火炸藥粉體靜電帶電監(jiān)測(cè)方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

衛(wèi)水愛, 白春華

(1. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 2. 兵器工業(yè)安全技術(shù)研究所, 北京 100053)

1 引 言

靜電放電是引發(fā)火炸藥燃燒爆炸事故的重要致災(zāi)源,某軍工企業(yè)曾經(jīng)在單基發(fā)射藥混同工序由于靜電放電造成了27人死亡的嚴(yán)重事故[1]。料倉(cāng)作為事故高發(fā)設(shè)備,防止其靜電放電是重要研究方向。料倉(cāng)的靜電放電有兩種,一是料倉(cāng)的火花放電,可通過接地消除該風(fēng)險(xiǎn)。二是粉堆場(chǎng)強(qiáng)超過空氣擊穿閾值的錐形放電,可通過實(shí)時(shí)獲取靜電場(chǎng)強(qiáng),并限制其不超過空氣擊穿閾值消除該風(fēng)險(xiǎn)。

靜電場(chǎng)強(qiáng)的獲取方法有兩種,一是靜電場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)方法,有學(xué)者對(duì)奧克托今(HMX)的靜電進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[2]研究,但尚未見到監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性、有效性的研究報(bào)道。二是孫可平等[3]提出的以電荷量為參量、仿真計(jì)算為手段的方法,其關(guān)鍵是靜電電荷量的監(jiān)測(cè)。電荷量的監(jiān)測(cè)有法拉第筒法和感應(yīng)電流積分法。法拉第筒法已應(yīng)用多年,許多學(xué)者采用該方法測(cè)量了含能材料的靜電電荷量[4-6]。感應(yīng)電流積分法是作者研究開發(fā)的[7],通過測(cè)量料倉(cāng)內(nèi)壁的感應(yīng)電流,并對(duì)其積分,根據(jù)本研究設(shè)計(jì)并建立了實(shí)驗(yàn)裝置,采用代用材料方式,對(duì)靜電場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)、法拉第筒和感應(yīng)電流積分靜電電荷量監(jiān)測(cè)三種方法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),開展了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全性、靜電放電風(fēng)險(xiǎn)判定的可靠性分析研究,得出適用于火炸藥研制生產(chǎn)過程的靜電帶電監(jiān)測(cè)方法,為防止火炸藥粉體放電提供監(jiān)測(cè)手段。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 靜電場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1.1 裝置與儀器

實(shí)驗(yàn)裝置包括三個(gè)部分: 滑槽、料倉(cāng)、10只靜電場(chǎng)強(qiáng)傳感器,組成如圖1所示。

圖1 靜電場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1—粉體容器, 2—滑槽, 3—料倉(cāng), 4—靜電場(chǎng)強(qiáng)傳感器

Fig.1 Schematic diagram of testing device for electrostatic field strength 1—container of powder, 2—chute, 3—storage bin, 4—electrostatic field strength probe

滑槽用于粉體的靜電起電,材料采用304#不銹鋼,長(zhǎng)度1000 mm,寬度300 mm,傾斜角度0～60°連續(xù)可調(diào); 料倉(cāng)為單層結(jié)構(gòu)并直接接地,用于經(jīng)滑槽帶電的粉體堆積儲(chǔ)存,材料采用304#不銹鋼,直徑300 mm,高度300 mm,在其側(cè)壁和底部分別等距設(shè)置由大孔徑絕緣網(wǎng)封堵的4個(gè)測(cè)量孔,孔直徑30 mm,每個(gè)測(cè)量孔處均安裝傳感器,料倉(cāng)內(nèi)部安裝的傳感器,一只為固定安裝方式,距底部距離為300 mm,另一只為移動(dòng)式,始終保持與粉堆表面10 mm的距離。傳感器為兵器工業(yè)靜電檢測(cè)中心研制,測(cè)量方式為非接觸式,場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)范圍為10～100000 kV·m-1,直徑10 mm,其標(biāo)定測(cè)量距離10 mm。

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,實(shí)驗(yàn)裝置建立在人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi),溫度為18～22 ℃,濕度為30%RH～40%RH。同時(shí)實(shí)驗(yàn)前對(duì)測(cè)試裝置進(jìn)行擦拭、清洗并保持干燥。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

由于在實(shí)驗(yàn)過程中可能發(fā)生靜電放電,為保障實(shí)驗(yàn)安全,樣品選取與典型火炸藥絕緣電阻、起電規(guī)律相近的代料進(jìn)行,由于場(chǎng)強(qiáng)分布決定于電荷量和設(shè)備尺寸,代料不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,代料為聚氯乙烯粉體,粉體直徑3～5 mm,體積電阻率1014Ω·m。為保證粉體物料起電不受粉體水分影響,實(shí)驗(yàn)前將樣品在50 ℃烘干箱內(nèi)烘干5 h,然后再存放于人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)24 h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)過程

將13 kg試驗(yàn)樣品加入滑槽上方的容器中,打開容器閘門,使粉體均勻流入滑槽,經(jīng)摩擦帶電后進(jìn)入料倉(cāng)形成堆積,在粉體堆積高度h分別為25,50,100,125,150,200 mm時(shí),記錄固定安裝和可移動(dòng)式傳感器的測(cè)量值; 在粉體堆積高度h為200 mm時(shí),記錄10只傳感器的測(cè)量值。按上述方法重復(fù)10次實(shí)驗(yàn)。

2.2 法拉第筒法和電流積分法靜電電荷量監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.2.1 裝置與儀器

法拉第筒與感應(yīng)電流積分兩種靜電電荷量監(jiān)測(cè)方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

雙分支式滑槽用于摩擦起電,且保證分別進(jìn)入法拉第筒料倉(cāng)和低電阻接地料倉(cāng)的粉體物料經(jīng)歷相同的流動(dòng)距離,滿足相同的靜電起電條件,材料采用304#不銹鋼,長(zhǎng)度分別為1000 mm,寬度300 mm,傾斜角度0～60°連續(xù)可調(diào)。法拉第筒料倉(cāng)用于收集經(jīng)滑槽分支Ⅰ的粉體,并連接至電荷量表進(jìn)行靜電電荷量監(jiān)測(cè),材料采用304#不銹鋼,外筒直徑400 mm; 內(nèi)筒直徑300 mm,內(nèi)筒接地電阻>1014Ω,與電荷量表之間由屏蔽電纜連接,料倉(cāng)下部安裝粉體質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)入料倉(cāng)的粉體質(zhì)量,測(cè)量范圍0～100 kg。低電阻接地料倉(cāng)用于收集經(jīng)滑槽分支Ⅱ的粉體,并連接至感應(yīng)電流積分靜電電荷量測(cè)試儀進(jìn)行靜電電荷量監(jiān)測(cè),為雙層結(jié)構(gòu),材料采用304#不銹鋼; 外筒接地,直徑400 mm; 內(nèi)筒直徑300 mm,接地電為1 kΩ,料倉(cāng)下部安裝粉體質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)入料倉(cāng)的粉體質(zhì)量,測(cè)量范圍0～100 kg。接觸式靜電電壓表用于測(cè)量法拉第筒料倉(cāng)內(nèi)筒的電壓,型號(hào)為Q3V,測(cè)量范圍3～100 kV。感應(yīng)電流積分法電荷量測(cè)試儀為作者自行研制[7],測(cè)量范圍為1 nC～100 μC。電容表用于測(cè)量料倉(cāng)的電容,型號(hào)為L(zhǎng)C型,測(cè)量范圍1 pF～200 μF。電壓表測(cè)量范圍0.01～100 V,用于測(cè)量低電阻接地料倉(cāng)的電壓。紫外光成像儀為Doycar型,光譜范圍200 mm～400 nm。

圖2 靜電電荷量監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1—電容表, 2—紫外光成像儀, 3—接觸式靜電電壓表, 4—法拉第筒料倉(cāng), 5—電荷量表, 6—滑槽雙分支Ⅰ, 7—滑槽雙分支Ⅱ, 8—電壓表, 9—粉體質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng), 10—低電阻接地料倉(cāng), 11—感應(yīng)電流積分靜電電荷量測(cè)試儀, 12—計(jì)算機(jī)

Fig.2 Schematic diagram of electrostatic charge quantity monitoring test device

1—capacitance table, 2—ultraviolet imager, 3—contact electrostatic voltmeter, 4—Faraday cylinder storage bin, 5—charge scale, 6—chute double branch Ⅰ, 7—chute double branch Ⅱ, 8—voltmeter, 9—powder quality measurement system, 10—low resistance grounding storage bin, 11—electrostatic charge induced current integral tester, 12—computer

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度、濕度與靜電場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)相同,并對(duì)電容表、接觸式靜電電壓表進(jìn)行標(biāo)定。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)樣品

采用與靜電場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)相同的代料樣品及前處理方法。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)過程

采用電容表測(cè)量法拉第筒電容值并進(jìn)行記錄,然后將26 kg試驗(yàn)樣品注入滑槽上部的儲(chǔ)存料斗中,打開放料閘門,使粉體均勻流經(jīng)滑槽的兩個(gè)分支后分別流入法拉第筒料倉(cāng)和低電阻接地料倉(cāng),在料倉(cāng)中粉體粉體質(zhì)量為1,2,4,6,8,10,12 kg時(shí),進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。記錄Q3V的測(cè)量電壓,根據(jù)Q=CU,計(jì)算獲得法拉第筒料倉(cāng)粉體的靜電電荷量,當(dāng)粉堆高度為200 mm,采用一個(gè)直徑為10 mm的接地金屬球靠近并接觸內(nèi)筒,用紫外成像儀拍攝放電圖像,并根據(jù)W=CU,計(jì)算法拉第筒料倉(cāng)可能發(fā)生的火花放電能量; 記錄感應(yīng)電流積分靜電電荷量測(cè)試儀數(shù)據(jù),獲得低電阻料倉(cāng)中粉體的靜電電荷量,記錄電壓表測(cè)量值,獲得該料倉(cāng)的電壓值。重復(fù)10次上述實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜電場(chǎng)強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1.1 場(chǎng)強(qiáng)傳感器安裝方式對(duì)粉堆表面場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響

粉體堆積高度h分別為25,50,100,125,150,200 mm時(shí),固定安裝和可移動(dòng)安裝方式靜電場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)10次平均值,結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方式監(jiān)測(cè)的靜電場(chǎng)強(qiáng)

Fig.3 Electrostatic field strength obtained by difference monitoring mode

由圖3可見,不同的粉堆高度,傳感器固定安裝方式獲得的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于可移動(dòng)方式的測(cè)量值,如在料倉(cāng)中粉堆高度為100 mm時(shí),可移動(dòng)方式的測(cè)量值為1540 kV·m-1,而固定安裝方式的測(cè)量值為80kV·m-1,兩者相差近20倍; 在料倉(cāng)中粉堆高度為200 mm時(shí),可移動(dòng)方式的測(cè)量值為2160 kV·m-1,而固定安裝方式的測(cè)量值為460 kV·m-1,兩者相差近5倍。原因是由于靜電場(chǎng)強(qiáng)傳感器是非接觸式測(cè)量,當(dāng)粉堆表面電位U為一定值時(shí),根據(jù)U=Ed,場(chǎng)強(qiáng)的數(shù)值與傳感器和粉堆之間的距離密切相關(guān),當(dāng)兩者距離為標(biāo)定距離時(shí),測(cè)量值應(yīng)為真實(shí)場(chǎng)強(qiáng),距離增大時(shí),測(cè)量值將小于真實(shí)值?？梢苿?dòng)方式傳感器始終保持與粉堆表面距離為標(biāo)定距離,其測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)為真實(shí)場(chǎng)強(qiáng); 而當(dāng)粉堆高度分別為100 mm和200 mm時(shí),固定安裝方式傳感器距粉堆表面的實(shí)際距離分別為200 mm和100 mm,遠(yuǎn)大于標(biāo)定距離,因此測(cè)量數(shù)據(jù)小于真實(shí)場(chǎng)強(qiáng),固定安裝場(chǎng)強(qiáng)傳感器的方式不能實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電場(chǎng)強(qiáng)的準(zhǔn)確測(cè)量。

3.1.2靜電場(chǎng)強(qiáng)在料倉(cāng)不同部位的分布規(guī)律

粉體堆積高度為200 mm時(shí),粉堆表面、料倉(cāng)側(cè)壁和底部的靜電場(chǎng)強(qiáng)10次平均值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 可移動(dòng)方式監(jiān)測(cè)不同部位的靜電場(chǎng)強(qiáng)

Table 1 Electrostatic field strength of moved mode monitoring at different position

positionfieldstrength/kV·m-1surface2160side12614bottom14709

由表1可見,在料倉(cāng)中粉堆高度為200 mm時(shí),靜電場(chǎng)強(qiáng)在粉堆表面、料倉(cāng)側(cè)壁和底部出現(xiàn)不同的分布規(guī)律和數(shù)值,最大靜電場(chǎng)強(qiáng)值出現(xiàn)在料倉(cāng)底部,粉堆表面的靜電場(chǎng)強(qiáng)僅為料倉(cāng)底部場(chǎng)強(qiáng)的1/7。

這是因?yàn)楦鶕?jù)靜電場(chǎng)強(qiáng)疊加原理:點(diǎn)電荷系電場(chǎng)中某點(diǎn)總場(chǎng)強(qiáng)等于各點(diǎn)電荷單獨(dú)存在時(shí)在該點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)矢量和。將料倉(cāng)內(nèi)每個(gè)粉體顆粒看作是點(diǎn)電荷,料倉(cāng)內(nèi)粉體點(diǎn)電荷的總量相等,但距粉堆表面、料倉(cāng)側(cè)壁和底部的距離不同,且料倉(cāng)側(cè)壁和底部為接地金屬物,將引起場(chǎng)強(qiáng)畸變,導(dǎo)致料倉(cāng)中底部場(chǎng)強(qiáng)最大、表面場(chǎng)強(qiáng)最小。因此如果僅在粉堆表面安裝靜電場(chǎng)傳感器,將不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到料倉(cāng)中某處可能出現(xiàn)的最大場(chǎng)強(qiáng),該種安裝方法對(duì)于判定靜電放電風(fēng)險(xiǎn)存在重大隱患。

3.2 法拉第筒法和感應(yīng)電流積分法靜電電荷量監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.2.1 兩種靜電電荷量測(cè)量方法數(shù)據(jù)一致性的分析

采用法拉第筒法和感應(yīng)電流積分法對(duì)粉體靜電進(jìn)行測(cè)量,結(jié)合質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),重復(fù)10次平均值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同方法監(jiān)測(cè)的靜電電荷量

Table 2 Electrostatic charge quantity of difference mode monitoring

FaradaycylindermethodM/kgQ/μC(Q/M)/μC·kg-1inducedcurrentintegralchargequantitymonitoringmethodM/kgQ/μC(Q/M)/μC·kg-11．000．810．810．900．720．812．101．650．812．401．940．813．803．000．794．003．150．796．004．860．815．704．620．818．106．490．808．606．860．8010．208．170．809．807．840．8012．109．800．8111．909．650．81

Note:Mis the mass of powder;Qis the charge of powder;Q/Mis the charge-mass ratio.

由表2可見,兩種監(jiān)測(cè)方法均可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)料倉(cāng)中粉體的靜電電荷,靜電電荷量隨粉體質(zhì)量的增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng); 當(dāng)料倉(cāng)內(nèi)粉體集聚到一定質(zhì)量時(shí),讀取兩個(gè)料倉(cāng)的測(cè)量數(shù)據(jù),此時(shí)進(jìn)入兩個(gè)料倉(cāng)的粉體質(zhì)量略有差別,靜電電荷量也相應(yīng)變化,換算成荷質(zhì)比,則兩者完全相同,說明兩種監(jiān)測(cè)方法均可準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)靜電電荷量。

3.2.2 兩種靜電電荷量監(jiān)測(cè)方法安全性評(píng)估

法拉第筒料倉(cāng)的電容為190 pF,當(dāng)粉堆高度為200 mm,兩個(gè)料倉(cāng)的靜電電壓測(cè)量結(jié)果見表3,采用接地金屬球靠近法拉第筒料倉(cāng),用紫外成像儀拍攝的放電圖像見圖4。

表3 不同料倉(cāng)內(nèi)筒的靜電電壓

Table 3 Electrostatic voltage of inner cylinder for difference storage bin

measurementofFaradaycylindermassofpowder/kgvoltageofinnercylinder/VMeasurementoflowresistentcurrentmassofpowder/kgvoltageofinnercylinder/V1．0042630．900．022．1086842．400．033．80157904．000．056．00255805．700．078．10341608．600．0810．20430009．800．112．105150011．900．1

圖4 法拉第筒內(nèi)筒火花放電紫外成像

Fig.4 Faraday inner cylinder spark discharge ultraviolet imaging

4 結(jié) 論

(1) 采用代用材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用粉堆表面安裝固定式靜電場(chǎng)強(qiáng)傳感器的監(jiān)測(cè)方式,當(dāng)粉堆高度為100 mm時(shí),監(jiān)測(cè)值與真實(shí)場(chǎng)強(qiáng)相差近20倍; 粉堆高度為200 mm時(shí),兩者相差近5倍。粉堆高度為200 mm時(shí),粉堆最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在料倉(cāng)底部,粉堆表面監(jiān)測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)為底部場(chǎng)強(qiáng)的1/7。因此,目前火炸藥生產(chǎn)過程中采用的在粉堆表面安裝固定式靜電場(chǎng)強(qiáng)傳感器的監(jiān)測(cè)方法,不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到粉堆的真實(shí)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)、不能獲取到最大場(chǎng)強(qiáng),從而不能可靠判定靜電放電風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 法拉第筒法和感應(yīng)電流積分法兩種監(jiān)測(cè)方法測(cè)量數(shù)據(jù)基本相同,說明兩種監(jiān)測(cè)方法均可準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)料倉(cāng)中粉體的靜電電荷量。

(3) 采用法拉第筒法進(jìn)行靜電電荷量監(jiān)測(cè)時(shí),當(dāng)粉堆高度為200 mm時(shí),料倉(cāng)發(fā)生火花放電的能量達(dá)到237.5 mJ; 而采用電流積分法監(jiān)測(cè)時(shí),料倉(cāng)最大電位僅為0.1 V。因此采用法拉第筒法進(jìn)行靜電電荷量監(jiān)測(cè)存在燃燒爆炸危險(xiǎn),不適用于火炸藥研制生產(chǎn)過程中的靜電災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)。感應(yīng)電流積分法具有較好的測(cè)量特性及安全性,適用于火炸藥研制生產(chǎn)過程中的靜電災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警。

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