加油站用塑料管静电点火危害
摘要：加油站突发的静电点火与使用埋地，非导电（绝缘）塑料燃料管道有关。这些事件发生概率不大，通常只涉及轻微的闪光火灾，但是有更严重的可能，预防这些事件是比较谨慎的做法。
本文分析了在加油站使用非导电塑料管相关的静电过程，以确定什么点火机制是合理的。为了达到这个目的，需要考虑典型事件的细节以及电压的测量结果，观察汽油处理中记录的流动电流的典型扩展和非导电管道上的电压的理论估计。分析表明，最大的风险是由来自未粘结导体的激发火花造成的，但是也可能是由于绝缘管表面的起火刷放电。在任何情况下，充电机制都是通过燃料流实现。所有导电物件小心接地能消除来自未接合导体的引起的火花，但是仍然存在来自激发电刷放电的危险。通过使用具有接地导电或耗散内衬的塑料管，可以防止由液体流充电引起的发生火花和电刷放电的危险。当存在可燃性气体时，可通过应用合适的操作程序来控制由液体流以外的充电机构引起的危险。
绪论
在加油站使用埋藏的非导电塑料燃料管时，偶尔会发生静电点火（闪火）。这些事件很少发生，但是存在更加严重的风险，谨慎的做法是尽量减少事件发生的频率。本文分析了与这些事故相关的点火机制，目的是了解原因并给出适当的控制程序。
分析使用以下条例建立仿真的静电点火机制：
·使用非导电管的点火事故的细节；
·实验室测量的模拟加油站操作中的管道电压(Hearn,2002年;Hearn, Smallwood,amp;von Pidoll,2010年; KPS,2010年)；
·观察碳氢化合物分配系统中充电电流的典型扩展(Walmsley amp; Mills, 1992年)；
·由液体流动产生的电压进行理论估计。
Carruthers和Marsh（1962）和Walmsley（1996）描述了分别通过暴露和埋管的流动产生的电压的稳态理论计算。然而，在本文的第5.3节中显示，在加油站操作中通常不能达到稳态条件，因此需要瞬态的计算结果。这些由Walsmley（2011）简要总结，但在本文件中有更详细的介绍。
为了设置场景，总结在典型加油站处发生的燃料处理操作和管道布置以显示使用非导电塑料管（参见图1）是有用的，并因此识别可能发生的静电充电机制。这些做法都是有益的。
图 1典型的加油站地下管道布局和连接。
燃料通常由公路油船提供，并通过软管和埋管（“接收”管）从油轮转移到地下储罐（图1：中心）。当燃料被销售时，燃料从储罐通过另一组埋管（“分配”管）传送到填充客户车辆的熟悉的汽油泵分配器。此外，可以有连接包含相同等级燃料的不同地下罐的另外的管（图1中未示出），并且分配器管系统可以分支以从单个罐服务多个分配器。来自输油船的接收管和柔性软管之间的连接在地面（图1：左下）或进入地面的填充箱（图1：左上）之间进行。其它连接（到罐的接收管，到罐和分配器的分配管）通常在掩埋室（例如图1中所示的罐槽：右下）中完成。
历史上，接收和分配管都由钢制成，但是塑料管越来越多地用于减少腐蚀。最常见的是HDPE，也会使用其它等级的聚乙烯和其它聚合物。塑料管可以是完全绝缘的（在这个行业中称为“非导电”），或者它们可以具有耗散的内衬（称为“导电的”）。非导电塑料管可以通过液体流动或通过暴露外表面的摩擦带电（摩擦）而变得带静电。如果耗散衬管接地，导电塑料管有效地消除了燃料流动对管道的充电。
所有报告的事故都与非导电类型的管道相关联，并且通过燃料流量而不是摩擦带电进行充电（事件全部发生在连接腔室内或在燃料传输之后或在管道本身内）。因此，在本文中，我们专注于通过燃料流量对非导电管道充电。
典型管道性能
表格 1 加油站塑料（HDPE）管道和操作的典型特性
非导电塑料加油站管道的典型特性及其执行的操作职责见表1。这些数据基于最常见的HDPE管。在本文中，分析基于HDPE的性质，但是对于其他形式的非导电塑料，预期有类似的结论
涉及加油站非导电塑料管道系统的事故
3.1事件列表
涉及非导电管道的记录事件都是相对较小的闪火。 因此，报告可能有点随意，下面的列表可能不全面。很明显，事故相对较少，这是因为加油站的措施较多，点火的可能性非常低：
- 匈牙利，1998-2000：4个地点至少5次点火事故在填充箱发生。在箱中识别出未结合的导体和暴露的外部管道表面。
- 英国，2001：在填充罐之后更换未结合的端接头上的金属帽时，填充箱中的一次轻微点火。在填充箱中识别出未结合的端部配件和暴露的外部管道表面。
- 瑞典，2002：在断开填充软管之后立即在管道内点燃发生四次。管道完全埋没，没有暴露的外表面和未粘合的导体。 放电被认为是从管的内表面发生的。
- 匈牙利2005/2006：填充箱中有6次火灾。在填充箱中发现了未焊接的焊接插座和暴露的外部管道表面，并且在管道端部存在阻火器。怀疑有隔离焊接插座的放电。 火焰抑制器可能会增加充电水平。
- 澳大利亚，2007年：在埋入（回填）之前使用新安装的管道时发生火灾。
- 爱尔兰，2009年：在一次火灾中，在填充箱有重复的声音和偶尔可见的放电。虽然接地的所有导体，包括焊接插座（虽然随后，焊接插座没有留在接地条件下），但在填充箱中有未焊接和未插入的焊接插座和暴露的外部管表面，报告还是继续可听到放电。通过更换为导电塑料管消除了排放。
- 爱尔兰，2011年，在没有覆盖箱的情况下终止于未覆盖的开放连接点（类似于情况3中的布置）的填充线结束时重复可听放电（或图1左下）。没有暴露的外部塑料表面，所有可识别的导体都接地。 在这种情况下，通过回复到金属管来消除排放。
3.2事件教训
这些事件可以得到的经验有：
所有事故都涉及非导电管而不是导电管道；所有事故（可能除了第5号，这是一种特殊情况）与接收燃料相关，而不是向客户分配燃料；在填充过程（1，2，4，6）和填充完成并且断开软管（数字3）之后，在地下腔室中可存在易燃条件；未接合的导体是易燃放电的最常见原因（1，2，4，5和7），但带电的非导电塑料表面也可能会导致点火（3和6）；填充完成后，高电压可能会持续（2和3）。
除了上述一般性教训之外，还报告了以下更具体案例的信息：
情况4事件与未焊接的，未加盖的焊接插座的火花相关联。在类似位置的焊接插座上进行的测试显示击穿电压为20kV。在大多数填充框布局中，导电部件之间或导电部件与接地环境之间的间隙使得其它未结合的部件将具有相似或更大的击穿电压。在情况2中出现异常，其中替换在隔离端配件上的端盖（经由操作器接地）的行为可能已经给出相对低的击穿电压以及在案例4中的一些事件中，其涉及填充有未结合的导电性切屑的填充箱。
情况3表明，管道内表面上的电压足够高，即使没有未结合的导体也会产生激发放电。这显示了当电位超过25kV时，激发电刷放电点火的电压阈值（Britton＆Williams，1982）。
事件的发生表明击穿电压超过20 kV或25 kV时，在加油站的非导电塑料管上偶尔会发生这种大小的工作电压。
非导电塑料管道系统中的电压测量
4.1电压测量结果
Hearn（2002）测量了非导电分配管系统的实验室模型通过50:50甲苯/异辛烷混合物产生的电压。管的部分用导电箔覆盖来埋藏，而其他部分保持暴露。最高的记录电压（在未焊接的焊接插座上）约为8.4kV。Hearn等人2010使用燃料输送系统模拟进行了类似的测量。他们测量由50:50甲苯/异辛烷混合物和石油溶剂产生的电压。甲苯/异辛烷混合物有更高的电压。 最大电压（〜10kV）类似于Hearn在2002年在分配管测试中发现的。
在10kV的电压下，对于大于约5pF的电容，所存储的能量高于碳氢化合物的MIE。Hearn（2002）测量了安装在非导电63 mm和90 mm管道上时可以隔离的各种金属部件（阀，夹子和焊接插座）的电容，并发现许多项目超过了该电容。最高的电容大约是30pF。因此，所观察到的电压足够高从可能存在于不完全连接的管道系统上的隔离导体产生火花。因为观察到的最高电压低于通过刷子放电点燃烃蒸汽的阈值（至少25kV，Britton＆Williams，1982）Hearn2002年得出结论，这种机制没有危险。这个结论是有问题的，将在第4.2节中讨论。
KPS在2010年在长度很长的暴露的非导电管中使用E5汽油，烷基化汽油和石油溶剂的其它测量得到了高达90kV的电压。即使没有隔离导体，这些电压也是危险的。重要的是要理解为什么这些结果与Hearn的不同。第5节中描述的建模将解决这个问题。
4.2实验室电压测量和现场最坏情况行为之间的关系
4.2.1概论
当进行实验室电压测量以评估风险时，测试条件应重现实际的最坏情况。在第4.1节中提到的所有测量中，在测试条件和在使用中的最坏情况下具有的不确定量值存在一些差异。这使得难以从公布的测试数据评估最坏情况的场条件。 现在来讨论这些不确定性。
4.2.2燃料充量（流动电流）
处理运行中燃料充量变化的理想过程是测量现场中的流动电流，识别最大值，然后使用增强的充电（例如通过使用电荷注入器或滤波器产生）来执行实验室测试，来表明激发放电所需的电流大于现场试验最大值可接受的余量。这种方法已经在一些静电危害研究中采用（例如Walmsley和Mills，1992），但是它成本昂贵，并且更常见的是省去现场试验和增强充电，并且简单地用代表性液体进行实验室电压测量的方法。这个简化的程序往往低估可能发生的最高电压，但是在2002年被Hearn采纳，2010年被KPS采纳。我们现在使用一些用于其他目的的现场试验数据来检验使用这种方式进行的测试可能低估最坏情况燃料的充电程度。
图2显示了通过对柔性软管中的商用汽油的充电的现场测量获得的流动电流分布。最高电流约为模型的三倍，累积分布显示随机选择的样本将有70％的机率小于最大电流的一半的。在这方面，汽油不是唯一的：例如，以前已经报道了柴油有更宽的充电分布（Walmsley＆Mills，1992）。随机选择的样本很可能有接近理论值的电流，并且通常模式仅为最大电流的一半到五分之一。
图 2 在没有抗静电添加剂的汽油中流动电流的示例分布
使用由纯烃组分（Hearn在2002年实验）合成的测试液体，与商业燃料相比，通常预期充电（和电导率）更低，因为分离纯组分所需的额外处理倾向于除去导致导电性和带电倾向的极性杂质。在此基础上，预期在流动电流和导电性之间的相关性，并且合成的测试液体的流动电流甚至可能低于普通汽油的流动电流。
充电和导电性之间的相关性存在示于图3中。 图3描绘了来自图2的流电流数据。图2描绘了电导率的函数的电导率带的平均值，以及通过添加Stadis 450消静电添加剂（SDA）而改变性能的汽油获得的附加场数据。从相同的燃料等级但是不同的燃料样品，获得没有SDA（127个试验）和具有SDA（37个试验）的结果。没有SDA，在具有高达约200pS / m的导电率的流动电流中出现接近线性的增加。使用SDA总是低于无电流，并且通常随着电导率的增加而下降。对于由Hearn（2002）进行的前九次测量，由于管道系统中污染物的吸收，液体的电导率从4pS / m逐渐增加到64pS / m，并且电压相应地随着测试导率的增加而增加。Hearn（2002年）进行的其它测量通过添加SDA产生的高达500pS / m的电导率。这些都提供了比前九个更低的电压，Hearn得出结论，最坏情况的电导率是大约50 pS / m。然而，他报告的模式（用SDA降低流动电流）类似于图3所示的模式。因为最常用的SDA（Stadis 450）被开发用于最大化导电性而不产生高充电，这可能是一种普遍趋势。在这种情况下，如果由污染物或其他添加剂而不是由SDA产生较高的电导率，则在Hearn的前九个测试中看到的增加充电的趋势可能继续高于50pS / m，并且可能观察到更高的最大电压 。
图 3 添加和未添加抗静电添加剂（SDA）的流动电流
4.2.3 温度、湿度和时间
除了电流之外，在非导电管上产生的电压取决于流动的持续时间和电荷耗散的速率。如果这些因素中的任一个在测试中比在最差的实际情况下更有利，则测量得到的电压将低于最坏情况的在用电压。耗散电阻取决于系统几何形状，温度，湿度和流动持续时间（极化效应）。第5节中使用电压计算的结果讨论了系统几何的预期效果。
预期随着材料的电阻率增加，通过液体和管壁的耗散路径的电阻在低温和湿度环境下也会增加。然而，第4.1节中列出的所有测量都是在温带夏季条件下获得的，没有关于冬季条件（低温和湿度）的测量报告，预期这将导致测量出更高的电压。
电阻和电压趋向于随流动持续时间增加而增加。Hearn（2002年）使用的流动时间被可用的燃料体积限制为1分钟。Hearn等人和KPS使用更大体积的液体延长流动时间。
很明显，最坏情况的使用条件可能给出比所报告的测试测量更慢的耗散，并且因此对于给定的电流具有更高的电压。
4.2.4 未来燃料等级
管道安装预计将持续几十年。燃料组成和性质在这个时间内可能发生显着变化，并且不知道燃料添加各种添加剂的后果是什么。在设计系统时，尽可能预期可能的变化以确保它们不会使所安装的管道变得危险。即使没有燃料充电变化和偏离最坏情况耗散的允许，非导电管道上测量的测试电压和电刷放电危险阈值电压之间的安全裕度相对较小（约2.5倍）。这使得在未来的燃料等级中具有更高的充电水平的可能性具有很小的余量允许。
5.塑料管表面电压的计算
5.1 电压计算的目的
电压计算的完
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