立式容器内部静电放电安全电位差的确定方法

    对化工容器中的内部静电放电安全电位差的限定计算方法作了明确阐述。其目的是为了降低静电放电能量，达到安全限定电位差值，防止重大恶性静静电事故发生，实现本质安全设计。

    1引言

    在化工系统中的容器使用过程中，通常伴有静电产生，酿成重大事故或恶性事故的几率很高。尽管在设计过程中，总是能动性地提高本质安全性，但还达不到人们所期望的要求，依然是化工设计专业人员和安全专业人员不可忽视的一个重要课题。

    现有的防止静电危害技术规范中，对潜在的静电危害作了许多强制性的规定；对于化工加工及成品输储过程中，所实施的预防手段和措施，还不能满足本质安全要求，是值得设计人员及安全专业人员深入探讨的问题。笔者致力于化工容器安全性静电评价，根据静电放电能量公式作了量化设计计算，现将所有计算过程进行介绍和说明，以倡导设计者积极采用静电放电能量公式，确定其安全电位差值，达到本质安全设计。

    2化工容器内的静电产生过程

    容器内的进料导引管，因距下封头较近，在输送物料初期，由于压头和流速较高，可形成表面电荷。当流经进料导引管端部的边缘处，可集大量的表面电荷，使电场强度较高，使不规整的局部表面附近产生感应静电，可形成极间电晕放电或火花的放电；其放电能量在0.2mJ~1.5mJ之间。

    在系统管输过程中，流体的动能较大，与金属壁产生机械摩擦，易形成静电；其静电大小，与单位时间内的介质流速的1.875次方或管内径的0.875次方成正比。当输送管内介质流速较高时，流动介质表面所带电位较高，极易在畸变的导体表面附近，形成传播型刷形放电或刷形放电；其放电能量在4mJ~25mJ之间。

    当进料导引管的管口被介质浸没时，容器内的液位不断上下浮动，冲刷罐壁。在液面上的可燃气体空间将随着液面上升，也不断地减少，压力有所增高，可燃气体浓度显著提高。处在导引管与罐壁之间，由于表面电荷的存在，及不断上下浮动或泡沫破裂分离作用，极易促成电涌放电，引燃混合气体。

    另外，在易于产生静电集处的弯头、截流板、阀门、连接管口端部等，极易形成静电点燃源，也是不容忽视的危险区域。对此应在系统设计时，充分予以考虑，并按要求采取强化安全设计措施。

    3《防止静电事故通用导则》规范要求

    GB12158-90《防止静电事故通用导则》是化工容器设计的重要依据，也是粉体设备设计的主要依据。规范中推荐的技术要求，已经全面考虑了可能发生多种不利因素的影响，具有相当的可靠性；对一般工况环境来讲，这些安全设防措施，不会给容器内部带来危害，能够抵制静电危害的扩散。

    对化工容器的设计，应从根本上加以考虑静电防护措施，以基本设防手段为举措。

    3.1设法减少静电电荷的生产

    （1）按照静电起电极性序列，选定带电序列较临近的物性进行合理的组配，以达到静电起电量为最小的目的。

    （2）在实际设计过程中，对相关物料应尽量做到，接触面积较小，工作压力较小，接触频次较低，运动和分离速度较缓和平稳。

    3.2应使用静电的电荷尽快地对大地泄漏，减少电荷的积累，以消除静电存在

    （1）对于盛装危险介质的容器，必须将所有能产生静体的物体进行严格的接地。

    （2）对金属罐体应采用金属导体与大地作导通性的连接；对金属以外静电导体则应采用间接接地。

    （3）对于高带电介质，应在接近排放口前的适当位置处，装设静电缓和器。

    （4）在设计和制造时，应尽量避免存在静电放电条件。如在容器内部不可出现细长的导电性突出物，并避免介质高速剥离。

    （5）控制可燃气体浓度，保持在爆炸下限以下。

    （6）对于可添加少量防静电剂的介质，应适当地添加防静电剂，以降低其电阻率，达到导通的目的。

    4利用静电放电能量公式确定静电放电安全电位差值

    化工容器内部的危险介质，因其物性不同，将会有各自的最小点燃能量值，利用最小点燃能量值，可以导出不同介质的最小静电放电安全电位差值。这是值得设计人员广泛推荐的计算方法。

    容器内部的静电放电过程，是由于带电体表面周围的场强，超过其击穿场强时，就产生介质电离，使带电体上的静电电荷全部或部分消失的现象称为静电放电。引起容器内部静电放电的导体，可以是导体、亚导体及非导体，它们之间的具体静电放电种类，可分为电晕放电、刷形放电、火花放电和传播型刷形放电。无论哪一种类形的静电放电，都遵循静电放电能量公式的规律。其式：

    W=1/2CV²

    式中：W——静电放电能量，J；

    C——导体间的等效电容，F；

    V——导体间的电位差，V。

    式中的物理意义表明，静电放电能量与容器内部的等效电容和电位差平方成正比；只要其值不大于可燃物的最小点燃能量值时，就不会引危险介质，达到控制静电放电的目的。

    一般容器内部的电容计算，按直立圆柱等效电容计算公式求取。其式：

    C＝H/2

    式中：C——直立窗口内部的等效电容，pF；

    H——直立容器简体的高度，mm。

    利用这一公式进行运算处理时，可使工程计算更加简捷，符合设备的实际情况，适用于立式化工容器内的安全静电评价，为抵制静电事故发生，提供可靠的理论依据，使安全控制手段，达到科学量化的设计水准，具有一定的指导意义。

    5设计计算实例

    本计算实例，以抗氧剂装置中的直立容器对象，在设计过程中，针对危险介质的静电问题，设介质最小点燃能W’等于静电放量能量W，运用静电放电能量公式，作进一步的物理方法推导，来确定静电放电安全电位差值的导出公式。其计算公式为：

   

    式中：V——静电放电安全电位差，kV；

    W’——介质最小点燃能量，mJ；

    C——直立容器的等效电容，pF。

    在计算过程中，对容器内部的电容值、静电放电安全电位差值和介质最小点燃能量值，均采用工程中常用的量纲，为协调计算量纲，应乘以下一个103的调合量级。具体的设计计算实例，由表1所示。计算出安全静电电位差后，要采取措施控制容器内的静电电位差，使其小于安全电位差值。

表1

介质名称	设备结构尺寸（mm）	工作压力（MPa）	工作温度（℃）	介质最小点燃能（mJ）	计算安全电位差（kV）
甲醇	Ø500×6×700	0.1	常温	0.14	0.89
	Ø700×6×1100	0.1	常温	0.14	0.71
	Ø800×6×1300	0.1	常温	0.14	0.66
乙醇	Ø700×6×1100	0.1	常温	0.37	1.2

    6建议

    对HGJ43-91《压力容器中的化学介质毒性危害和爆炸性危险程度分类》及SH/T3501-2002《石油化工有毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》标准，在改版修订时，应在标准附录中增加介质最小点燃能量值及介质击穿场强值，便 于利用静电放电能量公式的计算，准确界定静电放电的安全电位差值，积极预防静电事故发生，提供可靠的科学依据，是至关重要的。望标准职能部门及编辑组织者给予足够的重视，考虑设计者的精确计算需求，使工程设计达到本质安全的目标，期待日后的修订工作。

    7结语

    本文的目的，是引导设计者注重工艺装置及容器设备中的潜在静电危害影响因素，从积极的主观意识上去克服客观存在的静电元凶，避免静电事故发生，有一定的可行性、可靠性，符合科学规律，能够确保生产运行平稳安全，具有一定的引导作用。一般的工艺装置及容器设备，仅对设备的强度、刚度和稳定性考虑得比较全面，而对防止静电危害性考虑得较少；从严格意义上讲，还存在着盲目性，未知其始然，达不到本质安全。为了突出安全意识，有必要将这一问题理论化，充分认识到静电事故的危险性，正确把握静电安全界限，使安全设计与设计品位，双兼并顾，同步呼应，有其一定的现实意义。