管输成品油静电分布规律研究

彭 杨，赵晓刚

(中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系， 重庆 401311)

管输成品油静电分布规律研究

彭 杨，赵晓刚

(中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系， 重庆 401311)

简述了管输成品油静电带电问题的重要性和历史研究概况，从理论、实验与仿真3个方面详细介绍了油流静电领域的研究方法与研究成果。在分析了现有研究存在问题的基础上展望了管输成品油带电领域今后的研究方向和趋势。

成品油；油流静电；管道输送

1 概述

石油是国民经济的命脉，而在石油产品储运过程中，管道是重要的输送方式。管输成品油产生的静电是影响石油产品储运安全的关键因素之一。静电作为一种不可见的威胁时刻存在于人们身边，每年因管输油流静电而导致的安全事故时有发生。2007年，位于美国堪萨斯州的一处化工油库发生爆炸及火灾事故，造成严重的经济损失，事后证明此事是由于石油流经管线和泵时产生静电，由静电火花引发油气爆炸造成的。2011年，我军某油库在进行航煤收油作业时突然发生爆炸，致使多人死伤、建筑物受损。经调查，事故原因为静电接地装置断裂，静电荷大量积聚而导致的火花放电。此外，近年来在变压器中油流静电放电导致的绝缘击穿效应也对整个电力行业造成了不小的损失和困扰。种种因素使得人们开始关注静电领域中的流体带电问题。在石油行业，据我国和日本方面的统计，超过10%的油库火灾爆炸事故属于静电事故。而人们对管输油流静电的防护依然停留在经验性地接地和设置安全流速等方面，对管输成品油静电分布规律的了解却不够深入，从而无法为制定科学的静电防控措施提供重要的理论和实验支撑。如何更好地解决成品油输送过程中的静电安全问题逐渐成为人们关注的焦点。加之近年来随着“一带一路”和改革强军国家战略的实施与推进，我国民用和军用航空事业飞速发展，给机场快速大流量加油提出了新的、更高的要求，油料加注过程中的静电安全问题已成为国民经济和国防安全的严峻考验，这对开展输油防静电关键技术中的静电分布规律研究具有重要意义。

2 研究现状

对管输成品油静电分布规律的研究，其基础理论是油流带电，属于静电学的一个分支。油流静电的安全性问题由来已久，早在1913年Dolezalek在研究苯和醚在金属管道中的流动特性时，就己发现随着流体的流动有静电荷产生，随后在石油行业也同样观察到油流带电现象。近年来，由于相关领域对油流静电问题的认识越来越深入，国内外对油流静电领域的多手段研究愈加频繁。

2.1 油流静电相关理论现状

国外对于油流静电理论的研究开始较早，对其研究较为活跃的地区集中在美国、日本、法国3个国家。20世纪50年代，美国的一些学者对于油流静电理论进行了一些初步探讨。Cooper[1]对Helmhotz经典冲流起电模型进行了一定的改进研究，得到了适用于高电导率冲流电流的计算公式。Klinkenberg 和 van de Minne (1958)出版了一部关于油流静电理论的书籍，书中提出的静电带电趋势(ECT)等，为后人提供了重要的参考价值。此后，Koszman等[1]提出了一个低电导率流体流动带电的理论计算公式。1978年，日本的Takagi在国际大电网会议上提出了变压器中的油流静电问题，人们的关注热点逐渐分散至电力行业变压器方面的研究。Tanaka等[2]对变压器纸板圆形管道中的油流静电问题进行了研究，推导出了层流和紊流状态下的计算公式，通过实验对理论模型进行了验证，并重点研究了管壁粗糙度、外加电场的影响。时至今日，对油流静电相关理论的探讨仍未停止。2007年Kosei Tsuji等[3-4]提出了一种基于切应力的新型油流静电产生模型。2013年，波兰的Zmarly综合考虑扩散、对流和传导的机理，建立了等温的牛顿不可压缩流体湍流通过圆管的油流静电计算模型，可应用于不同的黏度、电导率的液体。

在油流静电问题被广泛研究的同时，也形成了一些富有成效的模型理论：或基于不同的作用机理，或针对不同的计算条件。最有代表性的是3种模型[1-2,5]。

1) Gavis & Koszman模型

Gavis & Koszman推导的适合湍流条件下的低电导率流体冲流电流计算公式：

式中:r为管道半径；Um为平均流速；λ为德拜长度；Z为油中离子化合价；F为法拉第常数；δd为扩散层厚度；n+为油中正离子迁移数；C-o为油中内部离子体积摩尔浓度；C-s为界面处离子体积摩尔浓度；τ为弛豫时间。

2) Touchard 计算模型

Touchard 基于固液界面处的物化腐蚀机理提出流体起电的计算模型。通过一定的假设，得出了界面电流密度公式。

j=K(qwd-qw)

式中：K为有效反应速率常数；qwd为壁面偶电层充分发展下的电荷密度；qw为壁面电荷密度。

3) Tanaka 计算模型

Takana 在充分考虑外加电场对油流起电的影响后，得到了有外电场及无外电场条件下的结论。基于该结论，无外电场条件下的油流静电分布规律为

式中：qw为壁面电荷密度；λ为德拜长度；r′为到管壁的垂直距离；x为距管道入口处的距离。同时，Takana认为固液界面的电荷分离后以冲流电流的形式进入流体，该电流的值只与流体中离子浓度、流态和流体速度有关。

国内对于油流静电理论方面的研究也取得了一些建设性的成果。主要基于Gavis & Koszman模型理论，采用诸如分离变量法、有限差分法或有限元法等不同的解析方法求解出包含可量化参数的简化结果。清华大学的涂愈明[6]对超高压变压器复杂油道结构中的油流带电现象进行了深入研究，综合考虑油流的流动作用和外加电场的电动作用，推导出了紊流状态下的电荷密度方程的两种约束条件，并提出用混合格式的有限差分算法及迎风有限元算法求解变压器油流静电带电问题的电荷密度方程，设计了具有扁矩形截面、可改变串并联结构的3层油道实验模型，得出了关于油流流速、流态、油温和外加交流电场等因素对油流带电的影响。中国人民解放军后勤工程学院的王菊芬[7]对油流静电数学模型进行了较多的研究，提出以Gavis & Koszman静电产生机理为基础确定固液界面处边界条件的方法，分别推导出油品在层流和紊流条件下的冲流电流计算模型；通过对湍流扩散系数及轴向流速的简化，同时考虑油品流速、电导率和温度等对电荷量的影响，借助修正量来弥补难以量化的因素对结果的影响，归纳出了冲流电流的数学计算公式；采用基于算子分裂的数值计算方法，将紊流条件下电荷输运方程分解成对流方程、反应方程及扩散方程3项，并通过数值差分法和特征线法进行了求解。中国石油大学的陈银吨[8]建立了石油储罐静电分布的计算模型，运用有限差分法和超松弛迭代法求得解析解，从静电电位分布、储罐参数以及油品参数3个方面对储油罐的静电电位分布进行了定量分析。

2.2 油流静电实验研究现状

管输成品油静电实验是验证理论模型，提供实践依据的重要途径。油流静电的实验研究方法，从工程实践上可分为现场测量法和模型类比法等。现场测量法是指通过工程实际中的管流带电现象的测量得出验证理论模型的实验数据的方法。由于安全性问题现场测量法逐渐被模型类比法所取代。而模型类比法从实验系统上又可分为旋转圆盘法、旋转圆筒法、导电探头测试法、小型静电荷测试仪方法和管流研究法等。

国外对油流静电的实验研究开展较早，Perisse F等[9]通过自行研发的实验装置模拟研究汽油输送中电荷的产生过程，探讨电荷量与汽油的水分、温度、雷诺数之间的关系，通过实验确定静电冲流电流的大小与各因素之间的相关性。Washabaugh[10]通过圆柱形的电极旋转测试装置对流体带电进行了一定程度的定性与定量分析。该装置由绝缘材料内筒和金属外筒以及中间冲注的绝缘油构成，内筒可调节旋转速度，外筒可控制油的温湿度，该方法具有一定的创新性。2005年，Kitabayashi等[3]通过测量同一种绝缘油流过不同种类的金属和绝缘体表面时的油流静电带电趋势，发现油流静电与固体材料的逸出功有关，并认为可以应用聚合物接触带电模型来解释绝缘油-固体材料的油流静电产生机理。2009年，法国的EL-Adawy等[11]以实验为基础研究了不充分发展的双电层油流带电模型，将实验测定空间电荷密度分为静态电荷和动力空间电荷，同时认为界面电化学腐蚀不仅与化学反应速率有关，还与切应力有关。在波兰科学与高等教育部的支持下，Zmarly与Boczar[12]针对管道中层流与紊流状态下的静电冲流电流做了大量的实验研究，运用可移动的球状探头测出轴向不同位置下的电荷密度以及冲流电流。结果表明：雷诺数越高，冲流电流轴向分布抛物线形越平缓，电荷密度分布越均衡。Zmarzly[13]还通过在容器中流体的旋转圆盘来研究油流带电问题，结果表明：油中产生的静电与变压器油的老化程度、旋转圆盘的尺寸以及雷诺数等有关。2014年，加拿大的Fofana等[14]运用旋转圆盘法研究了变压器油以及绝缘纸板的老化对油流静电产生的影响。实验证明：随着速度温度增加以及圆盘涂层材料的老化、油中杂质的增多，产生的静电越多。2016年，加拿大的Talhi等[15]通过实验测量不同压力下的变压器油流带电趋势发现：随着压力的增加、纸板的多孔度和粗糙度增加，静电电流会增大；同时，通过加入DDPH自由基试剂证明了自由基数量能够影响油流静电电流。

国内目前对管道中流动油品静电参数的测量包括有电荷、电位、带电度、管壁的静电电流以及管道输送中油品的电荷密度等。对电荷的测量开始得最早，常用的方法是法拉第筒法。在采用法拉第筒法测量冲流电流时，与采用微电流计测得的管壁逸散电流值比较，发现法拉第筒法测得的数值稍大，这主要是由于油品注入时的喷溅现象导致的静电荷增多的缘故，由此带来一定的不准确性。针对静电带电趋势(ECT)的测量也由来已久，王加程[16]在分析国内外相关研究后建立了油纸绝缘静电带电性能的“过滤式”油流带电度测量装置。电位也是常测的参量之一，其测量方式可分为接触式和非接触式两种。其中，接触式只能用于金属管道的静电测量，常见有Q/V系列静电电压表、象限式静电计等；非接触式主要基于电荷耦合测量原理，采用静电信号的高压电极作为传感器屏蔽电极，通过电荷量的测量得到被测电位。目前，接触式测量由于精度、安全性等问题已逐步被非接触式测量所取代。由于电位的测量较为复杂、影响因素多，特别当针对管道输送油品的电位测量问题时往往不易实施。新的测试技术趋势是直接测量管道输送油品的电荷密度。这不仅更能反映油品带电的本质，而且干扰因素少。目前，国内在相关领域已取得重要进步，中石化公司青岛安全工程院的李亮亮等[17]设计了一种管输油流静电监测仪，并经过加油枪口前后由该仪器和法拉第筒的对比测量实验，检验了其可靠性。在变压器油流带电的实验研究领域，国内学者也取得了一定的成果。任双赞等[18]通过改变环境温度、湿度测量油流带电量与介质损耗、电阻率以及pH值的关系，运用回归分析方法拟合实验数据，并建立起一套实验室微静电测量系统，测量关键参数(流动速度、温度等)对油流带电产生量的影响。池明赫等[19]通过搭建实验平台，测量不同流速条件下的静电带电数值，通过数学物理方程，建立附加电场条件下油流带电的数学模型。

2.3 油流静电仿真研究现状

油流静电仿真对于理论和实践都具有重要意义，仿真方法是通过建立系统的数学模型，将它转换为能够在计算机上编程实现的模型，然后对此模型进行仿真试验。由于静电测量对实验装置的要求较高，且易受各项外部条件干扰，重复性较低，开展相关的仿真试验工作能够极大地减少人力物力、快速有效检验模型的正确性。油流静电的仿真研究近年来已成为油流静电领域的热点方向之一。

1996年，在法国电力研发中心，O.Moreau[20]等用三维计算流体力学软件estet来模拟在电力变压器中油流带电现象。为了达到这一目的，对estet进行了扩展，引入了电势泊松方程，实现在电场中流体粒子的迁移，在化学平衡离子的解离重组和在N-S方程中的电场力。界面电荷交换定律来源于H.Walmsley的模型，但涉及界面两侧的离子浓度。与实验数据吻合良好的瞬态和稳态模拟表明：一些实验参数导致的巨大的电势梯度可能是在电力变压器中观察到危险放电的原因。2003年，日本的K.Nishi等[21]通过简化假设对油流静电问题进行了数值仿真，建立了速度平均分布模型和二次分布计算模型，经过与实验结果的对比认为速度二次分布模型更能反映实际情况。2007年，Kosei Tsuji、Hirotaka Motu[4,22]等提出了一种基于切应力的新型油流静电产生模型，并运用直流场分析的方法基于流网络算法对变压器油流静电进行了计算机仿真，并在不同管道参数下进行了实验验证。2010年，法国的EL-Adamy等[23]通过有限体积法CFD工具Code_Staturne的改进版本对双电层的发展过程进行了模拟，研究了速度、油品添加剂、杂质等对变压器油流静电产生的影响，节约了大量的时间和资源。

我国对油流静电的仿真研究开始较晚。2010年，闫泽陆[24]针对变压器内部油流静电建立了油道模型，对4类酯类油的静电可靠性进行了分析，通过计算仿真得到了油道内部油纸界面处空间电荷密度的分布情况及冲流电流的数值。2013年，金福宝等[25]通过实验研究了变压器内部并联油道中外加场强、油品流动速度以及油品温度各因素对冲流电流数值的影响，以期得出冲流电流的分布规律，为了进一步得到油道内场强分布情况，根据实验对模型进行了有限元仿真分析，重点计算了有外加交流电场和表面静电荷作用下的电场强度。2015年，董巨辉[26]建立了管内液氢流体静电电荷密度的计算模型，提出二阶迎风格式和中心差分格式的方法求解方程，使用Matlab工具得到了速度、温度等参数对管内电荷分布影响的仿真结果，并建立旋转圆盘实验台架测量起电速率，对模型进行了一定验证。

3 管输成品油静电分布规律领域存在的问题与研究方向

3.1 管输成品油静电分布规律研究存在的主要问题

目前，对管输成品油静电分布规律方面的研究还有很大的空间，这对于指导管道静电防护、机场大流量加油等实际问题具有重要意义。结合已阅读的相关文献，在进行深入探讨前，必须明确目前油流静电研究存在的主要问题，有的放矢。

3.1.1 管输油流静电模型理论的主要问题

国内外有关管输成品油静电的理论模型虽然通过不断的改进已大大提高了准确性，但仍有较多不足。其一，管输油流的理论模型不一而足，对油流带电的机理尚未形成统一的认识，至今没有一套令人信服的完整理论；其二，这些模型是由前人总结的经验公式经过一定简化设置推出，还包含未经过实验测量直接得到的参数，需要经过复杂运算或实验拟合，实用性不强；其三，已有理论模型缺乏对一些重要参数的纳入，比如环境因素、管材的特性参数等，而这些因素对冲流电流的大小有着重要的影响；其四，这些模型往往基于不同的机理；适用于不同的条件，对于管输成品油静电分布规律这一特殊课题不具有针对性。

3.1.2 管输油流静电实验研究的主要问题

国内外对于油流静电进行了较多的实验研究，但研究仍具有一定的局限性。其一，实验成果大都集中于电力行业，虽然结论对管输油流静电的起因具有一定的指导意义，但是由于外加电场、流动介质等条件的不同并不完全符合管输成品油行业的实际工况；其二，采用的实验方法和测量装置各异，没有经过科学的论证，且由于实验条件的限制对导致静电产生因素分析不全，其精度和准确性有待进一步发掘；其三，静电产生、积聚和逸散机理的实验研究大部分集中在小流量下，关于大流量条件下静电积聚起爆模式机理、静电荷放电间隙量化研究、冲流电流缓和长度方面的研究还很缺乏。

3.1.3 管输油流静电仿真研究的主要问题

国内外对于管输油流静电仿真方面的研究尚不成熟，存在许多可为的空间。其一，现已开展的仿真研究依据不同的油流带电模型理论，运用的分析软件也各不相同，不具有通用性；其二,目前国内大多采用的数值仿真方法对公式准确性的依赖程度较高，但理论公式往往作了较多简化，只能直观地给出仿真结果而不具有代表性；其三，目前国外的仿真成果大多集中在变压器方面，主要是对冷却复杂油道内部的结构进行仿真分析，不符合管输成品油简单油道的实际情况。

3.2 管输成品油静电分布规律的研究方向

目前油流静电研究领域存在的问题与局限也是继续研究该问题的动力和方向。通过分析，管输成品油油流带电领域的研究存在理论不够扎实、仿真研究手段尚有些缺乏和湍流大流量条件下的实验数据不够完善等问题。在进行管输油流静电分布规律研究中提出以下方向：利用管输油流静电产生微观机理拟合的基本公式，结合边界条件推导并建立管输油流的静电数学计算模型，并讨论其管输瞬变大流量梯度时的适应性；运用计算机数值仿真等方法模拟静电电流在管道中的分布状况并对其进行建模分析研究，寻找管道在输送成品油的过程中静电电荷的积聚、逸散分布规律；通过建立管输油流静电实验台架，测量不同流量等条件下静电的积聚和逸散的相关数值，研究和验证静电积聚和逸散的相关机理，通过对比试验研究油品物理性质与静电产生量之间的关联程度，得出湍流条件下管输成品油防静电的操作条件。总之，管输成品油静电领域的研究对理论和实践都具有重要意义，应结合多手段的研究方式深入研究其基本分布规律。

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(责任编辑 陈 艳)

Studies on Static Electrification Distribution Regularities Owing to Oil Product Flow in Pipeline

PENG Yang, ZHAO Xiaogang

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistic Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China)

The importance and historical research of the static electrification problem owing to oil flow in pipeline is reviewed. From three aspects of theory, experiment and simulation, this paper introduces the research methods and achievements in oil flow electrostatic field. Finally, on the basis of analyzing the existing problems, this paper also looks forward to the future research direction and trend in the field of static electrification problem owing to pipeline transportation of oil product.

oil product; streaming electrification; pipeline transportation

2017-02-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51276195)

彭杨(1994—),男,湖北当阳人,硕士研究生,主要从事油流静电安全领域的研究，E-mail：156616144@qq.com； 通讯作者 赵晓刚(1963—),男,四川乐山人,博士,教授,主要从事油气储运及安全系统工程研究。

彭杨，赵晓刚.管输成品油静电分布规律研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(8):163-169.

format：PENG Yang, ZHAO Xiaogang.Studies on Static Electrification Distribution Regularities Owing to Oil Product Flow in Pipeline[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):163-169.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.027

TE88

A

1674-8425(2017)08-0163-07