段澤民, 丁晨迪, 左 曦, 傅毓斐, 張 力, 汪 箭

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;3.安徽省飛機(jī)雷電防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031; 4.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230027)

由于具有良好的彈性變形和自潤滑等特性,飛機(jī)氧氣系統(tǒng)廣泛使用一些高電阻率的高分子材料制作充氧閥頭[1]。然而,在充氧過程中,由于接觸、分離和摩擦等因素影響[2],高分子閥頭表面可能積累上靜電并導(dǎo)致火花放電,在高壓純氧環(huán)境下,閥頭可能被引燃并導(dǎo)致燃爆事故。近年來,英國健康與安全管理局(Health and Safety Executive,HSE)報(bào)道了多起飛機(jī)氧氣系統(tǒng)燃爆事故,其分析表明多數(shù)事故發(fā)生在充氧操作過程中,并懷疑與充氧閥頭靜電放電有關(guān)[3]。因此,研究高壓充氧環(huán)境中飛機(jī)充氧閥頭靜電放電及引燃特性,對(duì)飛機(jī)氧氣系統(tǒng)靜電安全防護(hù)具有重要意義。

目前,國內(nèi)外已對(duì)大氣條件下可燃?xì)怏w、液體及粉體材料的靜電放電引燃特性開展了大量研究工作[4-8],但有關(guān)高壓純氧環(huán)境下高分子固體材料靜電放電引燃特性的研究較少。文獻(xiàn)[9-11]對(duì)紡織物在大氣和純氧環(huán)境下的靜電放電引燃性進(jìn)行了研究,但最高氧氣壓強(qiáng)僅為0.142 MPa,遠(yuǎn)低于數(shù)兆帕的飛機(jī)充氧環(huán)境。由于高純氧壓強(qiáng)下高分子固體材料的靜電放電引燃特性變化尚不明確,飛機(jī)充氧閥頭的靜電危險(xiǎn)性評(píng)估難以系統(tǒng)地開展。

本文對(duì)飛機(jī)充氧閥頭靜電帶電和放電能量進(jìn)行了分析,實(shí)驗(yàn)探究了3 MPa范圍內(nèi)高壓純氧環(huán)境中飛機(jī)充氧閥頭靜電放電引燃特性,研究結(jié)果可為飛機(jī)氧氣系統(tǒng)靜電危險(xiǎn)性評(píng)估與防護(hù)提供參考。

1 飛機(jī)充氧閥頭靜電能量分析

為研究飛機(jī)充氧閥頭靜電放電引燃可能性和危險(xiǎn)性,首先對(duì)充氧閥頭可產(chǎn)生及釋放的靜電能量展開分析。以某型飛機(jī)氧氣系統(tǒng)事故所使用的尼龍閥頭為對(duì)象進(jìn)行研究。該系統(tǒng)使用的充氧閥門、閥頭結(jié)構(gòu)如圖1所示,閥殼為金屬,彈簧為碳素鋼,閥頭為尼龍1010材料。

圖1 充氧閥門、閥頭結(jié)構(gòu)

在充氧過程中,由于閥頭與閥殼不正常接觸、分離,以及充氧氣流中雜質(zhì)微粒摩擦、碰撞等偶然原因,閥頭表面可能產(chǎn)生一定靜電,誘發(fā)靜電放電和引燃事故。顯然,實(shí)際過程中,充氧閥頭靜電放電是一低概率的隨機(jī)事件。以下僅通過閥頭帶電能力的探究,對(duì)實(shí)際中閥頭可能的靜電放電能量極限范圍展開一定分析。

為確定尼龍閥頭材料靜電帶電能力,采用IEC 60079-0：2007標(biāo)準(zhǔn)中給出的起電方法[12],將邊長為15 mm、厚度為0.5 mm的尼龍1010樣品放置于金屬接地板上,通過反復(fù)、均勻摩擦,獲取被測尼龍樣品帶電情況,主要數(shù)據(jù)見表1所列。由表1可知,受限于環(huán)境濕度、溫度及摩擦次數(shù)不同,被測樣品帶電程度不同。

表1 被測樣品摩擦靜電參數(shù)

文獻(xiàn)[13]認(rèn)為絕緣體靜電起電產(chǎn)生的表面電荷密度典型值為0.1 nC/mm2,表1中所列最高電荷密度是在干燥的空氣環(huán)境下,反復(fù)、劇烈摩擦測得的數(shù)據(jù),實(shí)際情況中較難達(dá)到,可認(rèn)為是實(shí)際情況中嚴(yán)酷環(huán)境下的上限值。事實(shí)上,在真空條件下,文獻(xiàn)[13]通過接觸分離實(shí)驗(yàn)還獲得了最高達(dá)1 nC/mm2的尼龍樣品帶電結(jié)果,表明尼龍材料具有較強(qiáng)的靜電帶電能力。

在獲取尼龍材料靜電帶電數(shù)據(jù)后,進(jìn)一步研究尼龍閥頭靜電帶電和放電能量。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證明,在均勻帶電假設(shè)下,文獻(xiàn)[14-16]給出了絕緣圓板靜電帶電能量公式為:

(1)

其中,R為圓板半徑;σ為材料表面電荷密度;ε0為真空介電常數(shù)。

圖1所示閥頭若由于接觸分離或碰撞等因素帶電,則靜電荷將主要分布于閥頭前端表面。假設(shè)靜電荷均勻分布于閥頭前端半球面上,可將閥頭簡化為圓板進(jìn)行分析。

設(shè)圓板面積與閥頭前端半球面積相等,則R取為5.4 mm,將獲得閥頭靜電帶電能量數(shù)據(jù),見表2所列。

表2 不同表面電荷密度下的閥頭靜電能量

上述分析表明,尼龍閥頭靜電帶電能量隨所帶電荷密度增大而迅速增加,在電荷密度達(dá)到0.24 nC/mm2時(shí),閥頭靜電帶電能量為0.683 mJ?？紤]尼龍材料所帶電荷密度可以更高,閥頭產(chǎn)生靜電能量上限實(shí)際更高,可將mJ量級(jí)視為所研究閥頭結(jié)構(gòu)帶電能量保守估計(jì)的上限范圍。需要指出的是,在實(shí)際工況中,飛機(jī)充氧閥頭帶電能量將是隨機(jī)的。當(dāng)閥頭靜電帶電達(dá)到一程度時(shí),會(huì)向周圍金屬放電,放電瞬間靜電能轉(zhuǎn)變成熱能。顯然,閥頭靜電放電能量不會(huì)超過其帶電能量。因此,所研究飛機(jī)充氧閥頭其靜電放電能量上限可能達(dá)到mJ量級(jí)。

引燃某種物質(zhì)所需最小靜電放電能量稱為該物質(zhì)的最小點(diǎn)火能量[17]。在空氣條件下,1 mJ的靜電放電能量不足以引燃大多數(shù)固態(tài)可燃物,例如尼龍懸浮粉塵的最小點(diǎn)火能量約為20 mJ[13],而羊皮毛面約為169 mJ[10]等。但在高壓純氧等助燃環(huán)境,特別是在數(shù)兆帕甚至更高壓強(qiáng)的高密度純氧環(huán)境中,引燃固態(tài)可燃物質(zhì)所需能量可能大幅降低。以下對(duì)高壓純氧環(huán)境中尼龍閥頭材料的最小點(diǎn)火能量展開實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

通過電極放電是研究材料靜電放電引燃性最主要的測試方法。參照IEC 61340-4-4-2012+A1-2015中火花靜電放電引燃實(shí)驗(yàn)方法[18],建立由高壓靜電發(fā)生器、靜電放電引燃高壓密封裝置、控制開關(guān)、放電回路及測量儀器等組成的靜電放電引燃實(shí)驗(yàn)電路,如圖2所示。

圖2 測試裝置點(diǎn)火電路

圖2中,C為充放電電容;R、L為放電回路的分布電阻、分布電感;K為聯(lián)動(dòng)開關(guān);S為密封于高壓氧氣裝置內(nèi)的電極,用于對(duì)實(shí)驗(yàn)材料放電;PV、PA分別為高壓差分探頭和電流傳感器,用于采集電極火花放電電壓和電流信號(hào)。

因?yàn)椴煌瑝簭?qiáng)純氧環(huán)境下的固體尼龍材料最小點(diǎn)火能量未知,所以電極點(diǎn)火能量需可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。取電容為10 nF,靜電發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)范圍為0～30 kV,調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.1 kV。充放電電容儲(chǔ)能可在50 μJ～4 500 mJ范圍調(diào)節(jié)。

放電電極置于特制的高壓密封裝置內(nèi),裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝置承壓可達(dá)3 MPa,其上設(shè)有透明體觀察孔,可通過監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)觀察裝置內(nèi)放電和引燃現(xiàn)象。

圖3 靜電放電引燃高壓密封裝置

實(shí)驗(yàn)樣品為與前述尺寸一致的尼龍1010。為模擬實(shí)際工況,高壓電極采用直徑為0.5 mm的碳素鋼絲制成,置于樣品上表面,以模擬充氧閥門內(nèi)的支撐彈簧。實(shí)驗(yàn)樣品通過螺釘固定在接地平板電極上,螺釘穿透到樣品上表面,構(gòu)成下部電極?？紤]隨氧氣壓強(qiáng)升高,電極間單位距離擊穿場強(qiáng)升高,電極間距設(shè)置為約0.2 mm。

2.2 最小點(diǎn)火電壓測量和點(diǎn)火能量計(jì)算

通過靜電放電實(shí)驗(yàn)引燃受試樣品,要求電極火花放電能量超過受試樣品材料的最小點(diǎn)火能量,否則不會(huì)引燃。由于電極能量通過高壓靜電發(fā)生器放電電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),測定剛好導(dǎo)致引燃的最小點(diǎn)火電壓即可確定受試樣品的最小點(diǎn)火能量?？紤]放電擊穿的隨機(jī)性,僅能按照一定概率,定義最小點(diǎn)火電壓和能量,并需不斷調(diào)節(jié)放電電壓,通過重復(fù)放電實(shí)驗(yàn)的方法,測定受試樣品的最小點(diǎn)火電壓和能量。

為便于實(shí)施,按20%引燃概率,采取分級(jí)調(diào)壓充放電的實(shí)驗(yàn)方法,確定最小點(diǎn)火電壓。即在每級(jí)氧氣壓強(qiáng)下,先從較低電壓試探,在每級(jí)電壓下放電5次,為避免被測樣品多次放電的能量積累效應(yīng),取放電間隔為10 min。根據(jù)引燃次數(shù)逐漸增加或減小電壓,直到滿足20 %引燃概率,所對(duì)應(yīng)的放電電壓即為最小點(diǎn)火電壓。

一旦確定最小點(diǎn)火電壓,可著手進(jìn)行最小點(diǎn)火能量的測量和計(jì)算。通過調(diào)節(jié)靜電發(fā)生器電壓可以控制電容儲(chǔ)存能量,計(jì)算公式為:

(2)

其中,Estored為電容儲(chǔ)存能量;C為充放電電容;U為靜電發(fā)生器放電電壓。但是由于放電回路損耗及不完全放電,電容儲(chǔ)存能量并非全部用于電極放電。

本文采用GB/T 16428—1996中的方法,通過測試電極火花放電電壓和電流得到更加準(zhǔn)確的電極點(diǎn)火能量[19],計(jì)算公式為:

(3)

其中,Espark為電火花點(diǎn)火能量;U(t)為電極火花放電電壓;I(t)為放電電流;t為放電時(shí)間。通過該方法得到的能量排除了電路損耗和電容殘余的能量,可以認(rèn)為是電極火花放電釋放的有效點(diǎn)火能量。在最小點(diǎn)火電壓時(shí)放電所得到的電火花點(diǎn)火能量即為最小點(diǎn)火能量。實(shí)驗(yàn)中,分別采用SI-9010高壓差分探頭和Pearson 411電流傳感器測量電極放電電壓和電流,并通過TektronixDPO3012數(shù)字示波器采樣記錄放電電壓和電流波形。

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)過程中,可觀察到3種明顯不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,如圖4所示。

圖4 3種實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在發(fā)生電極放電擊穿并引燃的實(shí)驗(yàn)中,觀察到了作為高壓電極的碳素鋼絲的燃燒現(xiàn)象。發(fā)生放電引燃現(xiàn)象的典型燃燒過程如圖5所示,根據(jù)燃燒位置及鋼絲燃燒時(shí)伴隨濺射的特點(diǎn),可以判斷在放電瞬間火花首先引燃了尼龍樣品,隨后鋼絲才發(fā)生燃燒。

圖5 引燃現(xiàn)象的過程

3.2 高壓純氧放電引燃最小點(diǎn)火能量

采用上述實(shí)驗(yàn)裝置和測量方法,在(20±5) ℃、(30±5)%溫/濕度環(huán)境下,進(jìn)行了大量反復(fù)的放電實(shí)驗(yàn),獲得了相應(yīng)的靜電放電引燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)為1.0 MPa、最小點(diǎn)火電壓為5.0 kV,典型電極火花放電電壓、電流波形及其等效電路如圖6所示。

圖6 典型放電電壓、電流波形及其等效電路

從圖6可以看出,信號(hào)波形為衰減振蕩波形,符合標(biāo)準(zhǔn)電火花放電波形[20]。將圖2所示實(shí)驗(yàn)電路視為由放電電容、回路分布電感及電阻組成的弱阻尼RLC放電回路,對(duì)圖6結(jié)果進(jìn)行分析。其中,將放電間隙視為可重復(fù)導(dǎo)通的時(shí)變電阻,導(dǎo)通時(shí)其電阻較小,斷開時(shí)視為開路。圖6所示電流波形包絡(luò)衰減時(shí)間約為3.1 μs,振蕩周期約為1.74 μs,按RLC回路模型[21],回路分布電感為7.6 μH,電阻為6.5 mΩ,可計(jì)算獲得符合圖6的振蕩電流波。計(jì)算還表明,電壓與電流時(shí)延約為15 ns,與周期相比很小,對(duì)能量積分的影響忽略不計(jì)。

圖6中,由于放電間隙影響,在各放電電流波半周期點(diǎn)處,當(dāng)放電電流快衰減為0時(shí),間隙將斷開,但此時(shí)電容上已充上相反電壓,一旦間隙放電斷開,回路電流和火花電壓消失,間隙將承受相反電壓從而發(fā)生反向擊穿,導(dǎo)致下半個(gè)周期放電,并造成電極電流、電壓極性反轉(zhuǎn)。由于間隙擊穿時(shí)間很短,電流基本為連續(xù)振蕩波。但由于間隙擊穿需要一定電壓,在反向擊穿前沿,電極電壓會(huì)突然升高,導(dǎo)通后才迅速降低,電極電壓呈不連續(xù)變化,但基本與電流波同步。

按(3)式對(duì)電極火花放電電壓和電流波形進(jìn)行積分,獲得電極火花放電能量及實(shí)驗(yàn)樣品最小點(diǎn)火能量。0.1～3.0 MPa范圍5種純氧壓強(qiáng)下受試尼龍樣品的最小點(diǎn)火電壓及能量見表3所列。

表3 材料靜電放電引燃性數(shù)據(jù)

由表3可知,氧氣壓強(qiáng)對(duì)材料最小點(diǎn)火能量影響很大。在0.1 MPa時(shí),尼龍樣品最小點(diǎn)火能量高達(dá)750 mJ;在1 MPa時(shí),能量已降至16 mJ;在3 MPa時(shí),最小點(diǎn)火能量降低至0.55 mJ,僅為常壓時(shí)的1/1 364,并低于上述估算的閥頭放電能量上限。為掌握最小點(diǎn)火能量變化規(guī)律,將最小點(diǎn)火能量與氧氣壓強(qiáng)關(guān)系繪制成曲線,如圖7所示。由圖7可知,與指數(shù)關(guān)系擬合符合較好。由于隨氧氣壓強(qiáng)、濃度升高,參與引燃反應(yīng)的活性分子濃度比例提高,在所需活性分子濃度閾值不變情況下,所需點(diǎn)火能量將降低[22]。

圖7 材料最小點(diǎn)火能量與氧氣壓強(qiáng)關(guān)系曲線

限于高壓裝置能力,所開展放電引燃實(shí)驗(yàn)最高氣壓為3 MPa,而實(shí)際充氧環(huán)境氣壓可能更高。按圖7趨勢,在3 MPa以上高壓純氧環(huán)境中,閥頭樣品靜電放電點(diǎn)火能量將低于0.55 mJ。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)氧氣壓強(qiáng)升高到3 MPa時(shí),充氧閥頭材料最小點(diǎn)火能量將降低至0.55 mJ,按飛機(jī)充氧閥頭靜電帶電和放電能量上限可達(dá)到mJ量級(jí)分析,所研究飛機(jī)充氧閥頭不排除具有靜電放電引燃可能性和危險(xiǎn)性。若最小點(diǎn)火能量隨氣壓增加進(jìn)一步降低,則在高于3 MPa工作環(huán)境中,發(fā)生飛機(jī)充氧閥頭靜電放電引燃的可能性會(huì)更高。因此充氧過程中,當(dāng)飛機(jī)充氧閥頭由于偶然接觸、分離、摩擦和碰撞等故障因素積累大量靜電能量時(shí),存在靜電放電引燃閥頭的事故風(fēng)險(xiǎn)。為提高飛機(jī)充氧系統(tǒng)靜電防護(hù)安全性,避免因靜電造成的燃爆事故,可采用燃點(diǎn)較高或經(jīng)過阻燃處理的材料作為充氧閥頭,以提高閥頭的最小點(diǎn)火能量;并對(duì)閥頭材料進(jìn)行防靜電改性以減少靜電荷的產(chǎn)生;同時(shí)在充氧時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制充氧速度、清潔充氣管路接頭,避免閥頭因氣流摩擦、雜物碰撞等發(fā)生靜電帶電和放電。

4 結(jié) 論

(1) 通過初步分析與計(jì)算,所研究飛機(jī)充氧尼龍閥頭靜電帶電和放電能量上限可達(dá)到mJ量級(jí)。

(2) 在尼龍閥頭樣品的高壓純氧放電引燃實(shí)驗(yàn)過程中,觀察到尼龍樣品先引燃隨后再引燃電極鋼絲的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

(3) 采用本文方法,在3 MPa壓強(qiáng)范圍內(nèi),尼龍閥頭樣品最小點(diǎn)火能量隨純氧壓強(qiáng)升高迅速減小。在0.1 MPa時(shí),最小點(diǎn)火能量約為750 mJ;到3.0 MPa時(shí),點(diǎn)火能量僅0.55 mJ,已低于飛機(jī)充氧閥頭靜電放電能量的上限,不排除具有靜電放電引燃的可能性。