁 到了船舶的安全；静电火源在各种点火源中与外部发火源并列排名第三，成为不 容忽视的导致船舶爆炸的主要火源之一。 油轮安全问题一直是航运界的关注重点，接连几次震惊世界的爆炸促使研究 者开始重视它、研究它，寻找爆炸原因进而探寻合适的安全措施来避免事故的产 生。 1 1 2 防止船舶静电事故措施研究的沿革 在1 9 6 9 年的连续三起超级油轮洗舱期间发生爆炸引起了世界航运界的巨大震 惊之后，许多国际组织、公司、财团、大学、研究机构纷纷开始了实验研究。壳 牌国际海运有限公司巨资聘请a k l i k e n b e r g 博士为技术顾问，将研究基地设在阿 姆斯特丹的k o n i n k l i j k e s h e l l 实验室，组织大批专家学者进行研究。该公司还不惜 第1 章绪论 重金在荷兰建立一个容积为1 2 0 0 0 m 3 与爆炸油轮中央舱同样大的模拟油舱。在研 究人员的努力下，经过3 年实验研究之后得出一个普遍承认的结论：洗舱时产生 的带静电水雾是一个基本点火源。 v a n d e rw e e r d 和h u g h e s 所作的进一步研究发现多达1 0 种起电机理，揭示了 洗舱方式、洗舱机的类型对静电起电的影响。 另一些实验研究集中探讨了影响电荷密度的因素，研制电荷密度测量仪、电 位测量仪或场强计，这不久为油船安全评价、实验研究结果确认奠定了基础，也 促进了静电测量技术的发展。c h u b b 和l i n d b a u e r 在这方面均做出了突出贡献。 由于发生爆炸的油船是庞大的超级油船，另有一类实验研究就是探讨静电尺 寸效应。这涉及到平衡电流值的确定以及运用极限动力学来确定平衡电荷密度值 或平衡电位值。 在此期间又发生了几起大型o b o 船因压载水引起爆炸的事故。因此又展开了 o b o 船在压舱水摇晃期间起电机理的实验研究。实验研究确认：压舱水摇晃产生 的带电水雾，其电荷密度等于或高于洗舱时所产生的电荷密度【2 1 。 1 2 现状及存在问题 1 2 1 船舶静电安全现状 我国近年来在石化企业曾发生3 0 多起因静电造成了严重火灾爆炸事故。许多 工业发达国家都建立了静电研究机构，我国从6 0 年代末开始开展了一些静电研究 工作，8 0 年代开始以来，我国的静电研究发展极为迅速。静电防范原则主要是抑 制静电的产生，加速静电泄漏，进行静电中和等。 油品为非极性物质，电阻率高( 汽油、柴油的电阻率一般在1 0 1 0 - - 1 0 1 5 q c m 之间) ，导电性能差，积累电荷的能力较强。在管道输送、灌装等过程中，由于摩 擦易产生静电。当油品所带静电荷聚集到一定程度时，就会产生电火花，如果静 电火花能量达到或大于油品蒸气的最小点火能量时，就会立即引起燃烧和爆炸。 一些较先进的国家，在多次事故之后，加强了对油轮防静电的研究，取得了一些 可喜的成果，但是由静电引起的事故并未能完全杜绝。据日本官方统计，火灾爆 炸事故约有1 0 属于静电事故。 防止船舶静电事故措施的研究 1 2 2 存在问题 石油产品均是电的不良导体，在装卸、运输、洗舱等过程中，可能产生十分 危险的静电，严重者会由静电火花引起爆炸或火灾，特别是在轻质油品运输领域， 过去的2 0 几年中发生过多起由于静电放电引起的重大事故。但是静电的起电机理 又相当复杂，它受到很多因素的影响，静电科学工作者对如何有效地减少或消除 油船在运输各环节中所产生的电荷，做了深入的科学研究，提出了有益的防治措 施，并取得了较好的效果。 近几年来，国内外的静电科学工作者都致力于寻求能取得国际公认的石油静 电安全预防措施，但由于涉及到的问题很多，机理复杂，特别是各种突然干扰的 因素较多，使石油静电往往成为一种缺乏再现性的自然现象和概率现象，以致使 防止静电灾害的研究虽不断取得进展，但静电事故却难以杜绝。 目前尽管国际静电会议已举行过多次并公开发表了大量的有关论文，但理论认 识和工程实践还很不一致，大量的实验和理论研究工作还有待于进一步深入。 1 3 本人研究思路 本文主要以油轮作业为主，从船舶装卸、洗舱、运输、油位检测、人员操作 等环节将有资料记录的船舶静电事故的主要起电机理分别介绍。研究在不同作业 过程中的静电带电形式；分析静电积聚、放电的过程、特点，计算衡量可能产生 的静电电荷量、静电场强度，估算静电造成的危害；从船舶油品装卸、运输、洗 舱、测量、日常作业等多方面分析研究防静电事故措施。通过对多起静电事故的 分析，在分析总结前人所提出的防治措施的基础上结合实际，对已有有效措施进 行综合完善，针对人体、设备静电对船舶静电安全的危害，详细论述船上人员静 电防护装备的重要性；提出了一些接地与增湿、铺设导电材料地板或喷涂导电涂 料、使用防静电材料等防静电措施，减小静电积累，增加预防散装谷物、煤炭等 易产生粉体静电事故的措施研究，总结出一套相对全面的船舶静电安全措施。 第2 章船舶静电产生机理 第2 章船舶静电产生机理 2 1 静电起电的偶电层理论 偶电层也称双电层。人们从两种金属材料的接触起电开始认识固体静电起电， 进而发展了液体的偶电层起电理论。 伏打在1 7 9 6 年发现不同的两种金属以微小的距离相互接触时，会产生十分之 几到几伏的电势差。这个接触间距不大于2 5 x 1 0 。8 c i i l 【3 】o 亥姆霍兹在1 8 7 9 年提出在 物体相互接触的两面，形成等量异号的电荷层，如图2 1 ，他将其称为偶电层。1 9 5 1 年h a r p e r 证实，由于接触电势差，使得两金属接触后再分离产生静电。金属与半 导体接触，也同样会出现偶电层，但半导体表面一部分电荷深入到表面层内部。 亥姆霍兹等人认为：液体与固体之间产生的偶电层不同于两种金属固体接触产生 的偶电层。图2 2 是水在玻璃管内流动产生偶电层的示意图。水中的负离子被玻璃 吸引附着在玻璃表面，形成了玻璃带负电，水带正电的偶电层。玻璃代表的固体 表面上的电荷贴于表面，而液体表面的电荷已渗透到液体内部，呈扩散状。在液 体中同时存在正负离子，且正离子较多【4 】。整个偶电层范围内虽然电荷分布不均匀， 但仍然呈电中性。 图2 1 不同金属接触面形成偶电层 f i g 2 1d u a l l a y e rb e t w e e nd i f f e r e n tm e t a l 防止船舶静电事故措施的研究 聚集在赛面的正离子 十+ 十琴奥在界面的负离子 + + + + + + 夕 图2 2 固体一液体间的偶电层 f i g 2 2d u a l - l a y e rb e t w e e ns o l i d - l i q u i d 偶电层形成的直接原因是正、负离子的转移。所有物质都带有正电荷和负电 荷，正负电荷是成对存在的，平时处于中和状态。当两种不同材质的物体接触时， 由于不同物质得失电子的能力不同，不同原子、原子团或分子的外层电子层处的 能级不同，就会在接触面上发生电荷交换现象，电荷将发生新的排列，界面两侧 会出现大小相等，极性相反的两层电子，同时在接触面形成电势差。假如两种或 者其中一种物体绝缘不好，两种物质中不相同的电荷不易很快地重新中和起来， 这种情况下如果突然将两种物体分离或拉开，其中一个物体就会留下多余的电子， 而另一种物体就会缺少电子，如果两种物体是与外界绝缘的，则这两种物体就分 别带上了相反的而且是相等的电荷【5 1 。 2 2 液体的静电起电 两种不同物体在接触和分离过程中如果其本身又与外界绝缘就会产生静电。 所以，液态物质与固态物质在接触、分离过程中，如原油或其它油品在输油管、 油舱中，由于流动、喷射、冲击、搅拌、沉降等一系列接触、分离的运动也会产 生静电。 油品在储运过程中存在着多种起电形式，一般有以下五种：流动起电、喷射 起电、溅泼起电、激涌起电、沉降起电，这些带电形式都可以用偶电层来解释。 2 2 1 输油时的流动起电 电导率小的油品在输油管道中液体内部含有等量的正离子和负离子，在流动 前呈中性状态。当液体与管壁接触时，存在一个偶电层，油品在管壁表面的电荷 第2 章船舶静电产生机理 层叫做固定层，该层不随液体流动，厚度为一个分子直径，分布在油品一边的电 荷与界面上管壁一侧的电荷符号相反，呈扩散状态分布，如图2 3 所示。当油品在 管道内流动时，油品携呈扩散状态的正电荷一起定向流动，形成电流。这种由流 体流动冲走电荷而形成的电流叫做冲流电流，它等于单位时间内通过管路某截面 上被冲刷下来的电量。由于相反电荷的自然吸引作用，在管壁上产生的负电荷就 和液体沿同一方向流动。带电油品离去后，随即就会有新的中性油品补充，又形 成了新的偶电层【6 】，见图2 4 。 图2 3 液体在静止时界面形成偶电层 f i g 2 3s t a t i o n a r yl i q u i dl a y e rf o r m e da tt h ei n t e r f a c ee v e n 液体塑7 - - + + + + 一- 7 + +十+ 图2 4 液体在流动时静电荷的变化 f i g 2 4e l e c t r o s t a t i cc h a r g ei nt h ef l o wo fl i q u i dc h a n g e s 在液体层内除按电荷分布情况可将液体层分为紧密层和扩散层外，还可根据 液体层的流速分布情况将其划分为固定层及流动液层两部分【7 1 ，如图2 5 所示。 + + + + + 一 + + 一 + + + 一一 + + 一 防止船舶静电事故措施的研究 图2 5 偶电层的模型 f i g 2 5d u a l l a y e rm o d e l 油品在输油管道内流动所产生的冲流电流，与管道半径、液体的流速有关， 此外管子的材料、表面状况、管长、粘滞性、流动方式、油品的电导率等多种因 素也影响到油品流动带电。这些复杂的因素对液体带电的研究造成了许多困难， 所以，至今还没有提出一个能解释全部液体带电现象的成熟理论。尽管，许多人 在液体带电方面做了大量研究工作，提出了不少理论公式，但都只适用于某些特 定的条件，还不是完整的理论。而且，在这些公式中或多或少存在一些难以计算 的量，实际使用也有困难。在计算流动带电量时，采用一般公式并不适用。为此， 从防止灾害的角度着眼于它的最大发生量，提出了如下的经验公式【8 】： k = k 矿m d 力 ( 2 1 ) 式中：j 。懈，油品流动带电最大发生量；儿油品的平均流速，m s ：m 、刀，常数， 采用科恩值，即r e = n = 2 ：k ，未定常数；d ，管径，m 。 研究表明：足主要取决于电导率。在平均流速、管径为一定的条件下，通过计 第2 章船舶静电产生机理 算冲流电流，的实验，可以看出，它基本上取决于油品的电导率，即常数k 取决 于管道材质、油品的特性及所含的杂质等【9 1 。通常，对于含有杂质较多的“黑 油 ，由于其导电性较强，因此所产生的静电易通过油导回而与输油管上极性相 反的电荷复合，或通过管壁与船壳接地消失。若所装卸的是含杂质较少的“白 油，则由于其导电性差的性能，虽然电荷分离的能力减小，但一旦产生静电就 很难复合，这样在连续装卸中就易积聚大量的静电。油在管道内的流速越快，油 流的紊乱越大，电荷分离也越快，而分离的电荷在其中复合的机会也随之减少。 油品流动带电最大发生量m 戤，随着流速的增加而以指数函数的形式增加，因此 限制流速也是防止静电事故的办法之一。 2 2 2 洗舱时的喷射起电、溅泼起电 洗舱是指以原油、水作为介质，通过洗舱机喷射到舱内，清洗货油舱内表面 及其构件的作业。 原油洗舱是指运输原油的油船以所载货油作为清洗介质，在卸货的同时通过 洗舱机在高压下喷射到货油舱内表面，并依靠原油本身的溶解作用，将附着在舱 壁、构件及舱底上的油渣清洗掉，并同货油一起卸到岸上。 原油洗舱所抽取用作清洗剂的原油多少含有一定的水分，当带有压力的原油从喷 嘴或管口以束状高速射向舱壁后，部分油品被分裂成许许多多的小油滴，其中比较大 的油滴很快沉降，其他微小的油滴则停滞在空气中形成雾状小油滴，悬浮于舱中，摩 擦会产生静电荷，当静电积累到一定的程度时就会产生静电放电，引起燃烧和爆炸。 水洗舱是指以水作为介质，通过洗舱机喷射到舱内对油舱进行清洗。包括成 品油船水洗、原油船的水洗和原油洗舱后的水洗。通常操作中是利用高压将海水 从洗舱机的喷嘴中喷射出来，小部分与空气接触被分裂形成微滴雾珠悬浮于舱中， 这些雾珠半径数量级大约为微米级；大部分洗舱水，冲刷在舱壁及其构件上。在 这个过程中存在着喷射起电和溅泼起电。高速喷射出的海水与喷嘴之间发生了迅 速的接触与分离过程。接触时在接触面上形成了偶电层，分离时海水粒子把一层 电荷从偶电层中带走，另一层则留在喷嘴上。海水和喷嘴分别带上了异种电荷。 这就是喷射起电机理【l o 】。见图2 6 防止船舶静电事故措施的研究 = = 氏 - - 一 三三二夕 图2 6 喷射起电 f i g 2 6s p r a ye l e c t r i f i c a t i o n 使用海水作洗舱水，加热洗舱时能提高洗舱效果。但是，加热会促使带电雾状 物的生成，这种带电雾状物会强烈地带电。东京商船大学森田丰教授所做的蒸汽 喷射所产生的空间电荷密度不仅浓度高，而且饱和时间短。因此，当油舱内可燃气 体的浓度未被控制到爆炸极限以下时，不宜加热洗舱水，并尽量避免在舱内喷射高 压蒸汽。 在洗舱的过程中，喷射起电、溅泼起电，时时刻刻都在起作用。可见，船舶 内由众多微滴雾珠所形成的水雾实际上是带电水雾，它必将在舱内形成很强的静 电场。 在洗舱过程中，舱壁及其构件在受到海水冲刷时，同样会发生接触与分离过 程。见图2 7 。在冲刷过程中，舱壁及其构件与无数个液滴接触，从而在接触面处 形成一个偶电层。由于冲刷滚动的惯性，液滴会继续前进，与和舱壁及其构件接触 形成的偶电层分离，偶电层的扩散层于是被液滴带走，固定层便留在舱壁及其构 件上，液滴与舱壁及其构件就分别带上了异种电荷c i i 】。这就是溅泼起电机理。 图2 7 溅泼起电机理 f i g 2 7s p l a s hf r o mt h em o t o rm a n a g e m e n t 第2 章船舶静电产生机理 影响洗舱时起电的因素很多，如洗舱机的个数和容量、洗舱水喷射速度、 水温、舱壁表面状况以及油舱尺寸大小等。专家曾对几艘原油船进行过热水洗舱 的空间静电电位测试，最高时可达到5 4 0 0 v ( 5 1 p f ) 1 1 2 1 ，电位大小与热水温度、洗舱 。水的清洁度( 即含洗涤剂或油污多少，是单次使用还是循环使用) 、喷射压力、洗舱 机的容量和台数、舱容大小、舱壁表面情况、油品等等有关，这次测量所得的空 间静电电位并不很高，如果洗舱水的温度、压力再高点，洗舱机的容量和舱容大点， 空间静电电位可能会高得多。 2 2 3 压载水的激涌起电 实验表明，水中含有少量的油和油中含有少量的水同样都会增加静电起电量。 船舶的压载水( 为了配载平衡和船舶稳定的需要人为装载的海水，又称压舱水) 往往 循环使用，以达到减少对海洋的污染，限制污水排放的目的。但这样压载水中不 可避免地混有大量的油脚水、污物或其它杂质。船舶在航行的过程中，压载水不 可避免地因摇晃而引起激涌，冲刷舱壁及其构件，激涌的本身所激起的波浪也会 产生带电水雾。激涌的过程又伴随着溅泼，水珠破碎等起电过程。因此压载水同 样能在船舱空间产生带电水雾，产生很强的静电场。混装船的压载水激涌时所产 生的静电位与油轮洗舱时的静电位非常相近。例如，含有油脚水的货舱中每边最 大为4 0 的摇晃就足以形成很强的带电雾气。其电荷密度可与用水清洗含污水的相 似货舱时所产生的电荷密度相比拟，甚至更高。 表2 1 是几艘船舶航行过程中压载水激涌时所产生的舱内空间电荷密度的实 际测量值。 表2 1 压载水激涌时舱内空间静电荷密度 t a b 2 1e l e c t r o s t a t i cc h a r g ed e n s i t yo fc a b i ns p a c ew h e nb a l l a s tw a t e rs h a k i n g 防止船舶静电事故措施的研究 2 2 4 沉降起电 沉降起电的本质仍是接触分离起电，即也可用偶电层的理论来解释。油品中 所含的水滴与油接触形成偶电层。由于密度不同，当水滴相对油下降时，带走吸 附在表面的电荷，水滴和油分别带上不同符号的等量异种电荷。油中的其他杂质 粒子因重力作用而缓缓下沉时也会产生相同效果。油品的内部产生静电场，上下 部分产生了电势差，即沉降电势。带电粒子由于沉降电势的作用，在油品中又产 生了一个与沉降电流方向相反的欧姆电流。当沉降电流与欧姆电流达到平衡时， 油品中形成稳定的电场e 和沉降电势u 。下面计算稳定电场的场强e 。为了简单 起见，设液体中所有固体微粒均为小球，它们的半径都相等且为，每一微粒的带 电量相等为g ：液体中粒子分散稀疏，液体的流速可忽略不计，在沉降过程每一个 粒子都受4 个力，重力厶，液体的浮力电场力z ，粘滞力工，由牛顿第二定 律知粒子的重力为： 厶= 9 4 - 7 r r 3 p(2)=g 2 夕脚 。 ( 2 ) j 其中为粒子的密度( k g m 3 ) 根据阿基米德定理，每个微粒所受的浮力为： 厂：昙万r 3 p o g ( 2 3 ) j p b 为液体的密度，浮力的方向向上。粒子处于电场强度为e 的电场中，所以 其受到的电场力为： z = q e ( 2 4 ) 其电场力的方向向上，最后一个力为粒子受到的粘滞阻力，根据流体力学中 的粘滞流体中运动物体所受力的斯托克斯公式，应为： 工- - 6 硼一 ( 2 5 ) 其中v 是为粒子稳定沉降时的沉降速度。1 1 为液体的粘滞系数。 当粒子作稳定沉降时，每个粒子所受的力应处于平衡状态。即 厶一厂一z z = 0 ( 2 6 ) 于是得到在液体中作稳定沉降的固体粒子运动方程为： 第2 章船舶静电产生机理 昙万，3 ( 陬一岛) g q e = 6 硼w ( 2 7 ) 吸附在固体粒子表面的电荷，在粒子沉降时作定向运动，形成沉降电流，其 密度为= n q v ，其中刀为液体单位体积中所含的带电粒子数。沉降电势的出现 立即引起与沉降电流方向相反的欧姆电流。这个电流的密度为以= 讧，丫是微粒 的电导率，当微粒达到稳定沉降时席以有如下关系： z + 以= 0 ( 2 8 ) 由此可以求得固体粒子在液体中作稳定沉降时液体中的场强e 和粒子的运动速度： = 等43 = 丽a p m g a q e 29 = l 一= ( ) 6 兀q q d6 兀r l d 、 y = 竿43 ”一n q 2 ， 汜 其中a = 刀芸万，3 为胛粒子所占的体积。4 = p m - p o 为粒子与液体的密度差 【1 3 】。上式适用于高导电率的微粒在低电导率的液体中沉降的情况。例如油品内部 一些金属杂质在货油舱中的沉降带电，随着油品内杂质与水的沉降，也产生部分 静电。由于油品电导率低，干结在货油舱内壁上的涂料表面又在油品进罐和沉降 时产生静电。这一系列的静电难以导走，必定在舱内积聚起来。油舱进油产生的 这种静电荷，可用偶电层原理来解释。油品产生静电必须具备两个条件：一是油 品内要有活性杂质，从而在界面处形成偶电层：二是要使两相界面处发生相对位 移，即两相有一个接触分离过程，使扩散部分电荷随油流一起运动。 油品静电起电主要受到以下几个因素的影响： ( 1 ) 油品所含杂质对静电产生量的影响 非常纯净的高度精炼的石油产品在管道内流动时是不容易带电的。这是因为 液体之所以带电是因为在液体内存在着已离解的正、负离子，而一般的石油轻油 制品的分子是无极分子，因此，这类分子一般都不能直接电离。液体中的离子主 要来源于其中所含的杂质，当这些杂质离解时就产生了正、负离子。如果在轻油 防止船舶静电事故措施的研究 中存在胶体杂质，例如水分子，它就可以吸附自由离子而成为带电质点。有杂质 的液体在容器内流动时可以产生明显的静电。当油品中含有少量水时，水在沉降 过程中很容易带电，甚至引发静电事故。曾发生有某种油品的静电带电电量突然 大幅度增加，并因此造成静电事故。经实际测量和分析表明，这种突然性静电事 故的发生是因为在油品中偶然出现微量杂质所致【14 1 。由表2 2 中可以看出，往 j p 一5 燃油中加入不同量的沥青杂质会明显改变其带电状态。 表2 2 加入沥青杂质对带电的影响 ! 垒垒：兰：兰叁曼壁垒曼卫坠垒坚鱼翌趔曼! q 坠鱼皇垫墅卫璺里! q ! 堡垒璺盟曼堕 j p 5 燃油电导率( s e r a )放电次数 值得注意的是，并非液体中杂质越多就越容易起电。相反，随着杂质的增多， 液体的导电率增大而使电荷很容易泄漏。杂质除可改变液体的带电量外，还 可以改变带电的极性。向在容器内流动带正电荷的油品中加入矽胶，杂质被吸 附，流动静电就测不出来了。若再向其中加入微量碱性物质时，油品又带负电， 这种电荷符号的改变主要是由于化学吸附作用。 ( 2 ) 电导率对油品带电的影响 在一定范围内静电产生量随电导率的增加而减少，但达到某一数值后，它又 随着电导率值的增加而增大。高纯度的精炼油品，由于电导率低于l x l o 。5 s e r a t l 5 1 其 中几乎不含“杂质离子，静电起电量极小。在油液中加入少量杂质，电导率就 会升高。静电起电量增加。当电导率达到1 x l o q 2 s c m 左右时，产生的静电电量最 大。当电导率高于1 1 0 击s c m 时，油品本身成了“静电导体”。这时液体虽然起电 性能较强，但产生的静电易泄漏，因此不易积累静电。各种油品有不同的导电系 第2 章船舶静电产生机理 数，油品越净化，导电系数越小。导电系数小的油品，在相同条件下，静电荷消 失越慢，积聚越多，相反，导电系数大的油品，静电荷消失的速度越快，静电荷 越不容易积聚。见图2 8 l 1 0 1 0 l 1 0 1 5 1 0 1 0 曙1 0 1 0 ( 电导率，s c i l l ) 图2 8 电导率与油品带电关系 f i g 2 8c h a r g e dr e l a t i o n s h i pw i t ht h eo i lc o n d u c t i v i t y ( 3 ) 其他因素对油品带电的影响 管道材料和管道内壁状况对冲流电流的影响。管线材质对管线中流动的液体 所产生的冲流电流是有影响的。实验指出，同种液体流过金、银、钯、硼酸玻璃、 玻璃钢等管道时，其静电的产生量仅有微小差别，但上述材质的电导率存在很大 差异，因此对其静电的消散却有显著的影响，从而明显影响冲流电流的大小。图2 9 给出了某液体流经不同材质管道时所产生的冲流电流情况。除管道材质的影响外， 管道内壁的粗糙程度对冲流电流也有影响。实验结果表明，内壁越粗糙，静电产 生