火工品海上运输的静电危害及防护

钱锦 刘苏明 郭鑫 陈薇

中国卫星海上测控部 江苏江阴 214431

【摘要】本文通过研究静电放电特点，分析火工品海上运输的静电来源及静电放电对火工品的危害。根据国际静电防护体系标准，提出四种静电防护原则，具体阐述了多种防静电方法。

关键词：火工品 静电放电 静电危害 静电防护

1静电的产生机理及特点

1.1静电

静电是一种处于静止状态的电荷，通常是在物体之间接触分离的过程中发生电子或其他带电粒子的转移而产生的，也可以通过静电感应、电容感应、压电效应和电磁辐射感应的方式产生。

1.2静电放电

静电放电简称ESD，是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。静电对火工品造成危害主要是通过ESD，其主要有电晕放电、刷形放电和传播型放电以及火花放电三种形式，如表1。

表1 ESD放电形式及特点

ESD的形式	特点
电晕放电	电晕放电是发生在带电体尖端或曲率半径很小处附近的局部放电。电晕放电可能伴有轻微的嘶嘶声和微弱的淡紫色光。电晕放电一般没有引燃危险。
刷形放电和传播型放电	刷形放电和传播型刷形放电都是发生在绝缘体表面的有声光的多分支放电。当绝缘体背面紧贴有金属导体时，绝缘体正面将出现传播型刷形放电。同一绝缘体上可发生多次刷形放电或传播型刷形放电。刷形放电有一定的引燃危险；传播型刷形放电的引燃危险性大。
火花放电	火花放电是带电体之间发生的通道单一的放电。火花放电有明亮的闪光和有短促的爆裂声。其引燃危险性很大。

1.2.1静电放电的特点

（1）静电放电是一种高电位，强电场，瞬时大电流的过程。在大多数情况下静电放电过程往往会产生瞬时脉冲大电流，产生的瞬时脉冲电流是在纳秒或微秒量级完成的，其强度可达到几十安培甚至上百安培，可以瞬间使空气电离、击穿，并伴随这发光、发热过程，形成局部的高温热源，使得电火工品性能变差或失效，也可瞬时引起火工品的意外发火，造成燃烧爆炸事故。

（2）静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲。过去在研究静电放电的危害时，普遍主要关心的是静电放电产生的注入电流对电火工品及电子元器件的危害和静电放电的火花对易燃易爆气体、粉尘等的引燃、引爆问题，忽视了静电放电的电磁脉冲效应。静电放电过程是电压、电流瞬时变化的过程，会产生强电磁辐射脉冲，可能引起射频干扰，造成火箭与地面的无线通讯中断，导航系统不能正常工作，卫星姿态失控等严重后果。

1.3静电感度

静电感度是指度量火工品在外界能量刺激下，发生爆炸的难易程度，即火工品对静电激发能量的敏感程度，通常用50%发火概率下的静电电压或静电能量来表示。表2所示几种电火工品的静电感度。

表2 电火工品的静电感度

型号	电阻（Ω）	发火条件	50%发火能量（mj）
JD-11电点火具	1.25～2.25	700mA	1.73
JD-1电点火具	0.15～0.80	6V	12.0
DD-4.5电点火管	2.5～4.5	400mA	1.00
DD-17电点火管	12～17	500mA	0.225
105电火帽	15～60	24V串4Ω	0.270

1.4静电对火工品的危害

随着电子技术的发展和产品复杂程度的提高，高技术产品也带来了过高的静电感度，导致爆炸事故频频发生。静电要形成危害必须满足以下三个基本条件：（1）产生并积累足够的静电荷，形成“危险静电源”，以至局部电场强度达到或超过周围介质的击穿场强，发生静电放电；（2）在危险静电源存在的场所，有易燃易爆气体混合物存在，并达到爆炸极限浓度，或有电火物品、火炸药之类的危险品，或有静电敏感器件及电子装置等静电易爆易损物；（3）危险静电源与静电易爆易损物之间形成能量耦合，并且能量等于或大于危险静电源的最小点火能或静电敏感度。静电损害的严重程度取决于静电积累的程度（静电电压）和静电敏感产品的静电感度。静电电压越高，危害越大；产品的静电感度越大，越易于受到静电的危害。

2静电来源

2.1包装材料

弹药等火工品的内包装材料通常采用质优价廉的聚乙烯塑料、聚苯乙烯泡沫、玻璃钢等材料，这些材料虽然有较好的缓冲防护性能，但是其电阻率很高，与弹药外壳以及箱体摩擦易产生和累积电荷，进而造成静电威胁。

2.2运输设备

在火工品拆垛、搬运、装卸、码垛和运输过程中，各种搬运拆码车辆、机具都是可能的静电源。但由于火工品一般是箱装物资，几乎不存在裸露情况，且装卸机具一般静电能量较小，所以箱内的火工品基本上不可能与上述静电源直接耦合静电能量，静电威胁相对较小。海上运输过程中，船体会发生横摇和纵摇，遇到恶劣天气甚至会发生垂荡，贮存于船舱的物品可能会发生晃动，使得火工品与其包装箱，以及包装箱与船体地板之间发生相对摩擦，从而产生静电。

2.3人体静电

人是一切活动的主体，在火工品的生产运输中也离不开人的身影，人体也是静电的主要来源之一。人体静电的产生方式有接触分离带电、感应带电和吸附带电等三种。一般情况下，人体电阻较小是良导体，不会在人体积聚电荷，但是由于人体综合电阻与衣服阻隔的影响，与大地形成绝缘状态时，将孤立成为导体，积聚静电荷，并形成很高的电位。当人体在行走、操作中与地板或其他物体接触、分离，或者在电磁环境中静电感应、空间电荷吸附等，都会使得人体电荷失去平衡，产生静电。

3火工品防静电主要方法

3.1基本要求

美国国家标准学会（ANSI）/静电放电（ESD）协会和IEC国际电工委员会分别发布了ANSI/ESD S20.20-2007和IEC61340-5-1国际静电防护体系标准。IEC61340-5-1是国际标准，而S20.20 是美国国家标准，两者并无本质区别，取得ANSI/ESD S20.20认证即可自由转换成IEC61340-5-1的申请。这两个标准从系统工程的角度出发，对工厂ESD体系的建立、静电防护区的建立、敏感器件的包装、生产各环节的处理、人员培训和考核、内审制度的建立和检查，以及检测手段等各方面都做了明确的规定，规范了静电防护体系认证。

图4 ANSI/ESD S20.20静电防护体系标准的组成

ANSI/ESD S20.20静电防护管理体系标准的组成如图4所示。该体系分为两个主要部分：管理需求和技术需求。管理需求包括：防静电控制程序计划、培训计划和符合性验证计划。技术需求包括：接地系统、人员接地、EPA防护区、包装系统和标识。

静电防护工作需要通过系统性防护技术应用和管理措施的落实才能取得成效。

（1）划分合理的静电放电敏感元器件防护等级，并根据敏感度识别等级建立相应级别的防静电工作区；根据《GJB3007－97 防静电工作区技术要求》规定，EPA（防静电工作区）内的静电电位应满足以下要求：即在任何情况下，在EPA内贮存、使用或接受加工的未带ESD（静电放电）外防护的ESDS（静电放电敏感的）产品周围300mm空间之内任一物体的静电电位不得超过该级EPA允许的对地静电电位值。

（2）加强生产工作中静电防护的管理流程控制。

3.2基本原理

静电防护一般从控制静电荷的产生、积聚，以及使产生的静电荷迅速消除或泄露这两个方面着手。静电防护管理技术实现的四项基本原则为：

（1）等电位连接。导体与敏感器件接触以实现等电位连接，避免因导体带静电而发生放电现象。

（2）静电源控制。绝缘材料无法通过接地使静电消除，因此必须对其周边进行静电源控制。

（3）防静电包装。移出ESD防护区的器件必须使用防静电包装，以防外界静电源的影响。

（4）安全第一的原则。ESD防护措施不能降低安全水准，如果安全与之冲突时，安全第一。

归纳起来有四种方法：一是“堵”，即防止静电产生；二是“疏”，即让产生的静电荷从带电体疏散掉，让生产过程和人体活动过程产生的静电荷比较容易地流散，避免静电积聚到诱发火花放电的电位，从而消除静电危害；三是“堵疏结合”；四是“灭”，即中和法，静电产生后予以中和，避免其积累。

3.3“堵”抗静电方式

有效的控制静电起电率，是防止静电危害的基本对策之一。“堵”抗静电方式，一般是采取增加脚-壳间的绝缘强度的方法。在雷管管壳与脚线构成静电放电回路的两极时，火花发生在回路中电绝缘最薄弱之处。所以，在抗静电措施中，最常用的结构是在桥丝周围增加一个绝缘环或套筒；使用绝缘材料制造管壳，或是在点火药外表面涂上一层绝缘漆膜。

3.4“疏”抗静电方式

3.4.1静电接地

所谓静电接地，就是用接地的办法提供一条静电荷泄露的通道。接地是火、化工企业消除静电危害最简单、最有效的方法。但接地主要是消除导电体上的静电，而不能用来消除绝缘体上的静电。并不是一切物体带电都可以解决。一般来说，可能引起火灾、爆炸和危及安全的场所的金属导体、设备，属于静电导体的非金属材料，人体等都可以进行静电接地。同时还必须考虑全系统接地的问题，否则接地反而会造成静电放电现象。通常采取的接地方式有以下两种：

（1）直接接地

直接接地就是电气接地，即用金属导线把带电体直接和接地干线连接起来。在各种类型的生产场所，电气设备的外壳按有关要求，应保护接地。静电接地的作用是给静电荷提供泄露通路，但不能认为只要采取接地措施，静电危害问题就能解决，还要看具体情况。

（2）间接接地

间接接地就是使金属以外的物体进行静电接地，将其表面的全部或者部分与接地体紧密相接的一种接地方式。或者说，通过具有一定电阻值的静电导体将带电体和接地体连接起来。运输小车的车轮采用导静电轮胎或导电胶条拖在地上的方法，是一种简便进行的间接接地方式，对于旋转部件，需要导电性润滑油，弹压碳刷金属触头等来解决接地问题。不过要注意动态和静态接地电阻变化情况，必须保证在旋转情况下满足接地要求。

3.4.2控制湿度

物体的电阻率一般都受温湿度的影响，尤其是表面电阻率受湿度影响最为明显。因此控制湿度也是主要的防静电措施之一。

增湿适用于绝缘体上静电的消除，随着湿度的增加，绝缘体表面上形成薄薄的水膜，该水膜的厚度只有 cm，其中含有杂质和溶解物质，有较好的导电性，能使绝缘体的表面电阻大大降低，能够加速静电的泄露。根据《GJB3007－97 防静电工作区技术要求》规定:静电防护区内应装设有温度、湿度调节装置，以维持其室温在(15～35)℃、相对湿度在 45% ～75%范围内。敏感火工品存放的场所相对湿度一般要维持在60%-70%左右。

需要注意的是增湿主要是增强静电沿绝缘体表面的泄露，而不是增加通过空气的泄露，因此增湿对于表面容易形成水膜或表面容易被水润湿的绝缘体有效，而对于表面不能形成水膜、表面水分蒸发极快的绝缘体或孤立的带静电绝缘体，增湿也是无效的。

3.4.3防止人体静电

火工品在运输、检测和装配等过程中离不开人的活动，人体静电也就成为了引起电火工品发生意外爆炸的最主要和最经常因素，所以国外对电火工品的一般要求都是以抗人体静电为主要目标。

防止人体静电事故的方法，原则上有以下几种：⑴研制不产生或少产生摩擦起电的新材料，根本上减少人体静电起电量；⑵采取接地等措施把人体静电安全的拽放到大地上去；⑶尽可能防止爆炸性气体及粉尘的形成。第二种方法是人体防静电的最主要方法，也是最容易达成的措施。人体接地的途径是穿导电性较好的防静电鞋和使用导电地板。衣服带电也有一定的危险性，也需要采取防静电措施。

3.4.3.1防静电鞋

目前，国外早已生产和使用各种防静电鞋子，我国也已由湖北襄樊橡胶三厂和北京门头沟橡胶厂生产防静电鞋。但是穿上防静电鞋不一定始终保证安全。比如，当鞋底黏上一层绝缘性能好的油漆或其他物质时，鞋自身电阻虽然不变，但鞋对地的拽放电阻将显著增强，防静电鞋失去作用。因此，在现场穿用防静电鞋时必须定期检查电阻，并且注意以下几点：

⑴如果地板电阻高，防静电鞋也不起作用，因此必须经常保持电阻低于 欧。

⑵不要穿绝缘性能好的袜子。

⑶万一鞋子湿了，将会失去对低压动力电的防电击能力，应该换干鞋，，或者特别注意不要接触低压动力线路。

3.4.3.2防静电工作服

⑴防静电工作服的防静电原理有以下两种：

①利用抗静电剂的方法（利用拽漏效应）

②利用导电纤维的方法（利用放电效应）。

利用抗静电溶剂也有两种方法，一种是纺丝时涂敷抗静电溶剂，另一种是纤维织品表面薄薄的涂一层抗静电溶剂。利用抗静电溶剂是一种表面活性剂，它容易吸附空气中的水分，使纤维织品的表面电阻率下降，达到抗静电目的。但是，由于空气相对湿度低的时候抗静电效果差，而且洗衣服时表面活性剂容易被洗掉，缺乏耐久性，在危险场合很少使用。

导电纤维主要有有机导电纤维和金属纤维两种。导电纤维主要利用电晕放电的除电原理达到防静电目的。当导电纤维接近带电体时，在导电纤维尖端处形成局部强电场，引起电晕放电，达到安全消除静电的目的。所以，由导电纤维加工成的防静电服有不少优点：首先，它在低相对湿度环境中也有显著效果；其次，他的防静电效果几乎不受与之摩擦的物质种类的影响；第三，他的防静电性能维持很长；第四，即使在不穿防静电鞋的情况下，导电纤维防静电服也能减少人体电位。因此，当人体偶然处于完全绝缘状态（如悬空状态）时，也能起到一定防静电作用。

⑵使用防静电服注意事项：

①使用防静电服必须同时穿防静电鞋。

②除指定场所外不得随便脱防静电服，尤其不允许在有可燃气的场所脱衣。

③系好衣扣，否则衣裙摆动增加起电。

④感到电击现象时，需要检测防静电服或带点电位。

⑤洗防静电服时用中性洗涤剂，同时减少导电纤维的机械损伤。

3.4.3.3导电地面

使用导电地板也是防止人体静电的主要措施之一。在人体静电可能引起可燃气爆炸的危险场所，要求地板的拽漏电阻低于欧；在一般情况下，地板电阻低于欧即可。一般的地板材料，可以通过洒水的方法降低电阻。但是在经常有可燃气和要求相对低相对湿度的场所，应采用导电地板。

在铺设导电地板时，要确保地板的接地连接，接地不良会失去防静电效果，地板面必须经常保持清洁，否则因拽漏电阻增加而失去效果。

3.5“堵疏结合”

采用静电屏蔽法，对易产生静电的设备采用静电屏蔽罩，并将屏蔽罩有效接地；把对静电敏感的电发火、电引信装置采用金属静电屏蔽罩，以杜绝静电引起的意外发火。

3.6中和静电

3.6.1空气电离法

能使空气发生电离、产生消除静电所必要的离子装置称为静电消除器（静电中和器），简称消电器。其基本原理是：利用空气电离发生器使空气电离产生正、负离子对，中和带电体上的静电荷。目前普遍使用的静电消除器有：感应式、高压式、放射性同位素式、气动式及组合式等。静电消除器具有不影响产品质量、使用方便等优点，因而应用十分广泛。

使用空气电离剂也可达到减少静电的目的，如采用放射性静电消除器，它用放射性同位素发射粒子使空气电离以中和静电，不需要电源、不发热、也不打火花，特别适用于易燃易爆场所。

3.6.2正负相消法

采用不同功函数的材料消除静电。材料的功函数不同，得失电子的能力不同，其产生的静电电荷的极性也不同。因此，在进行产品设计时，应考虑采用不同的设备生产不同的材料，生成极性相反的静电荷，并把这些设备相连，达到消除静电的目的。如有的企业把生产聚酯材料（易带正电荷）的设备与生产聚乙烯材料（易带负电荷）的设备相连，在一定程度上就可控制静电积累。

4 结束语

本文主要通过研究火工品海上运输产生的静电危害，如何防止静电，从“堵”、“疏”、“堵疏结合”、“中和法”四种方式入手，重点对消除人体静电方面做了研究。

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