海上鉆井設(shè)施防雷技術(shù)研究與應(yīng)用

苑世寧，王瀟瀟，田志新，孫玉江(.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 005；.寶雞石油機械有限責(zé)任公司自動化設(shè)備分公司，陜西 寶雞 7000；.中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 005；.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 005)

0 引言

海上油氣生產(chǎn)設(shè)施主要包括海上油氣作業(yè)設(shè)施和海上油氣生產(chǎn)設(shè)施。近年統(tǒng)計表明：有多個海上油氣設(shè)施遭受不同程度的雷擊損壞，其中主要對編碼器、變頻器、現(xiàn)場儀表等關(guān)鍵設(shè)備造成損壞，直接造成的經(jīng)濟損失不大，但造成的故障停工時間超過100 h以上。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，僅有部分平臺配備了簡易的避雷針及引下線裝置，二次低壓配電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)存在未設(shè)置電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)、雷電波影響的防護措施，另外，雷達、高頻電線等通訊設(shè)備的天線也沒有安裝避雷針進行保護。

隨著各種設(shè)備的智能化發(fā)展，海上設(shè)施的控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，弱電系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用越來越廣泛，同時伴隨著全球變暖的趨勢，部分海域雷暴日天氣越來越多，海上設(shè)施的雷電風(fēng)險隱患在提高，為了有效降低風(fēng)險，保障設(shè)備的完整性，保障生產(chǎn)安全，就要在雷電危害、雷電風(fēng)險評估、適應(yīng)性改造等方面開展研究。

1 雷電危害分析

直擊雷危害就是雷雨就近對地放電的過程，這種情況在海上設(shè)施時有發(fā)生，部分冷放空管線經(jīng)常有雷擊起火現(xiàn)象。感應(yīng)雷危害就是雷電流的瞬變磁場在金屬導(dǎo)線中產(chǎn)生的高電位和瞬間大電流造成的，密閉金屬艙室內(nèi)的設(shè)備因為艙室本身就是金屬導(dǎo)體，能夠起到屏蔽作用保護內(nèi)部的儀表設(shè)備。但對于裸露于環(huán)境中的設(shè)備，能夠造成較大的損害，現(xiàn)場的信號傳輸、狀態(tài)顯示、狀態(tài)反饋等儀表，在缺少浪涌保護的條件下，如電磁兼容性較差，磁感峰值過高，極易造成損壞。國外的一些石油公司的海上設(shè)施在雷暴季節(jié)也曾遇到過雷電損害的情況，最后通過適應(yīng)性改造，控制了雷電損失，保障了設(shè)備的完整性。

2 海上設(shè)施雷電防護現(xiàn)狀

海上設(shè)施的雷電防護，目前沒有國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團體標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)主要針對建(構(gòu))物，在防雷產(chǎn)品、工程設(shè)計、施工和檢驗方面的標(biāo)準(zhǔn)。僅有部分企業(yè)參照陸地設(shè)施的相關(guān)防雷技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，對海上鉆井設(shè)施進行防雷設(shè)計和施工，積累了一些技術(shù)和工程經(jīng)驗。如在西非作業(yè)的Jade海上鉆井平臺，在雷雨季節(jié)飽受雷擊困擾，2003年由Lightning Eliminators &Consultants公司針對平臺發(fā)電系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)制定了一套防雷解決方案，取得一定成效。目前，Transocean、Chevron、Texaco、ExxonMobil和BP等國際石油公司已逐步意識到海上鉆井設(shè)施面臨的雷電危害，開始著手對所屬海上鉆井平臺和其他各類石油設(shè)施開展有針對性的防雷設(shè)計改造。

3 防雷分區(qū)的劃分

依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[1]，結(jié)合海上設(shè)施的空間結(jié)構(gòu)和高程，以45 m作為滾球半徑，根據(jù)滾球半徑的保護位置，計算雷電防護區(qū)域和非防護區(qū)域。非防護區(qū)用LPZ0A表示，防護區(qū)用LPZ0B，鋼制房間內(nèi)的保護用LPZ1。以此，得到某海上設(shè)施防直擊雷防護區(qū)域的劃分。

(1)頂驅(qū)本體：LPZ0B；頂驅(qū)傳感器：LPZ0B；頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)編碼器：LPZ0B；頂驅(qū)電磁閥：LPZ0B；頂驅(qū)電機：LPZ1；頂驅(qū)接線箱：LPZ0B。

(2)頂驅(qū)變頻房房體：LPZ0B；變頻器柜：LPZ1；空調(diào)：LPZ1；DTI板、CUVC板等電路板：LPZ2。

(3)司鉆房房體：LPZ0B；鉆井儀表外殼：LPZ1；儀表電路：LPZ2；顯示屏電路：LPZ2。

(4)泥漿池液位傳感器：LPZ1；計量罐液位傳感器：LPZ1；泥漿返流探頭：LPZ1；頂驅(qū)懸重傳感器：LPZ0B；頂驅(qū)轉(zhuǎn)速傳感器：LPZ0B；頂驅(qū)扭矩傳感器：LPZ0B；立管壓力傳感器：LPZ0B；泵沖傳感器：LPZ1。

(5)硫化氫探頭：司鉆房：LPZ0B；喇叭口：LPZ0B；振動篩：LPZ1；泥漿池：LPZ1；機艙門口：LPZ0B；生活區(qū)：LPZ0B。

(6)可燃?xì)馓筋^：泥漿池右：LPZ1；振動篩前：LPZ1；泥漿池左：LPZ1；振動篩后：LPZ1；喇叭口：LPZ0B；機艙門口：LPZ0B；鉆臺：LPZ0B。

(7)帶云臺攝像頭：二層臺帶云臺攝像頭外殼：LPZ0B；攝像頭電路：LPZ1；云臺電路：LPZ1。

(8)套管平臺帶云臺攝像頭外殼：LPZ0B；攝像頭電路：LPZ1；云臺電路：LPZ1。鉆臺帶云臺攝像頭外殼：LPZ0B；攝像頭電路：LPZ1；云臺電路：LPZ1。生活樓頂帶云臺攝像頭外殼：LPZ0B。

(9)攝像頭電路：LPZ1；云臺電路：LPZ1。

根據(jù)GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》，對于處于LPZ0B區(qū)的設(shè)備和線路應(yīng)在接口處安裝浪涌保護器；對于處于LPZ1區(qū)的設(shè)備和線路，宜采用在接口處安裝浪涌保護器；對于處于LPZ2區(qū)的設(shè)備和線路，可不采用在接口處安裝浪涌保護器。

4 現(xiàn)有直擊雷防護措施驗證

4.1 鉆井平臺接地電阻的計算

鉆井平臺的接地電阻根據(jù)典型人工接地極均勻土壤中垂直接地極的接地電阻計算公式：

如考慮海水電阻率和海底土壤電阻率均為恒定值(標(biāo)準(zhǔn)海水的電阻率在0.21～0.22 Ω·m之間；渤海海域海底多為泥沙和軟質(zhì)泥，土壤電阻率在10 Ω·m左右)，則樁腿接地電阻的計算公式如下：

式中：ρ1為海水電阻率；ρ2為海底土壤電阻率，；1為樁腿在海水中的長度；l2為l1加上樁腿入泥深度；d是樁腿等效直徑。

對海上某一鉆井平臺采用三電極測試法，某鉆井平臺樁腿的接地電阻≤0.01 Ω，小于國家標(biāo)準(zhǔn)不宜大于10 Ω的要求。

4.2 鉆井平臺等電位連接驗證

依據(jù)移動鉆井平臺入級規(guī)范，該設(shè)施上部結(jié)構(gòu)與主甲板采用焊接結(jié)構(gòu)，電阻值小于0.01 Ω，設(shè)備外殼采用軟銅絞線與船體連接，截面積不小于16 mm2。因此該平臺在等電位連接上能夠滿足防雷電的要求。

4.3 鉆井平臺線路敷設(shè)屏蔽驗證

該設(shè)施電纜均為船用電纜，分為動力電纜、控制電纜和通訊電纜，這些電纜均具備編織鎧裝層，均采用穿鋼管敷設(shè)，或采用金屬橋架敷設(shè)，并且接線良好，電纜與防雷引下線交叉敷設(shè)的間距應(yīng)大于2 m，能夠滿足屏蔽技術(shù)要求。

4.4 直擊雷防護措施分析

鉆井平臺除直升機甲板外，其他部位均處于直擊雷防護范圍內(nèi)；雷擊平臺時，整體結(jié)構(gòu)具備良好的直擊雷能量泄放能力。但平臺強弱電線路還存在集中布設(shè)的情況，外部線路屏蔽合規(guī)，但還不足以消除感應(yīng)雷浪涌對設(shè)備接口的影響，弱電系統(tǒng)接口電路頻繁的事故案例也能說明這一點。防雷設(shè)計時應(yīng)充分考慮平臺惡劣環(huán)境(大風(fēng)、潮濕、鹽腐、震動等)對防雷裝置的要求，重點關(guān)注甲板上的變送器等信號傳送模塊。

依據(jù)防雷區(qū)劃分圖中的滾球圓弧，平臺直升機甲板、井架二層臺外金屬罩部分處于井架和樁腿的直擊雷保護范圍外。其中二層臺外金屬罩與井架有可靠電氣連接，過渡阻抗小于0.03 Ω；而直升機甲板因直升機起降不適合單獨設(shè)置雷電防護系統(tǒng)，建議雷電活動發(fā)生期間，盡量避免人員在直升機甲板上活動。

5 浪涌保護器設(shè)置與驗證

5.1 浪涌保護器選用標(biāo)準(zhǔn)

在實際現(xiàn)狀中，布線和線路屏蔽問題難以在防雷改造中予以解決，可作為新建平臺在防雷設(shè)計方面的建議。對于防雷改造的鉆井平臺，考慮為線路兩端的雷電易損設(shè)備加裝浪涌抑制設(shè)備，比較符合實際需求，也能夠比較容易實現(xiàn)。

依據(jù)中國船級社的規(guī)范GD 01—2006《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗指南》，進行選型。該指南規(guī)定了不同區(qū)域選用浪涌保護器的選擇，同時，明確指出所需要的型式試驗。同時參考IEC 61643《低壓電涌保護器》規(guī)范，該規(guī)范包含了GD 01—2006規(guī)定的型式試驗內(nèi)容及驗收標(biāo)準(zhǔn)。因此，海上平臺防雷設(shè)計中選用的浪涌保護器應(yīng)符合船用電子產(chǎn)品的要求。

5.2 浪涌保護器應(yīng)用分析

針對某一鉆井平臺，針對雷暴發(fā)生時需要保護的關(guān)鍵設(shè)備開展了適應(yīng)性改造，下面對部分改造進行說明。

5.3 鉆井儀表接線箱浪涌保護器安裝

5.3.1 浪涌保護器的選用

鉆井儀表接線箱現(xiàn)有11對線路(1對計量罐液位、4對泥漿池液位、1對泥漿流量、1對懸重、1對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、1對頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、1對泵壓、1對泵沖)連接到鉆井傳感器，分別是9對24VDC、4-20 mA傳感器模擬量信號，2對0-5VDC開關(guān)量信號；1路線路連接到鉆井儀表，為雙絞線傳輸數(shù)字信號。最終為鉆井儀表控制箱的泥漿返流、泥漿池液位、計量罐液位傳感器、懸重、泵壓輸入選用OBO MDP-4/D-24-T浪涌保護器。另為鉆井儀表控制箱的網(wǎng)線選用OBO RJ45S-E100/4-F浪涌保護器，技術(shù)參數(shù)如表1所示。鉆井儀表接線箱浪涌保護器安裝示意圖如圖1所示。

表1 OBO RJ45S-E100/4-F SPD技術(shù)參數(shù)

圖1 鉆井儀表接線箱浪涌保護器安裝示意圖

5.3.2 浪涌保護器對原系統(tǒng)的分析

OBO RJ45S-E100/4-F浪涌保護器(鉆井儀表改造用的)。

內(nèi)部原理圖和實物圖如圖2所示。根據(jù)浪涌保護器的內(nèi)部原理圖，1、2、3、6線路串聯(lián)接入到原有系統(tǒng)中，這四段線路自身電阻極小，不會對信號傳輸帶來影響。該浪涌保護器內(nèi)部電路考慮到了浪涌的共模干擾和差模干擾，線線、線地間均設(shè)置一級GDT(氣體放電管)，在未出現(xiàn)浪涌時GDT呈斷路狀態(tài)，漏流幾乎為零，只有當(dāng)浪涌入侵時GDT才會瞬間導(dǎo)通，泄放浪涌至PE線，并立即恢復(fù)斷路狀態(tài)；為了更精細(xì)地抑制信號線間的差模干擾浪涌，設(shè)置一組橋式整流電路，起穩(wěn)壓鉗位作用。綜上，該浪涌保護器在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下既不會干擾信號的傳輸，也不會影響原有系統(tǒng)的性能，只在感應(yīng)浪涌出現(xiàn)時發(fā)生動作。

圖2 OBO RJ45S-E100/4-F SPD內(nèi)部原理圖和實物圖

5.4 視頻監(jiān)控主機系統(tǒng)控制箱更換

浪涌保護器的選用：監(jiān)控主機系統(tǒng)控制箱內(nèi)無足夠空間安裝浪涌保護器，加裝1臺防爆接線箱，監(jiān)控攝像機電纜通過新加防爆箱內(nèi)浪涌保護器后，再接入監(jiān)控主機系統(tǒng)控制箱，最終選用OBO VF2-230-AC/DC-FS型浪涌保護器。增設(shè)防爆型如圖3所示。

6 海上設(shè)施防雷技術(shù)發(fā)展建議

圖3 視頻監(jiān)控主機系統(tǒng)增設(shè)防爆接線箱前后對比圖

關(guān)于海上設(shè)施的雷電防護，中國目前沒有形成相關(guān)的國家或行業(yè)防雷標(biāo)準(zhǔn)，同時也缺乏設(shè)計和施工經(jīng)驗。對海上鉆井設(shè)施進行防雷設(shè)計、評估和改造，陸地通訊、建筑、工業(yè)設(shè)施等方面的防雷技術(shù)理論和經(jīng)驗是否可以完全照搬到海上鉆井設(shè)施，目前來說都是未知。因此，應(yīng)在陸地防雷技術(shù)理論和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對具體類型的海上設(shè)施開展適用性研究，找出海上設(shè)施和陸地建構(gòu)筑物在防雷需求方面的異同點，并開展專項研究，在上述規(guī)范已有防雷規(guī)定的框架上，進一步細(xì)化、量化防雷標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過與國內(nèi)防雷專家的交流和討論，總結(jié)了以下發(fā)展方向：(1)以降低雷擊時生產(chǎn)作業(yè)帶來的安全隱患為目的的雷電監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警技術(shù)；(2)海上設(shè)施雷電風(fēng)險評估技術(shù)，包括半定量和定量評估技術(shù)；(3)海上鉆井設(shè)施專用防雷裝置的開發(fā)和應(yīng)用。

7 結(jié)語

此外，應(yīng)努力制定并不斷完善海上鉆井設(shè)施防雷標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并加大防雷裝置常規(guī)檢測和維護力度，杜絕由于防雷裝置損壞和失效造成的雷擊事故。