1、 本科毕业论文 （ 20 届） 石油静电正负极性测量实验装置初步设计 所在学院 专业班级 油气储运工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录 中文摘要 英文摘要 1 前言 1 1.1 静电的起源 1 1.2 静电的原理 1 2 静电的产生 2 2.1 物质的结构 2 2.2 固体介质 中静电的产生 4 2.3 液体介质中静电的产生 5 3 石油静电的危害和对生产的影响 6 3.1 石油静电对油罐车、船等交通工具运油的影响 6 3.2 石油静电对油罐的影响 9 4 生产中对石油静电的防范措施 12 4.1 在运输中对石油静电的防范措施 12 4.2 在储存时对石油静电的防范措
2、施 15 5 石油静电正负极性测量实验装置和石油静电测量的意义 16 5.1 石油静电测量实验装置 16 5.2 石油静电测量的意义 21 6 总结和自己的看法 21 7 参考文献 22 8 文献翻译 23 I 摘要 石油静电在日常工作中是无处不在的，也很容易产生，在油罐车装卸油时油的流动互相之间摩擦产生静电，喷溅形成电荷云时也会带电，工作人员接触带电体，衣服之间的摩擦，感应起电等都会使人体带上静电。静电不比雷电来的威力大，所以，静电的危害是不能不被重视，它也能使油罐车爆炸，油库着火。所以，在 日常工作时要做好各种防静电措施。在油罐车装卸油工作的时候，要穿防静电工作服，绝缘的金属器具要保证良好
3、的接地，在工作中要保持一定的注油流速，不能过快，因为流速过快的话当油品经过过滤器时会产生大量的静电，油分子之间互相摩擦、溅射等都能产生大量的电荷。在油罐区工作的人员要注意油罐的接地，油罐的密封问题，清理油品中的悬浮绝缘金属杂质。 关键词 过滤器；电荷云；接地；静电；电位，感应起电。 II Abstract oil electrostatic in daily work is everywhere, When oil tanker loading and unloading oil in the flow between each other static friction， Spray for
4、ming charge clouds will also charged， Staff contact charged body， Friction between clothes，Induction electrification, etc, will be make human body take electrostatic. The harm of electrostatic Equivalent to lightning, So, electrostatic hazards will be regarded，It can also make oil tanker， explosionf
5、ire. So, in daily work to do all sorts of anti-static measure. In a tanker loading and unloading oil at work. To wear anti-static work clothes， Insulation of metallic appliance to ensure good grounding，In the work to keep certain note oil flow rate， Cannot too fast because when the oil flow through
6、filters if too produces a lot of static electricity, Oil molecules each other between friction, sputtering can produce a lot of charge, Personnel working in oil tank area should pay attention to the tank, the grounding of oil reservoirs of sealing problem, cleaning oil suspended insulation metal imp
7、urity. Key words Filters; Charge cloud; Grounding; Electrostatic; Potential, induction on electricity. 1、前言 1.1 静电的历史 电刚开始是以拉丁文来引用的，大约在二千六百年前，希腊人塔利斯就发现了琥珀被其他物体摩擦后具有吸引其他物体的能力，也就是我们所说的静电现象，但是它却很奇特有很神秘所以人们对它的认识也很缓慢，大约过了二千二百年，到了公元 1600 年左右，英国人吉柏特才总结了前人 的一些经验，才以拉丁文命名此物质为“电”，同年代的沃尔查尔顿开始用英语的“电”，此后这种奇异的现象引起
8、了世界各地学者的兴趣，从此人们对电的认识开始飞速发展。继起电机，验电器的发明，在 1733 年法国的杜飞用两个金属箔做实验，这个实验证明异性相吸，同性相斥，从而让人们知道有两种极性相反的电荷存在，从而就有了正负电荷之学说。到该世纪中叶又发现了莱顿瓶，静电感应现象以及维尔克发表了摩擦带电系列。直到 1785 年库伦发现了电荷之间互相作用力的定量关系才使得静电学理论初具基础。 后来静电起电理论方面的解释也有一定的发展， 以富兰克林为代表的一些学者提出了第一流体学说，以罗伯特西默斯为代表的一些学者提出了第二流体学说。 进入十九世纪以来，对电的研究越来越广泛，十九世纪初伏打电池的发现使电荷连续运动成为
9、可能，科学家把摩擦起电，雷电和电池中流动的电统一了起来，并开始从静电向动电开始发展，通过安培，欧姆，法拉等人的研究逐渐发现一个又一个新现象，并从数学上总结出定理、定律，最后发展成较完整的电磁场理论，这些理论在工程上得到了广泛的应用，给了工业发展新的生命力。由于动力电的理论与应用的迅速发展，静电起电理论的研究显得比较缓慢。 1879 年 赫尔霍姆兹提出了偶电层理论后，虽推动了静电研究的发展，但对他的物理实质和数学描述还一直很不完备。近几十年来由于工业的发展，静电危害日趋严重，静电的应用也日益广泛，因此，给静电机理的深讨注入了新的推力。当前，由于固体物理，表面物理，物理化学等学科的发展给静电学科提
10、供了理论条件，电子计算机的出现又提供了用概率论的方法处理大量随即性数据的方法，也就是说：静电工程作为一个新的科学已从物理学中脱离出来，有必要作为一个专业进行研究，处理好静电为人类造福。 1.2 静电的原理 在日常生活和工作中，我们经常遇到的静 电现象到底是什么，静电又是什么。 静电是一种电能，它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象。静电现象是指电荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称，如摩擦起电就是一种静电现象。 流体介质的带电主要归结为双电层的存在、固相本身的电离或是吸附液相的一种离子等原因而带电。依据电量平衡原理，固相中有多少过剩的正电荷，液相中就有多少负电荷，即固、液两
11、相具有等量反极性电荷过剩的负离子被正离子吸向固体表面附近，由于液体中离子热运动的结果，只能有一部分离子比较牢固地排列在固体附近。 双电层一般模型是固、液之间没 有发生相对运动的情况。当两者间发生相对运动时，有一部分液体依附于固体上与其形成一体，可以看做是不动的，这一部分液体层称作固定层，它由紧密层和束缚溶液组成。除固定层外，其余部分液体是可流动的，称作流动层固定层中的束缚溶液层和流动液层合起来就是界面所说的扩散层，这表明当固、液两相发生相对运动时，它们的分界面是固定层和流动液层的交界面。 固、液界面形成的双电层受多种因素的影响，其中吸附是主要的方面。双电层能否对带电发生作用，也就是液体带电主要
12、取决于液体内所含杂质的情况。石油燃料油在金属管道内流动所产生的电荷量受多 种因素影响，其中主要是流动速度和管径。由于燃料油品对静电来说并非导体，所以它积聚电荷是必然的，液体在管道内随着流动距离的增加所带电荷量也会增加，但不会无限增加，而是经过一定时间，流经一定距离后达到饱和状态，此时液体所带静电量不再增加。 也可以说是： 石油在贮油系统的输送过程中 , 由于搅拌、沉降、过滤、冲击、喷溅、流动等接触分离的相对运动 , 产生了静电。在注油入罐的过程中 , 往往将大量电荷引入罐体。多数油品的体积电导率在 10- 11 10- 15S/ cm 范围内 , 相对介电常数在 1. 8 2. 5 之间 (
13、工频 , 20 ) , 属于弱极性或中性液体介质 , 而在这个范围的液体容易带上静电。因为在这个范围内的液体有足够的离子可以因吸附而形成偶电层 , 又由于复合的速度较慢而在分离后带电。从物理意义上说 , 这个范围内的液体具有积聚电荷的能力。而大于这个范围的液体表面离子多 , 电荷传输方便 , 虽然有形成偶电层的条件 , 但由于复合迅速 , 难以带电。 油罐内部各处的电位不同 , 这对于通常采用的接地金属罐尤为明显。由于靠近油面处的电荷密度大 , 油面以下越深处电荷密度越小 , 因此各处的电位随着罐内高度不同而变化 , 而油面处电位最 高 ; 一般情况下最高油面电位往往出现在罐内装油至 2/ 3
14、 高度的位置。 2、静电的产生 2.1 物质的结构 电荷是物质基本粒子的基本特性。一个物体的电荷量可以是正、负或零。它只能是质子电荷的整倍数。 电荷有两种，一种叫正电荷，用符号“ +”表示；另一种叫负电荷，用“ ”表示，负电荷总是和电于相联系着的；正电荷则和失去电子的原子，原子团或分子相联系。如果该物体带有正的货负的电荷，那就是该物体失去或得到了一些电子的结果。电荷之间存在着相互作用，同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引。 通常，物体中正负电荷的数量是相等的 ，由于正负电荷的电性能相反，因而相互中和，物体在客观上不呈现电性能。正负电荷是相互依存，相互矛盾着的双方，有了带正电荷的物体就必然出现带负
15、电荷的物体，而且电量相等。总之，在静电起电过程中，电荷不能被创造或消灭，只能被转移。电荷在转移前后，其总电荷不变。 电荷相对于观察者是静止的情况下，和电荷相关的场也是静止的。这种场称为静电场。当电荷运动而形成恒定电流时，则在恒定电流的周围存在稳定电场和稳定磁场。当电荷运动而形成交变电流时，则在交变电流的周围空间存在着相互联系着的随时间变化的电场和磁场，这种场叫做交 变电磁场。 原子，是组成单质和化合物分子的最小单位。是化学反应中不能再分的粒子。它是元素的最小物质单位。已发现的元素有 100 多种，但每种元素，都有其同位素（核中质子数相同，中子数不同），而且现在，还不断有新的同位素制造出来。所以
16、原子的数目，大大多于元素的数目。例如，氢元素有三种同位素，分别叫氢（ H）、氘（ D）、氚（ T），后两种原子，在化学反应中的作用与氢原子相同，只是原子核里多了中子，所以质量不同，也称氢、重氢、超重氢。它们与氧原子又可分别组成水（ H2O）、重水（ D2O）、超重水（ T2O）。对于复杂原子，核 外电子较多，它们的运行比较复杂，在此不再赘述。原子核，是原子的中心体。由质子与中子组成。核带正电荷，电荷数与其包含的质子数相等。其质量，几乎等于原子的总质量，半径约为几个 10-13厘米（与包含核子数的多少有关）。核的结构问题，正在研究之中，粗略的看法是，球形且可变形，既有转动又有振动，很像分子的情形
17、。核子（质子与中子的统称），是组成原子核的基本单位。 分子，是物质能独立存在、并保持该物质一切化学性质不变的最小单位。由一种或几种元素（具有相同原子核电荷数的原子的总称）的原子、依一定的数目和方式结合而成。 分子 是保持物质的化学性质的最小粒子，物质的分子由同一种原子组成的叫做单质，由不同原子组成的叫化合物。 在分子中，原子之间存在着强烈的互相作用，这种强烈的互相作用叫做化学键。 现在已知的化学键有三种：离子键，共价键和金属键。金属原子和非金属原子的结合，是由原子间电子的转移，形成正离子和负离子，靠正负离子间的引力而结合起来的，这种化学键叫离子键，又叫电价键，离子键是没有方向性的；由共有电子对
18、把两相同或不相同原子结合起来的化学键叫共价键。由于共价键构成的分子中不存在离子，只有原子，所以共价键又叫原子键。共价键是靠自旋方 向相反的电子配对结合的，当一个电子与另一个电子配对结合后，就不能再结合第三个配对电子乐，这种性质叫做共价键的饱和性，共价键又方向性；金属键是由自由电子和组成晶格的金属离子之间的互相作用构成的。金属键没有方向性和饱和性。 分子分极性分子和非极性分子。在任何分子中都有带负电的电子和带正电的原子核，对分子中所有的电子来说，可以认为它们的负电荷等效的集中于一点，有一个负电荷中心。同样，对所有的正电荷也有一个电荷中心，凡是这两个电荷中心不重合的分子，叫做极性分子或有极分子，重
19、合的叫非极性分子或无极分子。由离子键构成的 分子是有极性的。由共价键构成的分子、结构不对称的为极性分子，结构对称的为非极性分子。 导体中存在大量可以自由移动的带电物质微粒，称为载流子。在外电场作用下，载流子作定向运动，形成了明显的电流。金属是最常见的一类导体，金属原子最外层的价电子很容易挣脱原子核的束缚，而成为自由电子，留下的正离子（原子实）形成规则的点阵。金属中自由电子的浓度很大 ,约为 1022每立方厘米，所以金属导体的电导率通常比其他导体材料的大。金属导体的电阻率约为 10-8 10-6 m,且一般随温度降低而减小。在极低温度下，某些金属与合金的电 阻率将消失而转化为“超导体”。 绝缘体
20、电的绝缘体又称为电介质。它们的电阻率极高，约为 108 10 m，比金属的电阻率大 1014倍以上。绝缘体的种类很多，有固体，如塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、云母、绝缘漆、绝缘纸等；有液体，如各种天然矿物油、硅油、三氯联苯等；有气体，如空气、氮、二氧化碳、六氟化硫等。固态绝缘体广泛应用于导线和电工设备的绝缘；作为电容器极板间的填充材料，以增加它的电容值。潮湿气体会大大减小绝缘体的电阻率，但大部分绝缘体具有防湿能力。液态绝缘体主要应用于大功率断路器、变压器及某些电缆等电工设备中 ，这时不仅利用其电绝缘作用，而且还利用液体对流所起的散热作用。 绝缘体在某些外界条件（如加热、加高压等）影响下 ,会被“击穿
21、”，而转化为导体。在未被击穿之前 ,绝缘体也不是绝对不导电的物体。如果在绝缘材料两端施加电压，材料中将会出现微弱的电流。绝缘材料中通常只有微量的自由电子，在未被击穿前参加导电的带电粒子主要是本征离子和杂质离子。本征离子是由于热运动而离解出来的离子，杂质离子是由于杂质离解产生的。绝缘体或电介质的主要电学性质反映在电导、极化、损耗和击穿等过程中。 半导体 现今通常把例如锗 (Ge)、硅 (Si)等一类导体称为半导体。这类导体的电阻率介乎金属与绝缘体之间，且随温度的升高而迅速减小。这类材料中存在一定量的自由电子和空穴，后者可看作带有正电荷的载流子。与金属或电解液的情况不同，半导体中杂质的含量以及外界
22、条件的改变（如光照 ,或温度、压强的改变等） ,都会使它的导电性能发生显著变化。由于这些特点，半导体在实际中有着非常广泛的应用。固体物质所以能够区分为导体、半导体或绝缘体，可以从能带理论得到解释。 2.2 固体介质中静电的产生 两种不同的固体接触摩擦时会起电，这是因为当面种物体接触得相当近时 ，比如一般在一个分子距离时，一种物质会招电子传给另一种物质，失去电子的物质带正电，得到电子 的物质带负电。人们一般认为两种物体只有摩擦时才能产生电，其实摩擦只不过是接触的一种特殊形式摩擦的作用仅在于增加两种物质达到一个分子距离以下的接触面积。这断，功函数小的物体上的电子就可能较多地逃到功函数大的物体上再招
23、两物体分开时就各带有不同符导的静电。 1796 年优打就发现，两种不同的金属 A 和 B 接触后，产生电势差，这个电势差VAB 一般在十分之几伏到几伏之间。 绝缘体也可以资金属体一样有接触电位差和功函数，但有的 试验还很不到满意的结果，只是大体上用金届摩擦起电来解释。 当摩擦面上有些部位温度高达 1000以上时在金属或绝缘体这部分的电子因获得热能有着向高能迁移的可能性，这样，电子就有可能移向相对的物质，金属或绝缘体就可能带电。 因摩擦而带电的绝缘体上的电荷通常局限于部分表面上。这是由于不纯物和品格缺陷的存在将产生局限于绝组体表面上的能级。如与金属接触将因金属内部的朗以与绝缘体表面上的能级之差而
24、引起了电子的移动。 图 2-1 橡胶棒摩擦起电现象 如上图 2-1 两根相同物质的棒， 根静止，另一根在其上摩擦。这时静止的一根在较大的范围内受到摩擦，而运动的棒几乎重复摩擦丁同一地点，这样的方法称非对称摩擦。用橡胶棒进行非对称摩擦时，动的一方带正电，经几十次强烈的摩擦后符号反转成带负电。这是因为运动的棒在同一个地方摩擦温度上升产生变形的缘故。因此有人认为，由于变形引起硬橡胶棒的局部破断产生象 S 那样容易移动的离子，因两棒之间存在温度差和离子浓度差，离子就向对方的棒扩散。加热的玻璃棒与冷的玻璃棒摩擦。热的带负电，可是相同的两根棒冷热对换后，带电情况也反过来。这一方面是由于玻璃棒间存在温度梯度
25、， 使棒的表面带电粒子向冷的一方扩散另一方面由于两者的温度的差别产生了表面能级之差，由此产生的接触电位差引起了带电粒子的移动。 图 2-2 固体物质破裂带电现象 如图 2-2 固体材料因破裂也有可能带电。材料因破断而发生带电粒子的现象与接触电位差一起具有重要的意义。用接触带电作为说明摩擦带电的原因仅限于因电位差存在引起电子移动而带电的情况。在摩按时产生的材料碎屑与电子结合在一起形成各种离子。在材料的表而上，有离子的浓度差又有温度差的存在使这些离子扩散，而显现带电现象。 有时在某些场合，摩擦时产生压电极化，以及极化电荷的电场使电子和离子在两物体的界面上进行扩散。 静电感应带电也是固体带电的一种。
26、电场作用在中性导体时，该导体的自由电子受到电场力的作用将逆着外电场的方向移向导体的一端，而另一端即显正电这个现象叫静电感应。 2.3 液体介质中静电的产生 流体介质的带电主要归结为双电层的存在。 图 2-3 固液之间的双电层 如图 2-3 固相本身的电离或吸附液相中的一种离子等原因而带上静电，依据电量平衡原理，固相中有多少多出来的正电荷，液相里就有多少负电荷， 即固液二相具有等量反极性的电荷，这表明了液相中的一部分正离子被固相吸附使液相负离子多出来而显负极性，多出来的负离子被正离子吸附在固体表面，由于液体中离子热运动的结果，所以比较牢固地排列在固体附近的离子只有一部分。 双电层一般模型是固液之
27、间没有发生相对运动的情况，当两者间发生相对运动时一部分液体依然依附于固体上与其形成一个整体，这一部分液体层称作固定层，它由紧密层和束缚溶液组成，除固定层不能流动外其余部分可以流动的液体称作流动层，固定层中的束缚溶液层和流动液层合起来就是界面所说的扩散层。 固液 界面形成的双电层主要受吸附的影响。双电层产生后对液体静电的感应大小又要取决于油品中所含的杂质的情况。另外还要受油品在管道中的流动速度和管径，因为油品部是导体，所以产生的静电不会消失，只会积聚，积聚到一定程度后到达饱和就不再增加。 液体介质带电有很多种类型，按物质聚集的状态分类可分为： 1.液相与固相之间带电。如液体在管道中流动；搅拌器搅
28、拌时；固体粒子在液相中沉降下来等。 2.液相与气相之间带电。如液体从管线口或喷嘴口喷出，强气流喷出的小液滴；小气泡在其内上升等。 3.液相与其他不能溶解的液相之间的带电。水 滴在其中的沉降等。 按介质的运动形式分： 1.液体流动时带电。油品在装卸油、运输等过程中或多或少都有摩擦，油与油，油与油罐壁之间的摩擦而产生的静电。 2.喷溅带电。当液体经高压后喷出时，在喷口处会形成一个电荷云，有些液滴落下，但有些则仍然聚集在原处，这些小液滴会聚集大量静电。 3.冲击带电。在高压下液体油品喷出冲击油罐壁后飞溅到空气中也会形成电荷云，同样也会带大量电荷。 4.沉降带电。在纯净液体中存在的杂质不断聚集向下沉降
29、时会带电。 液体介质中静电的产生也分多种状态： （ 1）在如果液体介质在开始时处于静止， 由于双电层的存在，负电荷注意分布在管壁外侧，正电荷分布在内测而且随距离而密度递减呈扩散状。 （ 2）如果液体在流动状态下，则液体将带走扩散在液体中的正电荷，从而形成流动电流，周而复始。 （ 3）将有液体流动的金属管线接地，导走自由电子。 3、石油静电的危害和对生产的影响 3.1 石油静电对油罐车、船等交通工具运油的影响 目前，铁路槽车装油的进油系统基本有两种形式，泵式装油系统和自流式装油系统。前者在油品经过泵时会产生大量的电荷，而后者则要少很多，但由于某些需要通常也要用泵运油，所以，为了减少静电的产生一般
30、过滤器装 在离槽车 100 米以外的地方让产生的静电有充分的时间逸散。 用鹤管装油一般有两种，管径是 100 毫米和 200 毫米的，小鹤管按车的位置 12 米左右安装一个可以同时装车 30 辆，但流量小，一般在 3.5到 4 米每秒左右，装一辆车需要 30到 120分钟。而大鹤管集中加油，但流量大一般在 6 到 8 米每秒。大概 5 到 8 分钟就能装完两辆车。但是，就是因为流速高产生的静电也就高，据统计国内炼厂就有几起大鹤管装车不慎而引起的大型事故。 除了槽车运油外，通常也用油轮运输油品。据统计自 1967 年一 1975 年 1 月，世界上营运的石油、矿石杂货巨型混 合船共有三百艘，其中
31、发生过十八起爆炸事故，占船数的 6%。国际有关组织对这些严重的事故试验研究后认为，静电引爆的可能性最大。油轮体积庞大，结构复杂，上面又有大量的设备器材、各种管线绳索等，而且人们经常在上面工作和生活。一旦船上发生事故将迫使人们去解决发现问题、解决问题、防范下次此类事故的发生，严重的将陷入绝境，因此，有必要对油轮静电的产生进行认真地研究。 1.水的冲洗带电。在洗舱时水从喷嘴高速喷出时溅开形成水雾而带了电荷，带电雾气充满舱内对装满油的船有很大的安全隐患。 2.船舱未满，油或压舱水摇晃带电。由于海 上经常会有大风大浪，所以难免船体会摇晃，使油品互相之间摩擦产生电荷。 3.油品散泼带电。油品散泼时形成一
32、层薄雾，油品散泼时形成一层簿雾，这层薄雾内包含着无数微小的液珠。这微小的液珠落在物体表面上就在其上面构成一层薄膜，在界面附近形成“电偶离子层”。由于液滴具有惯性，所以碰到物体之后还能继续滚动前进，“电偶离子层”就会被破坏液珠和物体就会分别带上静电。如果油散泼到没有接地的导体上。将使导体尖瑞部位积累电荷，在一定条件下便将发生火花放电，也就是尖端放电。即使重油品或含杂质较多的油品在储运时不容易积累电荷，但在 散泼时同样能引起静电放电所以要特别注意油品散泼时引起的静电的问题。 4.用气体驱油起电。在装油后期经常用空气或惰性气体清扫管线，把管内残存油品驱赶到油舱内。这时，舱内的油品也受到剧烈地搅动，并将下层的水顶至较高的位置。由于水和空气的扩散，小水滴沉降将使油面电位上升形成高电场，使油罐产生安全隐患。
