衛(wèi)水愛， 白春華， 李春光

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 2.兵器工業(yè)安全技術(shù)研究所, 北京 100053)

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發(fā)射藥生產(chǎn)過程中靜電錐體放電規(guī)律數(shù)值模擬研究

衛(wèi)水愛1，2， 白春華1， 李春光2

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 2.兵器工業(yè)安全技術(shù)研究所, 北京 100053)

靜電錐體放電是引發(fā)發(fā)射藥燃燒爆炸事故的重要放電形式。為了研究其在生產(chǎn)過程中的放電規(guī)律，基于靜電場(chǎng)高斯定理，利用ANSYS有限元模型，對(duì)單基發(fā)射槍藥的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)料斗中的靜電場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)值與模擬值吻合較好。通過數(shù)值模擬得到了單基發(fā)射槍藥料斗內(nèi)靜電場(chǎng)的分布規(guī)律，以及靜電場(chǎng)隨物料厚度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：?jiǎn)位l(fā)射槍藥料斗底部電場(chǎng)強(qiáng)度最大、側(cè)壁次之、物料表面電場(chǎng)強(qiáng)度最小；最大電位出現(xiàn)在物料內(nèi)部，而不是物料表面；物料厚度在0.05 m時(shí)，底部最大電場(chǎng)強(qiáng)度為6.92×106V/m，大于空氣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，這表明在料斗剛罐充發(fā)射藥時(shí)，就可能在料斗底部發(fā)生靜電錐體放電；隨著物料厚度的增加，料斗內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大，當(dāng)發(fā)射藥厚度增加到0.29 m時(shí)，底部最大電場(chǎng)強(qiáng)度已增大至1.41×107V/m，側(cè)壁和料面電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大，料斗內(nèi)錐體放電更加頻繁，點(diǎn)燃發(fā)射藥的危險(xiǎn)性也更大。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 靜電； 發(fā)射藥； 錐體放電； 數(shù)值模擬

0 引言

靜電放電是引發(fā)發(fā)射藥燃燒爆炸的主要因素之一。1999年至2009年期間，某軍工集團(tuán)公司由于靜電引發(fā)的事故12起，占事故總數(shù)的18.2%，靜電放電成為了繼摩擦、撞擊等因素的第3大事故觸發(fā)因素；另一方面，火炸藥爆炸事故的致害物中，發(fā)射藥類占比例最大，為30.2%[1]. 歷史上曾經(jīng)發(fā)生過因靜電放電造成發(fā)射藥燃燒爆炸的重大事故，死亡27人[2]。因此，開展發(fā)射藥生產(chǎn)過程靜電放電和控制技術(shù)研究，已成為行業(yè)的急迫需求。

發(fā)射藥是高絕緣性物體，其體積電阻率高達(dá)1013Ω·m以上，生產(chǎn)中可能導(dǎo)致燃燒爆炸事故災(zāi)害的靜電放電類型有5種：1)刷形放電；2)傳播型刷形放電；3)人體放電；4)設(shè)備火花放電；5)錐體放電。其中錐體放電是散裝絕緣性堆積粉粒狀物料內(nèi)特有的一種靜電放電現(xiàn)象[3]。不同形態(tài)放電形式點(diǎn)燃可燃物的能力不同，見表1[4].

表1 不同類型靜電放電的點(diǎn)燃能力Tab.1 Incendivity of the different types of electrostaticdischarge

注：MIE為最小點(diǎn)火能。

典型發(fā)射藥的最小點(diǎn)火能見表2[5].

表2 典型發(fā)射藥的最小點(diǎn)火能Tab.2 Minimum ignition energy of typical propellants

綜合表1和表2分析可知，傳播型刷形放電、人體放電、設(shè)備火花放電、錐體放電等形式的放電能量均大于一般發(fā)射藥的最小點(diǎn)火能，存在引發(fā)燃燒爆炸事故的可能，是發(fā)射藥生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)采取措施予以有效控制的危險(xiǎn)性靜電放電形式。

傳播型刷形放電只有滿足發(fā)射藥面電荷密度高于2.7×10-4C/m2，且在絕緣性物質(zhì)構(gòu)成的設(shè)備內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)才有可能發(fā)生，只要不使用絕緣性物質(zhì)構(gòu)成的設(shè)備或金屬設(shè)備內(nèi)部不涂敷絕緣襯層，即可以防止傳播型刷形放電的發(fā)生[6]；操作人員通過有效穿戴防靜電工作服、防靜電鞋、防靜電腕帶等人體靜電防護(hù)裝備，并配合防靜電地面、臺(tái)面，即可以防止人體靜電放電的發(fā)生；當(dāng)金屬導(dǎo)體設(shè)備可靠接地就可以防止設(shè)備火花放電的發(fā)生；而發(fā)射藥錐體放電目前尚無有效的控制措施。國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者模擬了石油罐充過程中的靜電帶電問題[7]，對(duì)于有效防治靜電危害起到了較好的指導(dǎo)作用，但對(duì)于發(fā)射藥生產(chǎn)過程中的靜電安全問題尚未開展深入研究。

本文針對(duì)發(fā)射藥生產(chǎn)過程中普遍存在的物料存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備中可能發(fā)生的錐體放電，基于靜電場(chǎng)高斯定理，利用ANSYS有限元模型，對(duì)發(fā)射藥的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)料斗中的靜電場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，分析發(fā)射藥?kù)o電場(chǎng)的分布規(guī)律以及藥層厚度對(duì)靜電場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 發(fā)射藥?kù)o電場(chǎng)數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 發(fā)射藥?kù)o電場(chǎng)理論

發(fā)射藥在生產(chǎn)過程中由于摩擦、撞擊等原因?qū)a(chǎn)生并攜帶靜電電荷，帶電發(fā)射藥在外場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷發(fā)生相對(duì)位移，出現(xiàn)宏觀束縛電荷分布和電偶極距分布，宏觀電偶極距分布用P電極化強(qiáng)度矢量表示，與束縛電荷密度ρp的關(guān)系為

(1)

式中：ρp單位為C/m3；P單位為C/m2.

發(fā)射藥對(duì)宏觀電場(chǎng)的作用是通過束縛電荷激發(fā)電場(chǎng)，發(fā)射藥的靜電場(chǎng)滿足麥克斯韋方程，即

(2)

式中：ρf為發(fā)射藥的自由電荷密度(C/m3)；E為發(fā)射藥內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量(V/m)；ε0為發(fā)射藥?kù)o電場(chǎng)的介電常數(shù)。

由(2)式可以看出，E的產(chǎn)生源是發(fā)射藥的總電荷分布。在實(shí)際問題中，自由電荷比較容易測(cè)量，而束縛電荷不能直接觀測(cè)，將(1)式代入(2)式消去束縛電荷，得

(3)

每種發(fā)射藥的電磁性能不同，假設(shè)發(fā)射藥為各向同性線性介質(zhì)，則P和E之間的關(guān)系為

P=xeε0E,

(4)

式中：xe為發(fā)射藥的極化率。

將(4)式代入(3)式可得

(5)

式中：ε為發(fā)射藥的介電常數(shù)，ε=(1+xe)ε0。

(5)式即是發(fā)射藥中總電場(chǎng)強(qiáng)度分布的麥克斯韋方程，即高斯定理。由(5)式可以看出，發(fā)射藥的總電場(chǎng)強(qiáng)度是由自由電荷密度和介電常數(shù)決定的。

在發(fā)射藥與空氣介質(zhì)的分界面上，靜電場(chǎng)遵從

Ept=Eat,

(6)

εaEan-εpEpn=σf,

(7)

式中：下標(biāo)p代表發(fā)射藥；下標(biāo)a代表空氣介質(zhì)；下標(biāo)t代表切向；下標(biāo)n代表法向；σf為面自由電荷密度(C/m2)。

(6)式和(7)式表明在發(fā)射藥與空氣介質(zhì)的分界面上電場(chǎng)強(qiáng)度切向分量是連續(xù)的，法向分量的躍變與發(fā)射藥的面自由電荷密度及介電常數(shù)有關(guān)。

ANSYS靜電場(chǎng)數(shù)值分析是基于靜電場(chǎng)高斯定理，在滿足上述邊值關(guān)系的條件下，通過給定的自由電荷密度和介電常數(shù)，進(jìn)行微分計(jì)算，得到電場(chǎng)強(qiáng)度及電位的分布規(guī)律。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

發(fā)射藥生產(chǎn)過程中大都采用不銹鋼圓柱形料斗進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)運(yùn)，因此數(shù)值計(jì)算中選取不銹鋼圓柱形料斗，高徑比1∶1，料斗接地，即料斗電位為0 V. 由于圓柱形料斗具有軸對(duì)稱性，為了便于分析，本文提取半周期的二維面(見圖1中的分析區(qū)域)作為研究對(duì)象，計(jì)算這個(gè)面的電場(chǎng)分布及錐體放電規(guī)律，發(fā)射藥料斗的二維模型如圖2所示。

圖1 發(fā)射藥料斗及分析區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of propellant hopper and analyzed zone

圖2 二維模型圖Fig.2 2D Model

計(jì)算中涉及到的材料包括發(fā)射藥和空氣，本文選取單基發(fā)射槍藥作為研究對(duì)象。發(fā)射藥和空氣選用PLANE121二維電場(chǎng)單元，其為8節(jié)點(diǎn)四邊形單元，自由度為電位。模型和材料的基本參數(shù)見表3.

1.3 模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的對(duì)比

為了對(duì)數(shù)值模擬的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，本文選取與數(shù)值模擬相同的物料、相同尺寸的料斗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)的主要條件是：采用靜電電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)對(duì)料斗內(nèi)裝有0.05 m厚度的單基發(fā)射槍藥進(jìn)行測(cè)試，

表3 材料和模型參數(shù)Tab.3 Pasrameters of material and model

將不同半徑r處的藥面電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如表4和圖3所示。

由表4和圖3可以看出，實(shí)測(cè)值Et與模擬值Es偏差不超過20%. 分析產(chǎn)生偏差的原因主要是：數(shù)值計(jì)算中假設(shè)料斗內(nèi)物料表面是平整的，帶電量是均勻的；而實(shí)測(cè)過程中物料自然下落到料斗內(nèi)，物料表面呈錐形分布，中心部位物料稍厚，邊緣部位物料較薄，物料厚的地方電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)偏大，薄的地方電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)偏小。

總體而言，實(shí)測(cè)值與模擬值在數(shù)量級(jí)上相同，且隨距離的變化趨勢(shì)也相同，表明數(shù)值模擬基本上可以表征發(fā)射藥料斗中實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律。

2 發(fā)射藥?kù)o電場(chǎng)的分布規(guī)律

基于上述模擬條件，按表3模型和參數(shù)對(duì)料斗內(nèi)厚度為0.15 m的單基發(fā)射槍藥進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的靜電電場(chǎng)強(qiáng)度和電位分布如圖4～圖7所示。

表4 藥層表面數(shù)值計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比Tab.4 Simulated and test results of electric field intensity of propellant surface

圖3 數(shù)值模擬電場(chǎng)強(qiáng)度與實(shí)測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比曲線Fig.3 Contrast curves of simulated and test results

圖4 單基發(fā)射槍藥的靜電電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖Fig.4 Distribution of electrostatic field intensity of single-base gun propellant

由圖4可以看出，發(fā)射藥料斗內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度分布是不均勻的，其整體分布規(guī)律是：底部電場(chǎng)強(qiáng)度最大，側(cè)壁電場(chǎng)強(qiáng)度次之，藥層表面電場(chǎng)強(qiáng)度最小。這是因?yàn)榱隙窞榻拥伢w，電位為0 V，接地體附近電場(chǎng)發(fā)生畸變，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，因而導(dǎo)致料斗底部和側(cè)壁的電場(chǎng)強(qiáng)度大于藥層表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。

由圖5可以看出，底部電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律是：隨著半徑的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，靠近側(cè)壁處的電場(chǎng)強(qiáng)度最小，最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在料斗底部中心部位，為1.28×107V/m，該值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，因此發(fā)射藥料斗底部是最先發(fā)生靜電錐體放電的部位，即是靜電放電最危險(xiǎn)的部位。這是因?yàn)椋焊鶕?jù)電場(chǎng)強(qiáng)度疊加原理

(8)

式中：E為電場(chǎng)中某點(diǎn)A的總電場(chǎng)強(qiáng)度；ri為第i個(gè)點(diǎn)電荷到A點(diǎn)的位置矢量；E1、E2、…、En為點(diǎn)電荷q1、q2、…、qn分別激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度，A點(diǎn)的總電場(chǎng)強(qiáng)度等于空間各點(diǎn)電荷激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量之和。將料斗內(nèi)發(fā)射藥看作是若干個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)電荷，在該料斗尺寸和藥面高度不變的條件下，各點(diǎn)電荷對(duì)料斗底部中心點(diǎn)的貢獻(xiàn)最大，因此料斗底部中心部位電場(chǎng)強(qiáng)度最大。

側(cè)壁電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律是：隨著物料高度h的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，最大值出現(xiàn)在h=0.1 m處，然后逐漸減小，最大值為9.56×106V/m. 料面電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律是：隨著半徑的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，兩側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度最大，最大值為7.06×106V/m. 側(cè)壁及料面最大電場(chǎng)強(qiáng)度也均超過了空氣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，也可能發(fā)生靜電錐形放電。

圖6 單基發(fā)射槍藥的靜電電位分布云圖Fig.6 Distribution of electrostatic potential of single-base gun propellant

由圖6可以看出，料斗內(nèi)電位U不是均勻分布的，料斗內(nèi)中心電位最大，約為588 kV，隨著半徑的增大而逐漸減小，表面電位為0 V. 料斗內(nèi)最大電位在發(fā)射藥中心部位而不是物料表面，因此目前發(fā)射藥生產(chǎn)過程中采用電位計(jì)測(cè)得的物料表面電位不是最高電位，不能將表面電位作為危險(xiǎn)程度的監(jiān)測(cè)參數(shù)。

圖7 料斗內(nèi)電位分布曲線Fig.7 Distribution curves of potential in hopper

由圖7可以看出，藥層表面電位隨著半徑的增大而逐漸減小；料斗中心軸電位隨著物料高度逐漸增大，最大值出現(xiàn)在0.12 m處，隨后隨著料斗高度的增加逐漸減小。

下面保持荷質(zhì)比、介電常數(shù)、料斗尺寸等參數(shù)不變，針對(duì)不同的發(fā)射藥厚度進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同厚度下料斗內(nèi)靜電場(chǎng)的變化規(guī)律。

3 發(fā)射藥厚度對(duì)靜電場(chǎng)的影響

為分析不同厚度對(duì)靜電場(chǎng)的影響，分別采用發(fā)射藥厚度為0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.25 m、0.29 m模擬計(jì)算靜電場(chǎng)的分布規(guī)律，并將計(jì)算結(jié)果與厚度為0.15 m的模擬值進(jìn)行對(duì)比，獲得的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖8所示，料斗底部、側(cè)壁、物料表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖9所示，電位分布云圖如圖10所示，藥層表面電位和中心軸電位如圖11所示。

圖9 電場(chǎng)強(qiáng)度隨發(fā)射藥厚度的變化曲線Fig.9 Change of electrostatic field intensity with the propellant thickness

圖10 不同物料厚度的電位云圖Fig.10 Nephogram of electrostatic potentials of different thick propellants

圖11 電位隨發(fā)射藥厚度的變化曲線Fig.11 Change of electrostatic potential with propellant thickness

由圖8和圖9可知，隨著發(fā)射藥厚度的增加，料斗內(nèi)各處電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大。發(fā)射藥厚度在0.05 m時(shí)，底部最大電場(chǎng)強(qiáng)度為6.92×106V/m，側(cè)壁最大電場(chǎng)強(qiáng)度為4.21×106V/m，均大于空氣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，說明在剛開始罐充物料時(shí)，就會(huì)在料斗底部和側(cè)壁發(fā)生靜電錐體放電。這個(gè)結(jié)果與Glor等[8]在研究其他絕緣性粉體實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)論一致，即罐充粉體料位即使在很低(<0.1 m)的情況下，也觀測(cè)到了強(qiáng)烈的錐體放電。當(dāng)物料厚度增加到0.1 m時(shí)，料斗底部、側(cè)壁及藥層表面的電場(chǎng)強(qiáng)度均超過了空氣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，料斗內(nèi)部有整體發(fā)生錐體放電的危險(xiǎn)；當(dāng)發(fā)射藥厚度增加到0.29 m時(shí)，底部最大電場(chǎng)強(qiáng)度已增大至1.41×107V/m，側(cè)壁和料面電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大，料斗內(nèi)錐體放電更加頻繁，點(diǎn)燃發(fā)射藥的危險(xiǎn)性也更大。

由圖9(d)可以看出，料斗內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax隨發(fā)射藥厚度的變化可以分為兩個(gè)階段：當(dāng)發(fā)射藥厚度由0 m增大到0.15 m時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度增大很快；當(dāng)發(fā)射藥厚度由0.15 m增大至0.29 m時(shí)，即當(dāng)逐漸填滿料斗時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度緩慢增大。這是因?yàn)椋焊鶕?jù)(8)式電場(chǎng)強(qiáng)度疊加原理，電場(chǎng)強(qiáng)度與距離的平方呈反比，隨著發(fā)射藥增厚，物料距底部中心點(diǎn)的距離不斷增加，對(duì)底部電場(chǎng)強(qiáng)度的影響越來越小，因而造成物料厚度越大，電場(chǎng)強(qiáng)度增大越緩慢。

由圖10和圖11可以看出，不論是藥層表面電位還是中心軸電位均隨著發(fā)射藥厚度的增大而增大，最大電位Umax隨著物料厚度的增大呈線性增大趨勢(shì)。當(dāng)物料厚度為0.05 m時(shí)，最大電位為139 kV，當(dāng)物料增大到0.29 m時(shí)，最大電位為924 kV.

單基發(fā)射槍藥的靜電電場(chǎng)強(qiáng)度和電位隨著物料厚度的增大而增大，這是因?yàn)殡S著物料厚度的增加，料斗內(nèi)積累的發(fā)射藥增多，帶電量增大，由(5)式高斯定理可知，發(fā)射藥的靜電電場(chǎng)強(qiáng)度與帶電量呈正比，帶電量越大，靜電電場(chǎng)強(qiáng)度也越大，電位越高。因此在生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格監(jiān)控發(fā)射藥的靜電積累量，使之控制在安全的范圍內(nèi)，防止靜電錐體放電引發(fā)燃爆危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文基于靜電場(chǎng)高斯定理，利用ANSYS有限元模型，對(duì)單基發(fā)射槍藥的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)料斗中的靜電場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明：

1)發(fā)射藥料斗內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度分布是不均勻的，其整體的分布規(guī)律是：底部電場(chǎng)強(qiáng)度最大，側(cè)壁電場(chǎng)強(qiáng)度次之，藥層表面電場(chǎng)強(qiáng)度最小，因此，發(fā)射藥料斗底部是最先發(fā)生靜電錐體放電的部位。

2)料斗底部電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律是：隨著半徑的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度減小，兩側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度最小，最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在料斗底部中心部位，因此發(fā)射藥料斗底部中心處是最先發(fā)生靜電錐體放電的部位。

3)料斗側(cè)壁電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律是：最下側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度最小，隨著高度的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，最大值出現(xiàn)在接近料面的部位；藥層表面電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律是：隨著半徑的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，兩側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度最大；當(dāng)側(cè)壁及料面最大電場(chǎng)強(qiáng)度超過空氣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，也將發(fā)生靜電錐體放電。

4)料斗內(nèi)最大電位出現(xiàn)在發(fā)射藥中心部位而不是藥層表面，因此目前發(fā)射藥生產(chǎn)過程中采用電位計(jì)監(jiān)測(cè)物料表面的電位不是最高電位，不能將表面電位作為危險(xiǎn)程度的監(jiān)測(cè)及判定依據(jù)。

5)發(fā)射藥厚度在0.05 m時(shí)，底部最大電場(chǎng)強(qiáng)度

和側(cè)壁最大電場(chǎng)強(qiáng)度均已超過空氣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，說明在剛開始罐充時(shí)，就可能在料斗底部和側(cè)壁發(fā)生靜電錐體放電。隨著發(fā)射藥厚度的增加，料斗內(nèi)各處的靜電電場(chǎng)強(qiáng)度和電位也隨之增大，料斗內(nèi)錐體放電將更加頻繁，點(diǎn)燃發(fā)射藥的危險(xiǎn)性也越來越大。

通過本研究結(jié)果可以看出，發(fā)射藥料斗內(nèi)的靜電電場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律和數(shù)值受發(fā)射藥的荷質(zhì)比、介電常數(shù)、藥層高度等多參數(shù)影響。當(dāng)發(fā)射藥的荷質(zhì)比為2.74 μC/kg時(shí)，即使料斗內(nèi)發(fā)射藥的高度僅為0.05 m時(shí)，也可能發(fā)生錐體放電，且隨著發(fā)射藥量的增加，危險(xiǎn)性將越來越大。因此在發(fā)射藥生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格控制發(fā)射藥的靜電產(chǎn)生和攜帶量，綜合考慮設(shè)備尺寸和藥層厚度，使之控制在安全的范圍內(nèi)，避免靜電錐體放電可能引發(fā)的燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

References)

[1] 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司質(zhì)量安全與社會(huì)責(zé)任部.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司成立10年生產(chǎn)安全事故案例匯編與分析[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2010. China North Industries Group Cooperation.Compilation analysis of production safety accident cases of China North Industries Group Corporation in 10 years[M]. Beijing: Publishing House of Ordnance Industry, 2010. (in Chinese)

[2] 李志敏.火炸藥?kù)o電性能研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2011,29(26):74-79. LI Zhi-min.Progress on electrostatic performances of explosive[J].Science & Technology Review, 2011, 29(26):74-79. (in Chinese)

[3] 孫可平.粉體靜電學(xué)國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)與進(jìn)展[J].物理,2000，29(6):364-368. SUN Ke-ping.Researcrh developments and progress on powder electrostatics[J]. Physics,2000,29(6): 364-368. (in Chinese)

[4] Glor M. Electrostatic hazards in powder handling[M].NY, US: John Wiley and Sons Inc,1988.

[5] 錢仲.發(fā)射藥生產(chǎn)防靜電問題的研究[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2000,12(增刊):143-148. QIAN Zhong. The study of propellant production esdissue[J]. Journal of Ordnance Engineering College, 2000,12(S):143-148. (in Chinese)

[6] Britton L G.Avoiding static ignition hazards in chemical operations[M].NY, US: American Institute of Chemical Engineers, 1999:194.

[7] Sun K P,Liu Q Z,Li X W. Simulation test on charge density and surface potential in an oil tank during filling operation[J]. Journal of Electrostatics, 2009, 67(2): 340-341.

[8] Glor M,Maurer B. Ignition tests with discharges from bulked polymeric granules in silos(cone discharge)[J].Journal of Electrostatics,1999,30(5): 123-133.

Simulation of Electrostatic Cone Discharge in Propellant Production Process

WEI Shui-ai1,2， BAI Chun-hua1， LI Chun-guang2

(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China;2.Safety Technology Research Institute of Ordance Industry, Beijing 100053,China)

Electrostatic cone discharge is an important discharge type causing propellant explosion. In order to study the discharge rule in the production process, the ANSYS finite element model is used to simulate the electrostatic field in the storage and transport hopper of the single-base gun propellant based on Gauss theorem of electrostatic field, and the simulated results are compared with the experimental results. The distribution of electrostatic field and its variation with the thickness of single-base gun propellant are simulated. Results show that the largest electric field intensity is at the bottom of the single-base gun propellant hopper, and the electric field intensity on material surface is minimum.The maximum potential appears in the inner of material, rather than on the material surface. When the material thickness is 0.05 m, the maximum field intensity at the bottom of is 6.92×106V/m , which is greater than the air breakdown strength. This shows that the electrostatic cone discharge may happen at the bottom of the hopper when the hopper is just tank filled with propellant. The electric field intensity in hopper also increases with the increase in the thickness of material. When the propellant thickness is increaseed to 0.29 m, the maximum field intensity at the bottom is increased to 1.41×107V/m, the field strengths on side wall and material surface also increase, the cone discharge is more frequent, and the fire risk of propellant is greater.

ordnance science and technology; electrostatic; propellant; cone discharge; simulation

2016-09-07

北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題項(xiàng)目(ZDKT009-02)

衛(wèi)水愛(1981—), 女, 高級(jí)工程師，博士研究生。E-mail: 53064070@qq.com

白春華(1959-)，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail: chbai@bit.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.008

TM151+.1； TQ562+.21

A

1000-1093(2017)05-0892-08