船舶输油管路中的静电分析

包　磊,　曹志忻

(沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129)

船舶输油管路中的静电分析

包磊,曹志忻

(沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129)

摘要:针对船舶输油管路中的静电会危及整个船舶航行安全的问题，对输油管路中静电产生的原因进行细致地分析。找出油品在不同管路中的流速、管径及管路长度对产生静电的影响。根据相关结论提出了预防和消除静电的措施。

关键词:船舶输油； 静电； 放电； 流速； 管径； 动态平衡

0引言

油品通常是不容易产生电荷的，但是如果油中含有水分或其他含有电荷的杂质，其静电荷的生成就会增加。如果油中的正负电荷数量相同，油就会呈中性。当油与其他物品接触而发生摩擦时，电荷的分布就会被打乱，使得油与物品接触面的电荷重新分布，让接触面形成一层正负电荷按层对应等量的电偶层。由于电偶层的电荷是等量的，没有增加或减少，因此其电荷仍为中性。然而，油具有较强的附着力，会使带电的油中的电偶层附着在物体表面，当油品在管路中流动时，一部分电荷就会随着油的流动而被带走，使得油品的中性被破坏，从而产生静电。由于钢制船体本身具有一定的导电功能，因此少量的静电不会产生危害，但当静电集聚到一定程度又没有及时疏导时，就会在空气中或油中发生电击穿现象并产生电火花，从而引起火灾和爆炸，威胁船舶的安全航行。油品的导电率小，绝缘性能好，因此能够较好地保持静电能，使静电不会在在短时间内被消灭。通过分析输油管路中的静电，得出影响静电的各因素之间的关系，以尽量减少静电的产生。

1输油管路的静电产生

1.1油品的流速

导电率小的油品在管路内流动时,会与管壁摩擦而产生静电，这些静电与油品一起在管路内流动，便形成了电容电流。油品产生的静电与油品和管路的接触面积及流动速度有关，且在不同的温度和湿度下测量值也会不同。根据经验关系式可计算出一定长度的管路条件下液体产生的最大电流。其广泛采用的是Schon方程：

(1)

式(1)中：I为油品流动产生的最大电流;v为油品流动的平均速度;d为管路直径;K1为常数，油品导电率与温度、空气湿度综合函数。

可以看出，油品在管路中流动是产生静电的重要原因，流速越快，静电的集聚就越快，潜在危险也就越大。特别是开始装油时，管路中可能残存着少量水分或其他油品，而汽油等轻质油品中掺有水分或其他油品时更容易产生静电，因此在装油过程中，特别是在装油初期，低速装油是有好处的。

1.2管路长度的影响

油品在管路中输送时间越长，油品与管路之间的碰撞次数就越多，摩擦就越大，其表面上带的静电也就越多，但这也增加了电荷的释放机会，因此最终表现出来的结果为静电带电趋于平衡，即开始运输时静电产生量不断增加，但经过一段时间之后，静电电量逐渐趋于平衡。

1.3管路形状的影响

管路的形状、歪曲的曲率半径、管路内壁的光滑程度都能影响油品输送时的摩擦阻力，从而影响静电的产生和积累。研究发现:弯曲的管路比直的管路更容易产生静电；管路的狭窄部分比宽阔部分更容易产生静电。

2输油管路的油品放电

若静电已大量产生，则需采取措施尽量使其消散、泄漏，从而消除电荷的大量集聚。假设某一定长度的标准输油管路中有流动的油品，该管路为直线，不考虑弯头处的摩擦加剧，管路中的油品电荷均匀分布，则该段管路可看作是1个静态的带电电容，故在输送过程中，电荷也在通过油品的对地电阻和对地电容进行放电，放电时间与电压等级及电阻、电容的时间常数有关。

图1　输油管路等值电路

输油管路等值电路可表示成图1，其中：Rd为管壁的接地电阻；C为油品的对地分布电容；v为油品的平均流动速度；d为管路内径；D为管路外径。在等值电路中，从放电角度讲，可不考虑带电油品的移动速度，此时油品和管路可看作是一个对地放电的电容。

油品对管壁的电阻[5]可表示为

(2)

式(2)中：L为管路；D为管路外径；d为管路内径；K2为绝缘电阻常数。故油品对地电阻为R=Rc+Rd(其中Rd为管壁的对地电阻)。

油品对地电容可按照同心圆柱体电容计算公式计算

(3)

式(3)中：ε0为油品的介电常数。

管路中电量Q可表示为

(4)

式(4)中：v为液体的流动速度。

3油品静电的动态平衡分析与预防措施

油品在输油管路中流动的过程与管壁摩擦是电荷积累的过程，同时又在放电。静电自然流散不会产生危害，但是如果以火花的形式释放，就会具有很大的危险性。因此，避免静电产生或合理地放电都是有效防止静电危害的措施。油品流动的距离越长、与渣壁的接触面积越大，产生的电荷就越多，电压就越高，油品的放电速度也就越快。当摩擦产生的电量与释放的电量一致时，最终会形成动态平衡状态。

假设在船舶中管壁接地良好，接地电阻与油品对管壁电阻相比可忽略，则放电电流(即摩擦电荷产生的电流)为

(5)

将式(2)~式(4)代入式(5)，可得

(6)

式(6)中：K为与导电率、温度和湿度有关的常数。

以上结果均是在理想条件下得出的，若是在足够长度的直线输油管路中，则由摩擦产生的静电电流与输油速度、管路内径、管路长度及导电率等常数有关。因此，由摩擦产生的电荷电量可近似为

Q=It=Kd2L2

(7)

由式(7)可看出，摩擦产生的电荷电量与流速无关，只与油路管径、长度及导电常数有关，但降低流速可增加电荷的释放时间，达到减少流体中残留电荷的目的，进而增加油品至油箱或油柜的安全性。

在船舶设计中，应根据不同油品的引燃能量设计理论管路和流速的极限值；在油品输送过程中，可采取必要的手段减少由静电造成的事故的发生。根据上述推导，可得出以下结论：

(1) 虽然摩擦产生的电荷量与油品流速无关，但在满足输送要求的前提下，仍应尽量降低油品流速，增加电荷通过管壁释放的时间；

(2) 采用抗静电添加剂、改善油品导电率、降低对地电阻及电容等措施均可减少静电荷的产生及加快放消静电速度；

(3) 尽可能地减小油路管径及输油距离，可有效减少摩擦电荷的产生；

(4) 输油管路连续可靠接地，降低管路的对地电阻可有效阻止静电荷的集聚(接地电阻虽然不能影响静电荷的产生，但可以大大增加静电荷的释放速度)。

除此之外，还要在油舱中设置消静电板，在人为操作过程中消除人体静电，以防油品通过输油管路后静电在油舱内积累而产生爆炸危险。

4结语

由于油品在输送过程中是连续运动的，与管壁间的摩擦起电现象也是不间断的，因此输送过程中带来的静电是不可能完全消除的，只能通过运用不同手段尽量减少其静电量来保证安全。石油静电科学涉及到的问题有很多，机理复杂，特别是各种突然干扰参与的机因较多，使得静电往往成为一种缺乏再现性的自然现象和概率现象, 以致防止静电灾害的许多方面尚无定论。

参考文献：

[1]王菊芬，蒲家宁，孟浩龙.输油管道油流带电的计算模型[J] .石油学报， 2006，27(3)：133-137.

[2]宋广成.石油产品储运系统的静电及其消除[J] .油气储运, 1986,5(8):10-17.

[3]唐洪舰.浅谈石油库静电的危害与预防[J] .中国油脂, 2008,33(6):72-73.

[4]胡定,邢维东，陆晓丽.石油化工企业储罐区静电的产生及消除[J] .气象研究与应用， 2012，33(21)：367-368.

[5]The Okonite Company. Engineering Data For Copper and Aluminum Conductor Electrical Cables[M] .Bulletin EHB-98.

中图分类号：U665； X937

文献标志码：A

收稿日期：2015-03-24

作者简介：俞叶萍(1981—)，女，上海人，工程师，主要从事电子技术研究工作。

文章编号：1674-5949(2015)03-043-04

Static Electricity in Ship Oil Piping

BaoLei，CaoZhixin

(Hudong & Zhonghua Shipbuilding(group) Co., Ltd, Shanghai 200129， China)

Abstract:The static electricity in ship oil piping can endanger the safe operation of the whole ship. The causes of the static electricity in ship oil piping are analyzed. The relation between the static electricity and the pipe diameter and oil speed is determined. Measures for preventing and eliminating static electricity are proposed.

Key words:ship oil piping; static electricity; discharge; oil speed; pipe diameter; dynamic equilibrium