化工企业静电风险及防范措施

曾月香(阿科玛(中国)投资有限公司上海分公司，上海 200072)

0 引言

化工企业里经常要使用、储存和输送易燃易爆气体、可燃液体及固体粉末，而在化工操作过程中如果没有采取恰当且充分的静电预防和减缓措施，很容易有静电产生、积聚和释放。在过往的化工事故中，由静电引起的火灾爆炸事故时有发生，小则是对生产的中断或产品质量导致的业务的中断，大则可能是设备设施的损坏等直接财产损失，甚至可能危及事故现场工厂员工的生命安全。如果形成多米诺效应，则会影响到工厂周围的装置或社区财产和人员的安全。

1 静电风险分析

静电风险是化工安全生产中风险管理的重要组成部分，产生和积聚的静电释放后可能引起火灾爆炸等重大安全事故，严重影响安全生产，导致设备设施损坏等经济损失，也可能危及工厂人员安全甚至工厂周围社区的人员健康。虽然人们能够认识到静电是火灾和爆炸的源头之一，但静电引发的事故还时有发生。为此，总结静电的特征和引燃的规律，对静电风险的规避和危害的防控就具有重要现实意义。

1.1 静电的特征

静电是一种常见的自然现象，存在于诸多环境之中，在石油化工等易燃易爆场所中，静电具有一些较为典型的特征：

(1)广泛性。静电普遍存在于石油化工的各个场所之中，分布广泛且常见，如石油管道中石油流动时，液体会和管道界面发生静电荷的交换，进而产生静电。基于此，在开展石油化工生产时很难完全消除静电现象，但可以根据静电产生的原因和特征降低静电的出现频率，提升静电荷的消散速度，预防静电风险。

(2)隐蔽性。静电是一种无法直接触碰观察到的现象，只有在黑暗的环境中能看到静电产生的火花。同时，由于人体能感受到的电压有限，只有电压在2～3 kV时静电电压才能被人们所感知到，普通较低静电电压既看不见也摸不着，隐蔽性较强。

(3)随机性。静电出现的时间段和位置有较大的随机性，在石油化工相关产品、设备的加工制造到使用、运输任一环节都可能会产生静电，引发静电危害。另外，静电放电的条件和后果受到周围环境中易燃易爆物质的多少、设备情况及操作人员操作规范等因素的影响，产生的静电放电后果也会有不同，具有明显的随机性。

(4)潜在性。一些石油化工材料、设备及线路等构件受到静电危害后，可能表面上这些材料和构件没有出现问题，性能也暂时没有衰退，但实际上多次静电放电已经对这些材料和构件产生不可逆转的伤害，若操作人员在日常巡检和管理中没有及时检查处理，将埋下巨大的安全隐患。同时，潜在性也是指静电荷的积累，在材料和设备的使用过程中，静电危害在逐渐积累，一旦工况和周围环境等出现变化就会引发潜在的静电危害。

(5)危害性。石油化工企业的工作环境较为复杂，具备引发爆炸、火灾等事故的气体环境，较大的静电放电会引爆气体，导致重大安全事故。另外，巨大的静电放电还会造成静电点击的出现，威胁作业人员生命安全，导致电击及高空坠落等事故。

(6)复杂性。若因为静电放电而引发爆炸火灾事故，事故溯源将会存在一定的难度，无法在复杂的爆炸火灾环境中确定引发事故的具体原因。

1.2 静电引发火灾爆炸事故的条件

由静电放电而引发火灾爆炸事故需要满足4个条件：

(1)明确的静电来源。若要产生静电现象，必须有产生静电的来源，如摩擦静电、感应静电、沉降静电等。(2)达到一定的静电累积量才能发生静电放电。静电产生后可以通过接地等方式转移消散静电，静电荷就无法积聚或积聚量较少，也就不会进一步产生静电放电。反之，若因为静电来源稳定，产生了静电也不能及时通过接地系统转移静电荷，静电荷就会逐渐积累，产生放电现象，埋下引发火灾爆炸事故的隐患。(3)周围有火灾爆炸的环境。如果只是在普通环境中产生静电放电火花，不会引发安全事故，但如果在爆炸性环境中静电荷积聚到一定量，并且产生了放电火花，火花会迅速点燃爆炸环境中的气体和粉尘，引起火灾爆炸事故。(4)静电放电的能量超过爆炸性混合物的最小点燃能量。在自然环境和非自然环境中，任何一个物体都有最小点燃点，若静电放电火花是引燃点，那么静电放电的能量必须超过爆炸混合物的最小点燃能量时才会引发火灾爆炸事故。而爆炸混合物的最小点燃能量会受到不同爆炸物质类型、体积、形状及周围环境的影响。

2 静电产生、积聚和释放机理

静电产生的现象是电荷在物质内部或者表面移动的结果。静电产生类型分别有摩擦起电、感应带电及接触带电。摩擦起电是物体之间摩擦会引起电荷的转移；感应带电是当物体靠近带电物体，物体就会带电；接触带电是两种不同材质的物体相互接触后分离，物体就会带电。

电荷由于不同物质之间的摩擦(接触/分离)被分离。电荷的产生发生在表面之间，一面因为失去电子而带正电荷，另一面因为得到电子而带负电荷。这种现象产生的电量大小取决于物质的特性(包括电导率、电阻率)和移动的机械特性(分离的速度、放电的表面积等)等因素。这种接触/分离的原理经常会以不同的形式发生，很难去监测，例如液体或粉末的处置、人员或移动部件的移动、用抹布来清理表面、用刷子打扫等。

当导体部分放置在电场内的时候可能会被带电。通过处在初始电场中的带电体的影响，导体表面的电荷将被转移而分开。当将导电体移出电场后，导电体的电荷将回到中性而消失。假如一个接地的导体在电场的影响下，当导电体离开电场后也会因为接地的中断而被带电。

电荷的产生和分离本身不会导致危险的状况，风险主要存在于这些电荷积聚和释放的过程中。这种积聚将决定静电产生(充电电流)和释放(放电电流)。事实上，电荷会发生在与大地绝缘的导体部件上或者绝缘物质和产品(塑料等)以及带点液滴的蒸汽或者薄雾上。另外，天气条件(空气湿度)也将影响电荷的积聚。寒冷干燥的天气特别有利于静电现象的发生。

当静电积聚到一定程度时，在一定条件下静电会释放并释放出大小不同的能量。在易燃环境下(空气和有机蒸汽或者空气和粉尘)，静电的释放如果超过了最低点火能就会点燃易燃混合物。

静电的释放类型又分火花放电、传播刷型放电、刷型放电和电晕放电[1]。

(1)火花放电，是指放电发生在一个孤立的带电体和另一个接地的导电体之间，只要潜在的能量达到一个足够高的值并且两者之间的距离合适就会发生。能量可能达到几焦耳到几千焦耳，而高于点燃易燃气体、蒸汽和大多数粉尘的能量。(2)传播刷型放电，是指当电荷以相反双层电荷分散在一个低厚度绝缘板的平面上时，放电出现。绝缘板可以是一个独立镀层的导体或者涂料绝缘的金属板。在这种几焦耳放电的情况下，可以点燃气体、蒸汽和大多数粉尘团。(3)刷型放电和电晕放电，是指电荷分布在一个不导电的平面上并且不能被消除，当表面接近一个接地的电极，刷型放电或者电晕放电发生。刷型放电或电晕放电的能量能够积聚到几个毫焦耳，足够点燃气体、蒸汽，但不足以点燃粉尘团。

3 化工生产中静电危害的识别

在使用易燃液体时，静电危害是一个火灾和爆炸风险必须考虑的因素，当使用的原料、产品、中间品、废料等中间含有易燃的物质和产品(气体、液体或固体粉末)时，静电的风险应该被考虑。应根据静电产生、积聚和释放的机理识别化工生产过程中的静电危害。

在不同物质之间相接触/分离后产生静电，非常有必要在这些地方做一些防止静电产生的措施。在两种物质接触的表面容易发生电子的转移，例如人和车辆的运动；液体的流动和搅拌；固体粉末的处置；设备的移动部件；擦拭或摩擦的表面。

雾状物的喷溅和积聚是指通过喷溅使液体发生分离，形成的薄雾能导致液滴和液体表面电荷的分离。可能的途径具体如下：包装软管没有浸入到液体中；包装速度过快；高压清洗作业(喷射)。

电荷的传导，接触或者接地连接的分离，或者从带更强电荷的物体产生的电场里分离都会让电荷传导到绝缘体上。例如，设备会产生很强的电荷(转动部件、传送带等)。

4 静电的安全措施

静电安全措施分预防措施、控制减缓措施和人员静电管理。

4.1 预防措施

预防措施主要是从消除燃烧爆炸环境和尽量减少静电产生的角度考虑，本文重点介绍惰化和限制管道流速这两种化工企业最常用的措施。(1)惰化经常被作为防止火灾和爆炸发生的主要措施，易燃环境中增加惰性气体，氧气的浓度就会被降低，爆炸范围将会缩小，低于某个氧含量的值后(每种气体对应的值不同)，消除了燃烧爆炸环境，有静电产生也没有火灾和爆炸发生。惰化一般使用氮气，但也可以使用一种地氧含量的混合气体(如工业上贫氧氮)，但氮气会带来窒息的新风险，所以氩气、CO2作为惰化介质在工业上也会用到。根据每种可燃物的燃烧性所需最低氧含量来决定惰化程度，通常来说惰化到5%(体积百分比)能够确保大多数条件下的安全环境。但也有例外，如氢气最低氧浓度是4%，所以它的惰化程度要求到1%～2%，甚至更低。还有一些特例，并非惰化程度越低越好，如一些单体物质(如丙烯酸)，为维持其稳定剂的作用，必须维持一定的氧浓度，所以其环境氧含量控制在5%左右。惰化需要检查其操作执行的正确性、有效性，如环境的测量、流量的控制、压力等，并连锁对应的安全设备，才能验证其惰化的有效性。(2)限制物料流速。低导电率的可燃/易燃液体在管道内通过接触/分离而产生电荷。电荷的产生受很多因素的影响，包括管道线速度。上游设备会产生大量的电荷，金属管线能够帮助消散管道中流体的电荷。管道中的流速取决于下游管道的状况。在静电可能发生积聚(如使用绝缘材料设备或管道)的情况下，电导率低于50 pS/m(皮西门子/米)的易燃液体，在注入口未浸没前，初始管道流速应控制在1 m/s以内[2]。导体或者高的半导体没有限制，除非喷射和薄雾形成的线速度不超过7 m/s。其他可以依据国家相关标准规范来执行。

4.2 工艺控制减缓措施

工艺控制减缓措施主要是消除静电，从工艺过程设计(如原材料投料顺序，先加导电性好的原材料)、添加导电试剂(如在不影响工艺和产品质量下添加增加导电性试剂)、设备结构和材质选择(如使用导电性好的材料，限制或禁止使用绝缘材料)等角度来减少静电的积聚，及时安全地释放静电。本文重点介绍静电跨接和接地这两种化工企业常用的强制措施。

静电跨接和接地就是将静电导向大地，是及时释放静电简单而有效的措施。静电跨接和接地具体是指在一个易燃的环境中阻止物质和设备上静电的积聚可以通过下列方法：

(1)通过与一个接地的设备等电位连接。(2)尽可能使用导电的原料(包装、容器、软管、管道等)。优先使用导电的材料，等电位连接和导电设备的接地是预防与静电有关风险的措施。(3)建筑物和大型设备的接地经常作为防止静电影响的安全措施，例如防雷或防静电措施。

4.3 人员静电管理

人员静电管理主要从静电风险告知和操作制度培训、人体自身静电防护管理两个角度来考虑。化工企业从安全管理制度角度对员工进行有关静电机理和风险的知识掌握、与静电相关操作制度执行等培训。静电风险的防范基于员工的主要行为：(1)设备和包装/容器的接地；(2)防静电工作服的穿戴；(3)包括抗静电剂使用在内的特殊的操作；(4)持续的用电验证。员工应该被培训并正确地执行这些操作，以确保员工有足够的静电风险意识并掌握这些必要措施的应用。人体自身静电管理是基于人体静电的消除。具体措施如下：(1)在可能的燃烧爆炸环境入口应安装金属接地棒。确保人员在进入危险区域前用手触摸接地棒以消除人体所带的静电。(2)人员衣装要求。应按要求穿戴防静电工作服、鞋袜和手套。(3)安全操作。危险区域要使用铜扳手、铜榔头等防爆工具。

5 结语

综上所述，文章从静电产生、积聚到释放机理的角度，系统介绍了静电在化工企业工段、操作中风险的识别问题，同时借鉴相关规范，针对静电风险制定了安全措施，并从风险的预防、控制减缓到人员安全管理等三个方面来介绍安全措施。静电安全是一项复杂的课题，不管对设计还是运营管理都提出了要求，需要相关人员不断深入认识和改进安全措施。