长输油气管道储运中的防雷实践与研究慕栋

长输油气管道储运中的防雷实践与研究慕栋

慕栋

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中国石化集团管道储运有限公司机关企管处招标办公室江苏徐州221008

摘要：雷电在人类的生活生产中经常造成各种伤害，特别是对石油的储运系统造成的危害更是严重，动辄就是千万以上的损失。因此，为了预防雷电对石油储运设备造成危害，必须对雷电的危害原理以及石油储运设备的特点进行深入的分析，找出造成危害的原因所在，并针对性的采取有效措施。

关键词：储油罐；防雷；措施

1、雷电形成及分类

对于雷电的形成，西方国家学说有十几种之多，并提出各种各样的解释和学说，基本上是从物理角度入手，有些论点至今还有争论。但一般通俗的解释是雷电是大自然中的静电放电现象。研究表明，雷云是构成雷电的基本条件。云是由地面蒸发的水蒸气形成的，水蒸气上升过程遇到上部冷空气团或热气团，在其前峰交界面上形成云。云中水滴受强气流吹袭时，分裂成较小的水滴和较大的水滴，分别带负电和带正电。较小的水滴被气流带走，形成带负电的雷云，较大的水滴留下来形成带正电的雷云。

随着电荷的积累，雷云的电位逐渐升高，当带不同电荷的雷云互相接近到一定程度，或雷云与石油库储罐等凸出物接近到一定程度时，发生激烈的放电并出现强烈的闪光。由于放电时温度极高，使空气受热急剧膨胀发出爆炸的轰鸣声，这就是所说的闪电和雷鸣。

按照放电形式，雷电可分为线性雷、片形雷和球形雷；从雷电危害的角度，又可分为直击雷、感应雷和球形雷。

雷云和大地之间的放电，称作直击雷。

感应雷也称雷电感应，分静电感应和磁感应两种。静电感应是由于雷云接近地面，在油罐顶部感应出大量电荷引起的。电磁感应是由于雷击后，巨大的雷击流在周围空间发生迅速变化的强磁场引起的，这种磁场能在附近金属导体上感应出很高的电压。

球形雷电形成发红光或白光的火球，其直径约为20cm，但也有达10m的；其运动速度约为2m/s。球形雷是由特殊的带电气体形成的，在雷雨季节，球形雷可从油罐的排气管、呼吸阀、采样孔、检尺孔等通道浸入罐内［1］。

2雷电的危害

2.1雷电对石油储运系统概括起来有以下破坏作用。

（1）电性质的破坏作用。

数十万乃至数百万伏的冲击电压可毁坏石油储运系统的电力变压器、断路器、绝缘子等电气设备的绝缘，烧断电线或劈断电杆，造成大规模停电。绝缘损失不但会引起短路导致大火或爆炸事故，还会造成高压窜入低压和出现设备漏电现象，引起严重的触电事故。反击的放电火花也可能引起火灾或爆炸，巨大的雷电流流入地下，会在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，直接导致接触电压和跨步电压的触电事故。

（2）热性质的破坏作用。

巨大的雷电流通。过导体，在极短的时间内转换出大量的热能，造成汽油、原油、煤油、柴油等燃烧或使金属熔化、飞溅，从而引起火灾或爆炸事故。雷击点如恰好落在油罐上，更容易酿成火灾事故。

（3）机械性质的破坏作用。

表现为被击物遭到破坏甚至爆裂成碎片。此外同性电荷之间的静电斥力，电流拐弯处的电磁推力，雷击气浪都有一定的破坏作用。

在管道储运实际的生产操作中，主要是防范外浮顶储油罐遭雷击，可分为直接性雷击和间接性雷击。直接性雷击主要击中地面或者构建物的点，包括储罐的缘、通风口、护栏、量油杆（量油标尺）、照明灯和在壳顶的其它物体，或者包括大型储罐的浮顶本身。雷电泄放到地面不是走一个单独的路径，从连接点开始，电流作为一个薄层在所有的导电路径上流动，随着电流在一个较大面积上展开，电流路径的任何不连续，都有可能在间隙上产生电弧。

间接性雷击主要在储罐邻近的地方发生，一些电流会在储罐壳体的外皮上，经过浮顶向下流到储罐壳体另一侧的地面。与直接遭受雷击的储罐相比，此时经过储罐的放电电流的能量要小得多。与直接雷击一样，电流路径的任何不连续，都会在间隙上产生电弧［2］。

由于雷击罐体或附近，在罐体表面形成的驱动电流流向大地时，罐体上的任意不连续点间都有可能形成火花放电，如满足以下条件，必然会导致火灾发生。

（1）该部位的导电物体之间具有一个很小的间隙，在那里雷电产生了一个足够大的电压，可导致气隙内的空气或混合物发生电击穿。

（2）如果处在易燃混合物范围内，能量高0.2MJ的隙火花足以引燃气体混合物［3］。

2.2储罐雷击事故存在以下共性问题：

（1）着火点的位置都在密封圈处。

（2）发生事故的储罐均有二次密封。

（3）发生事故的储罐二次密封可燃气体浓度均达到爆炸极限范围。

2.3外浮顶油罐雷电火灾主要原因分析

（1）外浮顶油罐一次密封有两种形式，即“机械密封”、软密封（囊式密封），随着使用年限或进出油频次递增，气体挥发进入二次密封腔的几率很大，而且不易发现。

（2）外浮顶油罐二次密封不严。二次密封胶板、二次密封油气隔膜板属于橡胶制品，浮盘在上下移动时，经过罐壁结蜡或污油处时，密封胶板与罐壁贴合不严就会导致空气进入二次密封腔。

（3）外浮顶油罐浮盘导电片大多是“包覆式”；包覆式导电片其中一面在二次密封胶板内，在有雷流时，此处若有微小的间隙就会发生放电。如果二次密封内部空腔可燃气体浓度达到爆炸极限浓度，就会出现闪爆着火事故。

以上3条分别为燃烧三要素（可燃物、助燃物、点火源）提供了客观条件，如果同时具备，必然发生火灾。

主要对策措施有取消“包覆式”导电片安装在外浮顶油罐二次密封上部安装高中频雷电流分路器，具体安装要求如下：

（1）安装间距≤3m，接触点距二次密封胶板的上沿≥51mm。

（2）分路器与浮盘间的接触电阻≤0.03Ω。

在罐壁上沿安装雷电流泄流装置，通过分流线连接浮盘与罐壁，实现浮盘与罐壁低阻抗的电气连接，确保浮盘上的中低频雷电流得到及时释放，从而避免浮盘由于雷电流通过时出现间隙打火现象。

安装要求如下：

（1）沿浮盘圆周每小于30m设一个泄流装置，采用M12不锈钢螺栓加防松垫片将分流装置固定在罐壁上沿，将分流线接在浮盘泡沫挡板上，接触面涂导电膏。

（2）泄流装置上端与罐壁间接触电阻值≤0.03Ω。

（3）泄流装置下端与泡沫挡板间接触电阻值≤0.03Ω。

还有在浮盘扶梯两端四点跨接和在油罐周围禁止设高塔、高架灯等。

3雷电的预防措施

3.1避雷针

这种装置是利用其高出油罐的突出地位把雷引向自身，然后通过引下线和接地装置把雷电流泄入大地，以保护石油储罐免受雷击。

避雷针由受雷器、引下线和接地装置三部分组成。受雷器又称接闪器，即避雷针的针尖部分，通常采用直10-12mm，长度为1-2m的钢棒或者打扁并焊接封口的直径为20-25mm镀锌钢管制成。引下线常用直径不小于6mm的圆钢或截面积不小于30-35mm2的扁铁制成，引下线应短而直，避免拐弯和穿越管等闭合结构，以防雷电流通过时因电磁感应而形成火花放电。接地装置是把雷电流引入地壳的金属接地体。油罐顶装设避雷针时，其接地电阻值不应大于30Ω，避雷针与油罐呼吸阀的水平距离不应小于3m，其保护范围应高出呼吸阀2m［4］。

覆土层大于0.5的储油罐可不设避雷针，但罐体及罐室的金属构件、呼吸阀、采样孔、检尺孔等均必须与罐顶和屏蔽网做可靠的电气连接并接地，各阀、孔的每个法兰必须有跨接线，接地电阻不应大于10Ω。

地面非金属油罐，应装设独立避雷针（线）。油罐的金属附件和罐体外露金属件，应做电气连接并接地。当电气连接有困难时，整个罐顶应采用直径不小于8mm的圆钢做成不大于6m×6m的网格加以铺盖并接地。

国内有些单位规定，当油罐顶顶板厚度大于或等于4mm，油罐可不装避雷针，这是很不可靠的。因为当雷直接击中罐壁上部或罐顶时，雷电所经过的途径可将处于高位浮顶环形空间的油气点燃，以致造成火灾。有的拱顶罐排气阀、呼吸阀未关闭，油气也将被雷电点燃。

根据保护对象不同，消雷器按形状分为伞形、锥形、板形等多种形式。

3.2阻火器

阻火器（也称防火器）是固定油罐附件之一，是油罐的安全防火装置，大多装在机械呼吸阀和液压安全阀下面（内浮顶油罐通气管上，加油站地下油罐通气管上有时也安装）。

阻火器的作用是当火焰或火星进入呼吸阀或安全阀并通过阻火器时，阻火器内高热容量金属制成的丝网或皱纹板阻火层迅速吸收燃烧物体的热量而使之熄灭，阻止油罐着火。

ZGB-1型新型波纹石油储罐阻火器，是国内近年研制并推广使用的专利产品。该阻火器与传统阻火器相比，具有以下特点；

①量轻，阻火器采用铝合金外壳。

②耐腐蚀，易于清洗，阻火层采用不锈钢材料。

③结构简单，检查时不用拆卸上面的呼吸阀或安全阀。

④主要性能均满足英国阻火器研究生产行业拟定的测试手册要求。

阻火器在正常使用中，要求每半年检查一次，清洗堵塞的阻火层，更换变形或腐蚀的阻火层。重新安装阻火层后，要保证密封处不漏气。

国内外石油储运系统的防雷措施，都特别强调安装油罐阻火器。阻火器是防雷不可缺少的安全设备，阻火器能阻止因雷击产生的火花进入油罐，防止油罐的爆炸和燃烧。

阻火器应符合国家标准GB5908《石油储罐阻火器阻火性能和试验方法》的有关规定。油罐阻火器必须具备阻爆性能和耐烧性能，前者是阻止由于雷击或燃烧而引起的火花或火焰通过的性能，后者是指可燃气体火焰通过阻火层，形成稳定的燃烧火焰，在止内无回火的性能。

阻火器壳体应能承受0.9kPa水压而无渗漏。目前国内刚刚问世的新型波纹阻火器，其性能已达到GB5908的规定。

3.3防雷接地

雷击的危害除了直接的雷击破坏作用，还有雷电的静电感应、电磁感应、雷电波浸入、防雷装置高压电对储运设备的反击作用，它们同样能引起灾害。因此石油贮运万万不能没有防雷接地。

3.4大型储罐综合防雷措施

大型储罐雷击火灾爆炸的形成条件既需满足油气浓度在爆炸极限范围内，又需满足点火求。在通常实际工作中，应控制并减少罐内气体空间体积，避免油气在油罐局部聚集，并且力求控制好点火源。具体来说，就是在大型储罐罐区合理布置避雷针系统，同时做好防雷接地和等电位连接，这样就能从根本上防止直击雷或感应雷所造成的危害。

目前大型油罐浮顶的密封一般采用机械密封。从使用效果来看，其密封效果不理想，易在一、二次密封间聚集大量的油气。从防雷安全角度考虑，对于外浮顶油罐的一次密封型式应该采用软密封结构替代机械密封结构，这样可大大降低一、二次密封间的可燃气体浓度。另外，软密封将浮盘与罐壁在油气密集的区域内绝缘隔离的同时，也大大减少了金属突出物的存在，有效地防止了感应电势在油气空间内部放电火花的产生，从而大大降低爆燃的可能性。软密封的二次密封应采用导静电材料，同时增加静电导出片与罐壁接触，可有效地将雷电流导出。但是软密封在使用后期密封效果有所下降，所以要及时检查并且更换，以增强其安全性能。

目前大型储罐等电位连接主要存在的问题是储罐浮盘与罐壁之间的两条连接导线在腐蚀、接触不良等情况下，导致电流导通不畅、阻抗增加，产生电位差。根据相关标准规范，对大型储罐等电位连接要求做到：浮顶应与罐体做等电位连接，连接导线应当不少于2根，且每根导线应选用截面积不小于50mm2的扁镀锡软铜复绞线或绝缘阻燃护套软铜复绞线，连接点处用铜接线端子及2个M12的不锈钢螺栓连接并加防松垫片固定；同时宜采用可靠的方式将浮盘和罐体沿罐周做均布的等电位连接［5］。

大型储罐除了按照标准进行上述连接外，还应当在扶梯与罐壁以及扶梯与浮盘间作等电位连接接地。储罐上的温度液位测量装置、信息系统装置、消防监控系统装置等也应与罐体作等电位连接。与罐体相接的电气、仪表配线电气连接应采用金属管屏蔽保护。

为确保大型储罐的安全，除采用上述防雷措施外，应当配套使用油库系统综合防雷措施，防止雷击造成的危害。

所谓系统综合防雷措施，就是综合利用传统防雷设备和自主研制的专用防雷设备进行优化匹配，达到最佳防雷效果。即根据大型储罐的防雷特点，在储罐区总平面布置图上，建立全面与重点、远引与近防、消磁与消弧、反射与吸收、疏导与屏蔽相结合的多层、多级、多措施的全方位雷电预防与防护体系。

对储罐保护区域以外的雷电，利用远引避雷，结合地形和环境在较远距离内尽量吸引和拦截可能进入保护区域的雷电；对进入保护区域的雷电，利用自主研发的消磁消弧避雷针进行综合防护。该消磁消弧避雷针的主要特点是利用其反射体有效地反射接闪器雷电火花的电磁感应；利用其吸波装置的导磁体有效地吸收过滤雷电流的高频脉冲，并将电磁感应有效地转换成涡流；利用其无感抑浪装置减小雷电电磁感应产生的峰值电流；通过防雷专用电缆疏导强大的雷电流，同时屏蔽雷击电流所产生的电磁感应和闪络。这样既可以避免大型储罐遭受直击雷，又可以防止感应雷所产生的感应电动势对大型储罐带来的危害，同时还可以消去雷电所产生的电磁脉冲、冲击电压等，保护了储油罐区仪表、消防监控系统等精密弱电磁设备，使之不会因雷击而损坏

参考文献：

[1]赵晓刚，周毅，李少鸣，等.浅谈非金属油罐的综合防雷[J].石油工程建设，2008，34（4）：1-3.

[2]SY/T6556-2003，大型地面常压储罐防火和灭火[S].

[3]范继义，王道庆，马秀让.油库技术与管理手册[M].上海：上海科学技术出版社，1997.

[4]杨扬，谢静蓉，方海燕，等.大型储油罐区防雷方式及测雷预警安全措施[J].油气储运，2009，28（4）：61-62.

[5]陈祖亮.雷电及其在石油库中的预防[J].石油规划设计，1993，4（3）：37-40.