林義勇，劉世平，盧 艷

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川西昌 615000）

火箭低溫推進(jìn)劑加注過(guò)程中的靜電防護(hù)研究

林義勇，劉世平，盧 艷

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川西昌 615000）

靜電放電作為一種近場(chǎng)自然危害源，給人類(lèi)造成了重大損失和危害。目前火箭低溫推進(jìn)劑主要有液氫、液氧、液氮等，而液氫的靜電防護(hù)又尤為重要。重點(diǎn)研究了液氫在加注過(guò)程中的靜電防護(hù)：總結(jié)了靜電產(chǎn)生的種種危害，從氫物理特性和液氫加注原理2個(gè)方面，詳細(xì)分析了液氫加注過(guò)程中的靜電起電機(jī)理，根據(jù)液氫加注過(guò)程中的實(shí)際情況，從技術(shù)和管理角度提出了有針對(duì)性的靜電防護(hù)措施。

低溫；推進(jìn)劑；液氫；加注；靜電；防護(hù)；措施

靜電放電是生產(chǎn)和生活中很常見(jiàn)的一種電磁現(xiàn)象，其電壓可高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏，瞬時(shí)放電電流高達(dá)上百安。由于靜電放電電壓高、瞬時(shí)電流大的特點(diǎn)，極易造成局部過(guò)熱，在易燃易爆材料和火工品的生產(chǎn)、包裝、裝卸、運(yùn)輸和使用過(guò)程中，都很容易產(chǎn)生靜電和放電現(xiàn)象，每年因靜電放電引起的意外爆炸多起，造成大量財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。20世紀(jì)60—70年代，國(guó)際上曾多次發(fā)生民兵Ⅰ、歐羅尼Ⅱ、偵查兵、大力神ⅢC和德?tīng)柊驳葢?zhàn)略導(dǎo)彈因靜電危害導(dǎo)致發(fā)射連連失敗的事故；靜電放電曾使國(guó)際通信衛(wèi)星Ⅱ-F1～Ⅳ-F8及美國(guó)的阿尼克、歐洲航天局的航海通信衛(wèi)星等數(shù)十顆衛(wèi)星發(fā)生故障；第1個(gè)阿波羅載人宇宙飛船也是由于靜電放電導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸，使3名宇航員喪生。中國(guó)近年來(lái)在石化企業(yè)曾發(fā)生30多起較大的靜電事故，其中損失達(dá)百萬(wàn)元以上的有數(shù)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?yàn)殪o電造成嚴(yán)重火災(zāi)事故［1］。據(jù)對(duì)100起因靜電引起的火災(zāi)統(tǒng)計(jì)，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(zāi)以外，由于氫引起的火災(zāi)就有20起，造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

常用的火箭低溫推進(jìn)劑主要有液氫（冰點(diǎn)：－259.18℃，沸點(diǎn)：－252.78℃）、液氧（冰點(diǎn)：－218.3℃，沸點(diǎn)：－183.0℃）、液氮（冰點(diǎn)：－209.86℃，沸點(diǎn)：－196℃）等，而液氫的靜電防護(hù)又尤為重要，因此，本文重點(diǎn)研究液氫在加注過(guò)程中的靜電防護(hù)。液氫是強(qiáng)烈的易燃易爆材料和絕緣材料，屬非導(dǎo)電體，當(dāng)其在管路中高速流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千伏特的靜電；在管路出口與空氣相遇，易產(chǎn)生靜電放電；排泄氫的流速超過(guò)0.225 kg／s時(shí)，也會(huì)引起燃燒（可燃極限：4.0%～75.0%）或爆炸等。因此，在液氫加注過(guò)程中極易造成強(qiáng)烈的靜電起電現(xiàn)象，如果監(jiān)測(cè)和管控措施不當(dāng)，很容易造成燃燒或爆炸事故，不僅會(huì)造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，而且對(duì)中國(guó)的國(guó)家形象和航天事業(yè)造成無(wú)法挽回的惡劣影響。所以研究火箭低溫推進(jìn)劑液氫加注過(guò)程中的靜電防護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 靜電危害

靜電現(xiàn)象在極為廣泛的范圍內(nèi)給人類(lèi)帶來(lái)各種各樣的危害，通過(guò)歸納總結(jié)主要有以下幾方面。

1.1 靜電火花引起燃燒、爆炸和火災(zāi)

當(dāng)帶電體與不帶電體或靜電電位很低的物體接近時(shí)，就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象并產(chǎn)生火花。靜電放電的火花能量達(dá)到或大于周?chē)扇嘉锏淖钚↑c(diǎn)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?xún)?nèi)時(shí)，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?xì)怏w起火或爆炸。

1.2 人身傷害

當(dāng)人體與其他物體之間發(fā)生放電時(shí)，人便會(huì)遭到電擊。如：生產(chǎn)工藝過(guò)程中產(chǎn)生的靜電所引起的電擊，當(dāng)靜電電壓很高時(shí)，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(chǎn)質(zhì)量

在某些生產(chǎn)過(guò)程中，如不消除靜電，將會(huì)影響生產(chǎn)或降低產(chǎn)品質(zhì)量，造成元件損壞或電子裝置誤動(dòng)作，干擾無(wú)線電通信等。比如，在滌綸、腈綸和錦綸等合成纖維的應(yīng)用過(guò)程中，靜電問(wèn)題就十分嚴(yán)重。在印刷行業(yè)，由于印刷過(guò)程中產(chǎn)生靜電，使印刷時(shí)紙張不齊、不能分開(kāi)，影響工作效率和質(zhì)量。在塑料和橡膠行業(yè)，由于制品和輥軸的摩擦及制品的擠壓和拉伸，會(huì)產(chǎn)生較多靜電，如果不能迅速消散會(huì)吸附大量灰塵，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2 液氫加注過(guò)程中的靜電起電機(jī)理分析

2.1 與靜電有關(guān)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(wěn)定的物質(zhì)，但它與空氣或氧氣組成混合氣體時(shí)，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(shí)的靜電電容約為160 p F放電時(shí)、釋放能量為0.02 mJ時(shí)的最低電壓是500 V）比碳化氫氣體（空氣中：0.25 mJ）低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

卡塞特發(fā)現(xiàn)，液氫的導(dǎo)電率為10－17（Ω·cm）－1，而碳化氫燃料的導(dǎo)電率10－12～10－15（Ω·cm）－1。顯然液氫可以說(shuō)是一種難于導(dǎo)電而容易帶靜電的物質(zhì)。液氫的介電系數(shù)在20℃的溫度下為1.228，而碳化氫燃料例如苯，它的介電系數(shù)在20℃的溫度下為2.28，顯然液氫比碳化氫燃料介電系數(shù)小。由此可見(jiàn) ，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(tǒng)的主要任務(wù)是在規(guī)定的發(fā)射程序中，按一定要求向火箭第三級(jí)加注、補(bǔ)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(duì)液氫車(chē)貯罐氣枕增壓，使液氫由貯罐擠壓加注至貯箱。流量調(diào)節(jié)采用液氫車(chē)貯罐氣枕壓力調(diào)節(jié)和加注管路節(jié)流閥開(kāi)度調(diào)節(jié)的組合流量調(diào)節(jié)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(guò)程中的靜電起電機(jī)理分析

盡管液氫在加注條件下靜電起電的機(jī)理非常復(fù)雜，受到如罐體大小、管道尺寸、液體流動(dòng)形態(tài)、液體的導(dǎo)電率和液體內(nèi)的雜質(zhì)以及管道壁粗糙過(guò)度等內(nèi)在因素，以及溫度、壓力等外部環(huán)境等多方面因素的影響。但是，通過(guò)對(duì)液氫加注系統(tǒng)的組成、工作原理和加注流程分析可以得出液氫加注過(guò)程中的靜電起電機(jī)理。

1）液氫在加注過(guò)程中會(huì)因?yàn)榕c設(shè)備、管道、儲(chǔ)罐，各種閘門(mén)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(guò)程，在一定液面條件下，其靜電起電電位可高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏，一旦超過(guò)安全極限，便會(huì)因?yàn)殪o電放電造成火災(zāi)和爆炸。

2）在液氫的加注過(guò)程中，由于液氫以高速、高壓流過(guò)輸送管道，在管道內(nèi)流動(dòng)摩擦，特別是高速流動(dòng)摩擦容易產(chǎn)生靜電。

3）噴射起電和沖擊起電等復(fù)雜起電過(guò)程，很容易出現(xiàn)快速的靜電積累，液氫在管道內(nèi)產(chǎn)生所謂的沖流電流，沖流電流會(huì)在管道的一端或者接頭部位產(chǎn)生電荷的積累，產(chǎn)生靜電；達(dá)到一定電位時(shí)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(guò)程中，因?yàn)闆_流起電、噴射起電過(guò)程，產(chǎn)生火花放電從而引起爆炸事故。

4）液氫在加注過(guò)程中從噴嘴噴出時(shí)，由于液體集中高速摩擦而往往使噴出的介質(zhì)帶電。噴出的帶電介質(zhì)儲(chǔ)入容器內(nèi)，如果容器不接地，將使容器帶電，從而產(chǎn)生靜電。

5）人體是一個(gè)特殊的靜電系統(tǒng)。人體本身是靜電導(dǎo)體，而與人體緊密聯(lián)系的衣服和鞋、襪常常是由絕緣材料制成的，也就是說(shuō)，人體和大地之間形成了一個(gè)電容器，可以存儲(chǔ)靜電能量。由于某種原因帶上一定量的電荷。無(wú)論是對(duì)微電子器件，還是易燃易爆等場(chǎng)所，人體都是危險(xiǎn)的靜電源。當(dāng)帶電的人體系統(tǒng)接近接地導(dǎo)體時(shí)，就可能發(fā)生靜電放電現(xiàn)象。如果人體靜電放電的能量超過(guò)危險(xiǎn)場(chǎng)所的敏感能量，就會(huì)發(fā)生靜電事故。因此，在火箭液氫的加注現(xiàn)場(chǎng)，人體是非常危險(xiǎn)的靜電源。

3 液氫加注過(guò)程中的靜電防護(hù)措施

防止靜電危害的原則是靜電產(chǎn)生的抑制、加速靜電泄漏及靜電中和，當(dāng)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(jiǎn)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(shè)備應(yīng)可靠接地?；鸺蜏赝七M(jìn)劑液氫加注設(shè)備、管道、儲(chǔ)罐，各種閘門(mén)，通風(fēng)管道上金屬網(wǎng)過(guò)濾以及其他能產(chǎn)生靜電的設(shè)備均應(yīng)牢固接地。引入液氫加注場(chǎng)所的金屬管道，配線的鋼管 、電纜的鋼鎧及金屬包皮，均應(yīng)在場(chǎng)所的進(jìn)口處接地。防靜電接地線，應(yīng)單獨(dú)與接地體或接地干線相連，不能相互串聯(lián)接地。

2）液氫加注金屬管道上的接地線，當(dāng)受到法蘭上填料的絕緣而使電路中斷時(shí)，應(yīng)在法蘭上設(shè)置金屬連接線，并于接地系統(tǒng)可靠連接。

3）液氫的浮動(dòng)式貯罐，其罐頂與罐體之間，應(yīng)用截面不小于25 mm2的軟絞線或銅軟線跨接，且其浮動(dòng)式電氣裝置的電纜，應(yīng)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(diǎn)不應(yīng)少于2處，且接地點(diǎn)的間距不應(yīng)該大于30 m。并應(yīng)在罐體底部周?chē)鷮?duì)稱(chēng)地與接地體連接，接地體應(yīng)連接成環(huán)形的接地網(wǎng)。

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

5）防靜電的接地裝置與電氣設(shè)備接地共用接地網(wǎng)時(shí)，其接地電阻應(yīng)符合電氣設(shè)備接地的規(guī)定；防靜電采用單獨(dú)的專(zhuān)用接地網(wǎng)時(shí)，每一處接地體的接地電阻值，不應(yīng)大于100Ω［3］。

3.2 增加濕度法

濕度對(duì)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(jié)成薄薄的水膜，并溶解空氣中二氧化碳?xì)怏w和絕緣體析出的電解質(zhì)，使絕緣體表面電阻大為降低 ，從而加速靜電的泄漏。干燥環(huán)境中的物體容易帶電，采用噴霧、灑水等方法使環(huán)境相對(duì)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(duì)濕度控制在65% ～75%的范圍內(nèi)是比較合適的。此外 ，當(dāng)含有大量電子和離子的氣體覆蓋在絕緣體表面上時(shí)，也能加速絕緣靜電的泄漏。

3.3 產(chǎn)生抑制法

1）限制輸送速度

控制液氫的流動(dòng)速度可以減少靜電的產(chǎn)生。在液氫加注過(guò)程中，液氫在管路中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)電荷和電荷密度的飽和值與油品流速的平方成正比。流動(dòng)速度越快 ，就越容易產(chǎn)生靜電。因此控制液氫流速是減少液氫加注過(guò)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(shù)，排泄氫的流速控制在0.225 kg／s內(nèi)（注：氫氣設(shè)計(jì)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(chǎn)生。

2）選用適當(dāng)?shù)牟牧?/p>

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(chǎn)生或把位于帶電序列兩極的材料組合起來(lái)使用，以中和靜電。

3）合理的工藝控制

根據(jù)GB 12158—2006《防止靜電通用導(dǎo)則》7.1.2條規(guī)定，當(dāng)兩導(dǎo)體電極間的電位低于1.5 k V時(shí)［4］，將不會(huì)因靜電放電使最小點(diǎn)燃能量大于或等于限值而令氫氣引燃。

在液氫儲(chǔ)運(yùn)裝置中，設(shè)計(jì)一并聯(lián)較大等效電容，降低導(dǎo)體間的電位，使兩導(dǎo)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(jù)不同物質(zhì)相互摩擦能產(chǎn)生不同極性靜電的原理，對(duì)液氫在加注過(guò)程中貯箱、管道、法蘭等能產(chǎn)生靜電的機(jī)械零件進(jìn)行適當(dāng)選擇和組合，使摩擦產(chǎn)生的正、負(fù)電荷在生產(chǎn)過(guò)程中自行中和，破壞其靜電積累的條件。

3.4 減少靜電產(chǎn)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(zhì)等。采用底部加注或?qū)⒐艿姥由熘寥萜鞯滓好嫦隆亩苊庖后w在容器內(nèi)噴濺，減少靜電的產(chǎn)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(chē)頂部加注時(shí)的沖擊，從而減少液氫加注時(shí)產(chǎn)生靜電，這樣做對(duì)液氫表面的電位有一定的效果。

3）采用浸沒(méi)式加注方式，將鶴管伸到車(chē)底，并安裝分流頭，使液氫流出時(shí)不直接沖擊罐車(chē)底部，液氫大部分從液面下流出，保持液面平穩(wěn)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(dǎo)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12014－89的規(guī)定要求。

2）穿導(dǎo)電率高的工作鞋。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4386－95規(guī)定，防靜電鞋的鞋底電阻值為5.0×104～1.0×108Ω；但在實(shí)際工作中，一般規(guī)定導(dǎo)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(lèi)工作帽、手（指）套可選用相應(yīng)的防靜電布料或?qū)щ娎w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(shí)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(yīng)介于105～109Ω之間［5］。

6）工作地面應(yīng)是導(dǎo)電塑料地板、導(dǎo)電混凝土、導(dǎo)電地毯、防靜電地墊或在地面上灑水，來(lái)作為防靜電（導(dǎo)電）地面。因?yàn)榈孛娴撵o電性能在人體靜電防護(hù)中是最關(guān)鍵因素之一，只有這樣，才能收到最佳防靜電效果。

7）工作場(chǎng)所要有地線 、接地板和接地網(wǎng)設(shè)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(guò)程中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)。

1）強(qiáng)化安全教育，增強(qiáng)崗位操作人員責(zé)任意識(shí)和安全意識(shí)。嚴(yán)格執(zhí)行 《防止靜電危害安全規(guī)程》，積極培養(yǎng)崗位操作人員的工作熱情，熟記崗位職責(zé)，高標(biāo)準(zhǔn)地干好本職工作。

2）加強(qiáng)防靜電理論知識(shí)培訓(xùn)教育和考試，提高崗位操作人員的靜電專(zhuān)業(yè)技能。崗位操作人員上崗前必須進(jìn)行系統(tǒng)的靜電危害知識(shí)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，凡是考核不合格者，嚴(yán)禁上崗操作，使持證上崗率達(dá)到100%。

3）按章操作，確保安全。嚴(yán)禁用普通材料 （物品）代替專(zhuān)用防靜電器材，尤其是在相對(duì)濕度小于70%的地區(qū)或干燥的冬季，日常作業(yè)時(shí)必須穿防靜電服、防靜電鞋，在爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所作業(yè)，嚴(yán)禁防靜電服裝與帶化纖材質(zhì)的服裝混穿。

4）加強(qiáng)機(jī)動(dòng)車(chē)輛在液氫加注區(qū)域內(nèi)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(guò)程的安全。

5）針對(duì)液氫的特性，編制靜電事故應(yīng)急救援預(yù)案，成立防靜電事故專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍，每年組織1～2次模擬實(shí)操演練，提高應(yīng)急處理能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

靜電現(xiàn)象在極為廣泛的范圍內(nèi)給人類(lèi)帶來(lái)各種各樣的危害，造成了嚴(yán)重后果，令人十分煩惱和不安。因此，對(duì)靜電危害及其防護(hù)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(shí)出現(xiàn)才能發(fā)生，控制其中的某一環(huán)節(jié)都可以防止事故的發(fā)生。所以只要人們重視靜電，根據(jù)電氣設(shè)備的具體情況，科學(xué)認(rèn)識(shí)和正確掌握靜電危害的過(guò)程和規(guī)律，制訂科學(xué)、嚴(yán)密的加注操作流程，建立先進(jìn)的靜電監(jiān)測(cè)手段和完善的規(guī)章制度，切實(shí)加強(qiáng)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(fā)生的概率，控制靜電帶來(lái)的危害。

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

［2］ 常愛(ài)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(yù)防措施和方法［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2010，21（1）：87-90.

［4］ GB 12158—2006，防止靜電通用導(dǎo)則［S］.

［5］ GJB 3700－2009A，防止靜電工作區(qū)技術(shù)要求［S］.

V555＋.1

A

1008-1542（2011）07-0210-05

2011-06-20；責(zé)任編輯:王海云

裝備預(yù)先研究項(xiàng)目（51317050206）

林義勇（1964-），男，四川江油人，高級(jí)工程師，主要從事航天通信、航天電磁環(huán)境、靜電測(cè)試與防護(hù)技術(shù)方面的研究。