石油庫大型儲罐的綜合防雷該項(xiàng)目獲2009年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，證書號：2009-J-244000-2-04-R01

周 毅，趙曉剛，潘仕祥，凌建國

（1.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶 401311；2.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部，重慶 401311；3.廣州軍區(qū)聯(lián)勤部軍需物資油料部，廣東廣州 510000）

石油庫大型儲罐的綜合防雷該項(xiàng)目獲2009年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，證書號：2009-J-244000-2-04-R01

周 毅1，趙曉剛1，潘仕祥2，凌建國3

（1.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶 401311；2.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部，重慶 401311；3.廣州軍區(qū)聯(lián)勤部軍需物資油料部，廣東廣州 510000）

文章在綜合了近幾年來大型儲罐雷擊事故案例的基礎(chǔ)上，分析了大型儲罐發(fā)生雷擊事故的主要原因和特點(diǎn)，提出了大型儲罐的雷電防護(hù)措施 （如采用浮頂密封，改善防雷接地和等電位連接等），進(jìn)而探討了大型儲罐罐區(qū)的系統(tǒng)綜合防雷技術(shù)，該綜合防雷技術(shù)應(yīng)用于大型儲罐防雷實(shí)踐中，具有實(shí)用、可靠、簡便等特點(diǎn)。

大型儲罐；儲油罐區(qū)；綜合防雷；系統(tǒng)工程

1 大型儲罐的雷擊事故案例

雷電仍是人類目前難以駕馭的自然現(xiàn)象，每年雷電將會造成數(shù)以百億計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失[1]。油罐作為油料存儲的主要實(shí)體，儲存著大量易燃易爆油品，一旦遭受雷擊，將造成設(shè)施設(shè)備損毀、人員財(cái)產(chǎn)損失等災(zāi)難。如1989年8月12日，山東黃島油庫雷擊著火，大火燃燒了104 h，造成19人死亡，100多人受傷，損失巨大。根據(jù)文獻(xiàn) [2]，在記載的107例各行業(yè)各類油罐火災(zāi)中，有65例為雷電火災(zāi)，占總數(shù)的61%，其中79%為浮頂罐火災(zāi)。因此雷電是引發(fā)油罐火災(zāi)的重要原因。

隨著我國石油需求的增加，石油儲運(yùn)事業(yè)迅速發(fā)展，在浙江鎮(zhèn)海、舟山、山東黃島和遼寧大連等地建立了多處國家石油戰(zhàn)略儲備基地，形成特大容量的儲罐罐區(qū)，有的大型儲罐單罐容量已達(dá)10萬m3。這些戰(zhàn)略儲備基地及其儲罐大多處于雷電多發(fā)地區(qū)，如鎮(zhèn)海年雷暴日達(dá)47.1 d[3]，防雷形勢十分嚴(yán)峻。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，近年來大型儲罐雷擊著火事故常有發(fā)生，僅在2006、2007兩年就連續(xù)在儀征輸油站、鎮(zhèn)海國家儲備庫、鎮(zhèn)海煉化、白沙灣輸油站等相繼發(fā)生了5起大型儲罐雷擊著火事故。

2006年8月7日，中國石化集團(tuán)管道儲運(yùn)分公司儀征輸油站發(fā)生雷擊事故， 16#15萬m3外浮頂鋼制儲罐遭雷擊，引發(fā)的大火火焰高度超過了6 m，明火持續(xù)了大約30 min。2007年5月24日和6月24日，鎮(zhèn)海國家儲備庫兩次出現(xiàn)雷擊著火事故，47#10萬m3外浮頂鋼制儲罐前后兩次遭受雷擊，引發(fā)的油罐大火火焰高度都超過4 m，兩次明火都持續(xù)了約10 min。2007年7月7日，中國石化集團(tuán)管道儲運(yùn)分公司白沙灣輸油站發(fā)生雷擊事故， 3#10萬m3外浮頂鋼制儲罐遭雷擊，爆炸引燃了罐內(nèi)油品，明火持續(xù)了大約14 min。2007年6月29日，鎮(zhèn)海煉化一座5 000 m3內(nèi)浮頂石腦油罐遭直擊雷擊，引燃油罐呼吸口揮發(fā)的油氣，并進(jìn)一步引爆儲罐內(nèi)浮盤上方揮發(fā)的輕質(zhì)油氣，瞬間炸開罐頂面積的1/3，并導(dǎo)致內(nèi)浮頂失穩(wěn)，一側(cè)陷入石腦油中，引發(fā)的油罐內(nèi)部大火持續(xù)燃燒20 min。

上述5起大型儲罐雷擊起火事故雖然都被及時(shí)撲滅，未造成重大損失，但是如果一旦有雷擊起火不能被及時(shí)撲滅，那么將會導(dǎo)致重大安全事故，造成人員、設(shè)備、財(cái)產(chǎn)等多方面的巨大損失[4]。因此，做好大型儲罐的防雷工作，制訂好大型儲罐罐區(qū)綜合防雷措施勢在必行。儲罐大型化的發(fā)展趨勢及其防雷安全問題，已是擺在我們面前亟待解決的重大技術(shù)難題。

2 大型儲罐遭雷擊事故案例的原因及理論分析

根據(jù)大型儲罐火災(zāi)事故現(xiàn)場調(diào)查的相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)上述5起雷擊事故著火點(diǎn)位置都在密封圈間隙處，發(fā)生事故的大型儲罐均有二次密封，且一次密封均為機(jī)械式密封。這充分說明大型儲罐的一次機(jī)械密封不嚴(yán)，存在著油氣泄漏的可能，在一、二次密封之間和密封圈周圍將會聚集大量的可燃性爆炸油氣，這就為雷電事故埋下了隱患。由于大型儲罐罐區(qū)內(nèi)并未裝設(shè)避雷針，不能有效地防護(hù)雷電，一旦儲罐或在儲罐附近遭受雷擊時(shí)，若罐頂金屬浮盤和罐壁間沒有作良好的等電位跨接，在雷電的高電壓、大電流作用下，將產(chǎn)生電弧火花或感應(yīng)電火花。因點(diǎn)燃油蒸氣的能量極小，僅需0.25mJ[5]，雷電火花會引燃油蒸氣，導(dǎo)致大型儲罐火災(zāi)爆炸事故。

由雷電引起儲罐起火爆炸的原因一般可分為直擊雷、感應(yīng)雷、感應(yīng)靜電勢、雷電反擊、球雷五種[6]，而大型儲罐爆炸起火原因主要是直擊雷和感應(yīng)雷。從統(tǒng)計(jì)資料分析來看，特別是由感應(yīng)雷引起的爆炸起火事故案例尤為突出[7]。

金屬油罐罐頂遭受直擊雷時(shí)，雷電流通過被擊物體時(shí)在通道上會發(fā)熱。根據(jù)焦耳定律，忽略散熱影響，一次閃擊的雷電流在導(dǎo)體上引起的溫升為：

式中ΔT——溫升/K；

Q——雷電產(chǎn)生熱量/J；

m——通過雷電流物體的質(zhì)量/kg；

c——通過雷電流物體的比熱容/（J/（kg·K））；

R——導(dǎo)體的電阻/Ω；

t——雷電流持續(xù)時(shí)間/μs，可取波頭時(shí)間；

kc——分流系數(shù)，單根引線時(shí)取1；

i——雷電通道的雷電流/A，可取雷電峰值，對于第一類防雷建筑取200 kA[8]。

由于雷電流帶電量很大 （通常為20~30 C），通過時(shí)間短 （μs），雷擊金屬罐體時(shí)產(chǎn)生的熱量將達(dá)到500~2 000 kJ，對鋼質(zhì)金屬油罐雷擊瞬時(shí)溫升可達(dá)6 000~10 000℃，足以熔化體積為50~200 mm3或熔化深度為0.276~0.352 mm的鋼材。所以大型儲罐在遭受直擊雷時(shí)，雷擊點(diǎn)附近的金屬會熔化，產(chǎn)生火花飛濺，只要在大型儲罐罐頂聚集了油蒸氣，直擊雷的能量足以點(diǎn)燃油蒸氣引起儲罐爆炸起火。

當(dāng)金屬油罐受直擊雷擊時(shí)，會與周圍的物體發(fā)生雷電反擊 （旁閃）。由于目前大型儲罐并未獨(dú)立設(shè)置避雷針避雷，而是依靠自身罐體作為引下線通導(dǎo)雷電流，這樣儲罐在巨大的瞬變雷電流通過時(shí)電位上升極高，此高電壓引發(fā)金屬罐體和其他連接大地的物體之間發(fā)生閃絡(luò)?？梢杂檬?（2）計(jì)算出直擊雷擊時(shí)大型儲罐的電壓U：

式中i——雷電流峰值/kA；

R0——接地電阻/Ω；

r——引下線單位長度電阻/（Ω/m）；

h——距離地面高度/m；

L0——單位長度的電感/（μH/m）；

L——引下線長度/m；

當(dāng)雷電流峰值為100 kA的中型雷[9]直擊擊閃鋼制內(nèi)浮頂大型油罐時(shí)，L0取1.5 μH/m，接地電阻R0以10 Ω計(jì)，罐體上的電阻rh相對很小可以忽略不計(jì)，因此一個(gè)10萬 m3外浮頂鋼制儲罐（罐頂部離地面20 m處）產(chǎn)生的電勢將會高達(dá)2 500 kV。木材、磚石、水泥等非金屬材料沿平面方向的閃絡(luò)場強(qiáng)約為250～500 kV/m，距離大型儲罐周圍1m處的場強(qiáng)約為1 750 kV/m，足以產(chǎn)生雷電反擊。這樣不僅損害電子電器設(shè)備，而且會使各種金屬管道帶上高電壓，造成人身事故，同時(shí)發(fā)生的閃絡(luò)、電火花等還會引起火災(zāi)。

大型金屬儲罐遭受落地雷直擊，或遭受附近落雷時(shí)，雷擊所產(chǎn)生的高峰值、高坡度的雷電流會在儲罐周圍形成變化的電磁場。如果大型儲罐金屬突出物間隙等電位連接不良，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在大型儲罐周圍會產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢ζi。一旦產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大于間隙的最大擊穿電壓時(shí)，雷電將會擊穿間隙，產(chǎn)生感應(yīng)電火花，從而引起大型儲罐爆炸起火。感應(yīng)電動勢ζi可由式 （3）計(jì)算：

式中ζi——感應(yīng)電動勢/kV；

M——互感系數(shù)/μH；

Um——大型儲罐間隙最大擊穿電壓/kV；

d——擊穿的氣隙距離/m；

EL——電感電壓的空氣擊穿強(qiáng)度/（kV/m）。

以一個(gè)10萬m3大型儲罐為例，當(dāng)100 kA的中型雷雷擊點(diǎn)距離油罐20 m時(shí)，取雷電閃擊電流波形前沿為2.5μs，浮盤與罐壁密封處按邊長為5 m金屬正方形開口環(huán)路計(jì)算，將產(chǎn)生高達(dá)9 kV的感應(yīng)電動勢，對干燥空氣 （EL取3 000 kV/m），其擊穿間隙高達(dá)3 mm；在潮濕的雷雨環(huán)境中，空氣擊穿強(qiáng)度小，擊穿間隙將會更大。即使雷擊點(diǎn)距離油罐200 m，感應(yīng)電勢也可高達(dá)1 kV，1 mm左右的間隙也會被擊穿。如果浮盤與罐壁間隙、液面與罐頂內(nèi)壁突出物間隙等未作等電位跨接，雷電將會擊穿這些間隙，產(chǎn)生感應(yīng)電火花，從而引起儲罐爆炸起火。

3 大型儲罐綜合防雷措施

大型儲罐雷擊火災(zāi)爆炸的形成條件既需滿足油氣濃度在爆炸極限范圍內(nèi)，又需滿足點(diǎn)火源的要求。在通常實(shí)際工作中，應(yīng)控制并減少罐內(nèi)氣體空間體積，避免油氣在油罐局部聚集，并且力求控制好點(diǎn)火源。具體來說，就是在大型儲罐罐區(qū)合理布置避雷針系統(tǒng)，同時(shí)做好防雷接地和等電位連接，這樣就能從根本上防止直擊雷或感應(yīng)雷所造成的危害。

3.1 浮頂軟密封措施

目前大型油罐浮頂?shù)拿芊庖话悴捎脵C(jī)械密封。從使用效果來看，其密封效果不理想，易在一、二次密封間聚集大量的油氣。從防雷安全角度考慮，對于外浮頂油罐的一次密封型式應(yīng)該采用軟密封結(jié)構(gòu) （見圖1）替代機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，這樣可大大降低一、二次密封間的可燃?xì)怏w濃度[10]。另外，軟密封將浮盤與罐壁在油氣密集的區(qū)域內(nèi)絕緣隔離的同時(shí)，也大大減少了金屬突出物的存在，有效地防止了感應(yīng)電勢在油氣空間內(nèi)部放電火花的產(chǎn)生，從而大大降低爆燃的可能性。軟密封的二次密封應(yīng)采用導(dǎo)靜電材料，同時(shí)增加靜電導(dǎo)出片與罐壁接觸，可有效地將雷電流導(dǎo)出。但是軟密封在使用后期密封效果有所下降，所以要及時(shí)檢查并且更換，以增強(qiáng)其安全性能。

3.2 防雷接地及等電位連接措施

目前大型儲罐防雷接地主要存在的問題是浮盤的接地不良、泄流不暢、泄流通道阻抗過高等。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[11-13]，大型儲罐防雷接地要求做到：罐體基礎(chǔ)自然接地體應(yīng)與罐區(qū)接地裝置相連，連接點(diǎn)不少于兩處，且采用耐腐蝕、導(dǎo)電性能優(yōu)良的材料。接地引下線應(yīng)采用不小于4 mm×40 mm的熱鍍鋅扁鋼，并在距離地面0.3~1.0 m之間裝設(shè)斷接卡。斷接卡應(yīng)采用4 mm×40 mm不銹鋼材料，同時(shí)用2個(gè)M12的不銹鋼螺栓連接并加防松墊片固定。

目前大型儲罐等電位連接主要存在的問題是儲罐浮盤與罐壁之間的兩條連接導(dǎo)線在腐蝕、接觸不良等情況下，導(dǎo)致電流導(dǎo)通不暢、阻抗增加，產(chǎn)生電位差。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[12-14]，對大型儲罐等電位連接要求做到：浮頂應(yīng)與罐體做等電位連接，連接導(dǎo)線應(yīng)當(dāng)不少于2根，且每根導(dǎo)線應(yīng)選用截面積不小于50 mm2的扁鍍錫軟銅復(fù)絞線或絕緣阻燃護(hù)套軟銅復(fù)絞線，連接點(diǎn)處用銅接線端子及2個(gè)M12的不銹鋼螺栓連接并加防松墊片固定；同時(shí)宜采用可靠的方式將浮盤和罐體沿罐周做均布的等電位連接。

大型儲罐除了按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行上述連接外，還應(yīng)當(dāng)在扶梯與罐壁以及扶梯與浮盤間作等電位連接接地。儲罐上的溫度液位測量裝置、信息系統(tǒng)裝置、消防監(jiān)控系統(tǒng)裝置等也應(yīng)與罐體作等電位連接。與罐體相接的電氣、儀表配線電氣連接應(yīng)采用金屬管屏蔽保護(hù)。

3.3 大型儲罐罐區(qū)系統(tǒng)綜合防雷措施

為確保大型儲罐的安全，除采用上述防雷措施外，應(yīng)當(dāng)配套使用油庫系統(tǒng)綜合防雷措施，防止雷擊造成的危害。

所謂系統(tǒng)綜合防雷措施，就是綜合利用傳統(tǒng)防雷設(shè)備和自主研制的專用防雷設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化匹配，達(dá)到最佳防雷效果[15]。即根據(jù)大型儲罐的防雷特點(diǎn)，在儲罐區(qū)總平面布置圖上，建立全面與重點(diǎn)、遠(yuǎn)引與近防、消磁與消弧、反射與吸收、疏導(dǎo)與屏蔽相結(jié)合的多層、多級、多措施的全方位雷電預(yù)防與防護(hù)體系。

對儲罐保護(hù)區(qū)域以外的雷電，利用遠(yuǎn)引避雷針，結(jié)合地形和環(huán)境在較遠(yuǎn)距離內(nèi)盡量吸引和攔截可能進(jìn)入保護(hù)區(qū)域的雷電；對進(jìn)入保護(hù)區(qū)域的雷電，利用自主研發(fā)的消磁消弧避雷針進(jìn)行綜合防護(hù)。該消磁消弧避雷針的主要特點(diǎn)是利用其反射體有效地反射接閃器雷電火花的電磁感應(yīng)；利用其吸波裝置的導(dǎo)磁體有效地吸收過濾雷電流的高頻脈沖，并將電磁感應(yīng)有效地轉(zhuǎn)換成渦流；利用其無感抑浪裝置減小雷電電磁感應(yīng)產(chǎn)生的峰值電流；通過防雷專用電纜疏導(dǎo)強(qiáng)大的雷電流，同時(shí)屏蔽雷擊電流所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)和閃絡(luò)[16]。這樣既可以避免大型儲罐遭受直擊雷，又可以防止感應(yīng)雷所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢對大型儲罐帶來的危害，同時(shí)還可以消去雷電所產(chǎn)生的電磁脈沖、沖擊電壓等，保護(hù)了儲油罐區(qū)儀表、消防監(jiān)控系統(tǒng)等精密弱電磁設(shè)備，使之不會因雷擊而損壞[17]。

4 系統(tǒng)綜合防雷在重慶市601油庫中的應(yīng)用

重慶市601油庫工程總儲油量10.4萬m3，屬一級大型石油庫，年平均雷暴日40.1 d，屬雷電多發(fā)區(qū)。該油庫二期建成8座1萬m3立式內(nèi)浮頂鋼制油罐，油罐高度為19.4 mm，油罐直徑為28.8 m。

目前對這8座儲罐應(yīng)用了系統(tǒng)綜合防雷技術(shù)，在距離儲罐區(qū)防火堤5m處，架設(shè)自主研制的專用消磁消弧避雷針8套，做獨(dú)立接地，接地電阻≤10Ω，同時(shí)作環(huán)形地網(wǎng)，以確保各獨(dú)立避雷針接地系統(tǒng)等電位。每套避雷針對儲罐進(jìn)行一級保護(hù)，其架設(shè)有效高度為28 m，利用滾球法可計(jì)算出其有效保護(hù)半徑為29.93 m，能夠很好地滿足儲油罐區(qū)的雷電防護(hù)要求 （見圖2）。

根據(jù)避雷針對儲油罐的保護(hù)級別和避雷針的有效保護(hù)半徑，針對每個(gè)儲油罐的相對地理位置，通過自主研制的系統(tǒng)綜合防雷數(shù)字仿真軟件進(jìn)行分析，在油庫總平面圖上合理地布置消磁消弧避雷針，使其既滿足各個(gè)儲油罐雷電防護(hù)的需要，又做到統(tǒng)籌優(yōu)化，達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的 （見圖3）。

系統(tǒng)綜合防雷技術(shù)具有穩(wěn)定實(shí)用、安全可靠等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于重慶601油庫，徹底解決了油庫的雷電安全防護(hù)問題。自2008年投入使用以來再也沒有發(fā)生任何雷擊安全事故。

三期即將建成的4座10萬m3大型儲罐，其高度約21 m、直徑約90 m，由于尺寸大，在系統(tǒng)綜合防雷時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)卦黾颖芾揍樇茉O(shè)高度或建造避雷塔，在大型儲罐保護(hù)區(qū)域外建立起遠(yuǎn)引避雷針系統(tǒng)，在保護(hù)區(qū)域內(nèi)合理地確定消磁消弧避雷針的架設(shè)位置。對大型儲罐罐區(qū)建立起高、中、低多層次雷電保護(hù)，通過濾波裝置、吸波裝置和無感應(yīng)抑浪裝置等建立起堤壩式的多級浪涌保護(hù)，同時(shí)在技術(shù)、管理、操作等層面上建立起多措施全方位雷電防護(hù)。

5 結(jié)論

綜上所述，應(yīng)用系統(tǒng)工程原理對大型儲罐雷電安全防護(hù)工作進(jìn)行綜合治理，根據(jù)大型儲罐的雷擊特點(diǎn)采取相應(yīng)防雷措施，以達(dá)到安全實(shí)用、穩(wěn)定可靠的目的。在大型儲罐雷電防護(hù)實(shí)際工作中，宜采用軟密封以減少油氣泄漏，同時(shí)做好防雷接地和電氣連接等措施，避免直擊雷或感應(yīng)雷所帶來的損害。在大型儲罐罐區(qū)應(yīng)當(dāng)配套采用油庫系統(tǒng)綜合防雷措施，在罐區(qū)總平面布置圖上合理布置消磁消弧避雷針系統(tǒng)，建立全面與重點(diǎn)、遠(yuǎn)引與近防、消磁與消弧、反射與吸收、疏導(dǎo)與屏蔽相結(jié)合的多層、多級、多措施的全方位雷電預(yù)防與防護(hù)體系。從該防雷系統(tǒng)在重慶601油庫應(yīng)用實(shí)踐來看，其防雷措施科學(xué)可行，防雷效果好；從經(jīng)濟(jì)效益看，該系統(tǒng)經(jīng)過2年的實(shí)際使用，減少了油庫以往每年因雷擊造成的直接經(jīng)濟(jì)損失近60萬元，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、社會效益的有機(jī)統(tǒng)一，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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Integrated Lightning Protection of Bulk Storage Tank in Oil Depot

ZHOU Yi（Department of Petroleum Supply Engineering,Logistic Engineering University of PLA,Chongqing 401311,China）,ZHAO Xiao-gang,PAN Shi-xiang,et al.

This paper,on the basis of the lightning accident cases of bulk storage tanks in recent years,analyzes the main causes and characteristics of these cases,introduces lightning protection measures of such bulk storage tanks,and then discusses the integrated lightning protection technigues for the tank battery area，which has the characteristics of practicability,reliability and simplicity.

bulk storage tank;tank battery area;integrated lightning protection;system engineering

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.002

周 毅 （1986-），男，四川樂山人，后勤工程學(xué)院油氣儲運(yùn)碩士研究生，從事油氣儲運(yùn)技術(shù)及儲運(yùn)安全方向的研究。

2011-02-26；

2011-11-16