油氣化工碼頭電氣設(shè)計

章 崢，顧恩波

(1.中交上海港灣工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200032；2.寧波中交水運(yùn)設(shè)計研究有限公司，浙江 寧波 315100)

油氣化工碼頭(簡稱油品碼頭)電氣設(shè)計一直是比較復(fù)雜的問題，設(shè)計一旦出現(xiàn)問題，建設(shè)方案將無法通過項目安全評價。如果項目實施，不僅有可能造成重大安全事故及人員傷亡，還會給業(yè)主帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著國家對建設(shè)安全的重視，越來越多的國家和行業(yè)規(guī)范進(jìn)行了更新或替換，規(guī)范的適用性、差異性及合理性等在港口設(shè)計行業(yè)引起了一定的爭議。故此，本行業(yè)規(guī)范迫切需要及時修訂。

新版JTS 158—2019《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》[1]于2020年1月起正式實施，規(guī)范對油品碼頭設(shè)計上的幾個爭議做法進(jìn)行了明確的規(guī)定，具有重要的指導(dǎo)意義。本文以國家和行業(yè)出版的規(guī)范為基礎(chǔ)(其中包括一些已經(jīng)廢止的舊規(guī))，就油品碼頭電氣設(shè)計上存在的一些問題進(jìn)行探討。

1 爆炸危險區(qū)域劃分

防爆危險區(qū)域劃分需要從釋放源的性質(zhì)、釋放源的泄出量、釋放速度、釋放源的爆炸下限、環(huán)境的通風(fēng)量及輸送壓力等方面進(jìn)行綜合考量，故防爆危險區(qū)域的劃分并沒有一個固定的模式。GB 50058—1992《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》[2](簡稱92版爆規(guī))是第1本與國際接軌的國家強(qiáng)制性規(guī)范，其中關(guān)于防爆區(qū)域的劃分是以當(dāng)時IEC標(biāo)準(zhǔn)為原則，等效采用了國際上廣泛使用的美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API RP500—1997《石油設(shè)施電氣設(shè)備安裝一級一類和二類區(qū)域劃分的推薦方法》中的有關(guān)規(guī)定及例圖，在最新版GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》[3](簡稱14版爆規(guī))中又引入API RP 505—2002《石油設(shè)施電氣設(shè)備安裝一級0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)劃分的推薦方法》中的有關(guān)規(guī)定及圖例，并且這兩本規(guī)范分別轉(zhuǎn)化為我國石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SYT 10041—2002《石油設(shè)施電氣設(shè)備安裝一級一類和二類區(qū)域劃分的推薦做法》[4]和SYT 6671—2017《石油設(shè)施電氣設(shè)備場所Ⅰ級0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)的分類推薦做法》[5]。

由于“92版爆規(guī)”中并沒有關(guān)于油品碼頭爆炸危險區(qū)域的推薦做法，在當(dāng)年執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ 237—1999《裝卸油品碼頭防火設(shè)計規(guī)范》[6](簡稱99版碼頭火規(guī))中規(guī)定油品碼頭爆炸危險區(qū)域劃分應(yīng)執(zhí)行當(dāng)年的GB 50074—2002《石油庫設(shè)計規(guī)范》[7](簡稱石油庫規(guī)范)，在“石油庫規(guī)范”中關(guān)于油船、油駁裝卸易燃油品時參考做法為B.0.16、B.0.17及B.0.18(圖1)。從圖1可知，其劃分的主體為油船、油駁而非碼頭，故設(shè)計院對于油品碼頭危險區(qū)域的劃分曾經(jīng)有2種不同的觀點。

圖1 油船、油駁爆炸危險區(qū)域劃分

一種觀點認(rèn)為依據(jù)“99版碼頭火規(guī)”的相關(guān)條文，理應(yīng)參照“石油庫規(guī)范”，劃分主體為油船、油駁罐裝口，輔以油品碼頭裝卸區(qū)域前沿管道閥門及法蘭。當(dāng)工藝為敞口灌裝時，以油船罐裝口作為中心，1區(qū)、2區(qū)的劃分半徑分別為3 m和15 m；當(dāng)工藝為密閉灌裝，則分別以油船、油駁罐裝口和通氣口為中心，其中油船、油駁罐裝口處1區(qū)、2區(qū)的劃分半徑分別為1.5 m和4.5 m，通氣口處1區(qū)、2區(qū)的劃分半徑分別為1.5 m和3 m；在操作壓力一般不大于1.6 MPa時，碼頭上管道閥門及法蘭大多劃分半徑僅為3 m。

另一種觀點認(rèn)為可以參考更為嚴(yán)格的“92版爆規(guī)”中的圖2.3.3-1及圖2.3.3-2(圖2)，以油品碼頭作為劃分主體，輔以油船罐裝口，將油品碼頭前沿?fù)跤涂舱w區(qū)域作為1區(qū)，無論是重于還是輕于空氣的釋放源，均以半徑為15 m的范圍作為2區(qū)，并以半徑為30 m且在2區(qū)以外的范圍作為附加2區(qū)。此外，在油品碼頭上的管道閥門也以此半徑進(jìn)行劃分。

圖2 “92版爆規(guī)”生產(chǎn)裝置區(qū)域劃分

在油品碼頭爆炸危險區(qū)域劃分上，后者的劃分范圍顯然較前者更為苛刻。對此爭議，《油品碼頭爆炸危險區(qū)域劃分的探討》[8]一文以“石油庫規(guī)范”及“92版爆規(guī)”的適用范圍進(jìn)行定性討論，文中明確了應(yīng)以“石油庫規(guī)范”為劃分依據(jù)。因為油品碼頭并不在“92版爆規(guī)”的適用范圍內(nèi)，并且“92版爆規(guī)”中第2.3.2條指出規(guī)范中提供的典型示例不適用于石油庫爆炸危險區(qū)域范圍的確定。在一段時間內(nèi)，雖然新修訂的“14版爆規(guī)”中去除了原2.3.2條的描述并加入了碼頭防爆區(qū)域劃分的相關(guān)內(nèi)容，但國內(nèi)部分油品碼頭的設(shè)計及審查仍以“石油庫規(guī)范”作為爆炸危險區(qū)域劃分依據(jù)，造成電氣設(shè)計人員的的困擾。此外，在筆者參與過的海外油品碼頭設(shè)計項目中，國外審查咨詢單位的觀點更傾向后者，贊成以更為嚴(yán)苛的劃分條件，最大程度地保證油品碼頭裝卸時的安全性。

油品碼頭不同于后方庫區(qū)，雖然也屬于石油庫的附屬設(shè)施，但專業(yè)性更強(qiáng)。筆者認(rèn)為“92版爆規(guī)”及“石油庫規(guī)范”兩者關(guān)于油品碼頭的爆炸危險區(qū)域的劃分都有不足之處。從劃分主體來講，碼頭前沿可能的泄漏點主要為裝卸區(qū)域內(nèi)的管道閥門、法蘭，停靠油船的集油口法蘭及連接兩者的裝卸船工藝設(shè)備(輸油臂、軟管等)的接口法蘭。管道閥門和法蘭的破裂是比較罕見的，從管道閥門和法蘭裝置中釋放出易燃物質(zhì)的機(jī)會稀少，并且釋放速率也很小，僅僅是在異?；蚍钦５臈l件下才可能發(fā)生，而裝卸船工藝設(shè)備(輸油臂、軟管等)作業(yè)時需要不斷進(jìn)行拆接，其作業(yè)范圍和存儲位置應(yīng)視為一個潛在的釋放源?！笆蛶煲?guī)范”的典型示例并沒有考慮到裝卸船工藝設(shè)備(輸油臂、軟管)這個潛在的釋放源，而對于油品碼頭裝卸區(qū)域，其只考慮了前沿管道閥門處的泄漏點。在實際裝卸過程中，碼頭前沿?fù)跤涂蔡幙赡軙卸喾N組合的危險氣態(tài)物流釋放，而擋油坎處的混凝土結(jié)構(gòu)(墻)又限制危險區(qū)域范圍，當(dāng)可能會有危險氣體在泊位平臺下面聚集時，應(yīng)考慮將其劃分為1區(qū)。相比前者，后者的劃分考慮到了裝卸船工藝設(shè)備(輸油臂、軟管等)及裝卸區(qū)域的復(fù)雜環(huán)境。

從爆炸危險范圍講，釋放速率是非常重要的因素之一。通過擴(kuò)散試驗形成的計算結(jié)果得知，以危險半徑來確定的防爆范圍能夠適應(yīng)除高釋放速率以外的大多數(shù)場所。碼頭前沿管道閥門及法蘭為固定密封狀態(tài)，為規(guī)范中所定義的二類釋放源，釋放源的釋放速度是很低的。在通風(fēng)良好的狀態(tài)下，如果沒有其他因素使釋放增加，可以認(rèn)為在低釋放速率下，其危險半徑最大不會超過3 m(10 ft)。相比管道閥門及法蘭，碼頭前沿的裝卸船工藝設(shè)備(輸油臂、軟管等)情況就比較復(fù)雜，在裝卸設(shè)備處可能會有多種組合的危險氣態(tài)物流存在；可能會發(fā)生輸油臂旋轉(zhuǎn)接頭損壞等事故；停泊時水位的變化也可能導(dǎo)致危險氣體在擋油坎處集聚；并且在有風(fēng)的條件下又可能會增加危險氣態(tài)物流向某一方向的擴(kuò)散，“危險半徑”方法假定各種組合情況下危險氣態(tài)物流均為自由散發(fā)，以此得出危險半徑是相當(dāng)保守的。當(dāng)油品碼頭輸送LNG這類高揮發(fā)性物料時，如工藝輸送采用密閉灌裝，則前者以油船灌裝口4.5 m范圍，碼頭前沿閥門及法蘭的3 m范圍可能無法完全覆蓋碼頭前沿裝卸區(qū)域，但后者采用一個相對保守的15 m(50 ft)及30 m(100 ft)劃分半徑顯然更安全。然而，“92版爆規(guī)”中并沒有關(guān)于閥門及法蘭的典型示例，故后者對此仍以15 m(50 ft)及30 m(100 ft)來進(jìn)行劃分顯然不合理，反而應(yīng)參考前者。

隨著原“99版碼頭火規(guī)”廢止以及JTS 158—2019《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》)的實施，此部分爭議從規(guī)范上得到了一定的合理解釋。規(guī)范在“14版爆規(guī)”的基礎(chǔ)上借鑒美國防火規(guī)范的劃分原則，加入油品碼頭爆炸危險區(qū)域劃分的推薦做法(圖3)，規(guī)范附錄A中第A.0.1、A.0.2及A.0.3明確了輸油臂、工藝閥門及碼頭其他位置的劃分范圍，供設(shè)計人員參考執(zhí)行。其中，規(guī)范A.0.2條關(guān)于工藝管道閥門的劃分范圍與“石油庫規(guī)范”略有差異，新規(guī)范規(guī)定：“未封閉區(qū)域的閥門周圍0.5 m范圍內(nèi)可劃為2區(qū)”，其主要依據(jù)了“14版爆規(guī)”附錄B中第22條第(4)款關(guān)于通風(fēng)良好而未封閉區(qū)域內(nèi)的工藝程序控制閥的危險區(qū)域劃定。就此問題，筆者認(rèn)為目前油品碼頭的自動化程度很高，工藝閥門均會接入自動控制系統(tǒng)中，可通過程序及時切斷閥門，危險程度相對更低，可按照新規(guī)范來執(zhí)行。

圖3 碼頭裝卸臂或軟管爆炸危險區(qū)域劃分

2 防靜電及雜散電流接地設(shè)計

在考慮油品碼頭裝卸作業(yè)安全時，除了船上和岸上的靜電現(xiàn)象外，更需要注意船岸之間各種電氣通路而流過大量雜散電流，造成爆炸危害。這些雜散電流的主要來源為碼頭與船體防腐采用的陰極保護(hù)以及某些電源設(shè)備造成的泄露電流。防止雜散電流主要有電氣絕緣和電纜跨接2種不同的做法：一種利用船岸之間形成電氣回路將雜散電流導(dǎo)通至接地網(wǎng)絡(luò)，另一種利用絕緣來防止船岸之間形成電氣通路。

國內(nèi)通常采用第1種做法?！?9版碼頭火規(guī)”第7.3.4條規(guī)定：“當(dāng)油品碼頭采用船、岸間跨接電纜防止靜電及雜散電流時，碼頭應(yīng)設(shè)置為油船跨接的防靜電接地裝置”。在裝卸之前先將油船通過接地裝置與碼頭接地網(wǎng)絡(luò)電氣連接，以使船岸之間形成等電位，保證作業(yè)安全。此外，為了防止小概率產(chǎn)生危險較大的電弧，規(guī)范規(guī)定在防靜電接地裝置上必須串接一個防爆開關(guān)，并且船岸防靜電接地裝置應(yīng)避開裝卸區(qū)域內(nèi)的擋油坎等危險區(qū)域。

船岸之間跨接方式不僅是審查單位非常重視的問題，更是現(xiàn)場作業(yè)人員一直關(guān)注的安全問題。在很多海外項目中，采用國際上推薦的電氣絕緣的做法，會引起國內(nèi)審查單位和現(xiàn)場作業(yè)人員的異議。故在最新實施的JTS 158—2019《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》中對于船岸之間接地方式做出了明確的規(guī)定：“油品碼頭與泊船之間應(yīng)采取電氣絕緣措施，即不允許船岸之間進(jìn)行跨接，保證兩者之間的電氣絕緣”。此條文是新規(guī)中比較重要的一點變化，采用了國際上一致認(rèn)可的做法，禁止任何船岸之間電氣電流通路，間接提高油品碼頭的安全標(biāo)準(zhǔn)。在今后的設(shè)計中，筆者認(rèn)為碼頭前沿?zé)o須再設(shè)置船岸間跨接的防靜電接地裝置，并且可能存在的船岸連接(如輸油臂及登船梯等)均已參照國際海運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)采用了船岸電氣絕緣措施，取消防靜電接地裝置便能夠保證船岸之間的電氣隔離，以策安全。

3 岸電設(shè)計

隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，港口行業(yè)內(nèi)已頒布諸多有關(guān)碼頭岸電建設(shè)的技術(shù)規(guī)范和利好政策。在此背景下，國內(nèi)集裝箱、散貨和件雜貨等各功能性碼頭都在進(jìn)行升級和改造，增加了岸電設(shè)施。交通運(yùn)輸部最新頒布的《港口和船舶岸電管理辦法》[9]第十一條明確了具備受電設(shè)施的船舶?？繒r應(yīng)使用岸電，但不包括液貨船。從適用范圍來講，規(guī)范認(rèn)為油品碼頭并不在強(qiáng)制建設(shè)岸電設(shè)施的范圍內(nèi)?？梢姡瑢τ谠谟推反a頭上是否應(yīng)設(shè)置船舶岸電，并未獲得業(yè)內(nèi)的統(tǒng)一意見。

對于設(shè)計責(zé)任方，行業(yè)內(nèi)設(shè)計院均認(rèn)為在油品裝卸的工況下，使用岸電是非常危險的行為，國外雖有先例，但未在國際上普及。對于業(yè)主和岸電廠家來說，與日俱增的需求是其主要考慮的內(nèi)容，部分岸電廠家已經(jīng)與運(yùn)營單位合作，依托某些碼頭項目進(jìn)行岸電試驗，目前嘉興港石化碼頭已建成首個并網(wǎng)岸電系統(tǒng)并已投入使用中。對此，筆者認(rèn)為兩者之間的差異是對油品碼頭防爆如何理解的問題。

筆者曾經(jīng)接觸過的運(yùn)營單位或廠家認(rèn)為只要采用滿足碼頭防爆等級的合格產(chǎn)品、符合國內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并采用智能化的控制系統(tǒng)就能夠投入使用。從工程經(jīng)驗看，即便使用了防爆產(chǎn)品也不意味碼頭安全得到保證，在碼頭上依然要設(shè)置火災(zāi)報警、消防及安全控制系統(tǒng)。從設(shè)計上講，油品碼頭上設(shè)置岸電的安全隱患并不在一些防爆的節(jié)點(防爆箱體、鎧裝電纜等)上，筆者認(rèn)為可能會有如下幾個問題：

1)油品碼頭的安全風(fēng)險較大。在項目后評價的過程中，碼頭岸電設(shè)施在運(yùn)營中并非完全按照規(guī)章制度進(jìn)行操作。在船岸連接時必然需要有人在爆炸危險區(qū)域內(nèi)，人為的不確定因素比較多。排除人為因素，移動式的船岸連接方式需要采用與碼頭防爆等級相適應(yīng)的電氣連接設(shè)備，即使是完全按照計劃進(jìn)行操作的情況下，采用隔爆型電氣設(shè)備并不能阻止船岸連接時點燃火花的產(chǎn)生[10]。

2)油品碼頭的防爆要求很高。在實際工程中，岸電并沒有相應(yīng)的防爆產(chǎn)品，岸電商須從防爆廠家處買入防爆產(chǎn)品進(jìn)行集成，而國內(nèi)防爆廠家普遍沒有針對防爆岸電的產(chǎn)品，比如常規(guī)的防爆插頭最大規(guī)格只有125A，市場上并沒有專門防止火花結(jié)構(gòu)的電纜管理裝置等。

3)油品碼頭設(shè)置岸電的實踐經(jīng)驗不足。國內(nèi)油碼頭并沒有設(shè)置岸電的先例，即便是編制油品碼頭岸電操作守則也是一個從無到有的過程，需要一定的時間積累。此外，國內(nèi)岸電規(guī)范JTS 155—2019《碼頭岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》[11]規(guī)定，碼頭岸電設(shè)施若采用高壓，應(yīng)在船岸之間設(shè)置等電位連接，而在JTS 158—2019《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》中規(guī)定船岸之間需要電氣絕緣以保證碼頭作業(yè)安全?？梢姡煌?guī)范之間也有差異，需要從業(yè)者在今后的工程項目中進(jìn)一步摸索和探討。

綜上所述，油品碼頭的岸電并沒有真正具備普及的條件，但考慮到岸電在今后應(yīng)用的可能，新建、改建、擴(kuò)建的油品碼頭可在爆炸危險區(qū)域外預(yù)留岸電設(shè)施的空間和通路。

4 結(jié)語

1)油品碼頭的爆炸危險區(qū)域劃分今后應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行新版JTS 158—2019《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》的規(guī)定，同時新規(guī)范明確 “14版爆規(guī)”是適用于油品碼頭的。當(dāng)然，對于海上作業(yè)平臺這類場所，其可能會產(chǎn)生釋放速率高的高揮發(fā)物質(zhì)，危險半徑也會相應(yīng)增大，因此對于這類場所的防爆區(qū)域劃分，應(yīng)選用石化行業(yè)內(nèi)的相關(guān)規(guī)范。

2)使用單位在施工圖交底時，出于對自身安全的考慮，經(jīng)常會詢問碼頭前沿是否已設(shè)計了防靜電接地裝置。在防靜電接地上須嚴(yán)格保證船岸之間的電氣隔離，碼頭前沿不應(yīng)設(shè)置供船岸跨接的防靜電接地裝置。

3)設(shè)計人員應(yīng)了解到油品碼頭本身存在的危險性，以保證現(xiàn)場作業(yè)人員生命安全為首要前提。雖然國家倡導(dǎo)綠色環(huán)保港口，大力推動碼頭岸電實施，但貿(mào)然增加油品碼頭的防爆岸電設(shè)施顯然不符合防爆電氣設(shè)計原則。隨著自動化及岸電技術(shù)的不斷進(jìn)步以及相關(guān)法律及規(guī)范的完善，在各方不斷努力下，未來一定會有在油品碼頭上使用的成熟、安全及穩(wěn)定的岸電產(chǎn)品出現(xiàn)。