一起静电火灾调查和模拟实验还原分析

■ 李洁滨 任超 中山市消防救援支队

一、案例介绍

（一）基本情况

2020年11月13日，中山市小榄镇绩西庆丰一路有一矽立硅胶制品厂天面锌铁棚的生产车间发生一起较大安全生产事故，该起事故起火蔓延面积为243.4 平方米，烧毁烤箱、磨砂机、水帘柜、塑胶等生产器械、生产材料一批，并造成3 名生产工人当场死亡。经过现场勘查、询问当事人、调取现场监控录像、调取相关资料、模拟实验、聘请安全生产事故专家等，认定事故原因为员工在倾倒铁桶装120号溶剂油（俗称白电油）的过程中产生的静电导致白电油着火燃烧并蔓延成灾。

（二）现场勘查情况

据现场初步勘查，该矽立硅胶制品厂设置两条疏散楼梯通往天面，在天面搭建有一个锌铁棚临时建筑，锌铁棚除北面外，其余三面空出距离天面女儿墙3 米作为通道，分为一个小作坊（称磨砂车间）和一个厨房。磨砂车间面积约243.4 平方米，只设置一个安全出口，安全出口朝向东面，北面是厨房。磨砂车间经燃烧变形，顶棚坍塌，磨砂车间全部过火。磨砂车间内东面靠近安全出口处摆放一个滑轨、一台烤箱和硅胶管。磨砂车间中心位置（距离东面内侧4.5 米，距离北面内侧11.65 米）摆放一张工作台，在工作台西侧地面有一个电子秤残骸，在工作台的北侧地面有两个铁桶残骸。在中心位置工作台的南面2.26 米由北向南依次摆放一台支架和一台水帘柜。磨砂车间西面（距离东面内侧7.88 米，距离北面内侧9.9 米）由北向南依次摆放一台小推车、两张工作台、一台磨砂机、一台水帘柜，小推车和两张工作台上摆放铁枝；西南角摆放一台空压机；西面（距离东面内侧10.5 米，距离北面内侧9.7 米）摆放一台烤箱；北面（距离东面内侧2.67 米，距离北面内侧6米）由东向西顺序摆放两个货架和硅胶管、一台小推车（小推车摆放铁枝）和一个铁架，北面（距离东面内侧5.6 米，距离北面内侧1 米）摆放一台卷筒机。

（三）视频分析

1.视频处理过程

文件大小为15.5MB，时长00:01:02，记录时间为北京时间2020-11-13，09:00:03 到09:01:05，帧速率为25.00 帧/ 秒，帧间隔40 毫秒，采用提帧技术对视频进行提帧处理，合计提出1554 帧。

2.视频分析结论

事故发生时工人首先操作胶桶，并将胶桶内液体倾倒于地面容器中，倾倒完毕后移开胶桶。随后工人将身后铁桶拎至操作区域，并向地面容器内倾倒液体，火焰从底部窜出，迅速蔓延至工人腰部。

起火部位为底部，参照传播距离为底部至人体腰身位置，大约为1 米，从底部至人体腰身仅用1 帧时间，传播时间为40 毫秒。

结论：第一次火焰传播速约度为：

二、模拟实验

（一）实验材料：白电油（铁桶装）、硅油（胶桶装）

（二）实验仪器：静电测量仪（SIMCO FMX-003）

（三）实验过程及结论

1.胶桶静电电位测量

实验所用胶桶（取自该起火单位未过火胶桶）直径为10 厘米，胶桶内为硅胶原料，测量胶桶外壁静电电位及旋转1 分钟、3 分钟后电位变化情况。

测量结果表明，胶桶外壁存在静电电位，在旋转过程中底部静电电位下降较快，中部和上部静电电位下降较慢。

表1 实验胶桶三种情形电位数值记录表

2.物料混合后胶桶内静电电位测量

模拟工人操作过程，将硅胶原料与白电油按1:6 混合后注入30cm 直径胶桶内，测量注入物料后胶桶内外静电电位，测量位置分别为高于液面1cm 和3cm。

表2 模拟混合物料后胶桶内静电电位数值记录表

3.胶桶内最大静电电位值

摇晃胶桶内混合物测量胶桶内最大静电电位值。

表3 摇晃胶桶后胶桶桶内最大静电电位数值记录表

4.模拟白电油洒落于带电绝缘体表面

取胶桶盖（直径30cm，厚度约1mm），通过反复摩擦，使胶桶盖表面带电。将白电油从铁桶中倾倒在带电胶桶盖表面，观察静电电位值。

表4 模拟白电油洒落于带电绝缘体表面电位数值记录表

倾倒白电油后电位/kV 0.38 1.86 2.1 5.0

5.模拟铁丝接触带电绝缘体

取胶桶盖（直径30cm，厚度约1mm），通过反复摩擦，使胶桶盖表面带电。将细铁丝接近胶桶盖高电位处，记录电位下降情况。

表5 模拟铁丝接触带电绝缘体电位数值记录表

三、静电能量估算

物质产生静电后能否保留聚集，由物质的电阻率和介电常数决定。电阻率小于108Ω·cm 的物质是静电导体，即使产生静电电荷也可瞬间移除。电阻率为108~1010Ω·cm 的物质带上静电是电量不大，故危险性不大。电阻率为1011~1015Ω·cm 的物质最容易产生并聚集静电电荷。胶桶材质为聚乙烯，电阻率为1.52×1012Ω·cm，属于易带静电材质。

（一）电容计算

模拟实验所用胶桶直径D 为30cm，高度H 为30cm，厚度为1mm。若把胶桶看作一个整体，根据电容计算公式：

式中：ε 是介质的相对介电常数，其中聚乙烯的相对介电常数取值2.0；

S 是表面积，单位m2；

K 是静电力常量，数值为9.0x109N·m2/C2；

d 为间距，单位m，取值0.001m。

对胶桶内部表面积进行计算：

S=0.25D2+DH=0.25×3.14×0.32+3.14×0.3×0.3=0.353m2

C桶= 2.0×0.353/4×9.0×109×3.14×0.001=6.245×10-9F

对胶桶盖表面积进行计算：

S=0.25D2=0.25×3.14×0.32=0.0706m2

参照公式（1）C盖=1.25×10-9F

（二）静电能量计算

若把胶桶看成一个绝缘带电体，根据胶桶内测得的电位值估算，胶桶带电能量。

式中：E 是电容储能，也是火花能，单位J；

C 是电容值，单位F；

U 是电容两端电压值，单位V。

对模拟实验3 中胶桶内带电量进行计算。

表6 模拟实验3 中胶桶内带电量计算数值表

若把胶桶盖看成一个绝缘带电体，根据公式（2）对模拟实验4 中胶桶盖放电前后带电能量进行计算。

表7 模拟实验4 中胶桶盖放电前后带转移电量数值记录表

模拟实验5 中铁丝接触带电绝缘体，计算转移电量。

表8 模拟实验5 中铁丝接触带电绝缘体转移电量数值记录表

（三）实验结论

参考白电油点火能量为0.2mJ，上述模拟实验中胶桶自身带量能量和转移电荷能量，均具备引燃白电油的能力。

四、静电事故原因分析

（一）作业过程分析

通过监控视频及现场勘查可知，事故中工人使用胶桶作为混合容器，并在倾倒白电油（铁桶装）的过程中发生爆燃，火焰从底部窜出。

（二）静电聚集原因分析

作为混合容器的胶桶为塑料材质，电阻率高，在缺少静电泄放通道的条件下，静电易于聚集不散，无论是胶桶内部还是外部均存在较高的静电电位值。

（三）可燃物分析

事故中白电油为易燃液体，易于挥发，当白电油倾倒于胶桶中可在胶桶底部形成蒸汽云，达到引燃条件。

（四）放电过程分析

当白电油流经高电位胶桶表面时，电荷从胶桶表面向白电油转移。由于盛装白电油的铁桶直接碰触胶桶，电荷也存在向铁桶转移。模拟实验中胶桶自身带量能量和转移电荷能量，均具备引燃白电油的能力。结论：事故原因为白电油蒸汽遇静电火花发生爆燃。

五、结语

在这起火灾调查过程中，对火灾现场走访、勘查以及视频分析，我们也许可以得出明显的结果，就是工人在操作白电油的过程中引起火灾。但在长期生产过程中，为何又未曾发生此类事件，其发生的机理是我们进一步研究的方向。通过进一步的模拟还原实验，科学研究起发生火灾的机理，进一步解释了静电引起火灾的奥秘，为下一步防范静电火灾指明方向。