火箭低温推进剂加注过程中的静电防护研究

林义勇，刘世平，卢 艳

（西昌卫星发射中心，四川西昌 615000）

火箭低温推进剂加注过程中的静电防护研究

林义勇，刘世平，卢 艳

（西昌卫星发射中心，四川西昌 615000）

静电放电作为一种近场自然危害源，给人类造成了重大损失和危害。目前火箭低温推进剂主要有液氢、液氧、液氮等，而液氢的静电防护又尤为重要。重点研究了液氢在加注过程中的静电防护：总结了静电产生的种种危害，从氢物理特性和液氢加注原理2个方面，详细分析了液氢加注过程中的静电起电机理，根据液氢加注过程中的实际情况，从技术和管理角度提出了有针对性的静电防护措施。

低温；推进剂；液氢；加注；静电；防护；措施

静电放电是生产和生活中很常见的一种电磁现象，其电压可高达数万伏，瞬时放电电流高达上百安。由于静电放电电压高、瞬时电流大的特点，极易造成局部过热，在易燃易爆材料和火工品的生产、包装、装卸、运输和使用过程中，都很容易产生静电和放电现象，每年因静电放电引起的意外爆炸多起，造成大量财产损失和人员伤亡。20世纪60—70年代，国际上曾多次发生民兵Ⅰ、欧罗尼Ⅱ、侦查兵、大力神ⅢC和德尔安等战略导弹因静电危害导致发射连连失败的事故；静电放电曾使国际通信卫星Ⅱ-F1～Ⅳ-F8及美国的阿尼克、欧洲航天局的航海通信卫星等数十颗卫星发生故障；第1个阿波罗载人宇宙飞船也是由于静电放电导致火灾、爆炸，使3名宇航员丧生。中国近年来在石化企业曾发生30多起较大的静电事故，其中损失达百万元以上的有数起，例如上海某石化公司的2 000 m3甲苯罐，山东齐鲁某公司的胶渣罐、抚顺某石化公司的航煤罐等都是因为静电造成严重火灾事故［1］。据对100起因静电引起的火灾统计，除了由于液化石油气及城市燃料用的天然气所引起的火灾以外，由于氢引起的火灾就有20起，造成重大财产损失和人员伤亡。

常用的火箭低温推进剂主要有液氢（冰点：－259.18℃，沸点：－252.78℃）、液氧（冰点：－218.3℃，沸点：－183.0℃）、液氮（冰点：－209.86℃，沸点：－196℃）等，而液氢的静电防护又尤为重要，因此，本文重点研究液氢在加注过程中的静电防护。液氢是强烈的易燃易爆材料和绝缘材料，属非导电体，当其在管路中高速流动时，会产生高达数千伏特的静电；在管路出口与空气相遇，易产生静电放电；排泄氢的流速超过0.225 kg／s时，也会引起燃烧（可燃极限：4.0%～75.0%）或爆炸等。因此，在液氢加注过程中极易造成强烈的静电起电现象，如果监测和管控措施不当，很容易造成燃烧或爆炸事故，不仅会造成重大财产损失和人员伤亡，而且对中国的国家形象和航天事业造成无法挽回的恶劣影响。所以研究火箭低温推进剂液氢加注过程中的静电防护具有重要的现实意义。

1 静电危害

静电现象在极为广泛的范围内给人类带来各种各样的危害，通过归纳总结主要有以下几方面。

1.1 静电火花引起燃烧、爆炸和火灾

当带电体与不带电体或静电电位很低的物体接近时，就会发生放电现象并产生火花。静电放电的火花能量达到或大于周围可燃物的最小点火能量，而且可燃物在空气中的浓度或含量也已在爆炸极限范围以内时，就能立即引起燃烧或爆炸［2］。如：引起可燃、易燃液体起火或爆炸；引起粉尘起火、爆炸；引起易燃气体起火或爆炸。

1.2 人身伤害

当人体与其他物体之间发生放电时，人便会遭到电击。如：生产工艺过程中产生的静电所引起的电击，当静电电压很高时，造成人身意外伤害；因电击引起人体坠落、摔倒等二次间接事故；电击还可能引起工作人员精神紧张从而妨碍工作。

1.3 影响生产质量

在某些生产过程中，如不消除静电，将会影响生产或降低产品质量，造成元件损坏或电子装置误动作，干扰无线电通信等。比如，在涤纶、腈纶和锦纶等合成纤维的应用过程中，静电问题就十分严重。在印刷行业，由于印刷过程中产生静电，使印刷时纸张不齐、不能分开，影响工作效率和质量。在塑料和橡胶行业，由于制品和辊轴的摩擦及制品的挤压和拉伸，会产生较多静电，如果不能迅速消散会吸附大量灰尘，影响产品质量。

2 液氢加注过程中的静电起电机理分析

2.1 与静电有关的氢物理性能分析

氢不论是液体还是气体均与爆炸物不同，其本身是一种极其稳定的物质，但它与空气或氧气组成混合气体时，有很宽的可燃极限和爆炸极限（可燃极限：空气中为4.0%～75.0%，氧气中为4.5%～94.0%；爆炸极限：空气中为18.3%～59.0%，氧气中为15.0%～90.0%），其最小着火能量（空气中：0.019 mJ，氧气中：0.007 mJ；放电间隙时的静电电容约为160 p F放电时、释放能量为0.02 mJ时的最低电压是500 V）比碳化氢气体（空气中：0.25 mJ）低一个数量级。

卡塞特发现，液氢的导电率为10－17（Ω·cm）－1，而碳化氢燃料的导电率10－12～10－15（Ω·cm）－1。显然液氢可以说是一种难于导电而容易带静电的物质。液氢的介电系数在20℃的温度下为1.228，而碳化氢燃料例如苯，它的介电系数在20℃的温度下为2.28，显然液氢比碳化氢燃料介电系数小。由此可见 ，液氢比碳化氢燃料容易带静电，而且一旦带电就很难自然放电。

2.2 液氢挤压加注原理

液氢加注系统的主要任务是在规定的发射程序中，按一定要求向火箭第三级加注、补加及泄回液氢等。其工作原理是自增压挤压加注，即用汽化器对液氢车贮罐气枕增压，使液氢由贮罐挤压加注至贮箱。流量调节采用液氢车贮罐气枕压力调节和加注管路节流阀开度调节的组合流量调节方式。

由于液氢的密度只有70.77 kg／m3，粘度为1.1×10－6N·s／m2，因此液氢加注并不需要太高的挤压压力，采用挤压加注就可以满足要求。

2.3 液氢加注过程中的静电起电机理分析

尽管液氢在加注条件下静电起电的机理非常复杂，受到如罐体大小、管道尺寸、液体流动形态、液体的导电率和液体内的杂质以及管道壁粗糙过度等内在因素，以及温度、压力等外部环境等多方面因素的影响。但是，通过对液氢加注系统的组成、工作原理和加注流程分析可以得出液氢加注过程中的静电起电机理。

1）液氢在加注过程中会因为与设备、管道、储罐，各种闸门等相互作用而积累大量静电电荷，存在着接触分离起电、沉降起电和气－液起电等多种起电过程，在一定液面条件下，其静电起电电位可高达数万伏，一旦超过安全极限，便会因为静电放电造成火灾和爆炸。

2）在液氢的加注过程中，由于液氢以高速、高压流过输送管道，在管道内流动摩擦，特别是高速流动摩擦容易产生静电。

3）喷射起电和冲击起电等复杂起电过程，很容易出现快速的静电积累，液氢在管道内产生所谓的冲流电流，冲流电流会在管道的一端或者接头部位产生电荷的积累，产生静电；达到一定电位时就可能引起静电火花放电，造成燃料的燃烧或者爆炸，特别是燃料的管道输送给火箭贮箱的过程中，因为冲流起电、喷射起电过程，产生火花放电从而引起爆炸事故。

4）液氢在加注过程中从喷嘴喷出时，由于液体集中高速摩擦而往往使喷出的介质带电。喷出的带电介质储入容器内，如果容器不接地，将使容器带电，从而产生静电。

5）人体是一个特殊的静电系统。人体本身是静电导体，而与人体紧密联系的衣服和鞋、袜常常是由绝缘材料制成的，也就是说，人体和大地之间形成了一个电容器，可以存储静电能量。由于某种原因带上一定量的电荷。无论是对微电子器件，还是易燃易爆等场所，人体都是危险的静电源。当带电的人体系统接近接地导体时，就可能发生静电放电现象。如果人体静电放电的能量超过危险场所的敏感能量，就会发生静电事故。因此，在火箭液氢的加注现场，人体是非常危险的静电源。

3 液氢加注过程中的静电防护措施

防止静电危害的原则是静电产生的抑制、加速静电泄漏及静电中和，当然还有人体带电的防止。

3.1 接地法

接地是消除静电危害简单易行而且十分有效的方法 ，采用接地后能有效防止静电积累，将带电体上的静电荷较迅速地引入大地，从而消除了静电荷在带电体上积聚。

1）设备应可靠接地。火箭低温推进剂液氢加注设备、管道、储罐，各种闸门，通风管道上金属网过滤以及其他能产生静电的设备均应牢固接地。引入液氢加注场所的金属管道，配线的钢管 、电缆的钢铠及金属包皮，均应在场所的进口处接地。防静电接地线，应单独与接地体或接地干线相连，不能相互串联接地。

2）液氢加注金属管道上的接地线，当受到法兰上填料的绝缘而使电路中断时，应在法兰上设置金属连接线，并于接地系统可靠连接。

3）液氢的浮动式贮罐，其罐顶与罐体之间，应用截面不小于25 mm2的软绞线或铜软线跨接，且其浮动式电气装置的电缆，应在引入贮罐处将钢铠 、金属包皮与罐体可靠相连接。容量大于50 m3的液氢贮罐 ，其接地点不应少于2处，且接地点的间距不应该大于30 m。并应在罐体底部周围对称地与接地体连接，接地体应连接成环形的接地网。

4）露天敷设的液氢的金属管道，做防感应雷接地时，管道每隔20～25 m有一处接地 ，每处的接地电阻值，不应大于10Ω。

5）防静电的接地装置与电气设备接地共用接地网时，其接地电阻应符合电气设备接地的规定；防静电采用单独的专用接地网时，每一处接地体的接地电阻值，不应大于100Ω［3］。

3.2 增加湿度法

湿度对于静电泄漏的影响很大；吸湿性越大的绝缘体，受湿度的影响也越大；随着湿度的增加，绝缘体表面上凝结成薄薄的水膜，并溶解空气中二氧化碳气体和绝缘体析出的电解质，使绝缘体表面电阻大为降低 ，从而加速静电的泄漏。干燥环境中的物体容易带电，采用喷雾、洒水等方法使环境相对湿度提高到70%以上，物体表面吸附足够水汽形成极薄的水膜，可防止静电在物体上的积累。一般将空气的相对湿度控制在65% ～75%的范围内是比较合适的。此外 ，当含有大量电子和离子的气体覆盖在绝缘体表面上时，也能加速绝缘静电的泄漏。

3.3 产生抑制法

1）限制输送速度

控制液氢的流动速度可以减少静电的产生。在液氢加注过程中，液氢在管路中流动时产生的流动电荷和电荷密度的饱和值与油品流速的平方成正比。流动速度越快 ，就越容易产生静电。因此控制液氢流速是减少液氢加注过程中静电的有效措施。降低液氢输送中的摩擦速度或物料在管道中的流速等工作参数，排泄氢的流速控制在0.225 kg／s内（注：氢气设计压力为0.1～3.0 MPa，在不锈钢中最大流速可为25 m／s），以抑制静电的产生。

2）选用适当的材料

使用2种相互接触或摩擦的材料，可选用带电序列接近，逸出功大体上相等的材料，以减少静电的产生或把位于带电序列两极的材料组合起来使用，以中和静电。

3）合理的工艺控制

根据GB 12158—2006《防止静电通用导则》7.1.2条规定，当两导体电极间的电位低于1.5 k V时［4］，将不会因静电放电使最小点燃能量大于或等于限值而令氢气引燃。

在液氢储运装置中，设计一并联较大等效电容，降低导体间的电位，使两导体电极间的电位低于1.5 k V，避免引起着火事故。

4）破坏其静电积累的条件

根据不同物质相互摩擦能产生不同极性静电的原理，对液氢在加注过程中贮箱、管道、法兰等能产生静电的机械零件进行适当选择和组合，使摩擦产生的正、负电荷在生产过程中自行中和，破坏其静电积累的条件。

3.4 减少静电产生法

1）防止液氢喷溅，尽可能除去氢气体中悬浮液滴和固体颗粒，除去液氢中非溶性固体杂质等。采用底部加注或将管道延伸至容器底液面下。从而避免液体在容器内喷溅，减少静电的产生。

2）改变加注管出口处的几何形状。这是为了减轻液氢槽车顶部加注时的冲击，从而减少液氢加注时产生静电，这样做对液氢表面的电位有一定的效果。

3）采用浸没式加注方式，将鹤管伸到车底，并安装分流头，使液氢流出时不直接冲击罐车底部，液氢大部分从液面下流出，保持液面平稳上升，避免了液体喷射、飞溅 、冲击，使液面上部液氢少，液氢静电电位低。资料表明，液氢表面静电可降低，从而起到安全的作用。

3.5 防止人体静电法

1）穿导电率高的工作服或不带静电的工作服。每件防静电服的带电电荷量、耐洗涤性能，必须符合国家标准GB 12014－89的规定要求。

2）穿导电率高的工作鞋。国家标准GB 4386－95规定，防静电鞋的鞋底电阻值为5.0×104～1.0×108Ω；但在实际工作中，一般规定导电鞋的鞋底电阻值不大于1.5×105Ω。3）戴防静电的工作帽和手（指）套。这类工作帽、手（指）套可选用相应的防静电布料或导电纤维制造。4）戴静电泄漏电阻为106Ω的防静电腕带，并可靠接地，使人体静电能顺畅泄漏，同时保证人身安全。5）工作椅（凳）也必须防静电。椅（凳）面材料可选用防静电织物或防静电海绵、防静电软塑料片、胶板等，其表面电阻率应介于105～109Ω之间［5］。

6）工作地面应是导电塑料地板、导电混凝土、导电地毯、防静电地垫或在地面上洒水，来作为防静电（导电）地面。因为地面的静电性能在人体静电防护中是最关键因素之一，只有这样，才能收到最佳防静电效果。

7）工作场所要有地线 、接地板和接地网设施。

此外，还可采用添加抗静电剂的方法防止静电，或者使用静电消除器等防静电措施。

3.6 管理方面防静电

就管理而言，在液氢加注过程中，应强调以下几点。

1）强化安全教育，增强岗位操作人员责任意识和安全意识。严格执行 《防止静电危害安全规程》，积极培养岗位操作人员的工作热情，熟记岗位职责，高标准地干好本职工作。

2）加强防静电理论知识培训教育和考试，提高岗位操作人员的静电专业技能。岗位操作人员上岗前必须进行系统的静电危害知识专业培训，凡是考核不合格者，严禁上岗操作，使持证上岗率达到100%。

3）按章操作，确保安全。严禁用普通材料 （物品）代替专用防静电器材，尤其是在相对湿度小于70%的地区或干燥的冬季，日常作业时必须穿防静电服、防静电鞋，在爆炸危险场所作业，严禁防静电服装与带化纤材质的服装混穿。

4）加强机动车辆在液氢加注区域内行驶的管理，控制其他火源，配备足够安全消防器材，以确保液氢加注过程的安全。

5）针对液氢的特性，编制静电事故应急救援预案，成立防静电事故专业队伍，每年组织1～2次模拟实操演练，提高应急处理能力。

4 结 语

静电现象在极为广泛的范围内给人类带来各种各样的危害，造成了严重后果，令人十分烦恼和不安。因此，对静电危害及其防护措施的研究，普遍引起人们的重视，事故皆为小概率事件，只有众多因素同时出现才能发生，控制其中的某一环节都可以防止事故的发生。所以只要人们重视静电，根据电气设备的具体情况，科学认识和正确掌握静电危害的过程和规律，制订科学、严密的加注操作流程，建立先进的静电监测手段和完善的规章制度，切实加强安全管理，采取积极有效的防控措施，就一定能减少静电事故发生的概率，控制静电带来的危害。

［1］ 刘尚合，武占成.静电放电及危害防护［M］.北京：北京邮电大学出版社，2004.

［2］ 常爱华.静电的危害与防止［J］.舰船防化，2008（4）：52-55.

［3］ 吕俊霞，胡雪梅.静电的预防措施和方法［J］.照明工程学报，2010，21（1）：87-90.

［4］ GB 12158—2006，防止静电通用导则［S］.

［5］ GJB 3700－2009A，防止静电工作区技术要求［S］.

V555＋.1

A

1008-1542（2011）07-0210-05

2011-06-20；责任编辑:王海云

装备预先研究项目（51317050206）

林义勇（1964-），男，四川江油人，高级工程师，主要从事航天通信、航天电磁环境、静电测试与防护技术方面的研究。