火箭低溫推進劑加注過程中的靜電防護研究

林義勇，劉世平，盧 艷

（西昌衛星發射中心，四川西昌 615000）

火箭低溫推進劑加注過程中的靜電防護研究

林義勇，劉世平，盧 艷

（西昌衛星發射中心，四川西昌 615000）

靜電放電作為一種近場自然危害源，給人類造成了重大損失和危害。目前火箭低溫推進劑主要有液氫、液氧、液氮等，而液氫的靜電防護又尤為重要。重點研究了液氫在加注過程中的靜電防護：總結了靜電產生的種種危害，從氫物理特性和液氫加注原理2個方面，詳細分析了液氫加注過程中的靜電起電機理，根據液氫加注過程中的實際情況，從技術和管理角度提出了有針對性的靜電防護措施。

低溫；推進劑；液氫；加注；靜電；防護；措施

靜電放電是生產和生活中很常見的一種電磁現象，其電壓可高達數萬伏，瞬時放電電流高達上百安。由于靜電放電電壓高、瞬時電流大的特點，極易造成局部過熱，在易燃易爆材料和火工品的生產、包裝、裝卸、運輸和使用過程中，都很容易產生靜電和放電現象，每年因靜電放電引起的意外爆炸多起，造成大量財產損失和人員傷亡。20世紀60—70年代，國際上曾多次發生民兵Ⅰ、歐羅尼Ⅱ、偵查兵、大力神ⅢC和德爾安等戰略導彈因靜電危害導致發射連連失敗的事故；靜電放電曾使國際通信衛星Ⅱ-F1～Ⅳ-F8及美國的阿尼克、歐洲航天局的航海通信衛星等數十顆衛星發生故障；第1個阿波羅載人宇宙飛船也是由于靜電放電導致火災、爆炸，使3名宇航員喪生。中國近年來在石化企業曾發生30多起較大的靜電事故，其中損失達百萬元以上的有數起，例如上海某石化公司的2 000 m3甲苯罐，山東齊魯某公司的膠渣罐、撫順某石化公司的航煤罐等都是因為靜電造成嚴重火災事故［1］。據對100起因靜電引起的火災統計，除了由于液化石油氣及城市燃料用的天然氣所引起的火災以外，由于氫引起的火災就有20起，造成重大財產損失和人員傷亡。

常用的火箭低溫推進劑主要有液氫（冰點：－259.18℃，沸點：－252.78℃）、液氧（冰點：－218.3℃，沸點：－183.0℃）、液氮（冰點：－209.86℃，沸點：－196℃）等，而液氫的靜電防護又尤為重要，因此，本文重點研究液氫在加注過程中的靜電防護。液氫是強烈的易燃易爆材料和絕緣材料，屬非導電體，當其在管路中高速流動時，會產生高達數千伏特的靜電；在管路出口與空氣相遇，易產生靜電放電；排泄氫的流速超過0.225 kg／s時，也會引起燃燒（可燃極限：4.0%～75.0%）或爆炸等。因此，在液氫加注過程中極易造成強烈的靜電起電現象，如果監測和管控措施不當，很容易造成燃燒或爆炸事故，不僅會造成重大財產損失和人員傷亡，而且對中國的國家形象和航天事業造成無法挽回的惡劣影響。所以研究火箭低溫推進劑液氫加注過程中的靜電防護具有重要的現實意義。

1 靜電危害

靜電現象在極為廣泛的范圍內給人類帶來各種各樣的危害，通過歸納總結主要有以下幾方面。

1.1 靜電火花引起燃燒、爆炸和火災

當帶電體與不帶電體或靜電電位很低的物體接近時，就會發生放電現象并產生火花。靜電放電的火花能量達到或大于周圍可燃物的最小點火能量，而且可燃物在空氣中的濃度或含量也已在爆炸極限范圍以內時，就能立即引起燃燒或爆炸［2］。如：引起可燃、易燃液體起火或爆炸；引起粉塵起火、爆炸；引起易燃氣體起火或爆炸。

1.2 人身傷害

當人體與其他物體之間發生放電時，人便會遭到電擊。如：生產工藝過程中產生的靜電所引起的電擊，當靜電電壓很高時，造成人身意外傷害；因電擊引起人體墜落、摔倒等二次間接事故；電擊還可能引起工作人員精神緊張從而妨礙工作。

1.3 影響生產質量

在某些生產過程中，如不消除靜電，將會影響生產或降低產品質量，造成元件損壞或電子裝置誤動作，干擾無線電通信等。比如，在滌綸、腈綸和錦綸等合成纖維的應用過程中，靜電問題就十分嚴重。在印刷行業，由于印刷過程中產生靜電，使印刷時紙張不齊、不能分開，影響工作效率和質量。在塑料和橡膠行業，由于制品和輥軸的摩擦及制品的擠壓和拉伸，會產生較多靜電，如果不能迅速消散會吸附大量灰塵，影響產品質量。

2 液氫加注過程中的靜電起電機理分析

2.1 與靜電有關的氫物理性能分析

氫不論是液體還是氣體均與爆炸物不同，其本身是一種極其穩定的物質，但它與空氣或氧氣組成混合氣體時，有很寬的可燃極限和爆炸極限（可燃極限：空氣中為4.0%～75.0%，氧氣中為4.5%～94.0%；爆炸極限：空氣中為18.3%～59.0%，氧氣中為15.0%～90.0%），其最小著火能量（空氣中：0.019 mJ，氧氣中：0.007 mJ；放電間隙時的靜電電容約為160 p F放電時、釋放能量為0.02 mJ時的最低電壓是500 V）比碳化氫氣體（空氣中：0.25 mJ）低一個數量級。

卡塞特發現，液氫的導電率為10－17（Ω·cm）－1，而碳化氫燃料的導電率10－12～10－15（Ω·cm）－1。顯然液氫可以說是一種難于導電而容易帶靜電的物質。液氫的介電系數在20℃的溫度下為1.228，而碳化氫燃料例如苯，它的介電系數在20℃的溫度下為2.28，顯然液氫比碳化氫燃料介電系數小。由此可見 ，液氫比碳化氫燃料容易帶靜電，而且一旦帶電就很難自然放電。

2.2 液氫擠壓加注原理

液氫加注系統的主要任務是在規定的發射程序中，按一定要求向火箭第三級加注、補加及泄回液氫等。其工作原理是自增壓擠壓加注，即用汽化器對液氫車貯罐氣枕增壓，使液氫由貯罐擠壓加注至貯箱。流量調節采用液氫車貯罐氣枕壓力調節和加注管路節流閥開度調節的組合流量調節方式。

由于液氫的密度只有70.77 kg／m3，粘度為1.1×10－6N·s／m2，因此液氫加注并不需要太高的擠壓壓力，采用擠壓加注就可以滿足要求。

2.3 液氫加注過程中的靜電起電機理分析

盡管液氫在加注條件下靜電起電的機理非常復雜，受到如罐體大小、管道尺寸、液體流動形態、液體的導電率和液體內的雜質以及管道壁粗糙過度等內在因素，以及溫度、壓力等外部環境等多方面因素的影響。但是，通過對液氫加注系統的組成、工作原理和加注流程分析可以得出液氫加注過程中的靜電起電機理。

1）液氫在加注過程中會因為與設備、管道、儲罐，各種閘門等相互作用而積累大量靜電電荷，存在著接觸分離起電、沉降起電和氣－液起電等多種起電過程，在一定液面條件下，其靜電起電電位可高達數萬伏，一旦超過安全極限，便會因為靜電放電造成火災和爆炸。

2）在液氫的加注過程中，由于液氫以高速、高壓流過輸送管道，在管道內流動摩擦，特別是高速流動摩擦容易產生靜電。

3）噴射起電和沖擊起電等復雜起電過程，很容易出現快速的靜電積累，液氫在管道內產生所謂的沖流電流，沖流電流會在管道的一端或者接頭部位產生電荷的積累，產生靜電；達到一定電位時就可能引起靜電火花放電，造成燃料的燃燒或者爆炸，特別是燃料的管道輸送給火箭貯箱的過程中，因為沖流起電、噴射起電過程，產生火花放電從而引起爆炸事故。

4）液氫在加注過程中從噴嘴噴出時，由于液體集中高速摩擦而往往使噴出的介質帶電。噴出的帶電介質儲入容器內，如果容器不接地，將使容器帶電，從而產生靜電。

5）人體是一個特殊的靜電系統。人體本身是靜電導體，而與人體緊密聯系的衣服和鞋、襪常常是由絕緣材料制成的，也就是說，人體和大地之間形成了一個電容器，可以存儲靜電能量。由于某種原因帶上一定量的電荷。無論是對微電子器件，還是易燃易爆等場所，人體都是危險的靜電源。當帶電的人體系統接近接地導體時，就可能發生靜電放電現象。如果人體靜電放電的能量超過危險場所的敏感能量，就會發生靜電事故。因此，在火箭液氫的加注現場，人體是非常危險的靜電源。

3 液氫加注過程中的靜電防護措施

防止靜電危害的原則是靜電產生的抑制、加速靜電泄漏及靜電中和，當然還有人體帶電的防止。

3.1 接地法

接地是消除靜電危害簡單易行而且十分有效的方法 ，采用接地后能有效防止靜電積累，將帶電體上的靜電荷較迅速地引入大地，從而消除了靜電荷在帶電體上積聚。

1）設備應可靠接地?；鸺蜏赝七M劑液氫加注設備、管道、儲罐，各種閘門，通風管道上金屬網過濾以及其他能產生靜電的設備均應牢固接地。引入液氫加注場所的金屬管道，配線的鋼管 、電纜的鋼鎧及金屬包皮，均應在場所的進口處接地。防靜電接地線，應單獨與接地體或接地干線相連，不能相互串聯接地。

2）液氫加注金屬管道上的接地線，當受到法蘭上填料的絕緣而使電路中斷時，應在法蘭上設置金屬連接線，并于接地系統可靠連接。

3）液氫的浮動式貯罐，其罐頂與罐體之間，應用截面不小于25 mm2的軟絞線或銅軟線跨接，且其浮動式電氣裝置的電纜，應在引入貯罐處將鋼鎧 、金屬包皮與罐體可靠相連接。容量大于50 m3的液氫貯罐 ，其接地點不應少于2處，且接地點的間距不應該大于30 m。并應在罐體底部周圍對稱地與接地體連接，接地體應連接成環形的接地網。

4）露天敷設的液氫的金屬管道，做防感應雷接地時，管道每隔20～25 m有一處接地 ，每處的接地電阻值，不應大于10Ω。

5）防靜電的接地裝置與電氣設備接地共用接地網時，其接地電阻應符合電氣設備接地的規定；防靜電采用單獨的專用接地網時，每一處接地體的接地電阻值，不應大于100Ω［3］。

3.2 增加濕度法

濕度對于靜電泄漏的影響很大；吸濕性越大的絕緣體，受濕度的影響也越大；隨著濕度的增加，絕緣體表面上凝結成薄薄的水膜，并溶解空氣中二氧化碳氣體和絕緣體析出的電解質，使絕緣體表面電阻大為降低 ，從而加速靜電的泄漏。干燥環境中的物體容易帶電，采用噴霧、灑水等方法使環境相對濕度提高到70%以上，物體表面吸附足夠水汽形成極薄的水膜，可防止靜電在物體上的積累。一般將空氣的相對濕度控制在65% ～75%的范圍內是比較合適的。此外 ，當含有大量電子和離子的氣體覆蓋在絕緣體表面上時，也能加速絕緣靜電的泄漏。

3.3 產生抑制法

1）限制輸送速度

控制液氫的流動速度可以減少靜電的產生。在液氫加注過程中，液氫在管路中流動時產生的流動電荷和電荷密度的飽和值與油品流速的平方成正比。流動速度越快 ，就越容易產生靜電。因此控制液氫流速是減少液氫加注過程中靜電的有效措施。降低液氫輸送中的摩擦速度或物料在管道中的流速等工作參數，排泄氫的流速控制在0.225 kg／s內（注：氫氣設計壓力為0.1～3.0 MPa，在不銹鋼中最大流速可為25 m／s），以抑制靜電的產生。

2）選用適當的材料

使用2種相互接觸或摩擦的材料，可選用帶電序列接近，逸出功大體上相等的材料，以減少靜電的產生或把位于帶電序列兩極的材料組合起來使用，以中和靜電。

3）合理的工藝控制

根據GB 12158—2006《防止靜電通用導則》7.1.2條規定，當兩導體電極間的電位低于1.5 k V時［4］，將不會因靜電放電使最小點燃能量大于或等于限值而令氫氣引燃。

在液氫儲運裝置中，設計一并聯較大等效電容，降低導體間的電位，使兩導體電極間的電位低于1.5 k V，避免引起著火事故。

4）破壞其靜電積累的條件

根據不同物質相互摩擦能產生不同極性靜電的原理，對液氫在加注過程中貯箱、管道、法蘭等能產生靜電的機械零件進行適當選擇和組合，使摩擦產生的正、負電荷在生產過程中自行中和，破壞其靜電積累的條件。

3.4 減少靜電產生法

1）防止液氫噴濺，盡可能除去氫氣體中懸浮液滴和固體顆粒，除去液氫中非溶性固體雜質等。采用底部加注或將管道延伸至容器底液面下。從而避免液體在容器內噴濺，減少靜電的產生。

2）改變加注管出口處的幾何形狀。這是為了減輕液氫槽車頂部加注時的沖擊，從而減少液氫加注時產生靜電，這樣做對液氫表面的電位有一定的效果。

3）采用浸沒式加注方式，將鶴管伸到車底，并安裝分流頭，使液氫流出時不直接沖擊罐車底部，液氫大部分從液面下流出，保持液面平穩上升，避免了液體噴射、飛濺 、沖擊，使液面上部液氫少，液氫靜電電位低。資料表明，液氫表面靜電可降低，從而起到安全的作用。

3.5 防止人體靜電法

1）穿導電率高的工作服或不帶靜電的工作服。每件防靜電服的帶電電荷量、耐洗滌性能，必須符合國家標準GB 12014－89的規定要求。

2）穿導電率高的工作鞋。國家標準GB 4386－95規定，防靜電鞋的鞋底電阻值為5.0×104～1.0×108Ω；但在實際工作中，一般規定導電鞋的鞋底電阻值不大于1.5×105Ω。3）戴防靜電的工作帽和手（指）套。這類工作帽、手（指）套可選用相應的防靜電布料或導電纖維制造。4）戴靜電泄漏電阻為106Ω的防靜電腕帶，并可靠接地，使人體靜電能順暢泄漏，同時保證人身安全。5）工作椅（凳）也必須防靜電。椅（凳）面材料可選用防靜電織物或防靜電海綿、防靜電軟塑料片、膠板等，其表面電阻率應介于105～109Ω之間［5］。

6）工作地面應是導電塑料地板、導電混凝土、導電地毯、防靜電地墊或在地面上灑水，來作為防靜電（導電）地面。因為地面的靜電性能在人體靜電防護中是最關鍵因素之一，只有這樣，才能收到最佳防靜電效果。

7）工作場所要有地線 、接地板和接地網設施。

此外，還可采用添加抗靜電劑的方法防止靜電，或者使用靜電消除器等防靜電措施。

3.6 管理方面防靜電

就管理而言，在液氫加注過程中，應強調以下幾點。

1）強化安全教育，增強崗位操作人員責任意識和安全意識。嚴格執行 《防止靜電危害安全規程》，積極培養崗位操作人員的工作熱情，熟記崗位職責，高標準地干好本職工作。

2）加強防靜電理論知識培訓教育和考試，提高崗位操作人員的靜電專業技能。崗位操作人員上崗前必須進行系統的靜電危害知識專業培訓，凡是考核不合格者，嚴禁上崗操作，使持證上崗率達到100%。

3）按章操作，確保安全。嚴禁用普通材料 （物品）代替專用防靜電器材，尤其是在相對濕度小于70%的地區或干燥的冬季，日常作業時必須穿防靜電服、防靜電鞋，在爆炸危險場所作業，嚴禁防靜電服裝與帶化纖材質的服裝混穿。

4）加強機動車輛在液氫加注區域內行駛的管理，控制其他火源，配備足夠安全消防器材，以確保液氫加注過程的安全。

5）針對液氫的特性，編制靜電事故應急救援預案，成立防靜電事故專業隊伍，每年組織1～2次模擬實操演練，提高應急處理能力。

4 結 語

靜電現象在極為廣泛的范圍內給人類帶來各種各樣的危害，造成了嚴重后果，令人十分煩惱和不安。因此，對靜電危害及其防護措施的研究，普遍引起人們的重視，事故皆為小概率事件，只有眾多因素同時出現才能發生，控制其中的某一環節都可以防止事故的發生。所以只要人們重視靜電，根據電氣設備的具體情況，科學認識和正確掌握靜電危害的過程和規律，制訂科學、嚴密的加注操作流程，建立先進的靜電監測手段和完善的規章制度，切實加強安全管理，采取積極有效的防控措施，就一定能減少靜電事故發生的概率，控制靜電帶來的危害。

［1］ 劉尚合，武占成.靜電放電及危害防護［M］.北京：北京郵電大學出版社，2004.

［2］ 常愛華.靜電的危害與防止［J］.艦船防化，2008（4）：52-55.

［3］ 呂俊霞，胡雪梅.靜電的預防措施和方法［J］.照明工程學報，2010，21（1）：87-90.

［4］ GB 12158—2006，防止靜電通用導則［S］.

［5］ GJB 3700－2009A，防止靜電工作區技術要求［S］.

V555＋.1

A

1008-1542（2011）07-0210-05

2011-06-20；責任編輯:王海云

裝備預先研究項目（51317050206）

林義勇（1964-），男，四川江油人，高級工程師，主要從事航天通信、航天電磁環境、靜電測試與防護技術方面的研究。