易燃易爆場所靜電事故鏈路及斷鏈減災(zāi)模式*

王良旺，梁 棟，陳冬青，劉柏清，梁 峻

(1.中山大學(xué) 智能工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州特種機電設(shè)備檢測研究院 國家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(廣東)，廣東 廣州 510180)

0 引言

石油化工、醫(yī)藥、糧食加工等企業(yè)在生產(chǎn)、運輸過程中會產(chǎn)生可燃性氣體、液體蒸氣及粉塵，形成爆炸性環(huán)境。液體、粉體輸送、罐裝等工藝過程中由于液體、粉體與輸送管道、罐裝容器等相互之間碰撞、摩擦?xí)a(chǎn)生靜電荷，靜電荷積聚可能發(fā)生靜電放電，當(dāng)靜電放電發(fā)生在爆炸性氣體、液體蒸氣或粉塵環(huán)境中時，就會引起火災(zāi)爆炸事故，造成嚴(yán)重的事故后果[1-2]。2018年4月19日，天津市博愛制藥有限公司中藥提取罐罐底出渣口液體泄漏后高速噴濺產(chǎn)生靜電荷，靜電荷積聚發(fā)生靜電放電，引燃了罐周圍乙醇蒸氣與空氣混合形成的爆炸性氣體，發(fā)生爆炸，事故造成3人死亡，2人重傷[3]。研究易燃易爆場所靜電事故鏈路及斷鏈減災(zāi)模式，對于靜電事故防控具有重要意義。

靜電作為點燃源最早在19世紀(jì)90年代德國的汽油洗衣店內(nèi)被發(fā)現(xiàn)[4]。隨著巨型游輪、大型油氣庫等靜電事故的增多，靜電起電、放電機理以及靜電危害防護技術(shù)等方面取得較大研究進展。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的靜電起電方式包括流動起電、沉降起電、噴射起電、剝離起電、沖擊起電、濺潑起電等；靜電放電方式包括電暈放電、火花放電、刷型放電、傳播型刷型放電、堆表面放電等；應(yīng)用較多的靜電危害防護技術(shù)有靜電中和器、防靜電添加劑、防靜電材料以及控制流速、接地、加濕等工藝措施[5-7]。為了選取適當(dāng)?shù)姆雷o措施有效減少各類靜電起電以及可能的靜電放電，需要對易燃易爆場所靜電風(fēng)險進行評估，Kiss[8]提出將故障樹、模糊邏輯、專家系統(tǒng)應(yīng)用于靜電風(fēng)險的近似計算；范小猛[9]從事故發(fā)生可能性、事故可能后果、控制與可監(jiān)控狀態(tài)等方面提出了基于改進的MLS石化企業(yè)靜電事故風(fēng)險評估方法。這些評估方法均是基于靜電荷、易燃/可燃物質(zhì)等事故因素的現(xiàn)有狀態(tài)，未考慮靜電荷積聚形成靜電點燃源、易燃/可燃物質(zhì)積聚形成爆炸性環(huán)境的變化過程以及該過程中不同因素之間的相互影響。事故鏈模型與斷鏈減災(zāi)理論充分考慮事故發(fā)生過程中相關(guān)影響因素及相互之間因果關(guān)系，并可根據(jù)這些因素對事故發(fā)展態(tài)勢進行預(yù)測，該模型與理論廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)、礦山、暴雨、洪澇災(zāi)害等事故災(zāi)難分析與控制技術(shù)研究中[10-11]。Markowski[12]提出在靜電事故點燃源與爆炸性環(huán)境形成過程的相鄰因素之間使用安全屏障來預(yù)防事故，但針對靜電事故鏈路與斷鏈減災(zāi)模式，還需要更深入的研究。

本文以石油化工、醫(yī)藥、糧食加工等可能產(chǎn)生點燃性氣體、蒸氣、粉塵的易燃易爆場所為研究對象，構(gòu)建靜電事故鏈路，并根據(jù)斷鏈減災(zāi)理論探究外界擾動作用下靜電事故斷鏈減災(zāi)模式，提出靜電事故形成過程中的斷鏈減災(zāi)方法，以期為靜電事故預(yù)防與控制提供指導(dǎo)。

1 靜電事故鏈路

事故的發(fā)生必定有其原因，而原因存在于與事故相關(guān)的各個環(huán)節(jié)，事故是一系列原因事件連串發(fā)生的后果，因此對事故的描述就是“一連串的事件”[13]。事故鏈就像是多米諾骨牌一樣，在一連串的環(huán)節(jié)中連續(xù)出現(xiàn)故障、缺陷、誤操作等，引起整個系統(tǒng)的失效，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。易燃易爆場所靜電引發(fā)火災(zāi)爆炸事故也是一連串原因事件連續(xù)發(fā)生的結(jié)果，根據(jù)事故鏈理論繪制的靜電事故鏈路如圖1所示。圖1中，靜電火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生必須同時形成2條鏈路，即靜電點燃源鏈路與爆炸性環(huán)境鏈路。

圖1 靜電事故鏈路Fig.1 Electrostatic accident chain

1.1 靜電點燃源鏈路

石油化工、醫(yī)藥、糧食加工等企業(yè)生產(chǎn)工藝過程中液體、氣體、粉體的管道輸送、液體或粉體罐裝、固體之間的碰撞摩擦以及人體與衣物、人體與其他物件間的接觸分離等均會產(chǎn)生靜電荷。當(dāng)靜電荷產(chǎn)生速率大于靜電荷逸散、中和速率時，就會形成靜電荷積聚。靜電荷積聚超過一定量，并且存在靜電放電的條件(如帶電體存在尖端，靠近接地的導(dǎo)體等)時，即發(fā)生靜電放電。靜電點燃源鏈路即為靜電荷產(chǎn)生、靜電荷積聚、靜電放電等一連串事件連續(xù)出現(xiàn)的過程。

1.2 爆炸性環(huán)境鏈路

可燃性氣體的泄漏與對流、可燃性液體的蒸發(fā)與揮發(fā)、可燃性粉體的運動與懸浮使環(huán)境中產(chǎn)生可燃性物質(zhì)。在相對密閉空間中，產(chǎn)生的可燃性物質(zhì)不能及時消除，使得可燃性物質(zhì)在環(huán)境中持續(xù)增加，當(dāng)可燃性物質(zhì)濃度與氧氣濃度比例達到一定限值時即形成爆炸性環(huán)境。爆炸性環(huán)境鏈路即為易燃/可燃氣體、蒸氣、粉塵產(chǎn)生、達到易燃/可燃物質(zhì)爆炸濃度極限等一連串事件連續(xù)出現(xiàn)的過程。

1.3 靜電事故鏈路案例解析

靜電放電發(fā)生在爆炸性環(huán)境中，即靜電點燃源鏈路與爆炸性環(huán)境鏈路在相同的地點、相同的時間形成，且靜電放電的有效點燃能量大于爆炸性環(huán)境的最小點火能時就可能發(fā)生靜電引燃事故。依據(jù)圖1中靜電事故鏈路圖，以天津市博愛制藥有限公司靜電爆炸事故[3]為例，對靜電事故鏈路進行解析，該事故鏈路圖如圖2所示。該事故中，提取罐放空管上靜電荷積聚最可能發(fā)生的靜電放電形式為火花放電，放電能量可達4 mJ，顯著大于乙醇蒸氣的最小點火能(約為0.2 mJ)。因此，靜電放電引燃乙醇蒸氣，發(fā)生爆炸事故。

圖2 天津市博愛制藥有限公司靜電爆炸事故鏈路Fig.2 Electrostatic explosive accident chain of TianjinBoai Pharmaceutical Co., Ltd.

2 靜電事故斷鏈減災(zāi)模式

根據(jù)靜電事故鏈的形成機理和特點，探究斷鏈減災(zāi)模式是靜電事故預(yù)防的基礎(chǔ)，對減少靜電事故的發(fā)生至關(guān)重要。事故鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核心是在外界擾動作用下，構(gòu)成事故鏈的各要素在物質(zhì)、能量、信息等方面的不斷演化，在不同的演化階段表現(xiàn)出不同的特征[14-15]。在石油化工、醫(yī)藥加工等易燃易爆場所，靜電荷能量、易燃/可燃氣體/蒸氣/粉塵等物質(zhì)在外界擾動作用下不斷演化，不同的演化階段表現(xiàn)出不同的特征形態(tài)。根據(jù)外界擾動作用下物質(zhì)、能量的特征形態(tài)，即可提出靜電事故斷鏈減災(zāi)模式。

2.1 外界擾動作用下靜電荷特征形態(tài)

靜電點燃源鏈路是靜電荷產(chǎn)生、積聚、放電的1種靜電荷能量在外界擾動作用下的演化過程，根據(jù)外界擾動的不同，靜電荷表現(xiàn)出的特征形態(tài)也不相同，如圖3所示。靜電荷的狀態(tài)為E，時間為t，外界擾動使靜電荷隨時間變化呈現(xiàn)出的形態(tài)包括以下4種：

圖3 外界擾動作用下靜電荷特征形態(tài)Fig.3 The characteristic forms of electrostatic charge under external disturbances

2.2 外界擾動作用下易燃/可燃物質(zhì)特征形態(tài)

爆炸性環(huán)境鏈路是易燃/可燃氣體、液體蒸氣、粉塵產(chǎn)生、積聚的1種物質(zhì)在外界擾動作用下的演化過程。外界的擾動不同，物質(zhì)表現(xiàn)出的特征形態(tài)也不相同，如圖4所示，易燃/可燃物質(zhì)的狀態(tài)為I，時間為t，外界擾動使易燃/可燃物質(zhì)隨時間變化呈現(xiàn)出的形態(tài)包括：

圖4 外界擾動作用下爆炸性環(huán)境特征形態(tài)Fig.4 The characteristic forms of explosive atmosphere under external disturbances

2.3 斷鏈減災(zāi)模式

從以上外界擾動作用下靜電荷狀態(tài)E、易燃/可燃物質(zhì)狀態(tài)I的特征形態(tài)，結(jié)合圖1中靜電事故鏈路圖，可以得出靜電事故斷鏈減災(zāi)模式包括3類。

3)事故后果斷鏈減災(zāi)模式。當(dāng)靜電點燃源斷鏈減災(zāi)模式與爆炸性環(huán)境斷鏈減災(zāi)模式均未有效作用，使得靜電點燃源與爆炸性環(huán)境同時形成，且有效靜電放電能量大于爆炸性環(huán)境最小點火能時，就會發(fā)生靜電引燃事故，這時就需要采用事故后果斷鏈減災(zāi)模式，通過事故后果控制措施來降低事故的破壞性。

3 靜電事故斷鏈減災(zāi)措施

靜電事故斷鏈減災(zāi)措施是靜電事故鏈路與斷鏈減災(zāi)模式研究的最終目的，也是易燃易爆場所危險物質(zhì)生產(chǎn)、加工等工藝過程事故預(yù)防的關(guān)鍵。依據(jù)易燃易爆場所靜電事故斷鏈減災(zāi)模式，在事故原因事件發(fā)生的不同環(huán)節(jié)需要采取不同的控制措施，如表1所示。

靜電點燃源斷鏈減災(zāi)模式中通過輸油管道、固體材料等材料選擇以及物料輸送速度、進料方式等工藝過程控制，控制靜電荷的產(chǎn)生量是最有效、最根本的靜電點燃源預(yù)防措施。由于工藝條件、成本等方面的限制，靜電荷產(chǎn)生量的完全控制幾乎不可能實現(xiàn)，這時就需要采取使用防靜電添加劑、靜電中和器等措施，使產(chǎn)生的靜電荷有效逸散，避免靜電荷積聚。當(dāng)控制靜電荷產(chǎn)生與靜電荷有效逸散的防護措施不能降低靜電荷積聚量時，為了避免產(chǎn)生靜電放電，就要控制形成靜電放電條件，如避免形成孤立導(dǎo)體、相鄰導(dǎo)體跨接等。

爆炸性環(huán)境斷鏈減災(zāi)模式中通過設(shè)備、器件的可靠連接、采用浮頂罐儲存揮發(fā)性液體等措施限制可燃/易燃氣體、粉塵進入外界環(huán)境是預(yù)防形成爆炸性環(huán)境的最有效措施。對于工藝條件無法限制進入環(huán)境中的可燃/易燃氣體、粉塵，就需要采取惰化、加強通風(fēng)等措施降低其在環(huán)境中濃度，避免形成爆炸性環(huán)境。

為了降低靜電火災(zāi)爆炸事故后果，一方面在廠房建設(shè)、設(shè)備設(shè)計安裝時需要考慮安全間距、隔爆、泄爆等措施以降低事故的危害程度；另一方面需要通過及時的疏散、救援、現(xiàn)場處置等降低事故造成的損失。

表1 易燃易爆場所靜電事故斷鏈減災(zāi)措施Table 1 Chain-cutting disaster mitigation in flammable and explosive atmosphere

4 結(jié)論

1)靜電火災(zāi)爆炸事故是一連串原因事件連續(xù)發(fā)生的結(jié)果，依據(jù)靜電點燃源形成過程和爆炸性環(huán)境形成過程2條并行支鏈繪制了易燃易爆場所靜電事故鏈路。

2)易燃易爆場所中靜電荷、易燃/可燃物質(zhì)在外界擾動作用下呈現(xiàn)不同的特征形態(tài)，基于此提出了控制靜電荷產(chǎn)生、靜電荷有效逸散、靜電荷積聚的靜電點燃源斷鏈減災(zāi)模式；控制易燃/可燃物質(zhì)產(chǎn)生、控制形成爆炸性環(huán)境的爆炸性環(huán)境斷鏈減災(zāi)模式；降低事故影響的事故后果斷鏈減災(zāi)模式。

3)依據(jù)易燃易爆場所靜電事故的各類斷鏈減災(zāi)模式，提出了針對性的靜電事故防護措施。