易燃易爆场所静电事故链路及断链减灾模式*

2019-03-05王良旺陈冬青刘柏清

中国安全生产科学技术 2019年2期

王良旺，梁栋，陈冬青，刘柏清，梁峻

(1.中山大学智能工程学院，广东广州 510006；2.广州特种机电设备检测研究院国家防爆设备质量监督检验中心(广东)，广东广州 510180)

0 引言

石油化工、医药、粮食加工等企业在生产、运输过程中会产生可燃性气体、液体蒸气及粉尘，形成爆炸性环境。液体、粉体输送、罐装等工艺过程中由于液体、粉体与输送管道、罐装容器等相互之间碰撞、摩擦会产生静电荷，静电荷积聚可能发生静电放电，当静电放电发生在爆炸性气体、液体蒸气或粉尘环境中时，就会引起火灾爆炸事故，造成严重的事故后果[1-2]。2018年4月19日，天津市博爱制药有限公司中药提取罐罐底出渣口液体泄漏后高速喷溅产生静电荷，静电荷积聚发生静电放电，引燃了罐周围乙醇蒸气与空气混合形成的爆炸性气体，发生爆炸，事故造成3人死亡，2人重伤[3]。研究易燃易爆场所静电事故链路及断链减灾模式，对于静电事故防控具有重要意义。

静电作为点燃源最早在19世纪90年代德国的汽油洗衣店内被发现[4]。随着巨型游轮、大型油气库等静电事故的增多，静电起电、放电机理以及静电危害防护技术等方面取得较大研究进展。目前已经发现的静电起电方式包括流动起电、沉降起电、喷射起电、剥离起电、冲击起电、溅泼起电等；静电放电方式包括电晕放电、火花放电、刷型放电、传播型刷型放电、堆表面放电等；应用较多的静电危害防护技术有静电中和器、防静电添加剂、防静电材料以及控制流速、接地、加湿等工艺措施[5-7]。为了选取适当的防护措施有效减少各类静电起电以及可能的静电放电，需要对易燃易爆场所静电风险进行评估，Kiss[8]提出将故障树、模糊逻辑、专家系统应用于静电风险的近似计算；范小猛[9]从事故发生可能性、事故可能后果、控制与可监控状态等方面提出了基于改进的MLS石化企业静电事故风险评估方法。这些评估方法均是基于静电荷、易燃/可燃物质等事故因素的现有状态，未考虑静电荷积聚形成静电点燃源、易燃/可燃物质积聚形成爆炸性环境的变化过程以及该过程中不同因素之间的相互影响。事故链模型与断链减灾理论充分考虑事故发生过程中相关影响因素及相互之间因果关系，并可根据这些因素对事故发展态势进行预测，该模型与理论广泛应用于电网、矿山、暴雨、洪涝灾害等事故灾难分析与控制技术研究中[10-11]。Markowski[12]提出在静电事故点燃源与爆炸性环境形成过程的相邻因素之间使用安全屏障来预防事故，但针对静电事故链路与断链减灾模式，还需要更深入的研究。

本文以石油化工、医药、粮食加工等可能产生点燃性气体、蒸气、粉尘的易燃易爆场所为研究对象，构建静电事故链路，并根据断链减灾理论探究外界扰动作用下静电事故断链减灾模式，提出静电事故形成过程中的断链减灾方法，以期为静电事故预防与控制提供指导。

1 静电事故链路

事故的发生必定有其原因，而原因存在于与事故相关的各个环节，事故是一系列原因事件连串发生的后果，因此对事故的描述就是“一连串的事件”[13]。事故链就像是多米诺骨牌一样，在一连串的环节中连续出现故障、缺陷、误操作等，引起整个系统的失效，从而导致事故的发生。易燃易爆场所静电引发火灾爆炸事故也是一连串原因事件连续发生的结果，根据事故链理论绘制的静电事故链路如图1所示。图1中，静电火灾、爆炸事故发生必须同时形成2条链路，即静电点燃源链路与爆炸性环境链路。

图1 静电事故链路Fig.1 Electrostatic accident chain

1.1 静电点燃源链路

石油化工、医药、粮食加工等企业生产工艺过程中液体、气体、粉体的管道输送、液体或粉体罐装、固体之间的碰撞摩擦以及人体与衣物、人体与其他物件间的接触分离等均会产生静电荷。当静电荷产生速率大于静电荷逸散、中和速率时，就会形成静电荷积聚。静电荷积聚超过一定量，并且存在静电放电的条件(如带电体存在尖端，靠近接地的导体等)时，即发生静电放电。静电点燃源链路即为静电荷产生、静电荷积聚、静电放电等一连串事件连续出现的过程。

1.2 爆炸性环境链路

可燃性气体的泄漏与对流、可燃性液体的蒸发与挥发、可燃性粉体的运动与悬浮使环境中产生可燃性物质。在相对密闭空间中，产生的可燃性物质不能及时消除，使得可燃性物质在环境中持续增加，当可燃性物质浓度与氧气浓度比例达到一定限值时即形成爆炸性环境。爆炸性环境链路即为易燃/可燃气体、蒸气、粉尘产生、达到易燃/可燃物质爆炸浓度极限等一连串事件连续出现的过程。

1.3 静电事故链路案例解析

静电放电发生在爆炸性环境中，即静电点燃源链路与爆炸性环境链路在相同的地点、相同的时间形成，且静电放电的有效点燃能量大于爆炸性环境的最小点火能时就可能发生静电引燃事故。依据图1中静电事故链路图，以天津市博爱制药有限公司静电爆炸事故[3]为例，对静电事故链路进行解析，该事故链路图如图2所示。该事故中，提取罐放空管上静电荷积聚最可能发生的静电放电形式为火花放电，放电能量可达4 mJ，显著大于乙醇蒸气的最小点火能(约为0.2 mJ)。因此，静电放电引燃乙醇蒸气，发生爆炸事故。

图2 天津市博爱制药有限公司静电爆炸事故链路Fig.2 Electrostatic explosive accident chain of TianjinBoai Pharmaceutical Co., Ltd.

2 静电事故断链减灾模式

根据静电事故链的形成机理和特点，探究断链减灾模式是静电事故预防的基础，对减少静电事故的发生至关重要。事故链式反应的核心是在外界扰动作用下，构成事故链的各要素在物质、能量、信息等方面的不断演化，在不同的演化阶段表现出不同的特征[14-15]。在石油化工、医药加工等易燃易爆场所，静电荷能量、易燃/可燃气体/蒸气/粉尘等物质在外界扰动作用下不断演化，不同的演化阶段表现出不同的特征形态。根据外界扰动作用下物质、能量的特征形态，即可提出静电事故断链减灾模式。

2.1 外界扰动作用下静电荷特征形态

静电点燃源链路是静电荷产生、积聚、放电的1种静电荷能量在外界扰动作用下的演化过程，根据外界扰动的不同，静电荷表现出的特征形态也不相同，如图3所示。静电荷的状态为E，时间为t，外界扰动使静电荷随时间变化呈现出的形态包括以下4种：

图3 外界扰动作用下静电荷特征形态Fig.3 The characteristic forms of electrostatic charge under external disturbances

2.2 外界扰动作用下易燃/可燃物质特征形态

爆炸性环境链路是易燃/可燃气体、液体蒸气、粉尘产生、积聚的1种物质在外界扰动作用下的演化过程。外界的扰动不同，物质表现出的特征形态也不相同，如图4所示，易燃/可燃物质的状态为I，时间为t，外界扰动使易燃/可燃物质随时间变化呈现出的形态包括：

图4 外界扰动作用下爆炸性环境特征形态Fig.4 The characteristic forms of explosive atmosphere under external disturbances

2.3 断链减灾模式

从以上外界扰动作用下静电荷状态E、易燃/可燃物质状态I的特征形态，结合图1中静电事故链路图，可以得出静电事故断链减灾模式包括3类。

3)事故后果断链减灾模式。当静电点燃源断链减灾模式与爆炸性环境断链减灾模式均未有效作用，使得静电点燃源与爆炸性环境同时形成，且有效静电放电能量大于爆炸性环境最小点火能时，就会发生静电引燃事故，这时就需要采用事故后果断链减灾模式，通过事故后果控制措施来降低事故的破坏性。

3 静电事故断链减灾措施

静电事故断链减灾措施是静电事故链路与断链减灾模式研究的最终目的，也是易燃易爆场所危险物质生产、加工等工艺过程事故预防的关键。依据易燃易爆场所静电事故断链减灾模式，在事故原因事件发生的不同环节需要采取不同的控制措施，如表1所示。

静电点燃源断链减灾模式中通过输油管道、固体材料等材料选择以及物料输送速度、进料方式等工艺过程控制，控制静电荷的产生量是最有效、最根本的静电点燃源预防措施。由于工艺条件、成本等方面的限制，静电荷产生量的完全控制几乎不可能实现，这时就需要采取使用防静电添加剂、静电中和器等措施，使产生的静电荷有效逸散，避免静电荷积聚。当控制静电荷产生与静电荷有效逸散的防护措施不能降低静电荷积聚量时，为了避免产生静电放电，就要控制形成静电放电条件，如避免形成孤立导体、相邻导体跨接等。

爆炸性环境断链减灾模式中通过设备、器件的可靠连接、采用浮顶罐储存挥发性液体等措施限制可燃/易燃气体、粉尘进入外界环境是预防形成爆炸性环境的最有效措施。对于工艺条件无法限制进入环境中的可燃/易燃气体、粉尘，就需要采取惰化、加强通风等措施降低其在环境中浓度，避免形成爆炸性环境。

为了降低静电火灾爆炸事故后果，一方面在厂房建设、设备设计安装时需要考虑安全间距、隔爆、泄爆等措施以降低事故的危害程度；另一方面需要通过及时的疏散、救援、现场处置等降低事故造成的损失。