國內(nèi)外大型儲(chǔ)油罐雷擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)差異研究

孫翠林 林純省 王飛 惠寶平

1中海油石化工程有限公司

2中國航空油料有限責(zé)任公司溫州分公司

3中石油煤層氣有限責(zé)任公司甚探開發(fā)事業(yè)部

4長慶油田分公司機(jī)械制造總廠

隨著中國石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備實(shí)施，建設(shè)10×104m3以上大型儲(chǔ)油罐成為發(fā)展趨勢[1]。原油具有易燃、易爆特點(diǎn)，儲(chǔ)油罐雷擊火災(zāi)事故可造成嚴(yán)重人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和水體環(huán)境污染[2]。1951—2003 年國外每年發(fā)生15～20次儲(chǔ)油罐火災(zāi)事故，約31%是雷擊事故。2006—2007 年在儀征輸油站、鎮(zhèn)海煉化、鎮(zhèn)海國家儲(chǔ)備庫、白沙灣輸油站發(fā)生5次15×104m3和10×104m3儲(chǔ)油罐雷擊著火事故[3]。儲(chǔ)油罐防雷是一項(xiàng)綜合性和系統(tǒng)性工作。石油企業(yè)應(yīng)按照法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，針對儲(chǔ)油罐防雷設(shè)施施工質(zhì)量和運(yùn)行狀況定期檢測，保證油庫運(yùn)行安全性[4]。通過研究國內(nèi)外儲(chǔ)油罐雷擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)重要技術(shù)差異，對于指導(dǎo)新建儲(chǔ)油罐防雷設(shè)施設(shè)計(jì)施工，以及提高我國油庫安全管理水平具有借鑒意義。

1 國內(nèi)外防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

本研究涵蓋的國內(nèi)外防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括：

（1）美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API RP2003—2015《Protection Against Ignition Arising Out of Static，Lighting，and Stray Current/預(yù)防靜電、雷電和雜散電流引燃的推薦做法》、API RP 545—2009《Recommended Practice for Lighting Protection of Abroveground Storage Tanks for Flammable or Combustible Liquids/儲(chǔ)存易燃液體地上儲(chǔ)罐雷電防護(hù)推薦做法》。

（2）俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153-39.4-078-2001《干線輸油管道輸油站和儲(chǔ)罐運(yùn)行技術(shù)規(guī)程》、Правила—2004《儲(chǔ)罐技術(shù)運(yùn)行規(guī)程》。

（3）國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50074—2014《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 15599—2009《石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范》。

（4）中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 05268—2017《油氣管道防雷防靜電與接地技術(shù)規(guī)范》。

2 儲(chǔ)油罐雷擊著火原因分析

儲(chǔ)油罐雷擊類型主要是感應(yīng)雷和直擊雷。統(tǒng)計(jì)國內(nèi)外107 例儲(chǔ)油罐火災(zāi)中，其中65 例是雷擊事故，浮頂罐火災(zāi)比例79%[5]。鑒于此，重點(diǎn)研究外浮頂儲(chǔ)油罐雷電防護(hù)技術(shù)。浮頂罐浮盤與罐壁有20～30 cm間隙，存在油氣泄漏聚集局部區(qū)域。大型浮頂罐雷擊著火主要位于儲(chǔ)油罐密封圈故障、失效和不嚴(yán)密處，雷擊即使產(chǎn)生微弱電弧火花或感應(yīng)火花，足以引燃油蒸氣甚至發(fā)生爆炸[6]。

美國標(biāo)準(zhǔn)API RP 2003 分析外浮頂罐雷擊著火原因包括：浮盤位置較高、儲(chǔ)存介質(zhì)具有揮發(fā)性，直擊雷或感應(yīng)雷在浮盤與罐壁連接處產(chǎn)生放電，引燃油蒸氣。API RP 2003 指出，浮頂罐雷擊火災(zāi)最有效的防護(hù)是設(shè)置進(jìn)行嚴(yán)格密封和設(shè)計(jì)合理的電流泄流通道。國內(nèi)外應(yīng)用的儲(chǔ)油罐雷擊防護(hù)措施有接閃、分流、屏蔽、均壓、等電位連接和接地，其中固定頂儲(chǔ)油罐采用接閃或避雷針等直接防護(hù)措施，浮盤與罐壁等電位連接是浮頂罐最重要措施[7]。

3 儲(chǔ)油罐接閃

針對應(yīng)用儲(chǔ)油罐罐體接閃或者應(yīng)用儲(chǔ)油罐設(shè)置避雷針接閃的準(zhǔn)則，GB 50074—2014 規(guī)定固定頂儲(chǔ)油罐頂板厚度小于4 mm，應(yīng)設(shè)置接閃桿（網(wǎng)）。GB 15599 規(guī)定儲(chǔ)油罐頂板厚度小于4 mm，應(yīng)設(shè)置避雷針或直擊雷防護(hù)設(shè)施。美國標(biāo)準(zhǔn)API RP545規(guī)定儲(chǔ)油罐頂板厚度小于4.8 mm，應(yīng)設(shè)置避雷針。

固定頂儲(chǔ)油罐容積較?。ㄐ∮?×104m3），且裝有避雷針、呼吸閥和阻火器等設(shè)施，雷擊風(fēng)險(xiǎn)有限。大型儲(chǔ)油罐罐壁厚度大于4 mm，不安裝接閃桿（網(wǎng)），通過罐體、低電阻值的引導(dǎo)線和接地系統(tǒng)將雷電電流引入大地。

4 儲(chǔ)油罐電氣連接（等電位連接）

GB 15599 規(guī)定儲(chǔ)油罐附件及設(shè)施（阻火器、呼吸閥、量油孔、人孔、透光孔）應(yīng)等電位連接。GB 50074—2014 規(guī)定了外浮頂儲(chǔ)油罐電氣連接做法及安裝要求：

（1）采用2 根導(dǎo)線將浮頂與罐體做電氣連接，連接導(dǎo)線選用橫截面積不小于50 mm2扁平鍍錫軟銅復(fù)絞線或絕緣阻燃護(hù)套軟銅復(fù)絞線。

（2）利用浮頂排水管將罐體與浮頂做電氣連接，跨接導(dǎo)線選用橫截面積不小于50 mm2扁平鍍錫軟銅復(fù)絞線。

（3）轉(zhuǎn)動(dòng)扶梯兩側(cè)分別與罐體和浮頂各做兩處電氣連接。

（4）儲(chǔ)油罐安裝的溫度/液位測量裝置、自動(dòng)消防滅火系統(tǒng)與罐體做等電位連接。

美國標(biāo)準(zhǔn)API RP 545提出兩種浮盤與罐壁等電位連接的做法，分別是安裝導(dǎo)電觸片和分流導(dǎo)線。導(dǎo)電觸片為不銹鋼材質(zhì)，設(shè)置在液面以下，橫截面積不小于20 mm2，沿罐周安裝間距不超過3 m。浮盤與罐壁的電氣連接分流導(dǎo)線不少于2根，電氣連接電阻值小于0.03 Ω。API RP2003 指出防止雷電火災(zāi)的最有效措施是保證密封可靠和設(shè)置導(dǎo)電觸片。導(dǎo)電觸片是在儲(chǔ)油罐周向以不超過3 m間距安裝的金屬片，實(shí)現(xiàn)浮頂與罐壁連接，可將雷電電流導(dǎo)入大地，避免在有可燃油氣區(qū)域產(chǎn)生火花。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)Правила規(guī)定浮盤和儲(chǔ)油罐電氣連接應(yīng)用МГ 型軟銅線，橫截面積不小于6 mm2。РД 153-39.4-078—2001規(guī)定導(dǎo)電觸片和接地導(dǎo)線采用螺栓連接或焊接方式，測試過渡電阻不超過0.05 Ω。

針對浮盤與罐壁等電位連接做法，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于罐壁與浮盤的電氣連接，以及儲(chǔ)油罐附件設(shè)施之間的電氣連接，強(qiáng)調(diào)做法的易用性和措施的可操作性。美國標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重導(dǎo)電觸片分流，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重接地導(dǎo)線性能，通過控制連接電阻值保證雷電電流分流和泄放。

5 儲(chǔ)油罐防雷接地

5.1 儲(chǔ)油罐接地做法

針對儲(chǔ)油罐防雷接地做法，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)基本一致。GB 50074—2014規(guī)定儲(chǔ)油罐防雷接地點(diǎn)至少2處，儲(chǔ)油罐接地點(diǎn)沿儲(chǔ)油罐周向間距應(yīng)小于30 m；API RP545規(guī)定應(yīng)沿罐周均勻或?qū)ΨQ設(shè)置環(huán)形接地，接地點(diǎn)至少2處，間距小于30 m（俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153-39.4-078—2001 規(guī)定接地點(diǎn)間距為50 m），接地體與罐壁距離大于3 m。

GB 15599 規(guī)定了儲(chǔ)油罐防雷接地引下線安裝要求，即接地線引下線采用規(guī)格不低于40 mm×4 mm 熱鍍鋅扁鋼，在高于地面1 m 左右安裝斷接卡；引下線和斷接卡用2個(gè)規(guī)格為M12不銹鋼螺栓連接，并加防松墊片固定。針對儲(chǔ)油罐防雷接地，我國標(biāo)準(zhǔn)相對國外標(biāo)準(zhǔn)更為具體、嚴(yán)格。

5.2 儲(chǔ)油罐接地電阻值

針對儲(chǔ)油罐接地電阻值設(shè)定值，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)差異較大。GB 50074—2014 規(guī)定接地電阻不宜大于10 Ω。Q/SY 05268—2017 規(guī)定防雷接地與交流工作接地、直流工作接地、安全保護(hù)接地共用一組接地裝置，接地裝置的接地電阻值應(yīng)小于4 Ω。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153-39.4-078—2001規(guī)定為100 Ω。

防雷系統(tǒng)接地電阻值越小越好，散流越快，落雷時(shí)物體高電位保持時(shí)間就越短，危險(xiǎn)越小，以至于跨步電壓、接觸電壓也越小。國內(nèi)油氣站場采用聯(lián)合接地（Common Earthing），即將建筑物的基礎(chǔ)接地體和其他專設(shè)接地體相互連通形成一個(gè)共用地網(wǎng)，包括電氣設(shè)備和自動(dòng)化儀表的工作接地、保護(hù)接地、防靜電接地[8]。

北美地區(qū)也是采用聯(lián)合接地的方式。美國標(biāo)準(zhǔn)API RP 545 未明確規(guī)定接地電阻值的數(shù)值。調(diào)研TransCanada、Occidental公司做法[9]，將非敏感設(shè)備的接地電阻值取值25 Ω，對較敏感的電氣設(shè)備如可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、儀表及其他站控設(shè)備取值為1 Ω 及以下；Sunoco的做法是對較敏感的設(shè)備接地電阻設(shè)置為5 Ω。推薦接地采用降阻材料，包括電解離子接地極、降阻劑、低電阻接地模塊等，特別是電解離子接地極適合較小區(qū)域、場地受限的獨(dú)立接地網(wǎng)使用，在降阻效果、自身防腐性能以及使用壽命等方面效果顯著，雖然電解離子極初始投資會(huì)略高一些，但從長遠(yuǎn)考慮仍是最為經(jīng)濟(jì)的選擇。建議借鑒美國針對設(shè)備敏感性分區(qū)設(shè)置接地電阻值，以及采用電解離子接地極等新型接地材料的做法。

6 電氣儀表屏蔽

針對儲(chǔ)油罐上電氣裝置、自動(dòng)化儀表線纜，GB 50074—2014 規(guī)定儲(chǔ)油罐上安裝的信號遠(yuǎn)傳儀表其金屬外殼應(yīng)與罐體做電氣連接。儲(chǔ)油罐上的儀表及控制系統(tǒng)的配線電纜應(yīng)采用屏蔽電纜，并應(yīng)穿鍍鋅鋼管保護(hù)管，保護(hù)管兩端應(yīng)與罐體做電氣連接。

美國標(biāo)準(zhǔn)API RP 545規(guī)定儲(chǔ)油罐浮盤密封處的導(dǎo)電附件，以及檢測儀表、導(dǎo)向桿應(yīng)與浮頂絕緣，絕緣強(qiáng)度應(yīng)滿足1 kV。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153-39.4-078—2001 規(guī)定儲(chǔ)油罐上儀表線纜采用長度大于50 m 的鎧裝電纜、帶金屬外殼電纜，或者金屬管電纜和電纜槽電纜。

針對儲(chǔ)油罐電氣儀表線纜屏蔽做法，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)采用金屬管，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)采用鎧裝、金屬管和電纜槽等，對屏蔽要求更高。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)缺少儀表、導(dǎo)向桿與浮頂絕緣強(qiáng)度的規(guī)定。

7 儲(chǔ)油罐防雷設(shè)施檢查檢測

GB 15599 規(guī)定了防雷設(shè)施檢查要求，包括外觀檢查、腐蝕狀況檢查、接地電阻測試、等電位連接檢查等。特別是雷雨季節(jié)前，應(yīng)對儲(chǔ)油罐等電位和接地設(shè)施進(jìn)行檢測，并與日常檢查結(jié)果進(jìn)行對比，必要時(shí)進(jìn)行開挖，驗(yàn)證地下部分腐蝕情況。檢測項(xiàng)目及內(nèi)容包括：

（1）接地體腐蝕狀況及導(dǎo)電性。

（2）引導(dǎo)線有無裂紋、斷裂、松脫等跡象，有無燒損和閃絡(luò)痕跡。

（3）斷接卡連接的不銹鋼螺栓有無污損，防松墊片是否牢固。

（4）浮頂、扶梯、罐壁之間的連接導(dǎo)線有無纏繞、斷裂、松脫等跡象。

（5）測試接地電阻。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153-39.4-078—2001 規(guī)定：如接地電阻測試值與竣工驗(yàn)收階段的測量值相比超過5倍，應(yīng)對接地進(jìn)行檢查整改。該條款具有借鑒意義，可作為進(jìn)行防雷設(shè)施整改的依據(jù)。

8 儲(chǔ)油罐密封處油氣檢測

儲(chǔ)油罐浮盤密封裝置與罐壁嚴(yán)密貼合是消除油氣空間、防止油氣泄漏的根本方法。調(diào)研國內(nèi)儲(chǔ)油罐一次密封多采用機(jī)械密封方式，實(shí)際密封效果不理想。建議采用軟密封結(jié)構(gòu)替代機(jī)械密封，軟質(zhì)物料填充膨脹后密封下側(cè)與液面直接接觸，顯著降低油氣濃度。應(yīng)關(guān)注軟密封材料長期服役的變形情況及密封效果。北美儲(chǔ)油罐在頂部設(shè)計(jì)氮?dú)饷芊庋b置，即在一次、二次密封上部環(huán)形空間進(jìn)行氮?dú)饷芊?，可在發(fā)生火災(zāi)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)冷卻、隔熱和初期滅火功能[10]。

儲(chǔ)油罐運(yùn)行管理中應(yīng)監(jiān)測儲(chǔ)油罐一、二次密封處油氣濃度變化趨勢，即同一檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析，掌握密封性能狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。建議在雷雨季節(jié)前，每月檢測1次儲(chǔ)油罐密封處油氣濃度[11]。5×104～10×104m3中型儲(chǔ)油罐沿周向設(shè)置的檢測點(diǎn)數(shù)量不少于4 個(gè)，大于10×104m3大型儲(chǔ)油罐沿周向設(shè)置的檢測點(diǎn)數(shù)量不少于8 個(gè)（檢測點(diǎn)位置在二次密封滑動(dòng)片下方200 mm 處），如檢測可燃?xì)怏w濃度超過爆炸下限25%，應(yīng)分析密封狀況并查找泄漏原因。

9 結(jié)論和建議

通過開展國內(nèi)外儲(chǔ)罐防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差異研究，借鑒國外石油行業(yè)防雷先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和做法，可增強(qiáng)儲(chǔ)油罐預(yù)防雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的能力，指導(dǎo)新建儲(chǔ)油罐防雷設(shè)施設(shè)計(jì)、施工，提高我國油庫安全管理水平。

（1）新建儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)應(yīng)避免儲(chǔ)油罐密封處金屬突出物，防止雷電感應(yīng)產(chǎn)生電弧或者火花；采用軟密封結(jié)構(gòu)以減少油氣泄漏。

（2）新建儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)重點(diǎn)是做好儲(chǔ)油罐與附件設(shè)施電氣連接，保證導(dǎo)電觸片、引下線、斷接卡等接地系統(tǒng)構(gòu)件的安裝質(zhì)量。

（3）借鑒美國針對設(shè)備敏感性分區(qū)設(shè)置接地電阻值，以及采用電解離子接地極等新型接地材料的做法。

（4）借鑒俄羅斯綜合應(yīng)用鎧裝電纜、金屬管電纜和電纜槽電纜進(jìn)行儲(chǔ)油罐電氣儀表屏蔽的做法。

（5）新建儲(chǔ)油罐或者儲(chǔ)油罐大修施工過程中，嚴(yán)格控制儲(chǔ)油罐橢圓度、幾何形狀和尺寸、垂直度，以及密封施工質(zhì)量。

（6）儲(chǔ)油罐運(yùn)行維護(hù)過程中，除做好防雷設(shè)施檢查、檢測，應(yīng)確保工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)、可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)和消防系統(tǒng)處于可靠、備用狀態(tài)。

（7）建議針對國外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于浮盤與罐壁等電位連接的分流導(dǎo)線電氣連接阻抗不大于0.03～0.05 Ω的要求，開展實(shí)際適用性驗(yàn)證試驗(yàn)研究。