静电放电是引发火炸药燃烧爆炸事故的重要致灾源, 某军工企业曾经在单基发射药混同工序由于静电放电造成了27人死亡的严重事故^[1]。料仓作为事故高发设备, 防止其静电放电是重要研究方向。料仓的静电放电有两种, 一是料仓的火花放电, 可通过接地消除该风险。二是粉堆场强超过空气击穿阈值的锥形放电, 可通过实时获取静电场强, 并限制其不超过空气击穿阈值消除该风险。

静电场强的获取方法有两种, 一是静电场强监测方法, 有学者对奥克托今(HMX)的静电进行了监测^[2]研究, 但尚未见到监测准确性、有效性的研究报道。二是孙可平等^[3]提出的以电荷量为参量、仿真计算为手段的方法, 其关键是静电电荷量的监测。电荷量的监测有法拉第筒法和感应电流积分法。法拉第筒法已应用多年, 许多学者采用该方法测量了含能材料的静电电荷量^[4-6]。感应电流积分法是作者研究开发的^[7], 通过测量料仓内壁的感应电流, 并对其积分, 根据$Q = \int_0^t {I{\text{d}}t} $, 得到粉体的电荷量。上述两种方法测试数据的一致性和安全性, 尚未见到报道。

本研究设计并建立了实验装置, 采用代用材料方式, 对静电场强监测、法拉第筒和感应电流积分静电电荷量监测三种方法进行了对比实验, 开展了数据准确性、监测系统安全性、静电放电风险判定的可靠性分析研究, 得出适用于火炸药研制生产过程的静电带电监测方法, 为防止火炸药粉体放电提供监测手段。

实验装置包括三个部分:滑槽、料仓、10只静电场强传感器, 组成如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 静电场强监测实验装置示意图 1—粉体容器, 2—滑槽, 3—料仓, 4—静电场强传感器 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

滑槽用于粉体的静电起电, 材料采用304^#不锈钢, 长度1000 mm, 宽度300 mm, 倾斜角度0~60°连续可调; 料仓为单层结构并直接接地, 用于经滑槽带电的粉体堆积储存, 材料采用304^#不锈钢, 直径300 mm, 高度300 mm, 在其侧壁和底部分别等距设置由大孔径绝缘网封堵的4个测量孔, 孔直径30 mm, 每个测量孔处均安装传感器, 料仓内部安装的传感器, 一只为固定安装方式, 距底部距离为300 mm, 另一只为移动式, 始终保持与粉堆表面10 mm的距离。传感器为兵器工业静电检测中心研制, 测量方式为非接触式, 场强监测范围为10~100000 kV·m^-1, 直径10 mm, 其标定测量距离10 mm。

为保证实验结果的可靠性, 实验装置建立在人工环境实验室内, 温度为18~22 ℃, 湿度为30%RH~40%RH。同时实验前对测试装置进行擦拭、清洗并保持干燥。

由于在实验过程中可能发生静电放电, 为保障实验安全, 样品选取与典型火炸药绝缘电阻、起电规律相近的代料进行, 由于场强分布决定于电荷量和设备尺寸, 代料不影响实验结果, 代料为聚氯乙烯粉体, 粉体直径3~5 mm, 体积电阻率10¹⁴Ω·m。为保证粉体物料起电不受粉体水分影响, 实验前将样品在50 ℃烘干箱内烘干5 h, 然后再存放于人工环境实验室内24 h后进行实验。

将13 kg试验样品加入滑槽上方的容器中, 打开容器闸门, 使粉体均匀流入滑槽, 经摩擦带电后进入料仓形成堆积, 在粉体堆积高度h分别为25, 50, 100, 125, 150, 200 mm时, 记录固定安装和可移动式传感器的测量值; 在粉体堆积高度h为200 mm时, 记录10只传感器的测量值。按上述方法重复10次实验。

法拉第筒与感应电流积分两种静电电荷量监测方法对比实验装置如图 2所示。

图 2(Fig. 2)

图 2 静电电荷量监测实验装置示意图 1—电容表, 2—紫外光成像仪, 3—接触式静电电压表, 4—法拉第筒料仓, 5—电荷量表, 6—滑槽双分支Ⅰ, 7—滑槽双分支Ⅱ, 8—电压表, 9—粉体质量测量系统, 10—低电阻接地料仓, 11—感应电流积分静电电荷量测试仪, 12—计算机 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

双分支式滑槽用于摩擦起电, 且保证分别进入法拉第筒料仓和低电阻接地料仓的粉体物料经历相同的流动距离, 满足相同的静电起电条件, 材料采用304^#不锈钢, 长度分别为1000 mm, 宽度300 mm, 倾斜角度0~60°连续可调。法拉第筒料仓用于收集经滑槽分支Ⅰ的粉体, 并连接至电荷量表进行静电电荷量监测, 材料采用304^#不锈钢, 外筒直径400 mm; 内筒直径300 mm, 内筒接地电阻>10¹⁴Ω, 与电荷量表之间由屏蔽电缆连接, 料仓下部安装粉体质量测量系统, 用于实时监测进入料仓的粉体质量, 测量范围0~100 kg。低电阻接地料仓用于收集经滑槽分支Ⅱ的粉体, 并连接至感应电流积分静电电荷量测试仪进行静电电荷量监测, 为双层结构, 材料采用304^#不锈钢; 外筒接地, 直径400 mm; 内筒直径300 mm, 接地电为1 kΩ, 料仓下部安装粉体质量测量系统, 用于实时监测进入料仓的粉体质量, 测量范围0~100 kg。接触式静电电压表用于测量法拉第筒料仓内筒的电压, 型号为Q₃V, 测量范围3~100 kV。感应电流积分法电荷量测试仪为作者自行研制^[7], 测量范围为1 nC~100 μC。电容表用于测量料仓的电容, 型号为LC型, 测量范围1 pF~200 μF。电压表测量范围0.01~100 V, 用于测量低电阻接地料仓的电压。紫外光成像仪为Doycar型, 光谱范围200 mm~400 nm。

为保证实验结果的可靠性, 实验环境温度、湿度与静电场强监测实验相同, 并对电容表、接触式静电电压表进行标定。

采用与静电场强监测实验相同的代料样品及前处理方法。

采用电容表测量法拉第筒电容值并进行记录, 然后将26 kg试验样品注入滑槽上部的储存料斗中, 打开放料闸门, 使粉体均匀流经滑槽的两个分支后分别流入法拉第筒料仓和低电阻接地料仓, 在料仓中粉体粉体质量为1, 2, 4, 6, 8, 10, 12 kg时, 进行数据记录。记录Q₃V的测量电压, 根据Q=CU,计算获得法拉第筒料仓粉体的静电电荷量, 当粉堆高度为200 mm, 采用一个直径为10 mm的接地金属球靠近并接触内筒, 用紫外成像仪拍摄放电图像, 并根据W=CU, 计算法拉第筒料仓可能发生的火花放电能量; 记录感应电流积分静电电荷量测试仪数据, 获得低电阻料仓中粉体的静电电荷量, 记录电压表测量值, 获得该料仓的电压值。重复10次上述实验并记录数据。

粉体堆积高度h分别为25, 50, 100, 125, 150, 200 mm时, 固定安装和可移动安装方式静电场强监测数据10次平均值, 结果如图 3所示。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同方式监测的静电场强 Fig.3 Electrostatic field strength obtained by difference monitoring mode

由图 3可见, 不同的粉堆高度, 传感器固定安装方式获得的场强数值均远远低于可移动方式的测量值, 如在料仓中粉堆高度为100 mm时, 可移动方式的测量值为1540 kV·m^-1, 而固定安装方式的测量值为80kV·m^-1, 两者相差近20倍; 在料仓中粉堆高度为200 mm时, 可移动方式的测量值为2160 kV·m^-1, 而固定安装方式的测量值为460 kV·m^-1, 两者相差近5倍。原因是由于静电场强传感器是非接触式测量, 当粉堆表面电位U为一定值时, 根据U=Ed, 场强的数值与传感器和粉堆之间的距离密切相关, 当两者距离为标定距离时, 测量值应为真实场强, 距离增大时, 测量值将小于真实值。可移动方式传感器始终保持与粉堆表面距离为标定距离, 其测量数据应为真实场强; 而当粉堆高度分别为100 mm和200 mm时, 固定安装方式传感器距粉堆表面的实际距离分别为200 mm和100 mm, 远大于标定距离, 因此测量数据小于真实场强, 固定安装场强传感器的方式不能实现对静电场强的准确测量。

粉体堆积高度为200 mm时, 粉堆表面、料仓侧壁和底部的静电场强10次平均值的实验结果见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 可移动方式监测不同部位的静电场强 Tab. 1 Electrostatic field strength of moved mode monitoring at different position position field strength/kV·m-1 surface 2160 side 12614 bottom 14709

表 1 可移动方式监测不同部位的静电场强 Tab.1 Electrostatic field strength of moved mode monitoring at different position

由表 1可见, 在料仓中粉堆高度为200 mm时, 静电场强在粉堆表面、料仓侧壁和底部出现不同的分布规律和数值, 最大静电场强值出现在料仓底部, 粉堆表面的静电场强仅为料仓底部场强的1/7。

这是因为根据静电场强叠加原理:点电荷系电场中某点总场强等于各点电荷单独存在时在该点产生的场强矢量和。将料仓内每个粉体颗粒看作是点电荷, 料仓内粉体点电荷的总量相等, 但距粉堆表面、料仓侧壁和底部的距离不同, 且料仓侧壁和底部为接地金属物, 将引起场强畸变, 导致料仓中底部场强最大、表面场强最小。因此如果仅在粉堆表面安装静电场传感器, 将不能实时监测到料仓中某处可能出现的最大场强, 该种安装方法对于判定静电放电风险存在重大隐患。

采用法拉第筒法和感应电流积分法对粉体静电进行测量, 结合质量监测数据, 重复10次平均值的实验结果见表 2。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同方法监测的静电电荷量 Tab. 2 Electrostatic charge quantity of difference mode monitoring Faraday cylinder method induced current integral charge quantity monitoring method M/kg Q/μC (Q/M) /μC·kg-1 M/kg Q/μC (Q/M) /μC·kg-1 1.00 0.81 0.81 0.90 0.72 0.81 2.10 1.65 0.81 2.40 1.94 0.81 3.80 3.00 0.79 4.00 3.15 0.79 6.00 4.86 0.81 5.70 4.62 0.81 8.10 6.49 0.80 8.60 6.86 0.80 10.20 8.17 0.80 9.80 7.84 0.80 12.10 9.80 0.81 11.90 9.65 0.81 Note: M is the mass of powder; Q is the charge of powder; Q/M is the charge-mass ratio.

表 2 不同方法监测的静电电荷量 Tab.2 Electrostatic charge quantity of difference mode monitoring

由表 2可见, 两种监测方法均可实时监测料仓中粉体的静电电荷, 静电电荷量随粉体质量的增加呈现线性增长; 当料仓内粉体集聚到一定质量时, 读取两个料仓的测量数据, 此时进入两个料仓的粉体质量略有差别, 静电电荷量也相应变化, 换算成荷质比, 则两者完全相同, 说明两种监测方法均可准确、实时地监测静电电荷量。

法拉第筒料仓的电容为190 pF, 当粉堆高度为200 mm, 两个料仓的静电电压测量结果见表 3, 采用接地金属球靠近法拉第筒料仓, 用紫外成像仪拍摄的放电图像见图 4。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同料仓内筒的静电电压 Tab. 3 Electrostatic voltage of inner cylinder for difference storage bin measurement of Faraday cylinder Measurement of low resistent current mass of powder/kg voltage of inner cylinder/V mass of powder/kg voltage of inner cylinder/V 1.00 4263 0.90 0.02 2.10 8684 2.40 0.03 3.80 15790 4.00 0.05 6.00 25580 5.70 0.07 8.10 34160 8.60 0.08 10.20 43000 9.80 0.1 12.10 51500 11.90 0.1

表 3 不同料仓内筒的静电电压 Tab.3 Electrostatic voltage of inner cylinder for difference storage bin

图 4(Fig. 4)

图 4 法拉第筒内筒火花放电紫外成像 Fig.4 Faraday inner cylinder spark discharge ultraviolet imaging

由表 3可知, 法拉第筒料仓内筒的电压最高可达50000 V以上, 而低电阻接地料仓内筒电压最高仅为0.1 V。当有接地体靠近两者时, 法拉第筒料仓内筒发生了火花放电, 图 4是当粉堆高度为200mm时捕捉到的火花放电图像。此时根据放电能量计算公式$W = \frac{1}{2}C{U^2}$, 经计算火花放电能量达到237.5 mJ, 而大多数火炸药的最小静电点火能为0.01~100 mJ^[8], 该放电足以引起火炸药燃烧爆炸。而相应的低电阻料仓内筒不会发生静电放电。因此, 法拉第筒法监测方法由于内筒绝缘电阻大, 产生的静电电压高, 火花放电产生的能量已超过大多数火炸药的最小点火能, 存在燃烧爆炸危险, 不适用于火炸药研制生产过程中的静电灾害预警监测, 而感应电流积分法具有较好的安全特性。

(1) 采用代用材料实验结果表明, 采用粉堆表面安装固定式静电场强传感器的监测方式, 当粉堆高度为100 mm时, 监测值与真实场强相差近20倍; 粉堆高度为200 mm时, 两者相差近5倍。粉堆高度为200 mm时, 粉堆最大场强出现在料仓底部, 粉堆表面监测到的场强为底部场强的1/7。因此, 目前火炸药生产过程中采用的在粉堆表面安装固定式静电场强传感器的监测方法, 不能准确监测到粉堆的真实场强数据、不能获取到最大场强, 从而不能可靠判定静电放电风险。

(2) 法拉第筒法和感应电流积分法两种监测方法测量数据基本相同, 说明两种监测方法均可准确、实时地监测料仓中粉体的静电电荷量。

(3) 采用法拉第筒法进行静电电荷量监测时, 当粉堆高度为200 mm时, 料仓发生火花放电的能量达到237.5 mJ; 而采用电流积分法监测时, 料仓最大电位仅为0.1 V。因此采用法拉第筒法进行静电电荷量监测存在燃烧爆炸危险, 不适用于火炸药研制生产过程中的静电灾害预警监测。感应电流积分法具有较好的测量特性及安全性, 适用于火炸药研制生产过程中的静电灾害监测预警。