淺談石油設施的雷擊防護

袁勝

【摘 要】本文主要總結(jié)了油田中各種設施的雷擊防護做法，對一些有爭議性的問題提出自己的看出。并介紹了一些防雷系統(tǒng)的新的做法，并對雷電防護做法做了一些自己的總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】雷擊防護；石油設施；聯(lián)合接地；山區(qū)防雷

石油及石油產(chǎn)品（汽油、煤油、柴油、天然氣、石油氣等）均為易燃易爆的液體或氣體。若遭受雷擊時，如防范措施不到位，可能會發(fā)生爆炸，導致大量的財產(chǎn)損失及人員傷亡。震驚中外的1989年黃島油庫大火，就是因遭受雷擊引發(fā)油罐爆燃后發(fā)生連鎖爆炸。大火燃燒了104個小時才完全撲滅，燒掉原油3.6萬噸，燒毀油罐5座，死亡19人（其中包括10余名消防隊員），直接經(jīng)濟損失3540萬元。如何保證石油設施在遭受雷擊后，能安然無恙。這就要針對雷電的各種破壞力，采取相應措施。雷電之所以給石油設施安全運行造成巨大的威脅，主要是由于雷電熱效應、電感效應、靜電感應、電磁感應、機械力效應、雷電波侵入、高電位反擊等直接威脅，而且還會引起設備損壞、燃燒、爆炸等二次危害。雷電具有電流高幅值（雷電流最大為幾百千安），高電位（先導時，云中根部對地電位約為50MV～10MV），高沖擊（主放電時間不超過100μs，峰值達幾十到幾百千安，及di/dt很大）等特點，就決定了雷電是防不住的，只能采用“疏”，及時的把雷電流以最短的通道，最小的阻礙，及時的導入大地，是避免對石油裝置造成破壞的最好辦法。即引下線的路徑足夠短，接地電阻足夠小。

一、金屬儲罐的防雷做法

根據(jù)規(guī)范《石油與石油設施雷電安全規(guī)范》中4.1.1條，鋼儲罐頂板厚度不小于4mm時，不應裝設避雷針。避雷針，其實應該叫“引雷針”。眾所周知，電場在針尖處形成極不均勻場，此處場強最大。在不均勻場中，放電總是從曲率半徑較小的電極表面，即間隙中場強最大的地方開始。下行雷先導從雷云向建構(gòu)筑物發(fā)展時，從接地的建筑物上可能形成向上的迎面先導，迎面先導在相當大的程度上影響著下行先導的發(fā)展路線。所以說設避雷針處，引雷幾率遠遠大于其余部分，反而增加油罐的危險性?，F(xiàn)在有人認為，部分金屬油罐外部有保溫層，外保溫板厚度一般只有0.5mm，不滿足鋼儲罐頂板厚度不小于4mm，應裝設避雷針。本人認為沒有必要，分析過程如下：油罐本體是可靠接地，始終保持0點位。罐體保溫層外表面感應的正電荷（因為90%以上雷電為負極性雷），根據(jù)電磁場基礎相關(guān)知識，可得：E1=U/[ε1（d1/ε1+d2/ε2），式（1）；E2=U/[ε2（d1/ε1+d2/ε2），式（2）；U=U1+U2，式（3）。因d1>>d2，E1=U/d1，E2=ε1U/（d1ε2），取絕緣材料的相對介電常數(shù)為5，即E2=U/（5d1），即E2=E1/5，一般先導放電時，通道的電場強度為25～30kV/cm左右，即E2為5～6kV/cm左右，保溫層厚度按50mm計算，則U2=25～30kV。所以，雷電先導階段，保溫層未被擊穿，主放電階段，雷云的高電位被引至油罐外保溫板上，此時，加在保溫層兩側(cè)的電壓U值一般達到幾MV，而油罐保溫層厚度只有幾厘米，油罐保溫層被擊穿，U直接作用在雷云與油罐本體間。只要油罐壁厚滿足要求，能直接采用罐體做接閃器。當遭受雷擊時，外保溫板及保溫層被擊穿，會發(fā)生局部破壞，因保溫層材質(zhì)一般為阻燃材料，所以不會導致油罐著火或爆炸。因為任何導電介質(zhì)均存在電感，由于雷擊發(fā)生時，di/dt很大，根據(jù)U=L*di/dt，由于L不同，不同的部位會產(chǎn)生不同的感應電壓，可能會發(fā)生擊穿。所以，油罐的相關(guān)的附件如阻火器、呼吸閥、爬梯等需做等電位連接。

二、放散管的防雷做法

1.金屬油罐氣體放空管路的防雷做法。根據(jù)規(guī)范《石油與石油設施雷電安全規(guī)范》中4.7.7條，可燃氣體放空管路應安裝阻火器或安裝避雷針。而金屬油罐及非金屬油罐一般均配備了阻火器，所以放散管不需要單獨設置防雷措施，只要把阻火器與罐體做可靠電氣連接。

2.位于石油場站內(nèi)獨立放空管。根據(jù)《石油化工裝置設計規(guī)范》，位于高空的放散管，應設置直接雷防護及感應雷防護的措施。如果放散管已設置阻火器，則只需把放散管做可靠接地（放散管壁厚超過4mm）。如果放散管未配備阻火器，則要設置獨立避雷針，避雷針距離管口距離不小于2米，避雷針保護高度詳見《石油化工裝置設計規(guī)范》。

3.加氣站的放散管的防雷措施。我們常見的加油加氣站有CNG（壓縮天然氣）站，LPG（液化石油氣）站，LNG（液化天然氣）站。根據(jù)工業(yè)要求，一般在CNG及LPG站設置集中的放散管，均帶有阻火器；而LNG站，因工藝原因，不允許在管路中裝設阻火器，但在底部裝有安全閥。CNG及LPG站的放散管，因有阻火器，可直接利用管體做接閃器，并與系統(tǒng)地連接。LNG站雖然沒有裝設阻火器，但是底部裝設安全閥。在最不利的情況下，即可燃氣體放空時，遭受直接雷擊，因管內(nèi)其他處于正壓，雷擊引起的燃燒只會限制在管口附近，不會引起回火。根據(jù)陜西省燃氣設計院的部分現(xiàn)場實際經(jīng)驗，數(shù)次雷擊正在釋放可燃氣體的放散管，均未造成安全事故。

三、含油污水罐的防雷做法

油田在污水處理過程中，設置了較多的污水罐。常見的有污水接受罐、沉降罐及注水罐。很多的罐體的材質(zhì)為玻璃鋼。原來做法是接受罐、沉降罐由于含油較多，按照油罐考慮。注水罐，按水罐考慮。根據(jù)《石油與石油設施雷電安全規(guī)范》第4.2.1條，非金屬儲罐應設置獨立避雷針等防直接雷設備。根據(jù)《石油設施電氣設備安裝區(qū)域一級、0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)區(qū)域劃分推薦做法》第10.8.1.1條，污水是指任何可能包含或混合有易燃液體、氣體或蒸汽的水，無論其來源如何都稱之為污水。且非金屬儲罐放散口均裝有阻火器。所以，直接利用儲罐頂部的金屬圍欄扶梯等做接閃器，呼吸閥、阻火器等與接地系統(tǒng)做可靠電氣連接。

四、油田泵房的防雷做法

油田泵房的防雷等級劃分主要是看是否會造成巨大破壞和人身傷亡。如集輸泵房，其爆炸危險級別一般為2區(qū)，則該泵房可劃分為第二類防雷建筑物；但當工藝要求設置成地下或半地下時，在易燃液體的蒸汽或空氣混合物的密度大于空氣，又無可靠機械通風設施的情況下，爆炸混合物不易擴散，該泵房就要劃分為1區(qū)危險場所。如該泵房為大型場站的原油泵房，當泵房遭雷擊就可能導致企業(yè)停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，那么該泵房應該按一類防雷建筑物。如該泵房是石油庫的卸油泵房，平時間斷操作，雖可能因雷電火花引發(fā)爆炸造成經(jīng)濟損失和人身傷亡，但概率小的多，則這類泵房可劃分為第二類防雷建筑物。

五、油田輸油輸氣管線的防雷做法

油田輸油管線及輸氣管線一般埋地或沿地面架空敷設，一般不會遭受直接雷。此時主要防范的是雷電流的電磁感應。根據(jù)U=L×di/dt，由于L不同，不同的部位會產(chǎn)生不同的感應電壓，可能會發(fā)生擊穿。所以對于距離較近的管線及閥門等處，應采用等電位連接。

六、建筑物內(nèi)配電裝置的防雷

根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》第4.1.1條，第一類防雷建筑物及部分有爆炸危險區(qū)域劃分的第二類防雷建筑物除設置直接雷防護措施外，還要采用各種防閃電電涌侵入措施。第一類防雷建筑物應采用獨立接閃桿（網(wǎng)）保護，接閃網(wǎng)網(wǎng)格不應大于5×5m或6×4m。獨立接閃器的接地與建筑物本體接地距離不得小于3m。第二類防雷建筑物可采用屋面上裝設接閃網(wǎng)保護，接閃網(wǎng)網(wǎng)格不應大于10×10m或12×8m。為了防止雷電波侵入，室外低壓電纜應直接埋地敷設，埋地段長度不小于15m；鎧裝電纜的金屬鎧裝層，金屬保護套管等應與建筑物接地系統(tǒng)連接。在建筑物內(nèi)的總配電箱內(nèi)，裝設10/350μs波形的SPD保護器。所有進出建筑物的金屬管道，均應與建筑物的接地裝置相連。

七、場站內(nèi)各種專業(yè)的接地系統(tǒng)

在一個大型的場站內(nèi)，往往有很多的設備需要接地，接地的目的也不一樣，接地的電阻要求也不一樣。如：電氣專業(yè)的工作接地，雷電防護接地，防靜電接地、自控與通訊系統(tǒng)的信號地等，由于多個用于不同目的的接地系統(tǒng)，使分開接地方式不同電位所帶來的不安全因素日益嚴重，不同接地導體間的耦合影響又難以避免，會引起相互干擾。一般認為接地系統(tǒng)作用的范圍為20米，即認為地下距離相隔20米以上的接地系統(tǒng)，才是互不干擾的接地系統(tǒng)，這在場站建設時，可以說是基本無法實現(xiàn)的。為了減少耦合，減少電位差，最簡單的辦法是把所有的接地系統(tǒng)連接起來，實施等電位連接措施，這就是聯(lián)合接地方式。接地電阻按接入設備的最小值確定。

八、山區(qū)防雷的新做法

傳統(tǒng)的防雷理論和規(guī)范是針對平原地區(qū)的雷電形成機理提出來，平原地區(qū)的雷云結(jié)構(gòu)一般是底部距地2km左右，上部高10～12km，上部帶正電荷，下部帶負電荷。所以平原地區(qū)90%以上為負極性雷。山區(qū)的云體受大氣流動和風力作用，往往發(fā)生傾斜，零點溫度線降低，使正電荷云體接近山體頂部，所以山區(qū)正極性雷比平原多。建筑物受側(cè)擊現(xiàn)象比平原多。避雷針保護范圍在正極性雷時，范圍較負極性雷小，所以避雷針在山區(qū)保護效果要降低。山間帶電云團沿山體浮動，球形雷多于平原。山區(qū)氣壓較平原低，雷電的強度減弱。有些山區(qū)的局部氣象規(guī)律明顯，雷云的運動和路徑有一定的規(guī)律。在山區(qū)雷區(qū)活動的路徑上，在雷擊次數(shù)較多的地點，如山凹中的進風口、制高點、邊界點等處安裝松樹型避雷針，使雷云進過這里時充分的放電，從而消除雷云對屏障后面設施的威脅。這是第一道保護，還要與建筑物的避雷帶與進線SPD保護等三道保護，組成防雷系統(tǒng)。

綜上所述，什么樣的設施采用什么樣的防雷措施，主要看遭受雷擊后的后果是否能夠承受，如果設施很重要，發(fā)生雷擊事故后，后果很嚴重，則可以適當?shù)脑黾永纂姺雷o措施；如果一般性設備的措施，如含油污水罐，那只要按照規(guī)范相關(guān)要求即可。雷電防護主要方法是“疏”，不是堵，條件許可的情況下，不要裝設避雷針，因為他的功能不是避雷，而是引雷。雷電防護是個系統(tǒng)工程，要有直接雷防護、防浪涌侵入、等電位連接等綜合措施。

參 考 文 獻

[1]馬宏達.確定避雷針（線）保護范圍的滾球法[J].建筑電氣 1990：9（2）：6～10

[2]石油與石油設施雷電安全規(guī)范.GB15599-2009

[3]建筑物防雷設計規(guī)范.GB50057-2010