第八章 普通工业安全卫生 第三节静电的危害与消除Word文档格式.docx

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电子转移的结果，使接触面的一侧带正电，另一侧带负电，形成了“双电层”。

“双电层起电概念”不仅能够说明固体与固体界面的静电荷转移问题，而且还能够解释固体与液体、固体与气体、不互溶液体等的接触静电起电问题。

　　2．电阻率

　　物体所带的静电能否积聚，关键在于物质的电阻率。

电阻率分为体积电阻率ρv和表面电阻率ρs两种。

体积电阻率等于单位长度、单位面积的介质电流通过其内部的电阻，单位为Ω·

m（欧·

米）。

表面电阻率是任一正方形对边之间的表面电阻，单位为Ω（欧）。

研究固体带静电用表面电阻率，研究液体带静电则要用体积电阻率。

　　电阻率高的物质导电性差，其多电子的区域难以流失电子，同时本身也难以获得电子。

电阻率低的物质导电性较强，其多电子的区域较易流失电子，本身也较易获得电子。

体积电阻率在106Ω·

m或表面电阻率在107Ω以下者，不将其绝缘起来就不会聚集静电荷，称为静电导体。

体积电阻率在1010Ω·

m或表面电阻率在1011Ω以上者，能聚集大量静电荷，称为静电非导体或静电绝缘体。

体积电阻率在106～1010Ω·

m之间或表面电阻率在107～1011Ω之间者，通常所带的静电量不会很大。

表8—2列出了一些常见物质的体积电阻率。

表8—2常见物质的体积电阻率

　　3．介电常数

　　介电常数亦称为电容率，它同电阻率一起决定着静电产生的结果和状态。

尤其是液体，介电常数大的物质，其电阻率均低。

如果液体的相对介电常数超过20，并有连续相存在，且有接地装置，不论是贮运还是管道输送，一般都不会产生静电。

　　4．静电条件

　　物质产生静电，除与上述物质本身的特性有关外，尚需一定的外界条件。

不同物质间紧密接触、带电体对物质附着或感应，以及物质在电场中被极化，均能产生静电。

（1）接触起电

　　两种不同物质的表面紧密接触，其间距小于25×

10－8cm时，就会产生电子转移，形成双电层。

如果两个接触表面分离得十分迅速，即使是导体也会带电。

　　摩擦能够增加物质的接触机会和分离速度，促进静电的产生。

如物质的撕裂、剥离、拉伸、压碾、撞击，以及生产过程中物料的粉碎、筛分、滚压、搅拌、喷涂、过滤等操作，均存在摩擦的因素。

对于上述过程，应特别注意静电的产生与消除。

（2）附着起电

　　极性离子或自由电子附着到对地绝缘的物质上，也能使该物质带电或改变其带电状况。

　　（3）感应起电

　　置入电场中的导体在电场作用下，会出现正、负电荷在其表面不同部位分布的现象，称为感应起电。

如果该导体与周围绝缘则将产生电位。

由于导体带有电位，并有分离开来的电荷，因此，该导体有可能发生静电放电。

　　在加工有静电起爆危险的物品时，不允许有人在操作者背后走动。

因为人走动可能带电，带电的人在操作者背后走动时，操作者的手有可能对接地危险品放电。

或者操作者对地放电后，背后带电的人一离开，操作者就变为孤立的带电体，也有可能发生静电放电。

　　（4）极化起电

　　静电非导体置入电场中，其内部或外表不同部位会出现正、负相反的两种电荷，称为极化作用。

工业生产中，由于极化作用而使物体产生静电的情况很多。

如带电胶片吸附灰尘，带静电粉料粘附在料斗或管道中不易脱落，以及带静电的印刷纸张排不整齐等等。

　　二、物质和人体静电的带电过程

　　1．固体静电

　　绝缘材料越来越多地用于设备、机械、管道和构件等的生产和加工工业中。

这些绝缘材料的体积电阻率或表面电阻率一般都超过1012Ω·

m或1012Ω。

电荷在其上能保持相当长的时间。

绝大多数合成聚合物都属于这类材料。

　　这些绝缘材料很容易通过接触起电而带电。

例如，流经塑料管道的粉体流或液体流，以及薄膜材料在金属滚筒上的传送等。

接触表面由于摩擦而产生大量电荷。

此外，当带电的粉体或液体流人绝缘容器时，使容器也带上静电。

绝缘体电阻率很高，以至其能保持的最大电荷量不是由传导性决定，而是由带电表面附近大气的击穿强度决定。

不接地的金属导体和不接地的人体靠近带电绝缘材料时，都能被感应而带电。

　　2．液体静电

　　可以用双电层起电的概念解释液体的带电。

液态物料刚进入管道，处于静止状态，液体与管道之间，按其固有性质在接触界面上形成双电层，此时液体的电子转移到管道内壁。

液体流动时，在湍动冲击和热运动作用下，部分带电荷的液体分子进入到液体内部。

当这些带电液体分子离去时，管道内壁被双电层束缚的电子，将成为自由状态。

由于同性相斥，这些电子将聚集到管道外侧，内壁留出中性位置，可让后来补充的中性液体建立新的双电层。

　　如果管道是导体且接地，则管道外壁多余电子将导入大地。

在液体输送过程中，上述情况不断发生，在管道出口流出带电液体的同时，在接地线上亦将流出同量的电子。

随液体流动的电荷称为冲流电流，其大小与液体介质和管道的固有性质有关。

液体的流速和管道直径是影响冲流电流的最重要的因素，杂质也有一定的影响，而温度和湿度的影响不大。

　　当管道为非导体材料时，液体流入管内，同样能建立双电层。

但因湍动冲击留在管内壁上的电荷，不像导体材料管道那样，可以很快聚集到管外壁和导走。

这样就限制了新双电层的建立，以至限制液体静电的产生量。

管内壁建立了一层带电层后，在强电场的作用下，由于极化作用，管外壁也会呈现电性，其电性强弱与液体流速有关。

绝缘管道外壁的极化束缚电荷本身，虽然对外放电危险不大，但能使附近导体产生感应静电，也应加以注意。

　　液体除了管道流动带电外，还有沉降起电、溅泼起电、喷射起电等三种其他带电形式。

两种不互溶液体置于一起，由于密度不同，将发生沉降式相对运动。

不同分子间的接触和分离，会使其带有不同极性的电荷。

固、气相杂质在液体中沉降、搅动同样会产生静电。

　　液体在溅泼时会形成部分雾滴，当其与空气中灰尘接触分离时，会使雾滴带上静电。

当雾滴碰到物体时，借助滚动的惯性，将与和物体接触建立的双电层分离，带走电荷而使液滴带上静电。

　　当液体由喷嘴高速喷出时，液体与喷嘴紧密接触后迅速分离，接触界面会形成双电层，分离时液滴将电荷带走，引起喷射起电。

如二氧化碳灭火器在喷射时，固体二氧化碳和小水滴会带上电荷。

　　3．粉体静电

　　粉体大量产生接触静电。

只要粉体与不同的表面接触，例如在搅拌、研磨、筛分、倒入过程中，以及在气流输送过程中，都可能起电。

悬浮在空气中的粉体所携带电量不会超过某一限值，因为在此限值以上，颗粒表面的电场强度足以使周围空气电离，从而将电荷泄漏掉。

对于完全分散的粉粒，其能保持的最大表面电荷密度为10μC·

m－2（微库米－2）。

　　单位质量粉体携带的电荷称为荷质比。

荷质比是描述粉体静电现象的重要参数之一。

对于球形粉粒，荷质比由下式给出：

　　　　（8—11）

　　式中q为荷质比，μC·

kg－1；

σ为表面电荷密度，μC·

m－2；

ρ为粉粒密度，kg·

m－3；

r为粉粒半径，m。

　　对于悬浮在空气中完全分散的粉体，当σ接近10μC·

m－2时，即达到最大荷质比。

所以粒度较小的粉体能携带较大的电荷量。

根据体电阻率，粉体可以分为以下三种类型：

（1）低电阻率粉体，体积电阻率在约108Ω·

m以下的粉体，例如金属粉末；

（2）中电阻率粉体，体积电阻率大致在106～1012Ω·

m之间的粉体，例如许多有机粉体；

　　（3）高电阻率粉体，体积电阻率在约1012Ω·

m以上的粉体。

　　实际上，低电阻率粉体很少存在，即使金属粉体，其氧化膜也能使其体电阻率增大到可按中电阻率考虑。

高电阻率粉体所产生的电荷量与其迁移状态有很大关系。

迁移状态是指粉体处于悬浮状态还是半结块状态。

当粉体成块状时，即使与接地金属接触，也能将其电荷保持数小时甚至数天。

　　4．气体静电

　　纯净气体或气体混合物的运动产生的静电量是很小的。

但是悬浮在气体中的液滴或固体颗粒能够产生和携带较多的静电电荷。

这些粒子可能是外部物质，也可能是气体本身的凝聚物。

因此，在压缩、排放、喷射气体时，在阀门、喷嘴、放空管或缝隙，易产生静电。

　　5．人体静电

　　人体的体积电阻率很低，可视为导体。

当人体穿着绝缘鞋或站在绝缘地板上时，人体能够通过接触起电而带电。

人体也能通过感应而带电，还能与其他带电体接触而被传导带电。

最为常见的是穿着的衣物带电。

下面介绍一些常见的人体带电过程。

　　人体从椅子上站立起来或擦拭墙壁等过程，最初的电荷分离发生在衣物和其他相关物体外表面，之后人体由感应而带电。

人体在高电阻率的地毯等绝缘地板上走动，最初的电荷分离发生在鞋和地板之间，而后，对于导电鞋，人体由电荷传导而带电；

对于绝缘鞋，人体则由感应而带电。

脱下外衣时的人体带电，是发生在外层衣物和内层衣物之间的接触起电，人体则通过传导或感应而带电。

液体或粉体从人拿着的容器内倒出，接触起电带上静电的容器，使人通过传导或感应而带电。

与带电材料接触，如在高度带电粉体取样时的带电。

　　三、静电的危险与危害

　　1．静电的危险性

（1）静电电量与电压

　　绝缘体带电后由于材料本身的高电阻而使电荷保持在绝缘体中；

被绝缘的导体也使电荷保持在导体上。

通常情况下，纯净气体是绝缘体，因此，悬浮状态的粉尘云、液滴云或雾都能将其电荷保持很长时间而与自身电阻率无关。

　　电荷会以一定的速率泄漏，泄漏速率由系统的电阻决定。

因此，系统的危险性直接取决于其电阻。

静电泄漏是按指数律进行的。

其电量Q随时间的变化可表示为

　　　　（8—12）

　　式中Q0为泄漏开始前的电量，C（库）；

R为泄漏电阻，Ω；

C为带电体电容，F（法拉）；

t为泄漏时间，s。

　　带静电物体表面具有一定的电位U，其大小与电量Q、物体分布电容C及对地距离d有关，其关系如下

　　　　（8—13）

　　式中K为常数。

　　由上式可见，当电量一定时，改变电容可以获得很高的电压。

如两物接触，其间距最小可达10－7cm，界面上形成的双电层的接触电势只有10－3～10－1V。

如果把距离拉大到1cm，两者之间的电压可升高到104～106V，即达到100万V之高。

所以静电的电量虽然不大，却可以得到很高的电压，因此是很危险的。

（2）静电放电

　　积聚在液体或固体上的电荷，对其他物质或接地导体放电时可能引起灾害。

火花放电、电晕放电、刷形放电、场致发射放电及雷形放电是几种常见的静电放电形式。

　　火花放电是发生在液态或固态导体之间的放电。

其特征是有明亮的放电通道，通道内有密度很高的电流，使其中的气体完全电离。

放电很快且有很响的爆裂声。

两导体之间的电场强度超过击穿强度时，就会发生火花放电。

因为发生放电的是导体，所有电荷几乎全部进入火花，即火花几乎消耗掉所有的静电能量。

　　当导体上有曲率半径很小的尖端时，即发生电晕放电。

电晕放电不一定指向某一特定方向。

电晕放电时，尖端附近的场强很强，尖端附近气体发生电离，电荷可离开导体；

而远离尖端处场强急剧减弱，电离不完全，只能形成微小电流。

电晕放电的特征是伴有嘶嘶的响声，有时有微弱的辉光。

　　刷形放电发生在非导体和导体之间，是自非导体上的许多点发出短小火花的放电。

火花是由非导体表面能够流入其中的电荷引起的。

其放电总体经常有刷子似的形状。

刷形放电的局部能量可能具有引燃能力。

　　场致发射放电是从物体表面发射出电子的放电。

其放电能量很小，因此，只有涉及敏感度很高的易爆物品时，才具有危险。

　　当悬浮在空气中的带电粒子形成大范围、高电荷密度的电荷云时，会发生闪雷状的所谓雷形放电。

受压液体、液化气高速喷出时，可能发生雷形放电。

雷形放电能量很大，引燃危险也很大。

　　（3）静电引燃

　　静电引燃一般分为导体放电引燃、非导体放电引燃、空间电荷放电引燃三种类型。

导体放电通常是火花放电。

火花能量与导体积蓄的静电能量基本相等，即发生火花放电时，静电能量全部用于引燃。

因此，可以用混合物的最小引燃能量作为引燃界限。

如果用导体的电位或电量表示，其引燃界限分别为

　　及　　

　　　　（8—14）

　　式中Wmin为最小引燃能量，J；

C为放电导体间的电容，F。

　　非导体放电一般是电晕放电和刷形放电。

一次放电只能释放带电体积蓄，的部分能量。

因此，很难确定准确的引燃界限。

对于电晕放电和刷形放电，最小引燃能量在0．01mJ以下的混合物，如氢和氧的混合物，引燃界限约1kV；

最小引燃能量在0．01～0．1mJ之间的混合物，如氢、乙炔与空气的混合物，引燃界限约为8～10kV；

最小引燃能量在0．1～1mJ之间的混合物，如大部分可燃气体或蒸气与空气的混合物，引燃界限约为20～30kV；

最小引燃能量在1mJ以上的混合物，一般为粉尘混合物，引燃界限约为40～60kV。

在电荷分布不均匀，非导体内有低电阻率的带静电的局部，带电体附近有接地导体，或带电情况变化较大的情况下，应降低引燃界限。

　　对于空间电荷放电的情形，最小引燃能量在0．1mJ以下的混合物，其引燃界限很低，电晕放电即认为是危险的。

最小引燃能量在0．1～1mJ之间的混合物，直径在0．7m以上的空间电荷云，可将平均电场强度1kV。

cm－1作为引燃界限。

对于直径在1．5m以上的空间电荷云，可将平均电场强度3～5kV·

　　（4）静电生理效应

　　人体放电时，人能感觉到的最小火花能量大约为1mJ。

静电放电时，不同的人生理效应是不同的。

例如，有些人10mJ能量就可引起肌肉收缩而不适；

另一些人承受数百毫焦耳的静电而无严重的肌肉收缩。

1000mJ对于很多人都具有强烈作用。

对于使人失去知觉的放电，其能量估计为数百焦耳。

　　绝大多数情况下，人体静电放电能量都低于100mJ，所以生理上严重电击是很少的。

但不应忽略放电时的肌肉反应会引起二次事故。

例如，由于人碰掉工具或跌倒引起事故。

　　2．静电的危害

（1）固体静电危害

　　在工业上，绝缘材料的带电会使生产不能顺利进行。

例如，印刷业纸张的相吸、纺织业纺丝的不整齐等。

更为严重的是在有可燃气体的场合，静电放电可成为引燃或引爆的点火源。

绝缘材料的表面放电一般是刷形放电，刷形放电能够引燃最小引燃能量在4mJ以下的可燃混合气体。

　　绝缘材料在进行加工和各种生产时，极易带电。

例如，薄膜往卷轴上卷绕时，绝缘材料管道内输送粉体、液体物料时，都会使绝缘材料带电。

如果发生放电即可引燃可燃混合气体。

此外，靠近带电绝缘材料的不接地的导体和不接地的人体，都会因感应而带电。

带电的导体或人体发生火花放电时，将其储存的能量全部释放出来，也是十分危险的。

（2）液体静电危害

　　液体带电时，其内部和周围空间会有电场存在。

当场强足够高时，就会发生放电。

在一般情况下，液体内部的放电没有引燃的危险，但可以引起化学变化。

这些变化能改变液体的性能或引起有关设备的腐蚀。

液体在空气中的放电则有引燃的危险。

油罐内液面与接地罐壁或其他金属构件之间的场强超过击穿强度时，即发生放电。

放电能量的大小及引燃的可能性，很难估计。

　　对地电阻在106Ω以上的导体或非导体，在带电液体作用下可以带电。

一旦发生放电，危险性极大。

例如，电阻率较大的液体流经绝缘导体时，绝缘导体会由于与液体摩擦，或由于带电液体电荷的传递等而产生电荷。

带电液体倒人不接地的金属罐时，由于感应或电荷的转移而使绝缘的金属罐带电。

浸在带电液体中的金属构件，其电位与其所处位置的液体电位相等。

带电云雾向物体上的喷射，如气漏旁边的不接地物体，会使物体带电。

由上述可见，放置在带电液体周围的孤立物体可以带电，而且十分危险。

　　（3）粉体静电危害

　　当粉尘云中带电粒子产生的场强足够高时，就会发生粉尘云内部放电或粉尘云对大地的放电。

粉尘云放电引燃危险较小。

粉尘云放电可引燃非常敏感的混合物，如悬浮的微细粉尘或可燃混合气体。

　　随着粉体结块的形成，电荷密度和场强增大，发生静电放电的几率增加。

对于中电阻率的粉体，只要粉体处于接地金属容器内，绝大多数静电会被泄漏掉。

在这种情况下，粉体表面放电引燃的危险性较小。

但在非导体容器内，电荷泄漏缓慢得多，对大地放电引燃的危险性较大。

　　无论容器是否导电，高电阻率粉体的电荷，都不会通过容器传导泄漏掉。

在粉粒和容器壁之间，常发生低能空气放电。

在大容器中，可能出现长距离放电，有较大的引燃能力。

　　粉体处理系统中的绝缘导体很容易通过接触而起电。

如输送粉体流的绝缘金属管道，可以达到很高的电位，能够对地产生大能量的火花放电。

将粉体倒入一个没有接地的容器，可导致容器的火花放电，放出的电量与容器内积累的电荷总量相当。

　　在有些粉体操作中，如取样等，人体与粉体需紧密接触。

如果操作人员处于非接地状态，由于感应或电荷传递，人体能带上数量可观的电荷。

　　（4）气体静电危害

　　不论是大型工业吸尘器管嘴的带电，还是细小物品气动输运系统中管道带电，除非设备由金属制成并保持接地，否则可能会导致可燃气的引燃和人体的强电击。

粉体的气动输送作为气体携带电荷的特例，还具有前述粉体静电的特点。

　　任何含有颗粒物质的压缩气体的逸出和排放都具有潜在危险。

例如，从进出气口、阀门或法兰漏缝处喷出带有水珠或锈末的压缩气体时，均可产生危险的静电。

所以，装放最小引燃能量很低的气体如氢或乙炔与空气的混合气体时，只要这些气体含有颗粒物杂质，装放时就应格外谨慎。

　　液化二氧化碳的释放，会产生气体和二氧化碳干冰的混合物。

这种混合物高度带电，在喷嘴上及气体撞击的绝缘金属导体上，曾测得高达几千伏的静电电压。

因此，当把二氧化碳用作惰性气体时，如果不采取适当的防范措施，就可能产生灾害。

　　（5）人体静电危害

　　在现代工业中，不乏人体静电引发燃烧爆炸的事故案例。

如某家具厂静电喷漆室，操作人员穿橡胶底运动鞋操作使人体带电，当操作者接触设备时发生静电放电，导致洗涤油槽发生火灾。

对于最小引燃能量小于100mJ的可燃混合气体，对人体放电应采取防范措施。

　　在工业生产中，操作人员经常与带电材料接触会产生静电积累，当与接地设备接触时，会产生静电放电。

人与金属间放电火花的能量可达．2．7～7．5mJ，这不仅可以引爆爆炸性混合物，而且会给放电人员带来痛苦的感觉。

　　在许多情况下，衣物能够带电。

如果人体接地，衣物一般不会发生严重的火花放电。

除了最小引燃能量很低的场合，例如氧气很充足或处理易爆物的场合，人体放电没有危险性。

然而，若特一件衣服脱去，其上的电荷将容易保留且容易发生危险的火花放电。

　　四、静电的预防与消除

　　1．防静电基本原则

　　静电引发火灾或爆炸的五个必不可少的条件：

（1）要有产生静电荷的条件；

（2）具备产生火花放电的电压；

　　（3）有能引起火花放电的合适间隙；

　　（4）电火花要有足够的能量；

　　（5）在放电间隙及周围环境中有易燃易爆混合物。

　　只要消除上述五个条件中的一个，就可达到防止静电引发燃烧或爆炸危害的目的。

由此可以确定消除静电危害的基本途径。

消除静电危害的五项基本对策：

（1）从工艺改进着手尽量少产生静电；

（2）利用泄漏导走的方法迅速排除静电；

　　（3）利用中和电荷的方法减少静电积累；

　　（4）利用屏蔽的方法限制静电产生危害；

　　（5）改变生产环境，减少易燃易爆物的泄放。

　　静电火花放电可以把电能转化为热能，但只要静电能量小于周围危险物质的最小引燃能量，就不会有燃烧爆炸危险。

所以可以把引燃界限作为防止静电危害的安全标准。

　　如果带电体为静电导体，用导体的电位和电量表示安全界限，依据式（8—14），可有

　　及　　

　　（8—15）

　　静电非导体的静电带电无规律，且不能像导体那样把静电能量一次放尽，因此难以订出安全标准。

但电位达到30kV的带电体，空中放电能释放出数百μJ的能量。

可以以此提出判断的参考值。

最小引燃能量为数+μJ的物质，带电体电位应在1kV以下，面电荷密度应在10－7C·

m－2以下，体电荷密度应在10－5C·

m－3以下；

最小引燃能量为数百μJ的物质，带电体电位应在5kV以下，面电荷密度应在10－6C·

m－3以下。

　　2．改进工艺控制静电产生

　　改进工艺是指从工艺过程、材料选择、设备结构、操作管理等诸方面采取措施，控制静电的产生，使其不致达到危险程度。

　　在原料配方和结构材质方面应该进行优选，尽量选取不易摩擦或接触起电的物质，减少静电的产生。

在有爆炸、火灾危险的场所，传动部分为金属材料时，尽量不采用皮带传动；

设备、管道应光滑平整、无棱角，管径不宜有突变部分；

物料输送时，应放缓速度，并且应控制物料中杂质、水分的含量，以免静电的产生。

　　输送固体物料所用的皮带、托辊、料斗、倒运车辆和容器等，都应采用导电材料制造并接地。

使用中要保持清洁，但不得用刷子清扫。

输送中要平稳，速度应适中，不能使物料滑动或振动。

输送液体物料，主要是通过控制流速限制静电的产生。

当输油管线很长不适于限制流速时，可在油品进入贮罐前经过一段管径较大的缓冲区，以消除油品中的静电。

输送气体物料，应先通过干燥器和过滤器把其中的水雾、尘粒除去。

在液体喷出过程中，喷出量要小、压力要低，管路应经常清扫。

　　液体装罐前，应清除罐中积水和不接地的金属浮体。

装液时，不应混入空气、水分和各种杂物。

直接从上方倾入液体时，应沿器壁缓慢倾入。

液体流经过滤器，其静电量会增加10～100倍。

应尽量少用过滤器。

对于输送氢、乙炔、丙烷、城市煤气和氯等气体物料，不宜使用胶皮管，应采用接地金属管。

　　3．静电的泄放消散

　　静电的泄放消散是在生产过程中，采用空气增湿、加抗静电添加剂、静电接地和保证静止时间的方法，将带电体上的电荷向大地泄放消散，以期达到静电安全的目的。

一般认为，带电体任何一处对地电阻小于106Ω时，则该带电体的静电接地是良好的。

所以，降低带电体对地电阻，是排除静电的重要方法。

　　空气增湿可以降低静电非导体的绝缘性，湿空气可在物体表面覆盖一层导电的液膜，提高静电荷经物体表面泄放的能力，即降低物体的泄漏电阻，把所产生的静电导入大地。

增湿的具体方法可采用通风调湿、地面洒水、喷放水蒸气等方法。

空气增湿不仅有利于静电的导出，而且还能提高爆炸性混合物的最小引燃能量，有利于防爆。

　　在工艺