油罐车汽柴油混装静电风险试验研究*

李义鹏,孟 鹤,刘全桢,兰 琦

(1.化学品安全全国重点实验室,山东青岛 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104)

0 前言

2016年陕西某油库发生2起油罐车装油过程中的静电闪爆事故,2021年南方某企业也发生1起类似静电闪爆事故。事故调查发现这3起静电闪爆事故有一共同点:罐车都是从灌装柴油改为灌装汽油。在汽油、柴油的储运环节,油罐车是这两种油品从油库运转至加油站的最主要交通工具[1]。由于国家并没有严格要求汽油、柴油罐车专车专用,所以油罐车只是经过简单清洗甚至不做清洗就可以换装另一种油品,汽柴油混装过程中的静电风险应引起相关从业人员的关注[2-4]。杂质是引起油品静电起电的另一个重要因素,当油中某些杂质含量小于5%时,油品静电将有很大的提升,试验已经证实了水跟乙醇在汽油中以杂质形式出现时,会极大影响汽油的静电特性,汽油静电起电有较大提升[5-6]。

为研究汽油中混入柴油及柴油中混入汽油后的静电起电特性,通过开展汽油、柴油混合后的静电衰减特性试验,即汽油中混入不同比例柴油、以及柴油中混入不同比例汽油后输送过程中的静电起电特性试验,针对汽柴油混装后的静电风险,提出相应措施建议。

1 汽柴油混装静电风险试验

试验主要包括汽柴油混合后的静电衰减特性试验,以及混合油品输送过程中的静电起电特性试验(包括柴油对汽油输送过程中的静电影响试验,汽油对柴油输送过程中的静电影响试验)。

1.1 汽柴油混合后的静电衰减特性试验

静电衰减测试是测量物体从充电到某个高电压,然后静电泄放到某个指定电压的放电时间,这个放电时间代表了物体静电泄放的能力,是评价物体静电风险的重要参数[7-8]。静电缓和时间是指带电体上的电位消散至其初始值的1/e时所需要的时间,一般用此参数来表征物体的静电衰减特性。利用JCI155静电衰减测试仪(Chilworth公司)对汽油、柴油及其混合油品的静电衰减特性进行测试,试验时其电晕电压设置为-9 000 V[9]。

1.2 柴油对汽油输送过程中的静电影响试验

模拟油罐车装柴油后未经过清洗直接加装汽油的工况,研究汽油中混有一定量柴油后,输送过程中的静电风险变化情况。

1.2.1 试验系统

试验系统主要包括变频泵、25 mm输油管道、流量计、油品电荷密度表等,结构如图1所示。

图1 油品静电测试系统结构

1.2.2试验过程

环境条件为温度15 ℃,湿度41.5 RH%。试验步骤为:①在试验罐中装入40 L汽油,其电导率为213 pS/m,拟添加的柴油电导率为50 pS/m;②启动油泵,使汽油在管道中的流速固定在2.6 m/s不变,当油品电荷密度表的数据稳定后,记录数据;③在汽油中依次添加柴油,使柴油占汽油和柴油体积和的百分比(不考虑汽油和柴油混合后体积的变化)范围为0～20%(包括0%在内共15个不同百分比),待电荷密度表数据稳定后,记录静电电荷密度稳定值。

1.3 汽油对柴油输送过程中的静电影响试验

采用如图1所示的试验系统,研究柴油中混有一定量汽油后,输送过程中的静电风险变化情况。

环境条件为温度21 ℃,湿度43.8 RH%。试验步骤:①在试验罐中装入40 L柴油,其电导率为68 pS/m,拟添加的汽油电导率为477 pS/m;②启动油泵,在柴油中依次添加汽油,使汽油占柴油和汽油体积和的百分比(不考虑汽油和柴油混合后体积的变化)范围为0～3%(包括0%在内共20个不同百分比),待电荷密度表数据稳定后,记录静电电荷密度稳定值。

2 分析及讨论

根据试验结果,对汽油、柴油混合后的静电特性进行分析及讨论。

2.1 静电衰减特性

不同柴油、汽油及其混合油品静电衰减实验数据,见表1。

表1 不同柴油、汽油及其混合油品静电衰减试验数据

油品的静电缓和时间根据公式(1)计算[10]。

t=εrε0/σ

(1)

式中:t——静电缓和时间,s;

εr——油品相对介电常数,无量纲;

ε0——真空介电常数,pF/m;

σ——油品电导率,pS/m。

公式(1)说明油品静电缓和时间与油品的介电常数及电导率密切相关,电导率高、油品相对介电常数小,油品静电缓和时间就小,油品静电风险低。汽油的相对介电常数为1.9,柴油为2.1,试验油品中汽油电导率44 pS/m,柴油电导率7 pS/m,根据公式(1)计算得到汽油的缓和时间为0.38 s,柴油的缓和时间为2.66 s。而表1的测试结果是汽油的缓和时间为0.29 s,柴油的缓和时间为0.90 s,该结果推测由试验用汽油、柴油的介电常数比经验数值小导致。

根据表1的静电衰减测试结果,可以发现:

a) 汽油的峰值电压为-304.8 V,柴油的峰值电压是-276.0 V。汽油的电导率高于柴油,易于静电的泄放,但汽油的峰值电压高于柴油的峰值电压,说明汽油比柴油更易产生静电。

b) 汽油中混有柴油以及柴油中混有汽油,峰值电压皆高于汽油及柴油的峰值电压,说明汽柴油混合后比汽油更易产生静电。

c) 当汽油中混有2%的柴油时,峰值电压为-595.9 V,比汽油的峰值电压提高了近一倍,静电风险急剧增加。

2.2 汽油中混有柴油输送过程中的静电风险分析

管道输送过程中汽油掺混柴油后,混合油品电荷密度随柴油含量的变化趋势,见图2。

图2 柴油对汽油静电的影响

由图2可以看出:

a) 汽油中添加柴油后,随着柴油含量的增加,油品电荷密度出现略微下降后迅速增大,达到一个最大值后缓慢下降。

b) 当柴油含量为5%及8%时,油品电荷密度最高,为-28.63 μC/m3,相较不含杂质的汽油,其电荷密度增加了约110%。可以推断当柴油含量在5%～8%之间时,油品电荷密度会出现最大值,此时油品的静电风险也最大。

c) 当柴油含量为20%时,油品电荷密度为-21.81 μC/m3,相较不含杂质的汽油,其电荷密度增加了约60%,静电风险依然远高于纯汽油。

d) 整体而言,汽油中混入柴油后,静电风险增大,该结论与汽柴油混合后静电衰减测试结果相符合。

e) 假如一辆罐车卸完柴油后不清余油就灌装汽油,那么柴油在混合油品中的含量将持续降低,但混合油品的静电风险将越来越大,当柴油含量在5%～8%之间时静电风险最大。由于这个时刻出现在装车初期,因此,装车初期采取降低油品流速的措施是很有必要的。

2.3 柴油中混有汽油输送过程中的静电风险分析

管道输送过程中柴油掺混汽油后,混合油品电荷密度随汽油含量的变化趋势见图3。

图3 汽油对柴油静电的影响

由图3可以看出:

a) 柴油混入汽油后,即使汽油电导率远高于柴油,油品电荷密度将发生较大的变化,随汽油含量出现先增大后降低的趋势。

b) 试验数据中,汽油含量为0.4%～0.5%时,油品电荷密度最高,为-29.08 μC/m3,相较不含杂质的柴油,其电荷密度增加了约193.7%,可以推断当汽油含量在0.4%～0.5%之间时,油品电荷密度会出现最大值。

c) 当汽油含量为2%时,油品电荷密度已经低于纯柴油的电荷密度,这主要是试验用汽油的电导率远高于柴油所致。

d) 假如一辆罐车卸完汽油后不清余油就灌装柴油,那么汽油在混合油品的含量将持续降低,当汽油含量在0.4%～0.5%之间时静电风险最大,而由于这个时刻出现在装车初期,因此,装车初期采取降低油品流速的措施是很有必要的。

3 结论及建议

油中存在杂质后,偶电层的出现会导致油品储运过程中的静电风险增大[11-13],但石化行业一般都关注与油品性质差别大的杂质,譬如汽油中出现水和乙醇。本文通过试验重点研究了汽柴油混合后的静电风险,提出确保油罐车静电安全的针对性建议。

a) 静电衰减试验表明,柴汽油混合后,其峰值电压高于汽油及柴油的峰值电压,说明汽柴油混合后更易产生静电。当汽油中混有2%的柴油时,峰值电压比汽油的峰值电压增加了近一倍;当柴油中混有10%的汽油时,峰值电压比柴油的峰值电压增加了一倍以上。

b) 油品输送过程中的静电试验表明,汽柴油的混合油品比汽油或柴油的静电风险高。汽油中混有柴油时,可使油品电荷密度最高增加一倍以上;柴油中混有汽油,可使油品电荷密度最高增加近两倍。

c) 建议应严格限制油罐车不经过清洗就换装另一种油品,即使两种油品的特性非常接近。同时,如果油罐车是通过清水进行的清洗作业,必须保证清洗液已完全排空、干燥后才允许进行装车作业,汽油中含水同样会增加汽油装车过程中的静电风险。该研究成果对确保油罐车的安全具有重要意义。