大型外浮頂儲(chǔ)罐防雷技術(shù)探討

鄧 鑫

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司）

大型浮頂儲(chǔ)罐是我國(guó)石油化工企業(yè)和國(guó)家原油儲(chǔ)備庫(kù)通用的儲(chǔ)罐形式，但儲(chǔ)罐一旦發(fā)生火災(zāi)或爆炸，不僅會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失同時(shí)也會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)工作人員帶來(lái)巨大的生命威脅［1～3］。雷擊是造成儲(chǔ)罐著火的主要原因之一， 據(jù)報(bào)道，1951～2003年間， 世界范圍內(nèi)儲(chǔ)罐著火事故年均15～20起，其中三分之一的儲(chǔ)罐火災(zāi)事故是由雷電引起的。 我國(guó)油罐多處于碼頭、港口等沿海雷電多發(fā)地區(qū)，黃島油庫(kù)、茂名石化北山油庫(kù)、儀征輸油站及鎮(zhèn)海國(guó)家儲(chǔ)備庫(kù)等多個(gè)油庫(kù)先后發(fā)生過(guò)雷擊著火事故。 雷擊造成浮頂儲(chǔ)罐著火的機(jī)理為雷擊電流通過(guò)儲(chǔ)罐不同電位結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的電火花引燃環(huán)向密封處聚集的油氣［4～6］。浮頂儲(chǔ)罐的防雷設(shè)計(jì)目的在于使儲(chǔ)罐各部分結(jié)構(gòu)等電位，將雷擊電流通過(guò)罐體及防雷接地設(shè)施導(dǎo)向大地而不產(chǎn)生電火花，從而避免雷擊起火事故，因此大型浮頂儲(chǔ)罐的防雷設(shè)計(jì)是保證儲(chǔ)罐安全運(yùn)行的重要舉措。目前，浮頂儲(chǔ)罐的防雷措施大多為被動(dòng)式［7，8］，為保證油罐的安全運(yùn)行，應(yīng)重視主動(dòng)防雷措施的制定。 為此，筆者基于近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)于浮頂儲(chǔ)罐防雷的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，總結(jié)浮頂儲(chǔ)罐可實(shí)施的防雷舉措。

1 浮頂儲(chǔ)罐防雷設(shè)計(jì)要求

針對(duì)浮頂儲(chǔ)罐防雷設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)有：API 650—2020《Welded Tanks for Oil Storage》［9］、NFPA 780—2020 《Standard for the Installation of Lighting Protection Systems》［10］、API RP 545—2009 《Recommended Practice for Lighting Protection of Aboveground Storage Tanks for Flammable or Combustible Liquids》［11］、GB 50341—2014 《立式 圓 筒 形 鋼 制 焊 接 油 罐 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范》［12］、GB 50737—2011 《石 油 儲(chǔ) 備 庫(kù) 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范》［13］、GB 50074—2014 《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］、GB 15599—2009《石油與石油設(shè)施雷電安全規(guī)范》［15］和Q/SY 1718—2014《外浮頂油罐防雷技術(shù)規(guī)范》［16］，具體要求見(jiàn)表1。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)浮頂與罐體電氣連接的要求

（續(xù)表1）

由表1可知， 無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外工程建設(shè)中的浮頂儲(chǔ)罐都應(yīng)基于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求采取相應(yīng)的防雷措施，做法基本相同，即：

a. 浮頂油罐轉(zhuǎn)動(dòng)扶梯兩側(cè)與罐體和浮頂應(yīng)做兩處電氣連接；

b. 利用浮頂排水管將罐體與浮頂做電氣連接， 每條排水管線(xiàn)的跨接導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)采用1根截面積不小于50 mm2的扁平鍍錫軟銅復(fù)絞線(xiàn)；

c. 金屬儲(chǔ)罐的阻火器、 呼吸閥、 量油孔、人孔、切水管及透光孔等金屬附件應(yīng)等電位連；

d. 當(dāng)采用滑板式機(jī)械密封時(shí)，鋼滑板與浮頂間應(yīng)采用截面積不小于10 mm2的軟銅電纜線(xiàn)做電氣連接，沿內(nèi)壁間距不宜大于3 m。

從表1各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)浮頂儲(chǔ)罐防雷設(shè)計(jì)的規(guī)范要求不難發(fā)現(xiàn)，其中對(duì)電氣連接線(xiàn)和導(dǎo)電片的要求不盡相同，具體為：

a. 電氣連接線(xiàn)。 NFPA 780—2020、API RP 545—2009和Q/SY 1718—2014要求電氣連接線(xiàn)應(yīng)沿儲(chǔ)罐圓周布置且安裝間距不應(yīng)大于30 m， 電氣連接線(xiàn)的電阻值應(yīng)小于0.03 Ω；GB 50341—2014與GB 15599—2009要求安裝至少2根電氣連接線(xiàn)，GB 50737—2011要求采用2根電氣連接線(xiàn)， 而API 650—2020對(duì)于電氣連接線(xiàn)未做要求； 各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)于電氣連接線(xiàn)的截面積要求皆為不小于50 mm2，但對(duì)于安裝數(shù)量的要求不同。

b. 導(dǎo)電片。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于導(dǎo)電片的物理參數(shù)和安裝間距要求基本一致（寬度不小于50 mm，最小截面積為20 mm2， 設(shè)置間距不大于3 m）；NFPA 780—2020、API RP 545—2009要求導(dǎo)電片安裝在液面以下0.3 m，或在滿(mǎn)足一定條件和要求時(shí)也可安裝在浮頂以上；API 650—2020 和Q/SY 1718—2014要求導(dǎo)電片安裝在浮頂之上， 而GB 50074—2014要求儲(chǔ)罐采用二次密封采用Ⅰ型橡膠刮板時(shí)， 導(dǎo)電片需與浮頂做電氣連接，GB 50341—2014、GB 50737—2011 和GB 15599—2009對(duì)于導(dǎo)電片的安裝位置未做要求。 此外，雖然國(guó)內(nèi)主要規(guī)范未對(duì)導(dǎo)電片的安裝做強(qiáng)制要求，但國(guó)內(nèi)儲(chǔ)罐基本按照寬度不小于50 mm， 最小截面積為20 mm2， 設(shè)置間距不大于3 m的要求安裝在二次密封上部。

2 浮頂儲(chǔ)罐的防雷措施

2.1 雷電特性

在雷擊事故中，超過(guò)90%的雷擊是負(fù)極性的［3］。 雷擊電流的典型組成（圖1）為持續(xù)時(shí)間短的中高頻部分（A、B、D）和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的中低頻部分（C），其參數(shù)列于表2。 API/EI的研究報(bào)告545-A表明：導(dǎo)電片對(duì)于電流中高頻部分有更小的阻抗，其作用為傳導(dǎo)雷擊電流的中高頻部分； 電氣連接線(xiàn)對(duì)于電流的中低頻部分有更小的阻抗， 其作用為傳導(dǎo)雷擊電流的中低頻部分； 電氣連接線(xiàn)的設(shè)置對(duì)減少導(dǎo)線(xiàn)片的打火現(xiàn)象作用明顯； 中低頻的電流雖然能量很小但是更容易引燃油氣空間。

圖1 典型負(fù)極性雷擊電流的組成示意圖

表2 典型負(fù)極性雷擊參數(shù)

2.2 電氣連接線(xiàn)的設(shè)置

電氣連接線(xiàn)用于傳導(dǎo)容易引燃油氣空間的雷擊電流中低頻部分，是浮頂儲(chǔ)罐防雷技術(shù)中的關(guān)鍵元件。 其電阻率越小導(dǎo)電性能就越好，大型外浮頂儲(chǔ)罐的電氣連接線(xiàn)應(yīng)該按照規(guī)范要求的間距和數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，以保證預(yù)期的導(dǎo)電性能和防雷效果。 浮頂儲(chǔ)罐電氣連接線(xiàn)主要有傳統(tǒng)型和可伸縮型兩種形式（圖2）。

圖2 兩種電氣連接線(xiàn)形式示意圖

無(wú)論浮頂在任何位置，尤其是當(dāng)儲(chǔ)罐處于高液位工況時(shí)，浮盤(pán)高度高，存有更高風(fēng)險(xiǎn)的情況［17］，可伸縮型電氣連接線(xiàn)都能保證導(dǎo)線(xiàn)的阻抗最小，絕佳傳導(dǎo)雷擊電流。 以4種典型容積（公稱(chēng)）的浮頂儲(chǔ)罐（表3）為例，進(jìn)行兩種型式電氣連接線(xiàn)的性能對(duì)比。

表3 4種典型容積浮頂儲(chǔ)罐參數(shù)

2.3 導(dǎo)電片的設(shè)置

導(dǎo)電片按標(biāo)準(zhǔn)要求可安裝在浮頂上部二次密封之上，也可以安裝于浮頂下部且浸在液面之下（可稱(chēng)之為浸液式），兩種導(dǎo)電片的具體安裝位置如圖4所示。

圖3 最高液位時(shí)兩種類(lèi)型電氣連接線(xiàn)感抗值對(duì)比

圖4 導(dǎo)電片兩種安裝位置示意圖

導(dǎo)電片安裝在浮頂上部，屬于二次密封的供貨范圍， 是目前國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)罐采用的安裝形式，技術(shù)成熟，雖然導(dǎo)電片屬于突出的尖銳物體，考慮到儲(chǔ)罐浮頂?shù)囊何辉O(shè)計(jì)， 即使浮頂處于最高液位， 通常導(dǎo)電片離罐壁頂端約有300 mm的距離，處在罐壁錐形防雷區(qū)域內(nèi)，不會(huì)發(fā)生直接引雷的現(xiàn)象。 導(dǎo)電片安裝于浮頂上部方便日常運(yùn)行管理，但其缺點(diǎn)為若導(dǎo)電片與罐壁接觸不良或存在間隙，雷擊電流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花并引燃密封處存在的油氣，發(fā)生著火事故。 導(dǎo)電片與罐壁的接觸不良或間隙是由于浮頂晃動(dòng)、罐壁銹蝕或結(jié)蠟等原因造成，這些原因?qū)τ谶\(yùn)行時(shí)的儲(chǔ)罐不可避免，故美國(guó)API協(xié)會(huì)提出浸液式導(dǎo)電片，其與罐壁的接觸點(diǎn)位于液面以下隔絕了點(diǎn)火的必要條件——空氣，即使導(dǎo)電片與罐壁產(chǎn)生電火花也不會(huì)引起儲(chǔ)罐著火事故。

浸液式導(dǎo)電片在NFPA 780—2011和API RP 545—2009兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中最早被提出，NFPA 780在2014版和2017版中皆要求必須采用浸液式導(dǎo)電片， 但目前執(zhí)行的最新版本NFPA 780—2020和API RP 545—2012并未強(qiáng)制要求采用，而是需根據(jù)儲(chǔ)罐建造的實(shí)際情況判定是否采用浸液式導(dǎo)電片。 浸液式導(dǎo)電片通過(guò)隔絕空氣的做法避免儲(chǔ)罐著火事故，但也存在以下問(wèn)題：

a. 沒(méi)有成熟的安裝方案。浸液式導(dǎo)電片可以包含在一次密封供貨范圍內(nèi)，也可以單獨(dú)開(kāi)料由現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工，但無(wú)論是國(guó)內(nèi)外的密封供貨商還是施工單位，對(duì)于導(dǎo)電片浸液式的安裝方式還沒(méi)有成熟的方案。

b. 舊罐改造的實(shí)施性較差。浸液式導(dǎo)電片的安裝需要對(duì)舊罐進(jìn)行清罐——若是整個(gè)庫(kù)區(qū)一次性改造，清罐費(fèi)用高，且改造會(huì)影響庫(kù)區(qū)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；若按庫(kù)區(qū)改造計(jì)劃分批更換，則更換周期太長(zhǎng)。

c. 安裝方式的局限性。 日常檢修和維護(hù)不能及時(shí)開(kāi)展，而且其周期需與儲(chǔ)罐的大修周期保持一致，導(dǎo)電片的運(yùn)行狀態(tài)也無(wú)法監(jiān)控，防雷效果也就得不到保障。

筆者認(rèn)為：由于以上問(wèn)題的存在，同時(shí)根據(jù)API RP 545—2009中的實(shí)驗(yàn)報(bào)告（中高頻電流不易引燃油氣空間），使得目前標(biāo)準(zhǔn)和API協(xié)會(huì)的規(guī)范要求采取靈活方式， 即結(jié)合儲(chǔ)罐的實(shí)際情況，采取適宜的導(dǎo)電片形式，而不再?gòu)?qiáng)制要求采用浸液式導(dǎo)電片。

2.4 其他通路的防雷要求

其他通路主要包括一次密封（機(jī)械密封）、導(dǎo)向管和量油管。 API RP 545—2009要求對(duì)以上的電流通路進(jìn)行電絕緣處理，電絕緣強(qiáng)度不低于1 kV；NFPA 780—2020要求對(duì)以上電流通路進(jìn)行電絕緣處理或電氣連接——若采用電絕緣處理，其電絕緣強(qiáng)度不得低于1 kV； 若采用電氣連接，可以用導(dǎo)線(xiàn)、不銹鋼導(dǎo)電片或其他等效材料的電氣連接方式。

電絕緣處理，是讓雷擊電流只通過(guò)電阻率更低的電氣連接線(xiàn)和導(dǎo)電片，這樣就可避免雷擊電流通過(guò)一次密封、量油管和導(dǎo)向管處時(shí)電火花引起油氣空間起火的事故。 與浸液式導(dǎo)電片存在同樣的問(wèn)題，電絕緣的改造需要儲(chǔ)罐清罐，對(duì)于規(guī)模較大的庫(kù)區(qū)整體改造周期較長(zhǎng)， 投資也很高。另外，若儲(chǔ)罐的主要防雷設(shè)施電氣連接線(xiàn)和導(dǎo)電片均為正常，雷擊電流不會(huì)流經(jīng)其他通路；若電氣連接線(xiàn)和導(dǎo)電片失效，擊穿5 mm間隙后雷擊電流可達(dá)數(shù)十千伏［18］，1 kV電絕緣強(qiáng)度不足以絕緣其他通路。

電氣連接的形式對(duì)于一次密封是十分必要的，一次密封所有部件之間應(yīng)做電氣連接，并且一次密封應(yīng)與浮頂做電氣連接。 同樣，在量油管和導(dǎo)向管處通常會(huì)存在相當(dāng)濃度的油氣空間，理論上也應(yīng)要求與浮頂做電氣連接，但由于其結(jié)構(gòu)原因，無(wú)論設(shè)置電氣連接線(xiàn)或用其他等效的電氣連接都存在一定難度，所以國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)罐在量油管和導(dǎo)向管處均未實(shí)施電氣連接。

3 結(jié)論

3.1浮頂儲(chǔ)罐的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足轉(zhuǎn)動(dòng)扶梯電氣連接、浮頂排水管電氣連接、浮頂上附件做電氣連接及機(jī)械密封電氣連接等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

3.2浮頂儲(chǔ)罐的電氣連接線(xiàn)應(yīng)采用可伸縮型，相比于傳統(tǒng)型其電氣連接線(xiàn)的感抗降幅超90%；考慮導(dǎo)電片日常運(yùn)行維護(hù)局限性的影響，建議導(dǎo)電片安裝于二次密封之上。

3.3從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)成熟度方面考慮，浮頂儲(chǔ)罐的防雷設(shè)計(jì)不推薦對(duì)量油管、導(dǎo)向管和機(jī)械式一次密封的電絕緣處理；若進(jìn)行電絕緣處理，應(yīng)充分考慮對(duì)儲(chǔ)罐其他結(jié)構(gòu)的影響，避免影響儲(chǔ)罐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。