海洋石油工程防雷設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐

郝 明，孔凡旭

海洋石油工程防雷設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐

郝 明，孔凡旭

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

探索有效防雷方法并合理設(shè)置獨(dú)立接閃器，可避免海上石油設(shè)施雷擊災(zāi)害。本文對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的防雷要求，結(jié)合海洋石油工程實(shí)例，提出了海洋石油設(shè)施防雷設(shè)計(jì)系統(tǒng)方法及配置獨(dú)立接閃器的推薦做法。對(duì)海洋石油工程防雷設(shè)計(jì)中，如何完成既降低工程投資成本又保障防雷效果可靠的方案提供參考。

海洋平臺(tái) FPSO 防雷

0 引言

近年來，海上石油平臺(tái)及FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置）等海上石油設(shè)施發(fā)生多起雷擊事故，雖然沒有造成嚴(yán)重后果，但人們對(duì)海洋石油工程防雷設(shè)計(jì)已日益關(guān)注。

每秒大約有2000 多個(gè)雷暴在地球上發(fā)生，并伴隨大量雷電，海洋石油平臺(tái)及FPSO等海上石油設(shè)施一般長(zhǎng)期固定在空曠的海面上進(jìn)行油氣生產(chǎn)作業(yè)，其裝置規(guī)模大、露天化布置，且通常都存在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，一旦遭受雷擊，將造成非常嚴(yán)重的人員及財(cái)產(chǎn)損失，有必要在工程設(shè)計(jì)中對(duì)海上石油設(shè)施進(jìn)行專業(yè)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及防雷設(shè)計(jì)，降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)。

1 海上雷電活動(dòng)的特點(diǎn)[1]

劇烈的對(duì)流云（雷暴云）產(chǎn)生的放電現(xiàn)象稱為雷電，亦稱閃電。美國(guó)宇航局OTD 資料顯示海洋和陸地的閃電平均密度約為1：10，全球78% 的雷電發(fā)生在30°N～30°S之間的熱帶、亞熱帶地區(qū)，北半球雷電發(fā)生總數(shù)大于南半球。

2 雷電對(duì)海洋石油平臺(tái)及FPSO的破壞形式

直擊雷、電磁脈沖、球形雷和云閃是雷電的四種形式。其中對(duì)人和建筑造成危害的多為直擊雷和球形雷，而電磁雷和云閃對(duì)人類影響最小。雷電的危害主要包括直擊雷的危害和感應(yīng)雷的危害。

2.1 直擊雷的危害[2,3]

直擊雷可能使海上石油設(shè)施的石油天然氣處理系統(tǒng)、含易燃易爆氣體的放空設(shè)備等發(fā)生爆炸和火災(zāi)，或者導(dǎo)致通信設(shè)備、儀表等弱電系統(tǒng)設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。

1）熱效應(yīng)。遭受直擊雷時(shí)，雷電流峰值可以高達(dá)幾萬～幾十萬安培，雷電流從雷擊點(diǎn)注入被擊物體，所產(chǎn)生的熱量使被擊物體產(chǎn)生很高的溫升，造成被擊物體損毀。

2）電動(dòng)力效應(yīng)。雷電流流過金屬物體時(shí)，會(huì)在其周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)作用可能導(dǎo)致一些金屬構(gòu)件發(fā)生扭曲，對(duì)具有金屬構(gòu)件的裝置造成結(jié)構(gòu)損毀。

2.2 雷電感應(yīng)的危害

海上石油設(shè)施的電氣及控制設(shè)備主要布置在封閉的鋼制房間內(nèi)，理論上形成一個(gè)“法拉第籠”，但與其連接的室外天線、安裝在高處儀表、燈具等往往通過電纜與其連接，由于雷電感應(yīng)效應(yīng)，雷電流產(chǎn)生的瞬間雷電電磁脈沖仍然會(huì)通過空間耦合對(duì)其造成破壞。主要破壞途徑體現(xiàn)在雷電波沿通信天線、儀表等侵入到設(shè)備，雷電電磁脈沖在開口環(huán)上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，從而導(dǎo)致電火花的產(chǎn)生，對(duì)于含有爆炸危險(xiǎn)性氣體的環(huán)境存在極大的爆炸和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

3 現(xiàn)行海洋工程規(guī)范中的防雷要求

3.1 IEC標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61892系列標(biāo)準(zhǔn)是海洋石油工程設(shè)計(jì)及施工中的常用標(biāo)準(zhǔn)，IEC 61892-6對(duì)直接損傷的雷電防護(hù)（直擊雷）及間接損傷的雷電防護(hù)（雷電感應(yīng)）做了詳細(xì)的規(guī)定。

對(duì)直擊雷防護(hù)，該標(biāo)準(zhǔn)明確從最高點(diǎn)至接地均通過跨界和焊接提供低阻通路的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施無需提供保護(hù)系統(tǒng)，金屬桅桿或金屬結(jié)構(gòu)件應(yīng)組成部分或全部保護(hù)系統(tǒng)；對(duì)于非金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施或有足夠數(shù)量的非金屬設(shè)備的設(shè)施應(yīng)提供保護(hù)系統(tǒng)。

船舶電氣裝置設(shè)計(jì)規(guī)范IEC60092-401中也有類似的規(guī)定。

3.2 美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 14F（海上固定和浮式石油生產(chǎn)設(shè)施電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)推薦做法）在海洋石油工程電氣設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，但API 14F本身并沒有與海上設(shè)施的防雷做具體規(guī)定，而是引用了API RP 2003（靜電、閃電及雜閃電流引起火花的防護(hù)的推薦做法）和NFPA 780（美國(guó)雷電保護(hù)系統(tǒng)的安裝標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)范。

API RP 2003明確規(guī)定接地良好的金屬罐體、設(shè)備和結(jié)構(gòu)可以作為雷電流的泄放通路；桅桿及其他突出物接地良好的鋼制海船認(rèn)為已可以防止直擊雷的破壞；并強(qiáng)調(diào)應(yīng)注意放空口的保護(hù)。

NFPA 780規(guī)定對(duì)于船舶，桅桿、扶手吊艇架及懸臂梁等金屬部件可作為接閃器使用，并推薦采用滾球法進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)與校核。

3.3 船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)

挪威船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)DNV OS-D201僅對(duì)非金屬船舶及具有非金屬桅桿的船舶要求配置雷電保護(hù)系統(tǒng)。

中國(guó)船級(jí)社《移動(dòng)平臺(tái)入籍規(guī)范》中規(guī)定：對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)平臺(tái)，其金屬桅桿及構(gòu)件和船體構(gòu)成固有的對(duì)地低電阻通路，所以無需另設(shè)避雷系統(tǒng)。

3.4 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

1）海上固定平臺(tái)安全規(guī)則/FPSO安全規(guī)則

海上固定平臺(tái)安全規(guī)則和FPSO安全規(guī)則均未對(duì)防雷設(shè)計(jì)做具體規(guī)定，僅要求“應(yīng)按所用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求確定平臺(tái)上需要避雷的設(shè)施和處所，并采取有效的避雷措施”。

2）GB 50057建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范

GB 50057為國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，適用于國(guó)內(nèi)所有新建、擴(kuò)建及改建（構(gòu)）筑物的防雷設(shè)計(jì)。

根據(jù)GB 50057規(guī)定，海上石油設(shè)施應(yīng)屬于第一類防雷建（構(gòu)）筑物。對(duì)于第一類防雷建（構(gòu)）筑物的直擊雷防護(hù)，應(yīng)裝設(shè)獨(dú)立接閃桿或架空接閃線或網(wǎng)，使被保護(hù)的建筑物及風(fēng)帽、放散管等突出屋面的物體均處于接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)建筑物太高或其他原因難以裝設(shè)獨(dú)立的外部防雷裝置時(shí)，可將接閃桿或接閃網(wǎng)或由其混合組成的接閃器直接裝在建筑物上。

4 海洋工程中雷電防護(hù)措施

海上石油設(shè)施的防雷是一個(gè)綜合系統(tǒng)工程，外部和內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行整體綜合考慮。外部防雷主要是防直擊雷，通過接閃器、引下線和接地裝置，將強(qiáng)大的雷電流導(dǎo)入大地；內(nèi)部防雷主要是防感應(yīng)雷及雷電侵入波，設(shè)計(jì)中要綜合考慮接地、屏蔽、等電位連接、電纜布線及浪涌保護(hù)器（SPD）的配置[12]，詳見圖1所示。

4.1 外部防雷設(shè)計(jì)

外部防雷裝置主要包括接閃器、引下線和接地裝置。

1）接閃器。海上石油設(shè)施往往孤立于海面上，周圍很難設(shè)置獨(dú)立的接閃器使整個(gè)設(shè)施處于其保護(hù)范圍內(nèi)，即使可以設(shè)置，經(jīng)濟(jì)上也不合理。此時(shí)可參考GB 50057標(biāo)準(zhǔn)4.2.4節(jié)條文：“第一類防雷建筑物由于太高或其它原因，難以裝設(shè)獨(dú)立的外部防雷裝置時(shí)，可將接閃桿或網(wǎng)格不大于5 m×5 m或6 m×4 m的接閃網(wǎng)或由二者混合組成的接閃器直接裝在建筑物上”。

石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB50650中，也明確規(guī)定宜利用符合規(guī)定的生產(chǎn)設(shè)備的金屬實(shí)體作為防直擊雷的接閃器，對(duì)于海上石油設(shè)施，通常為鋼制結(jié)構(gòu)物，整體形成了固有的對(duì)地低電阻通路，無需另設(shè)避雷系統(tǒng)。但對(duì)于一些通信設(shè)備、冷放空口、航空障礙燈、布置在高處的儀表等，可能不在鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)范圍之內(nèi)，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)給予特別重視，根據(jù)需要設(shè)置專門的防雷裝置。

2）引下線。陸地建筑物防雷的常規(guī)做法一般都專設(shè)引下線。海上石油設(shè)施一般為鋼結(jié)構(gòu)焊接型式，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)格尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于防雷引下線規(guī)格要求，可以利用鋼結(jié)構(gòu)作為引下線。

3）接地裝置。海上石油設(shè)施普遍采用的固定式導(dǎo)管架平臺(tái)或浮式結(jié)構(gòu)，樁腿及結(jié)構(gòu)浮體與海水接觸良好，接地電阻很低，可認(rèn)為是可靠的接地裝置。

4.2 內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)

海上石油設(shè)施的內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)主要從等電位、屏蔽與合理布線、浪涌保護(hù)器的配置三個(gè)方面考慮[12]。

1）等電位連接。海上石油設(shè)施通常為鋼制結(jié)構(gòu)物，鋼結(jié)構(gòu)主要采用焊接連接，整體形成固有的低電阻通路，本身即為一個(gè)等電位體，并且按照施工規(guī)范要求，設(shè)備外殼以及電纜鎧裝層等均已有效接地。

2）屏蔽與合理布線。海上石油設(shè)施電氣及儀表控制系統(tǒng)的主要設(shè)備均布置在設(shè)備房間內(nèi)，設(shè)備房間整體為鋼制，理論上是一個(gè)完美的“法拉第籠”；海上石油設(shè)施的動(dòng)力電纜一般均采用鎧裝電纜，鎧裝層有效接地，儀表控制電纜通常也均采用屏蔽電纜。這些設(shè)計(jì)對(duì)電磁屏蔽起到良好的效果，對(duì)雷電電磁脈沖也可起到良好的抑制效果。

3）浪涌保護(hù)器（SPD）的配置。浪涌保護(hù)器是一種限制瞬時(shí)過電壓及分走尖峰電流的器件，對(duì)各種弱電系統(tǒng)提供安全防護(hù)。但從經(jīng)濟(jì)性考慮，也不可能為所有I/O和控制設(shè)備都配置浪涌保護(hù)器，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備及易受雷擊的高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備配置浪涌保護(hù)器。

圖1 海上石油設(shè)施防雷措施

5 工程案例分析

PETROBRAS-67是服役于巴西海域2100米水深的30萬噸級(jí)FPSO，采用多點(diǎn)固定系泊的方式，包含原油處理系統(tǒng)、天然氣處理系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、原油艙、機(jī)艙、生活樓等設(shè)施。本項(xiàng)目主要從外部防雷和內(nèi)部防雷兩個(gè)方面進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

5.1 外部防雷設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目外部防雷設(shè)計(jì)按照NFPA 780標(biāo)準(zhǔn)，采用滾球法，接閃器在h高度xx’平面上的保護(hù)半徑計(jì)算公式為：

式中：為接閃器高度；h為被保護(hù)物高度；h為滾球半徑；r為被保護(hù)高度上保護(hù)半徑范圍截面半徑。

選用30 m滾球半徑，已有結(jié)構(gòu)設(shè)施對(duì)直擊雷的保護(hù)范圍見圖2。

由于油艙放空塔靠近火炬塔布置，利用火炬塔作為接閃器，同時(shí)在防空塔頂端設(shè)置單獨(dú)接閃器，對(duì)油艙放空塔的防直擊雷保護(hù)校核見圖3。

由于通信塔周圍沒有其他結(jié)構(gòu)物保護(hù)，在通信塔頂部設(shè)計(jì)了單獨(dú)接閃器，其保護(hù)范圍見圖4所示。

5.2 內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)

由于整個(gè)FPSO可以看做一個(gè)大型的“法拉第籠”，大部分的設(shè)備和電纜都布置和敷設(shè)在“法拉第籠”內(nèi)，在做好等電位連接的情況下，已可以起到較好的防感應(yīng)雷作用。除此之外，又通過以下三個(gè)措施進(jìn)行了防感應(yīng)雷設(shè)計(jì)：

1）隔離，對(duì)于重要設(shè)備，采用隔離變壓器對(duì)動(dòng)力電源與控制電源進(jìn)行隔離；

2）屏蔽，對(duì)于信號(hào)回路采用屏蔽電纜，室外電纜采用鎧裝電纜，對(duì)非鎧裝動(dòng)力電纜采用金屬托架。減少外部對(duì)信號(hào)的干擾。

3）采用浪涌保護(hù)器（SPD），對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備及安裝位置易受雷擊的設(shè)備，配置浪涌保護(hù)器。

圖2 使用滾球法進(jìn)行防直擊雷設(shè)計(jì)與校核

圖3 油艙放空塔防直擊雷保護(hù)校核

圖4 通信塔接閃器設(shè)計(jì)

6 結(jié)論

海洋石油工程防雷保護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)性強(qiáng)綜合性高的工程，其防雷設(shè)計(jì)要求采取全面綜合措施結(jié)合通盤考慮以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多樣的情況。任何微小的疏忽都可能導(dǎo)致雷擊災(zāi)害，給人身安全和安全生產(chǎn)埋下嚴(yán)重隱患。本文依據(jù)本國(guó)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)海上石油設(shè)施的防雷設(shè)計(jì)提出了切實(shí)可行的措施，既考慮經(jīng)濟(jì)性，又考慮可靠性及滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為海上石油設(shè)施防雷設(shè)計(jì)提供借鑒和參考：

1）海上石油設(shè)施本身為鋼結(jié)構(gòu)，且接地良好，按照目前常規(guī)設(shè)計(jì)，設(shè)備及管線接地完整，無需專門設(shè)計(jì)整體防直擊雷措施；

2）對(duì)于突出整體平臺(tái)結(jié)構(gòu)的放空口、通信天線、航空障礙燈、高處的儀表等設(shè)施要對(duì)其防雷進(jìn)行特殊考慮；

3）重視浪涌保護(hù)器（SPD）的正確合理使用。

[1] 鄧德文, 周筠珺. 全球雷電活動(dòng)研究進(jìn)展[J]. 高原山地氣象研究, 2011. 31(4): 89-96.

[2] 羅經(jīng)權(quán), 羅佳俊, 羅偉華. “南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO 的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 船海工程, 2012. 41(2): 187-191.

[3] 郭子炘, 李慶民, 閆江燕, 馬宇飛, SiewWah Hoon. 海上風(fēng)電場(chǎng)雷擊演化物理機(jī)制的研究綜述[J]. 電氣工程學(xué)報(bào), 2015. 10(5): 10-19.

[4] IEC 61892-6: Mobile and fixed offshore units-Electrical installations [S]. 2007.

[5] API 14F: Design, Installation, and Maintenance of Electrical Systems for Fixed and Floating Offshore Petroleum Facilities for Unclassified and Class 1, Division 1 and Division 2 Locations [S]. 2008.

[6] API RP 2003: Protection against ignitions arising out of static, lightning, and stray currents [S]. 2008.

[7] DNV-OS-D201: Electrical Installations [S]. 2011.

[8] 中國(guó)船級(jí)社. 移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范[S]. 2016.

[9] GB 50057 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2010

[10] GB 50650 石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2011

[11] NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems[S]. 2011

[12] 張輝, 孟毅, 賈紅濤, 楊志彬. 海洋石油平臺(tái)防雷設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究[J]. 石油石化節(jié)能, 2016, 6(11): 56-58.

Exploration and Practice of Lightning Protection Design of Offshore Oil Engineering

Hao Ming, Kong Fanxu

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

TE41

A

1003-4862（2019）02-030-04

2018-02-20

郝明（1986-），男，工程師。研究方向：海洋石油及天然氣開發(fā)工程中電氣設(shè)計(jì)及研究工作。E-mail: haoming@cooec.com.cn