美國(guó)預(yù)防雷電和靜電及雜散電流引燃技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)探討

郭霄杰，姜垣良，白曉航，李彬，閆曉晨，蔣玉卓

(1. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司 管道分公司，河北 廊坊 065000；2. 中油國(guó)際管道公司，北京 100029；3. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司 管道沈陽(yáng)輸油氣分公司，遼寧 沈陽(yáng) 113001；4. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司 管道濟(jì)南輸油氣分公司，山東 濟(jì)南 250000；5. 中國(guó)石油青海油田分公司 管道處，青海 格爾木 816000)

雷電屬于一種自然現(xiàn)象。油品儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中可能產(chǎn)生靜電積聚，油氣站場(chǎng)存在油氣泄漏可能性，易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故[1]。2007年5月至6月期間，上海金山國(guó)家儲(chǔ)備庫(kù)連續(xù)發(fā)生3起原油儲(chǔ)罐雷擊著火事故。2006年中國(guó)石油23起重大事故中，由靜電導(dǎo)致的有6起，占比26%[2]。油氣站場(chǎng)雷電和靜電防御是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。管道企業(yè)應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)防雷、防靜電設(shè)施進(jìn)行檢查檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，為油氣站場(chǎng)安全運(yùn)行提供可靠的技術(shù)保障[3]。本文研究了美國(guó)石油行業(yè)防雷、防靜電的技術(shù)進(jìn)展，跟蹤美國(guó)管道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂動(dòng)態(tài)信息，對(duì)于提高中國(guó)管道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平具有指導(dǎo)意義。

1 美國(guó)防雷和防靜電標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

防雷、防靜電領(lǐng)域具有代表性和權(quán)威性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API RP2003： 2015《防止靜電、雷電和雜散電流引燃的推薦做法》(簡(jiǎn)稱2015版)[4]。中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1651—2013《防止靜電、雷電和雜散電流引燃技術(shù)導(dǎo)則》等同API RP2003： 2008(簡(jiǎn)稱2008版)。在一定程度上代表了美國(guó)石油行業(yè)防雷、防靜電的技術(shù)水平。限于篇幅，本文重點(diǎn)研究了API RP2003： 2015新修訂的重要技術(shù)條款，供國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)制修訂機(jī)構(gòu)和安全管理技術(shù)人員借鑒參考。

2 范 圍

API RP2003： 2015新增一項(xiàng)防止靜電、雷電和雜散電流引燃的基本原則，即確認(rèn)采用靜電引燃的限制措施后，在保證不發(fā)生靜電引燃條件下，應(yīng)盡快查找真正的引燃源。

API RP2003： 2015以靜電為例，探討了危害和風(fēng)險(xiǎn)的概念。危害指材料的特性或狀態(tài)造成傷害的能力，例如可燃性、毒性、腐蝕性、電能、化學(xué)能屬于工業(yè)材料和狀態(tài)范疇內(nèi)的危險(xiǎn)源，電荷分離和靜電積聚是低電導(dǎo)率烴類流體的固有特性。風(fēng)險(xiǎn)指危害因素造成的后果。靜電積聚成為引燃源的條件是可燃油品油氣混合物中存在靜電且發(fā)生放電作用，任何一個(gè)條件不滿足時(shí)，靜電積聚、可燃油氣混合物和火花放電都不存在風(fēng)險(xiǎn)。

3 規(guī)范性引用文件

API RP2003： 2015新增美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API RP545： 2009《儲(chǔ)存可燃和易燃液體地上儲(chǔ)罐雷電保護(hù)推薦做法》等3項(xiàng)；美國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)研究報(bào)告《靜電引燃導(dǎo)致的火災(zāi)和爆炸》和《化學(xué)工業(yè)預(yù)防靜電引燃危害》；美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2624： 2015《航空燃料和餾出燃料電導(dǎo)率試驗(yàn)方法》；美國(guó)消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 407： 2003《航空燃油設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》。

4 靜電危害

4.1 靜電產(chǎn)生機(jī)理

針對(duì)產(chǎn)生靜電荷、靜電積聚產(chǎn)生引燃火花、存在火花間隙、火花間隙中存在可燃蒸氣-空氣混合物等靜電荷成為點(diǎn)火源應(yīng)具備的條件，油品電導(dǎo)率、容器導(dǎo)電能力、容器向大地消散電荷的能力等靜電荷在液體中消散能力的影響因素，以及火花放電和刷形放電的靜電放電機(jī)理，API RP2003： 2015無(wú)變更。

針對(duì)石油操作過(guò)程中分離或摩擦產(chǎn)生靜電的例子，API RP2003： 2015新增以下兩種情形：

1)不相容液體或者液體中的懸浮固體顆粒的分離，例如儲(chǔ)罐中分散水分的沉降。

2)感應(yīng)充電指當(dāng)接地導(dǎo)體靠近高電量表面且與地面接觸失效時(shí)，接地導(dǎo)體會(huì)被充電。

4.2 靜電防護(hù)措施

API RP2003： 2015針對(duì)降低靜電放電的風(fēng)險(xiǎn)，將2008版中規(guī)定的18項(xiàng)防護(hù)措施分為四類，即防止電荷產(chǎn)生的措施、防止靜電積聚的措施、避免可燃性放電的措施和避免形成易燃?xì)怏w的措施，提高了靜電防護(hù)措施的適用性和可操作性。

為正確評(píng)估油品輸送過(guò)程的靜電危害，API RP2003： 2015新增油品電導(dǎo)率評(píng)估結(jié)果的影響因素：

1)靜電危害評(píng)價(jià)必須選擇輸送溫度下的油品電導(dǎo)率，溫度降低時(shí)，油品電導(dǎo)率顯著降低。

2)應(yīng)考慮測(cè)量誤差對(duì)油品電導(dǎo)率的影響，例如儀器精度和重復(fù)性。

3)檢測(cè)試樣應(yīng)具有代表性，例如儲(chǔ)罐內(nèi)油品可能存在分層現(xiàn)象。

4)檢測(cè)試樣中含有水或其他污染物，或者油品成分變化，導(dǎo)致電導(dǎo)率顯著增加。

4.3 汽車罐車的裝卸作業(yè)

1)針對(duì)汽車罐車灌裝。API RP2003： 2015規(guī)定在鶴管被浸沒(méi)前，灌裝液體線速不大于1 m/s，以防止噴濺，使液體表面湍流最小化。管線入口被浸沒(méi)前，管線內(nèi)流速和管口排放速度應(yīng)小于1 m/s。相對(duì)2008版，油品流速由3 m/s降低為1 m/s，且采用鶴管裝卸和管線充裝均執(zhí)行該值，主要考慮油品不同相在隔艙的沉淀，以及液體中含有水分的可能、夾帶水滴等因素。

2)針對(duì)跨接和接地。API RP2003： 2015規(guī)定在對(duì)棧臺(tái)、鶴管、管線進(jìn)行跨接和電氣連接時(shí)，跨接線應(yīng)采用帶絕緣套的導(dǎo)線，應(yīng)定期測(cè)試或檢查跨接導(dǎo)線的電氣連續(xù)性，跨接電路電阻應(yīng)小于1 Ω。在2008版中認(rèn)為電阻值在10 Ω以下可以防止靜電積聚，API RP2003： 2015中電阻值由10 Ω降低為1 Ω，針對(duì)跨界和接地要求更高。

3)針對(duì)采樣和檢尺。API RP2003： 2015規(guī)定為對(duì)隔艙進(jìn)行檢尺或采樣前，應(yīng)有 2 min的靜置時(shí)間。電導(dǎo)率極低的液體，例如純凈的溶劑和化學(xué)級(jí)烴類或多相混合物，需要較長(zhǎng)的靜置時(shí)間。針對(duì)電導(dǎo)率極低的液體采樣的靜置時(shí)間要求為新增要求。

4.4 鐵路罐車的裝卸作業(yè)

由于鐵路罐車的幾何形狀和尺寸可以減少靜電場(chǎng)，使鐵路罐車允許的流速v與鶴管直徑D的乘積值高于汽車罐車。鐵路罐車的跨接和接地、管線電氣連續(xù)性、頂部/底部灌裝作業(yè)、采樣和檢尺可參考汽車罐車的做法。

4.5 儲(chǔ) 罐

4.5.1API RP2003： 2015新增的儲(chǔ)罐靜電防護(hù)措施

API RP2003： 2015新增有關(guān)儲(chǔ)罐靜電防護(hù)有以下幾方面：

1)物料屬于靜電積聚體并含有分散相(例如夾帶水滴)時(shí)，整個(gè)灌裝操作中應(yīng)將入口流速限制在1 m/s。

2)檢查儲(chǔ)罐中是否存在松動(dòng)的檢尺浮子和采樣器等未接地的自由物或飄浮物，并將其清除掉。

3)向儲(chǔ)罐內(nèi)泵送液體時(shí)，避免夾帶大量的空氣或其他的氣體。輸送溫度接近閃點(diǎn)8.5～11 ℃的易燃液體或可燃液體的管線，禁止用風(fēng)吹掃。

4.5.2采樣和檢尺的靜置時(shí)間

對(duì)于儲(chǔ)罐采樣及檢尺有以下幾方面：

1)容積大于 37.85 m3的大型儲(chǔ)罐，檢尺或采樣作業(yè)前，應(yīng)有30 min的靜置時(shí)間,API RP2003： 2015和2008版無(wú)變更。

2)API RP2003： 2015規(guī)定： 容積為18.925～37.85 m3的儲(chǔ)罐的靜置時(shí)間為5 min；容積低于18.93 m3的儲(chǔ)罐的靜置時(shí)間為1 min。非常純凈的溶劑和化學(xué)級(jí)烴類等超低電導(dǎo)率的液體應(yīng)延長(zhǎng)靜置時(shí)間。在2008版中容積低于18.93 m3的儲(chǔ)罐的靜置時(shí)間為2 min。

3)針對(duì)儲(chǔ)罐吹掃和清洗，API RP2003： 2015無(wú)具體技術(shù)條款的變更，在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)方面指出儲(chǔ)罐清洗和吹掃作業(yè)方法與規(guī)程執(zhí)行API Std 2015： 2018《石油儲(chǔ)罐的安全進(jìn)入和清理要求》、API RP 2016： 2001《進(jìn)入和清理儲(chǔ)油罐指南與程序》和NFPA 69： 2019《防爆系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》，儲(chǔ)罐清洗和吹掃過(guò)程中靜電危害及指導(dǎo)執(zhí)行API RP2003： 2015。

4)關(guān)于靜電其他危害，包括飛機(jī)加油、傳送帶和皮帶輪、過(guò)濾器、分離器、便攜式金屬儲(chǔ)油罐、噴砂和噴漆、加油站等，與長(zhǎng)輸管道行業(yè)關(guān)系不完全相關(guān)，2015版變更內(nèi)容不再贅述。

5 雷電危害

5.1 雷電產(chǎn)生機(jī)理

關(guān)于直擊雷和感性雷的產(chǎn)生機(jī)理，API RP2003： 2015內(nèi)容無(wú)變更。在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)方面指出雷電防護(hù)接地規(guī)程執(zhí)行NFPA 70： 2017《國(guó)家電氣規(guī)范》和NFPA 780： 2014《防雷系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)》。

5.2 拱頂儲(chǔ)罐和臥式儲(chǔ)罐

針對(duì)拱頂儲(chǔ)罐和臥式儲(chǔ)罐因雷擊引發(fā)的爆炸事故的因素，API RP2003： 2015內(nèi)容無(wú)變更。針對(duì)拱頂儲(chǔ)罐和臥式儲(chǔ)罐減少雷擊危險(xiǎn)的預(yù)防措施，API RP2003： 2015增加以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

1)所有呼吸孔應(yīng)安裝和使用真空呼吸閥或回火保護(hù)設(shè)施。

2)發(fā)生雷暴時(shí)，應(yīng)停止對(duì)儲(chǔ)罐的灌裝作業(yè)或排空作業(yè)。

3)必須提供和維護(hù)惰化緩沖層或氣體覆蓋層。

5.3 外浮頂儲(chǔ)罐

API RP2003： 2015刪除了外浮頂儲(chǔ)罐采用分路器設(shè)計(jì)防止雷電引燃的措施，保留了緊密密封防止雷電的方法，以及采用浮船操作維護(hù)檢測(cè)程序降低雷擊危險(xiǎn)性的措施。在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)方面指出： 外浮頂儲(chǔ)罐防止雷擊引燃或火災(zāi)的有效預(yù)防措施是按照API 545： 2009對(duì)罐頂和罐壁進(jìn)行有效連接。

5.4 內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐

帶有鋼質(zhì)導(dǎo)電罐頂?shù)膬?nèi)浮頂儲(chǔ)罐由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以防止雷擊感應(yīng)，內(nèi)浮頂不需要與管壁連接進(jìn)行雷電防護(hù)。API RP2003： 2015新增了內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐一般性防護(hù)措施，使得固定頂與浮頂間易燃?xì)怏w的濃度最小化，包括： 在浮頂周圍安裝緊密密封，適當(dāng)通風(fēng)，避免正常操作時(shí)浮頂落地，雷暴時(shí)避免儲(chǔ)罐灌裝作業(yè)，定期檢測(cè)蒸氣空間可燃?xì)怏w濃度。

關(guān)于雷電對(duì)其他裝置的危害，包括： 便攜式金屬儲(chǔ)罐、油船和駁船、汽車罐車和鐵路油罐車等，與長(zhǎng)輸管道行業(yè)關(guān)系不完全相關(guān)，API RP2003： 2015變更內(nèi)容不再贅述。

6 雜散電流危害

近年來(lái)，隨著中國(guó)長(zhǎng)輸管道的快速發(fā)展，長(zhǎng)輸管道與高壓輸電線路、鐵路并行和交叉敷設(shè)的安全問(wèn)題日益突出，會(huì)對(duì)埋地金屬管道產(chǎn)生較強(qiáng)的交流干擾腐蝕[5]。關(guān)于交流干擾腐蝕的檢測(cè)、評(píng)估和減緩措施方法也是目前管道腐蝕防護(hù)的重要研究領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外制定了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如： 加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CAN/CSA C22.3 No.6： 2013《管道和輸電線路的協(xié)調(diào)原則與做法》、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15280∶2013《埋地陰極保護(hù)管道交流腐蝕可能性評(píng)估》、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NACE SP0177∶2014《減緩交流電和雷電對(duì)金屬構(gòu)筑物和腐蝕控制系統(tǒng)影響的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》。鑒于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較全面，API RP2003： 2015在雜散電流危害方面進(jìn)行了簡(jiǎn)略和弱化處理，僅規(guī)定了一些原則性要求。其中API RP2003： 2015中規(guī)定要嚴(yán)格限制電化作用所產(chǎn)生的電壓在任何情況下不得超過(guò) 15 V。上述標(biāo)準(zhǔn)中則詳細(xì)規(guī)定了基于陰極保護(hù)電位、交流干擾電壓、交流電流密度以及交流電流密度與陰極保護(hù)直流電流密度比值準(zhǔn)則的適用條件。鑒于此，關(guān)于雜散電流的危險(xiǎn)防護(hù)建議執(zhí)行相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于雜散電流其他危害，包括岔道(支路)、碼頭管線等，與長(zhǎng)輸管道行業(yè)關(guān)系不完全相關(guān)，API RP2003： 2015變更內(nèi)容，不再贅述。

7 結(jié)束語(yǔ)

API RP2003： 2015集中反映了近十年美國(guó)石油行業(yè)防雷防靜電方面的技術(shù)進(jìn)展，重點(diǎn)針對(duì)汽車罐車的裝卸作業(yè)的靜電防護(hù)措施、儲(chǔ)罐靜電防護(hù)措施、拱頂儲(chǔ)罐和臥式儲(chǔ)罐的雷電防護(hù)措施進(jìn)行了修訂，體現(xiàn)在以下方面：

1)為正確評(píng)估油品輸送過(guò)程的靜電危害，新增油品電導(dǎo)率評(píng)估結(jié)果的影響因素。

2)針對(duì)汽車罐車裝卸作業(yè)，油品充裝速度由3 m/s降低為1 m/s；檢測(cè)跨接電路電阻由10 Ω降低為1 Ω；新增隔艙進(jìn)行檢尺或采樣前，應(yīng)有2 min的靜置時(shí)間。

3)針對(duì)儲(chǔ)罐靜電防護(hù)措施，含分散相水滴的油品充裝速度低于1 m/s；檢查并清除儲(chǔ)罐內(nèi)未接地的物體；儲(chǔ)罐充裝易燃液體禁止夾帶空氣。

4)針對(duì)拱頂儲(chǔ)罐和臥式儲(chǔ)罐的雷電防護(hù)措施，使用真空呼吸閥和應(yīng)用回火保護(hù)措施；雷暴天氣禁止儲(chǔ)罐充裝作業(yè)；油氣空間應(yīng)用惰性氣體保護(hù)。

建立嚴(yán)格細(xì)致的防御雷電和靜電工作是提高油氣站場(chǎng)安全等級(jí)的重要舉措。國(guó)內(nèi)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1651—2013等同API RP2003： 2015。美國(guó)石油行業(yè)防雷防靜電技術(shù)發(fā)展很快，通過(guò)跟蹤美國(guó)管道標(biāo)準(zhǔn)的修訂信息，針對(duì)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1651—2013開展標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)更新工作，提高國(guó)內(nèi)管道行業(yè)安全管理水平。