油品内电荷注入试验研究*

李义鹏，刘全桢，高 鑫

(1.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东 青岛 266100； 2.化学品安全控制国家重点实验室，山东 青岛 266100)

0 引言

管线油品输送过程中，不可避免会有静电的产生[1]，在油品装卸过程中，经常引发静电燃爆事故[2-4]。企业为降低管输油品静电风险，一般采用管道接地、降低油品流速等措施，但是影响油品装卸过程静电起电的因素很多，还包括油品电导率、油品含杂质情况、管道管径、管道材质、油品装卸方式、环境温湿度等[5]。单纯的只控制油品流速，并不能从根本上杜绝油品静电事故的发生[6]。目前，油品静电在线监测技术已经成熟，该技术能实时监测管线中油品的静电电荷密度[7-8]，当电荷密度超过阈值时，可采取切断输油的方式来预防静电事故的发生；但此种方式一定程度上影响了输油的正常操作，如果监测到油品静电超过阈值时能采取措施消除管线中的油品静电，将会进一步确保输油操作的安全性与连续性。

目前，石化企业在用的管线油品静电消除器是无源、自感应式消除器[9]，其原理决定了其只能消除粗管线内油品的静电。由于石化企业用的许多管道、特别是成品油管道，其直径小于100 mm，所以传统的管线油品静电消除器起不到静电消除的作用。为解决以上问题，本文通过理论分析及试验研究，对有源油品静电消除技术进行了探索。

1 管线油品静电消除理论研究

相关标准提出：当不能以控制流速等方法来减少静电积聚时，可以在管道的末端装设液体静电消除器[10]。这里的液体静电消除器指的是无源油品静电消除器。

1.1 无源管线油品静电消除机理

无源管线油品静电消除器利用放电针在油品中感应出与油流极性相反的电荷，进而实现消除静电的目的。其主要结构包括金属法兰、金属外壳、聚合物内衬层、放电针、固定螺栓等[11]。其中，金属法兰用来跟输油管道连接与固定，金属外壳主要起到保护与接地的作用，两者都采用不锈钢材料制成。聚合物内衬层由聚四氟乙烯做成，内衬层的主要作用是减小静电消除器对地电容。根据电容、电量与电压的关系：

Q=CU

(1)

式中：C为对地电容；Q为消除器管道包裹的电荷量；U为消除器内油品的对地电位。

结合式(1)，由于进入内衬层后静电消除器管体内的带电量不变，对地电容C下降，则聚合物内衬层中的电压U上升，如此一来，静电消除器内部形成1个局部高压段，使得油品电压更容易达到放电针的起晕电压，方便进行静电消除。

但其存在如下几个缺陷[12-13]：

1)绝缘套管的厚度较大，其厚度一般不应小于25 mm；

2)主要消除高带电量的油品，消电效率低、消除效果差；

3)对针尖要求高，消电器使用时间越长,针尖磨损越严重，消电效果越差；

4)主要消除较大管径(200 mm以上)中的油品静电。

油库及成品油输送所使用的管道，其直径一般不超过200 mm，传统的静电消除器很难起到静电消除的效果。为解决细管道内油品静电问题，就需要开发有源油品静电消除器。

1.2 有源管线油品静电消除机理

在管道内安装1个电极，如果一段时间内电极上的注入电荷与管线中油品产生的电荷完全相等、极性相反，那么理论上通过有源的方式可以完全消除管线中的油品静电。假设管道中油品的电荷密度为ρ，μC/m3；管道中油品流量为L，m3/s；有源注入的电流为I，A；电荷量为Q，C。则经过一段时间t，s；管道中油品产生的电荷Q1可用下列公式计算：

Q1=ρLt

(2)

相同时间内，注入的电荷Q2可用下列公式计算：

Q2=It

(3)

要完全消除油品静电，那么应该Q1=Q2，则

I=ρL

(4)

即注入电流等于油品的流量与油品电荷密度的乘积，可完全消除管道中的油品静电。管道中油品的流量越大、油品电荷密度越高，需要的注入电流就越大。

对成品油罐车装车而言，假设油品起电最大为30 μC/m3，管道的的最大流量为1 000 L/min，根据公式(4)，经计算当电极的注入电流为500 nA，就可以完全消除管道中的油品静电。对加油站加油而言，假设油品起电最大为30 μC/m3，管道的的最大流量为50 L/min，根据公式(4)，经计算当电极的注入电流为25 nA，就可以完全消除管道中的油品静电。

从以上分析可以看出，理论上有源静电消除技术可以完全消除细管径管道中的油品静电，但其使用过程中需要解决以下2个问题：

1)注入电流要平稳，避免出现反向充电；

2)有源静电消除器的动作应与油品带电量的监测连锁。

无源静电消除是通过放电针的电晕放电来消除油品静电的，油中的起晕电压较高，一般超过14 kV[14]。电晕放电其电流不但具有一定随机性，且其数量级可以达到mA级[15]，而低流量油品的有源静电消除，其电流的数量级只是μA甚至nA级别，因此，有源静电消除过程中，放电电极不需要电晕放电，应研究低电压时放电电极的电流注入特性。

2 油品内电流注入试验

检测电极上的注入电流，最直观简单的方法是使用电流表，但根据上文的分析，注入电流的数值很小，使用电流表测量不但要考虑信号干扰，还需考虑检测后的电流进入油品前是否存在泄漏。为解决以上问题，选择使用法拉第筒开展试验研究，法拉第筒内盛有试验油品，电荷量直接反映油品内的电荷注入情况，而电荷量除以时间就是注入电流。

2.1 试验系统的组成

建立如图1所示的试验装置，主要包括：Teslaman TD2202型50 kV直流高压源， ME284数字电荷量表，Tektronix TPS 2024B型示波器，试验电极、试验油品等。试验过程如下：在法拉第筒中装入试验油品，将电极深入油品内，给电极施加电压，用数字电荷量表测量电荷量的变化情况。数字电荷量表将检测结果转化成0～2 V的电压信号，输出给示波器，根据电荷量表的量程，通过示波器图形可以计算出实际检测的电荷量值。

为确保安全，采用燃爆性差、电导率低的白油开展试验，其电导率为1 pS/m。

图1 试验原理示意Fig.1 Test schematic diagram

首先使用与无源静电消除器放电针类似的针状电极，其针尖的曲率半径为0.2 mm，当施加电压为-7 kV时，出现如图2所示的波形。

图2 针状电极电荷量变化曲线Fig.2 Charge variation curve of needle electrode

从电荷量的变化来看，注入电流是非线性的，不满足有源静电消除注入电流应平稳的要求。所以实际试验选择了直径为4 mm、无尖端且表面光滑的柱状电极来开展，并将电压控制在8 kV以下。

2.2 法拉第筒中有油及无油的试验对比研究

对法拉第筒中有油及无油2种情况下电荷量变化情况进行对比。试验结果见图3，其中，图3(a)是法拉第筒中无油时的波形，施加电压为4 kV；图3(b)是在法拉第筒中放入白油，深度80 mm，电极深入油面40 mm，施加电压4 kV。

图3 有油及无油的电荷量变化曲线Fig.3 Charge variation curve with oil or without oil

空筒无油时，电荷量不变，此时电荷量的数值主要由感应电压引起；法拉第筒中有白油时，电荷量随时间持续均匀增大，说明电极将电荷注入到油品中，其电荷的极性与电极极性相同。根据这一特性，认为可以用此方式向油品中注入电荷，以消除油品中原有的电荷。而电荷量随时间是近似均匀增大，也就是电极上产生了恒定电流。

2.3 电压对注入电流的影响试验研究

电极在油内的深度为20 mm不变，在电极上，使用电压源分别施加正负1，2，3，4，5，6，7和8 kV的电压，根据电荷量的变化情况，计算注入电流的大小。试验结果表明，在施加以上电压后，电荷量皆均匀变化，表明注入电流都是恒定的。正负8 kV的试验波形见图4，其中图4(a)施加电压为8 kV，图4(b)施加电压为-8 kV。

根据示波器波形，计算出的电流数据，将负极性的数据反极性处理后与正极性的数据绘制在一张图里，见图5。

图5 电压对注入电流的影响Fig.5 The effect of voltage on injection current

图5显示，注入电流随电压的增大而增大，注入电流与电压是近似成线性关系，而最大的注入电流达到了1.12 nA。

2.4 电极深度对注入电流的影响试验研究

在法拉第筒内放入深度为80 mm的白油，改变电极在油中的深度，以改变电极在油中的面积，每个位置施加正负4 kV电压各一次，测量电荷量随时间的变化情况。试验发现当电极深度大于40 mm时，电极距离筒底的距离比筒壁近，注入电流不随时间均匀增大，为方便进行试验对比，我们对电极深度小于等于40 mm 的数据进行了记录。根据示波器波形，计算出的电流数据，将负极性的数据反极性处理后与正极性的数据绘制在一张图里，见图6。

图6 电极深度对注入电流的影响Fig.6 The effect of electrode depth on injection current

从图6中可以看出，注入电流随电极的深度增大而增大，注入电流与电极的深度近似成线性关系，即注入电流与电极的面积是近似线性关系。

2.5 油品有源静电消除可行性分析

试验中检测到的最大注入电流为1.12 nA，根据试验结果，增加施加电压或增加电极表面积可以增大注入电流，并最终可能实现静电消除的目的。

3 结论

1)在油品内电极上施加电压，可以将电荷注入到油品中，其电荷的极性与电极极性相同。

2)有源静电消除应选择曲率半径大的电极，并建议进行光滑处理，避免尖端的出现。

3)注入电流随施加电压的增大而增大，并近似成线性关系。注入电流随电极表面积的增大而增大，并近似成线性关系。

4)试验测试到的最大注入电流为1.12 nA，根据注入电流与施加电压及电极表面积的关系，注入电流可以更大。

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