“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的雷擊風險評估

，，

(1.廣東省興寧市氣象局，廣東 深圳 514000；2.深圳市艾爾特通訊技術有限公司，廣東 深圳 518049)

浮式生產儲油卸油船(floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO)作為長期工作在海面上的一個集水、氣、油的分離以及油船原油的裝卸的裝置，雷雨天氣時存在極大的雷擊風險。2008年10月份，根據(jù)CCS相關規(guī)范的要求，筆者對 “渤海長青號”FPSO通往油艙的呼吸閥做了直擊雷防護工程。時隔2年“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO通往油艙的呼吸閥和位于駕駛艙上的雷達遭到雷擊，損失嚴重。事實說明FPSO的防雷工作極為重要，有必要對存在爆炸氣體危險環(huán)境的區(qū)域采取雷擊風險評估，為實施防雷改造提供科學依據(jù)，從而降低FPSO的雷擊風險。

1 “南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO介紹

“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO，是我國第一艘FPSO。作業(yè)在中海油與CACT集團合作開發(fā)的惠州21-1油田，這是一艘裝有快速解脫轉塔式系泊裝置的25萬t FPSO，由新加坡船廠改裝完成。注冊于美國船級社(ABS)，作業(yè)者是CACT作業(yè)者集團，停泊于中國南海海域。

該船船長330.70 m；船寬51.81 m；型深25.60 m；載重量255 000 t。

“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO作業(yè)在惠州海域的8個油田包圍的海域之中，負責8個油田原油的水、氣、油的分離以及油輪原油的裝卸工作。

2 現(xiàn)有防雷措施評估

“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO于1990年下水，船體分為兩大部分，一部分是生產作業(yè)區(qū)，一部分是生活作業(yè)區(qū)。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)船上的防雷措施幾乎處于空白狀態(tài)：電子信息系統(tǒng)除發(fā)電機輸出端裝有高壓避雷器以外，其余的低壓配電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等均沒有安裝相應的防雷設施；生產作業(yè)區(qū)通往油艙底部的呼吸閥雖然安裝了避雷針，已經(jīng)不符合現(xiàn)行規(guī)范要求，加之長時間沒有維護已經(jīng)嚴重腐蝕，其他高聳的金屬構件均沒有安裝避雷針進行保護；生活作業(yè)區(qū)頂部的雷達、高頻天線等通訊設備的天線也沒有安裝避雷針保護。

雷擊風險評估主要依據(jù)行業(yè)規(guī)范，即《NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems》、《ABS Guide for Building and Classing Facilities on Offshore Installations.2009》、《鋼質海船入級規(guī)范》及《風險管理》GB/T 21714.2等。

3 作業(yè)區(qū)域雷電活動規(guī)律評估

對任何物體進行雷擊風險評估時，其附近的雷電活動規(guī)律都是影響雷擊風險的重要因子。該雷電活動規(guī)律包含了當?shù)氐穆淅赘怕?地閃次數(shù))、雷電流的能量分布、雷電活動頻繁的月份、時段等。美國宇航局OTD和LIS聯(lián)合觀測的1995-04～2003-02全球雷電地閃密度分布見力圖1。

由圖1可見，全球雷暴活動最頻繁的區(qū)域主要集中在北緯和南緯30°之間的陸地，雷電活動最少的區(qū)域則是海洋區(qū)域和極地區(qū)域。雷電探測器得到的全球閃電數(shù)為2.05×109/年，而且54%發(fā)生在北半球，平均的陸地總地閃密度為8.3/(km2·年)，是海洋上總閃電密度的3.4倍[1]。這是由形成雷暴云的必要條件——具有強烈上升的暖濕空氣決定的。由于水的比熱容要遠大于陸地，在同樣日照的情況下，地面溫度上升要比海洋快速得多，從而使地表空氣迅速加熱，并在一定條件下急劇上升形成了雷暴云，產生更多的雷暴和閃電。因此，可以猜想到南海發(fā)現(xiàn)號作業(yè)的海洋區(qū)域落雷密度并不高，從雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)監(jiān)測到“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO作業(yè)區(qū)域2010年1～9月份的雷電資料可以看出，與猜想相符。

圖1 來自美國宇航局OTD和LIS聯(lián)合觀測的1995-04～2003-02全球雷電地閃密度分布

將“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO及其周圍8個海上采油平臺的經(jīng)緯度分別在Google 衛(wèi)星地圖上定位，見圖2。

圖2 “南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO及其周圍8個海上采油平臺衛(wèi)星定位

從圖2可見，HZ21-1A和HZ21-1B平臺離“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO比較近，三者組成的區(qū)域可能吸引更多的雷電發(fā)生。

查詢國家雷電監(jiān)測預警網(wǎng)2010年1～9月份“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO周圍3 km的雷電活動資料，5月份開始出現(xiàn)雷暴天氣，其中，5月份發(fā)生地閃3次，平均雷電流為105.7 kA，均為負地閃；6月份發(fā)生地閃4次，平均雷電流為102.1 kA，2次正地閃，2次負地閃；7月份發(fā)生地閃5次，平均雷電流69.2 kA，其中4次負地閃，1次正地閃；8月份發(fā)生地閃2次，平均雷電流59.7 kA，均為負地閃；9月份發(fā)生地閃8次，平均雷電流為72.7 kA，均為負地閃。

分析上面數(shù)據(jù)，“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的雷暴活動主要集中在7、8、9月份。5、6月份的雷暴雖然少，但是能量非常大，遠遠高于雷暴活動頻繁的月份。從總地閃次數(shù)來看，海面上要遠遠小于陸地上的，但是雷電流的平均能量達到了80.6 kA，卻遠遠大于陸地，這是因為在海洋上空，特別是熱帶海域的積雨云厚度可達兩萬米以上，其雷暴云所帶的電荷要遠遠高于地面雷暴云所帶電荷。因此，放電的能量要遠遠高于陸地。

因此，“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO遭受雷擊的概率很小，年雷擊次數(shù)只有0.78次/年，一旦遭受雷擊，后果卻是非常嚴重的，正如此前通往油艙的呼吸閥遭到雷擊一樣，呼吸閥旁邊的避雷針被雷擊歪，1/4的排氣管被燒焦，險些釀成大禍。

4 選擇性評估

鑒于“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO自身結構和工作環(huán)境的特殊性，影響雷擊選擇性的因素如下。

1)與“南海發(fā)現(xiàn)號”上的設施情況有關。凡是有利于雷云與“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO建立良好放電通道者易受雷擊，這是影響雷擊選擇性的重要因素。在空曠的海面上，突出、孤立的構筑物更加容易遭受直接雷擊。

突出甲板的氣體排放口、火炬燃燒塔等排放的氣體中會含有導電粒子和游離氣團，它們比一般的空氣易于導電，這就等于加高了排氣管的高度，這也是排氣管、放散管、呼吸閥等容易遭受雷擊的重要原因之一。

2)與“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的結構及其附屬構件條件有關。由于“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO本身是全鋼質結構的船體，相對于廣闊的海面，在靜電感應的作用下可以感應出更多的電荷，從而建立起很強的電場，而附屬在上面突出的金屬構件附近的電場畸變更嚴重，因此更容易遭受雷擊。

綜上所述，“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO駕駛艙平臺上很多孤立分置的通信、導航、雷達天線，生產作業(yè)區(qū)很多高聳的排放燃燒廢氣和爆炸混合物的放散管、排氣管和呼吸閥，這些區(qū)域的雷擊風險級別要遠遠高于其它區(qū)域，因此，這些部位是雷擊防護的重點部位，應特別注意，見圖3。

圖3 “南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO存在潛在雷擊風險的區(qū)域(圓圈所在的區(qū)域)

5 破壞形式評估計算

“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO相當于一個小型的化工廠，位于生產作業(yè)區(qū)域的各種系統(tǒng)包含了石化工藝裝置所具有的一切特征，雷雨天氣時可能遭受來自雷電兩方面的破壞。

1)直擊雷。可能對生產作業(yè)區(qū)的油氣處理系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、排放易燃易爆混合氣體的放空管、呼吸閥等造成爆炸和火災。

2)雷電感應。雖然船體屬于鋼制結構，各種線纜均穿金屬管敷設，但是由于雷電感覺的作用，雷電流產生的瞬間雷電電磁脈沖仍然會通過空間耦合對“南海發(fā)現(xiàn)號”上的儀器儀表等造成破壞。

因此，必須對上述存在潛在雷擊危險的區(qū)域采取重點的雷電防護措施，將雷電對“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的破壞降到最低點。

5.1 直擊雷

雷電直接擊在“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO上時產生的熱破壞效應和電動力效應均會對其造成破壞。

1)熱效應。遭受直擊雷時，強大的雷電流從雷擊點注人被擊物體，所產生的熱量能夠在雷擊點局部范圍及電流通路附近引起很高的溫升，可以造成此處金屬物體熔化或非金屬物體燒毀。

雷擊金屬物產生的熱量Wm可以采用在雷電流作用時間t內的積分來估算[2]：

(1)

式中：Uar——金屬物體上雷擊點處電弧壓降，其經(jīng)驗值取20～30 V；

i——從雷擊點注入的雷電流，kA。

電荷量Q與雷電流i之間存在下列關系：

(2)

因此，式(1)可以簡化為Wm=103QUar，取Uar=30 V，Q取一類防雷首次雷擊的電荷量100 C，則Uar=3×106J。

雷擊非金屬物體(主要指位于駕駛艙頂部的玻璃鋼材質的通信天線和雷達)后，雷電流將強行從雷擊點注入非金屬內部，在其內部產生的熱量Wn可以用下式估算。

(3)

式中：R——非金屬物體內部電流路徑的視在電阻，Ω；

i——從雷擊點注入的雷電流，kA。

由于雷電流作用的時間很短，在計算雷擊對金屬或非金屬物體所造成的溫升Δθ時，可以忽略散熱的影響。

(4)

式中：m——質量；

c——比熱容。

2)電動力效應。雷電流通過直立金屬棒時，會在其周圍產生電磁場，處在該電磁場中的金屬棒內由于存在電流，會受到安培力的作用，該安培力可能導致一些金屬構件發(fā)生扭曲，對船體上工藝裝置的結構造成破壞。

5.2 雷電感應

雷電感應對“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的破壞主要體現(xiàn)在雷電波沿通信天線侵入到設備、雷電電磁脈沖(LEMP)在開口環(huán)上感應出電動勢，從而導致電火花的產生，對于爆炸危險氣體的環(huán)境存在極大的爆炸和火災風險。

1)雷電波侵入。該種破壞途徑主要集中在駕駛艙頂部外圍的天線部分，通訊天線和雷達處于直擊雷非防護區(qū)域，一旦發(fā)生雷擊，雷電流可能沿通訊線路侵入到內部設備，從而導致通訊設備損壞。

假設開口環(huán)的尺寸為5 m×5 m，波頭時間2.5 μs，雷電流峰值100 kA，在距離雷擊點200 m時也可以感應到1 kV左右的電壓，在海面潮濕的環(huán)境下，零點幾毫米的氣隙可能被擊穿，產生有害的火花，從而對易燃易爆環(huán)境構成威脅。

6 風險計算

對“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO進行風險計算的目的是為了評價現(xiàn)有狀態(tài)下是否存在雷擊風險，一旦發(fā)生雷擊，產生的風險是否在“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO可接受的風險范圍之內，如果超出了風險容許值的范圍，應該采取相應的防雷措施來降低這種風險，確保安全。本評估參考了GB/T 21714.2 介紹的方法，并結合油船的特殊性，對一些因子和風險容許值做了調整，使其更加客觀。

6.1 風險組成

雷電流是造成損壞的主要原因，按雷擊點的位置可以分為下列兩種：①雷擊船體S1；②雷擊船體附近S2。

雷擊過程中，雷擊引起的損害類型分為三種。人員傷害D1；物理傷害D2；電氣和電子系統(tǒng)故障D3。

每類損害，不論是單獨出現(xiàn)還是與其它損害共同出現(xiàn)，會在被保護對象中產生不同的損失，可能出現(xiàn)的損失類型取決于需要保護對象本身的特性及其內存物，因此，南海發(fā)現(xiàn)號應考慮以下幾種類型的損失：人身傷亡損失L1；船體服務設施損失L2；經(jīng)濟損失L3。

風險是雷電造成的年平均可能損失(人和物)與需要保護對象(人和物)的總價值之比，南海發(fā)現(xiàn)號可能出現(xiàn)的損失應計算其對應的風險。

6.2 “南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO需估算的風險

人身傷亡損失風險R1；服務設施損失風險R2；經(jīng)濟損失R3。

6.2.1 直接雷擊船體引起的船體的風險分量

RA：雷擊點附近3 m范圍內，因接觸電壓和跨步電壓造成船上工作人員傷害的風險。

RB：“南海發(fā)現(xiàn)號”上因危險電火花觸發(fā)火災或爆炸引起物理損害的風險分量。

RC：因LEMP造成內部系統(tǒng)故障的風險。會產生L2和L3類的損失，在具有爆炸危險場所的生產作業(yè)區(qū)還可以產生L1類的損失。

6.2.2 雷擊船體附近時引起的船體風險分量

RM：因LEMP引起內部系統(tǒng)故障的風險分量。會產生L2和L3類的損失，在具有爆炸危險場所的生產作業(yè)區(qū)還可以產生L1類的損失。

6.3 雷擊風險及其分量組成

人身傷害風險的分量[3]為RA=ND×PA×LA；

物理損害的風險分量為RB=ND×PB×LB；

內部系統(tǒng)故障的風險分量為RC=ND×PC×LC；

人身傷亡損失風險為R1=RA+RB+RC+RM；

服務設施損失風險為R2=RB+RC+RM；

經(jīng)濟損失風險為R3=RA+RB+RC+RM。

雷擊產生的風險分量如下。

內部系統(tǒng)故障的風險分量RM=NM×PM×LM;

雷擊“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的危險次數(shù)ND為

ND=Ng×Ad×Cd×10-6

(5)

式中：Ng——雷擊“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的密度；

Ad——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的截收面積;

Cd——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的位置因子。

年平均危險事件次數(shù)NM為

NM=Ng×(Am-Ad×Cd)×10-6

(6)

式中：Am——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO附近的截收面積。

6.4 采取防護措施成本效益的估算

為減小“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的經(jīng)濟損失R3，估算采取防護措施時的成本效益是有用的。R3的評估對象可以是“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的整體，也可以是一部分;可以是內部系統(tǒng)的整體，也可以是內部系統(tǒng)的一部分。

按下列公式分別計算采取防護措施之前及之后所造成的損失代價CL及CRL

C=RA×CA+RB×(CA+CB+CS+CC)+
(RC+RM)×CS

(7)

式中：CA——人員的價值;

CS——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO內部系統(tǒng)的價值;

CB——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的價值;

CC——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO內存物的價值。

通過以下公式計算防護措施的年均花費。

CPM=CP×(i+a+m)

(8)

式中：CP——防護措施的成本；

i——利率；

a——防護措施的折舊率；

m——維護費用。

若CL-(CPM+CRL)>0，采取防護措施時經(jīng)濟是合理的。

每年因此而減小的費用支出S為

S=CL-(CPM+CRL)

(9)

所有參與計算的因子應由“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的擁有者給出。

6.5 風險容許值

風險容許值是指“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO可以接受的雷擊風險值，在該值范圍內認為是安全的，評估結果超過此值時應采用相應的措施來降低相應的風險。

容許值與存在的風險值是對應的，其容許值也包括人身傷亡損失風險，服務設施損失風險，經(jīng)濟損失等，用RT表示容許值。

容許值同防護措施的成本效益一樣，由“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的擁有者給出。

7 結論

本文通過分析影響“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO雷擊風險的各種因素，試圖對其做出全面的分析，找出影響風險的每類因子，為海上船只的雷擊風險評估提供參考。

[1] 梅衛(wèi)群，江如燕．建筑防雷工程與設計[M].2版.北京：氣象出版社，2006.

[2] 張小青．風電機組防雷與接地[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3] 全國雷電防護標準化技術委員會．GB/T 21714．2—2008雷電防護第二部分：風險管理[S]．北京：中國標準出版社，2008．