基于滾球法的鋁拱頂儲(chǔ)罐雷電防護(hù)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究*

張英杰，管孝瑞，姜 輝，畢曉蕾，陶 彬，劉全楨，馬夢(mèng)白

(中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266104)

0 前言

大型儲(chǔ)罐是石化企業(yè)主要物料存儲(chǔ)容器，而石油化工原料大多為易燃易爆物料，雷擊儲(chǔ)罐會(huì)導(dǎo)致拱頂燒蝕、穿孔，進(jìn)一步引燃儲(chǔ)罐內(nèi)部易燃易爆物料[1,2]。近幾年，鋁拱頂由于其強(qiáng)度高且重量低的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越多地應(yīng)用在大型浮頂儲(chǔ)罐上，但同時(shí)鋁拱頂遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)也隨之而來(lái)[3,4]，由于鋁的熔點(diǎn)比鐵低，鋁網(wǎng)殼拱頂在遭受雷擊時(shí)鋁蒙皮易熔化穿孔，此外直擊雷對(duì)于鋁蒙皮還具有較強(qiáng)的電動(dòng)力效應(yīng)，在熱效應(yīng)和電動(dòng)力的疊加下，鋁蒙皮容易破裂脫落，引燃內(nèi)部易燃易爆物料[5-7]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于大型拱頂儲(chǔ)罐鋁蒙皮的厚度有不同的論述，美國(guó)石油協(xié)會(huì)《Welded Tanks for Oil Strorage》中建議儲(chǔ)罐拱頂?shù)匿X蒙皮板厚度為1.2 mm[8,9]，但《石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中為防止雷電擊(熔)穿，規(guī)定鋁頂板的厚度最小為7 mm[10]，當(dāng)鋁頂板厚度小于7 mm時(shí)，應(yīng)裝設(shè)接閃器。而GB 50074—2014《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)一步規(guī)定，鋁頂儲(chǔ)罐應(yīng)裝設(shè)接閃桿(網(wǎng))。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一導(dǎo)致鋁拱頂儲(chǔ)罐的防雷問(wèn)題成為石化行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。

接閃桿是雷電防護(hù)中可靠的保護(hù)方法，利用接閃桿接閃可有效避免鋁拱頂儲(chǔ)罐遭受雷擊，也解決了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)鋁蒙皮板厚度不一致的問(wèn)題[11,12]。在大型儲(chǔ)罐上使用接閃桿接閃既要有效保護(hù)拱頂儲(chǔ)罐，又要降低接閃桿高度，從而降低引雷的風(fēng)險(xiǎn)[13]。本文對(duì)大型拱頂儲(chǔ)罐的雷電防護(hù)提出多圈短桿的直擊雷保護(hù)方案，結(jié)合滾球法計(jì)算出接閃桿的高度和位置，仿真優(yōu)化確定鋁拱頂儲(chǔ)罐直擊雷防護(hù)模型；建立鋁拱頂10∶1微縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，開(kāi)展高壓接閃試驗(yàn)，以期為鋁拱頂儲(chǔ)罐的雷電防護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 滾球法計(jì)算模型

本研究開(kāi)發(fā)的鋁拱頂適用于直徑41 m的儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐的鋁拱頂高度8 m，防雷方案設(shè)計(jì)完成后要開(kāi)展雷擊模擬仿真和實(shí)驗(yàn)室雷擊試驗(yàn)，采用10∶1微縮模型進(jìn)行滾球法雷電防護(hù)設(shè)計(jì)和雷擊試驗(yàn)。鋁拱頂是球體的一部分，可看做是由一個(gè)球體切割而來(lái)，根據(jù)等比例微縮模型中的數(shù)據(jù)，罐頂直徑4.1 m，拱頂高度0.8 m，可求出被切割球體半徑約為3.2 m。等比例微縮模型尺寸如圖1所示。

圖1 等比例微縮模型尺寸

雷電防護(hù)方案的確定通常有滾球法、折線(xiàn)法、保護(hù)角法、網(wǎng)格法等，折線(xiàn)法因其對(duì)于被保護(hù)物體的側(cè)面雷擊保護(hù)程度較弱自1994年逐漸不再采用；保護(hù)角法源于滾球法，受滾球半徑制約僅適用于外形簡(jiǎn)單的小型建筑；網(wǎng)格法多用來(lái)保護(hù)平面物體；滾球法的基礎(chǔ)是雷擊距理論，當(dāng)雷云位于鋁拱頂儲(chǔ)罐上方時(shí)，由于大部分雷云下部是負(fù)電荷，在鋁拱頂及防雷裝置上會(huì)感應(yīng)出與雷云下部相反的正電荷。雷云不斷發(fā)展，帶電液滴越來(lái)越多，雷云下部會(huì)產(chǎn)生向下發(fā)展的下行先導(dǎo)，此時(shí)的下行先導(dǎo)并不受地面物體的影響；而當(dāng)雷云下部聚集的負(fù)電荷越來(lái)越多，地面物體表面也會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)數(shù)量的正電荷，當(dāng)正電荷不斷增加，在曲率半徑較小的接閃桿頂部會(huì)產(chǎn)生向上發(fā)展的上行先導(dǎo)，下行先導(dǎo)與上行先導(dǎo)相匯合，形成雷電的主放電，此時(shí)主放電的長(zhǎng)度即為雷擊距。GB 50057—2010和IEC 62305均把滾球法作為雷電防護(hù)方案的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[14-16]。

滾球法計(jì)算模型(圖2)的初始工作是確定被保護(hù)物體的滾球半徑，根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，儲(chǔ)罐應(yīng)劃分為第二類(lèi)防雷建筑物，滾球半徑為45 m。接閃桿的設(shè)計(jì)分為單支、雙支等高、雙支不等高、多支不等高等類(lèi)型，雷擊是隨機(jī)事件，防雷設(shè)計(jì)的目的是要盡可能降低被保護(hù)物體遭受雷擊的概率，因此采取適當(dāng)?shù)睦纂姺雷o(hù)方案既要成功代替被保護(hù)物體遭受雷擊，又要不至于增加引雷的風(fēng)險(xiǎn)是雷電防護(hù)的最優(yōu)解。根據(jù)鋁拱頂?shù)那蛎娼Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用多支不等高接閃桿，同時(shí)盡可能降低高度可有效降低引雷概率。

圖2 滾球法計(jì)算模型

2 鋁拱頂接閃桿雷電防護(hù)模型

利用多支不等高接閃桿保護(hù)范圍計(jì)算方法，對(duì)鋁拱頂儲(chǔ)罐進(jìn)行接閃桿高度和位置確定。按照滾球法計(jì)算結(jié)果，采用17支接閃桿按內(nèi)、中、外3圈加頂點(diǎn)布置，方案見(jiàn)表1?；贑DEGS軟件的Shild-3D與SESCAD模塊，首先在SESCAD模塊建立鋁拱頂直擊雷防護(hù)模型，鋁拱頂是由球體切割而來(lái)、由鋁合金構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入Shild-3D模塊后建立接閃桿模型。接閃桿采用鋁合金材質(zhì)，圓錐體結(jié)構(gòu)，圓錐體底半徑為0.01 m，高度如表1所示，仿真模擬的效果如圖3所示。

表1 鋁拱頂接閃桿初步安裝高度及數(shù)量

圖3 鋁拱頂接閃桿雷電防護(hù)初步方案

對(duì)鋁拱頂仿真模型施加150 kA直擊雷，進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)和99%保護(hù)范圍仿真試驗(yàn)，得到保護(hù)效果如圖4所示。

圖4 初步方案試驗(yàn)及仿真結(jié)果

綠色表示得到了有效保護(hù)，紅色代表未保護(hù)，但綠色過(guò)深時(shí)，易出現(xiàn)過(guò)保護(hù)狀態(tài)。從仿真結(jié)果看，150 kA直擊雷模擬試驗(yàn)結(jié)果和99%保護(hù)范圍仿真試驗(yàn)結(jié)果都是上部至頂部綠色較深，表明接閃桿對(duì)鋁拱頂?shù)捻敳恐車(chē)沁^(guò)保護(hù)的狀態(tài)，過(guò)保護(hù)意味著引雷風(fēng)險(xiǎn)增大，增加接閃桿的接閃次數(shù)，不利于大型儲(chǔ)罐的雷電安全。

仿真結(jié)果中上部至頂部過(guò)綠表示該區(qū)域接閃桿高度過(guò)高或數(shù)量過(guò)多，經(jīng)過(guò)高度計(jì)算，內(nèi)圈接閃桿頂點(diǎn)高度：0.69+0.35=1.04(m)，頂點(diǎn)接閃桿頂點(diǎn)高度：0.8+0.1=0.9(m)，內(nèi)圈接閃桿高度已經(jīng)超過(guò)鋁拱頂?shù)母叨?，且已超過(guò)頂點(diǎn)處的接閃桿高度，內(nèi)圈高度突出會(huì)導(dǎo)致雷云易與接閃桿發(fā)生多個(gè)先導(dǎo)通道，導(dǎo)致保護(hù)物體多次發(fā)生雷擊，不利于被保護(hù)物體的防雷安全。因此要對(duì)17支接閃桿按3圈加頂點(diǎn)布置的防護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，以多圈短桿為原則，本著避雷和減少引雷雙目標(biāo)對(duì)接閃桿的方案進(jìn)行優(yōu)化，降低接閃桿高度和數(shù)量。

經(jīng)過(guò)模型優(yōu)化，采用16支接閃桿按2圈加頂點(diǎn)布置，達(dá)到多圈短桿的布置效果，以鋁拱頂?shù)酌鎴A心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維直角坐標(biāo)系，接閃桿安裝位置坐標(biāo)如圖5(a)和表2所示，接閃桿安裝效果如圖5(b)所示。

圖5 接閃桿安裝位置及效果

優(yōu)化后，對(duì)該接閃桿雷擊保護(hù)方案施加150 kA直擊雷和99%保護(hù)水平模擬仿真，見(jiàn)圖6。結(jié)果顯示，該接閃桿防雷方案保護(hù)效果良好，滿(mǎn)足99%雷電保護(hù)水平，中上部深綠色減輕，過(guò)保護(hù)范圍減少，滿(mǎn)足在防雷的同時(shí)減少引雷的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表2 接閃桿安裝位置及高度

圖6 優(yōu)化方案試驗(yàn)及仿真結(jié)果

3 鋁拱頂雷電防護(hù)方案雷擊接閃試驗(yàn)

接閃試驗(yàn)一般有模擬先導(dǎo)接閃和模擬雷云接閃兩種。模擬先導(dǎo)接閃通過(guò)假定先導(dǎo)位置下的接閃，模擬雷云接閃假定雷云板的位置和范圍下的接閃，模擬先導(dǎo)接閃比模擬雷云接閃條件更嚴(yán)苛，隨機(jī)性更強(qiáng)。本文采用模擬先導(dǎo)接閃試驗(yàn)方法，運(yùn)用中國(guó)石化自主研發(fā)的最高可輸出3 600 kV的高電壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備，模擬雷電先導(dǎo)對(duì)鋁拱頂10∶1微縮模型進(jìn)行雷擊試驗(yàn)，通過(guò)高速相機(jī)記錄雷擊點(diǎn)位置，得到多圈短桿防雷方案的接閃概率。雷擊試驗(yàn)采用直徑3.2 cm的棒狀電極，使用航吊將其懸掛于鋁拱頂模型內(nèi)圈和外圈接閃桿之間的上方，此時(shí)棒狀電極距離最近的接閃桿和鋁拱頂均為0.5 m，此位置下的雷擊試驗(yàn)對(duì)于接閃桿是較為嚴(yán)苛的試驗(yàn)條件。棒狀電極用于模擬雷電產(chǎn)生的先導(dǎo)，在沖擊電流釋放的一瞬間，棒狀電極與下方物體發(fā)生放電。鋁拱頂雷擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 模擬先導(dǎo)接閃雷擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在棒狀電極與最近的接閃桿/鋁拱頂距離均為0.5 m的情況下，進(jìn)行了20組沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表3，接閃桿接閃18次，鋁拱頂接閃2次。接閃桿的接閃概率為90%，接閃桿接閃電壓隨機(jī)分布在752.00～787.25 kV區(qū)間內(nèi)，平均接閃電壓為767.66 kV。鋁拱頂接閃電壓為887.13 kV和904.75 kV，明顯高于接閃桿的接閃電壓。接閃桿接閃電壓波形示例如圖8(a)所示，接閃桿接閃如圖8(b)所示，鋁拱頂接閃如圖8(c)所示。

4 結(jié)論

本文基于滾球法針對(duì)鋁拱頂儲(chǔ)罐開(kāi)展直擊雷防護(hù)方案設(shè)計(jì)，提出多圈短桿的接閃桿方案并進(jìn)行仿真優(yōu)化，確定鋁拱頂儲(chǔ)罐直擊雷保護(hù)模型，建立鋁拱頂10∶1微縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，開(kāi)展高壓接閃試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

a) 大型石油化工儲(chǔ)罐的接閃桿的設(shè)計(jì)既要成功保護(hù)被保護(hù)物體，又要降低高度不至于引雷，因此宜采用多圈短桿布置方案，避免采用單根高大避雷針的設(shè)計(jì)。

表3 鋁拱頂雷擊試驗(yàn)結(jié)果 kV

b) 當(dāng)采用17支接閃桿按3圈加頂點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案時(shí)，鋁拱頂自頂點(diǎn)至內(nèi)圈接閃桿所在范圍為過(guò)保護(hù)狀態(tài)，引雷風(fēng)險(xiǎn)大大增加。當(dāng)采用16支接閃桿按2圈加頂點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案時(shí)，頂部過(guò)保護(hù)程度減輕，有效減少引雷風(fēng)險(xiǎn)。

c) 在棒狀電極與最近的接閃桿/鋁拱頂距離均為0.5 m的情況下，針對(duì)鋁拱頂10∶1微縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)展20組棒狀電極高壓接閃試驗(yàn)，結(jié)果顯示多圈短桿的接閃桿保護(hù)方案接閃率為90%，最大接閃電壓787.25 kV，最小接閃電壓752.00 kV，平均接閃電壓為767.66 kV，內(nèi)圈接閃桿和外圈接閃桿之間存在保護(hù)范圍不足的情況。

圖8 棒狀電極高壓接閃試驗(yàn)

d) 下一步，將針對(duì)鋁拱頂蒙皮板的抗雷擊涂層開(kāi)展雷擊試驗(yàn)研究，建立接閃桿與抗雷擊涂層相結(jié)合的雷電防護(hù)方案，進(jìn)一步提升鋁拱頂儲(chǔ)罐的雷電防護(hù)能力。