基于新版《石油化工装置防雷设计规范》的石油化工企业防雷技术检查要点浅析

基于新版《石油化工装置防雷设计规范》的石油化工企业防雷技术检查要点浅析

缪爱兵1张炎2*    陆建洲1    张丽1

（1南通市气象局，江苏 南通226400； 如东县气象局，江苏 南通226400）

摘要：本文基于新版GB50650-2011《石油化工装置防雷设计规范》（2022年版），依据规范内的防雷设计要求，对石油化工企业的生产区域进行了分类，并结合作者多年防雷监管经验，针对各类场所及重要户外设施，分析了对石油化工企业的防雷安全技术检查中需要重点关注的问题，以期对具体的防雷安全监管工作提供一定参考。

关键词：石油化工装置  防雷 规范  技术检查

Abstract: Based on the new version of GB50650-2011 "Design Code for Lightning Protection of Petrochemical Equipment", this article classifies the production areas of petrochemical enterprises according to the lightning protection design requirements in the code, and combines the author's years of practical supervision experience to analyze the key issues that need to be paid attention to in the lightning protection safety technical inspection of petrochemical enterprises for various places and important outdoor facilities, in order to provide some reference for specific lightning protection safety supervision work.

Keywords: Petrochemical equipment  Lightning protection  Code  Technical inspection

1 引言

石油化工装置规模大，生产过程高温高压、易燃易爆、连续生产，一旦遭受雷击，会引发火灾或爆炸，对石化企业的生产造成巨大破坏。所以在石化装置的新建、改建和扩建项目中，对装置内各种不同的设备和建筑物等进行防雷和接地工程设计，对于确保石油化工企业的安全生产至关重要[1]。

根据作者多年的监管实践，第三方检测机构对于石油化工装置的防雷检测内容和程序比较复杂，且标准不统一，这给日常防雷安全监管的技术检查也产生了一定的困扰。而GB50650-2011《石油化工装置防雷设计规范》（2022年版）的颁布实施，为石油化工企业的防雷设施的设计安装、检测和管理提供了技术层面的强有力支撑，填补了我国在石油化工装置企业防雷安全管理工作的空白[2]，这也为防雷安全监管技术检查提供了明确统一的依据。因此，本文将根据新版GB50650-2011的有关条款规定和作者多年实践经验，简要论述新建、扩建和改建石油化工装置防雷安全监管过程中应注意的一些技术细节，以供参考。

2 化工行业的分类

化工行业包含化工、炼油、冶金、能源、轻工、石化、环境、医药、环保和军工等部门从事工程设计、精细与日用化工、能源及动力、技术开发、生产技术管理和科学研究等方面的行业。可分为石油化工、基础化工以及化学化纤三大类。其中石油化学工业，简称石油化工。一般指以石油和天然气为原料的化学工业，范围广，产品多。

3 新版《石油化工装置防雷设计规范》概述

2011年以前，石油化工生产装置的防雷设计是遵照国家标准GB50057 (1983年和1994年版）《建筑物防雷设计规范》的规定进行。但是该规范并不包含户外装置的设计内容。2011年1月后，GB50650《石油化工装置防雷设计规范》成为国家标准，第一次提出的防雷分类方法，并第一次提出在户外装置区直接采用金属设备壳体作为防直击雷的接闪器的设计思路，为石油化工装置的防雷设计指明了方向。

2022年，根据住房和城乡建设部的要求，GB50650《石油化工装置防雷设计规范》再次修订，完善的内容主要包括：适用范围、名词、术语的内容修改补充、柱内主筋不能兼电气设备的接地功能的规定、储罐接地电阻检测的规定和雷电预警系统的设置规定等五个方面。另外新增了4条关于大中型储罐及引下线方面的规定，删除了关于石油化工装置的定义，也修改了21条相关内容，主要涉及框架、管架、管道、炉区等户外装置[3]。

4 防雷场所的分类

防雷设计的最终目的在于怎样保证爆炸危险环境的安全性。为实现这一目标，在GB50057《建筑物防雷设计规范》中是以建筑物作为主要载体，让它获得安全的防雷保护性能，从而使建筑物内部的爆炸危险区域避免遭受雷电的引燃。这种思路的主要措施是采用外部防雷保护装置——接闪器（杆状、带状和网状），既能保护建筑物本身，也保护整个爆炸危险区域。

与直接保护爆炸危险区域思路不同的是，GB50650中提出了一个新的思路，即在石油化工户外装置区内，高塔、储罐和安装于高处的容器等金属设备，被用作接受直击雷的接闪器 （设备本体保护方法），以此作为防雷保护的主要手段。

这样一来，采取这种本体保护方法来设计防雷时，我们就需要率先考虑，当雷电直接击到户外设备壳体上时，能否点燃周围爆炸危险区域内的爆炸性气体混合物，引发空间爆炸。由此，是否需要对此爆炸危险区域加以保护和如何保护。回答这一问题的前提，我们需要对防雷场所加以分类判别，以便采取对应的防雷措施。

4.1 防雷场所的分类

根据GB50650第3.0.1和3.0.2条的规定，以形成爆炸性气体混合物的环境状况和空间气体的消散条件为参考依据，我们可以将石油化工装置的各种场所分为三类，即厂房房屋类（户内场所）、户外装置区（户外场所）和过渡场所。

（1）厂房房屋类（户内场所）。这一类场所是封闭性的，能够限制爆炸性气体混合物向大气扩散，并在一定时间内维持其爆炸危险浓度，一旦点燃，其爆炸压力巨大，将导致设备和建筑物破损，对此类场所采用外部防雷装置进行全面保护，包括各种封闭的厂房、机器设备间（包括泵房）、辅助房屋、仓库等。

（2）户外装置区（户外场所）。这类场所为露天的或对大气敞开的，空气通畅，爆炸性气体混合物易于消散，爆炸危险浓度消失较快，一旦点燃，其爆炸压很低，不易造成危害。对此类场所侧重于户外设备设施的防雷保护，属于此类场所的有：炉区、塔区、机器设备区、静设备区、储罐区、液体装卸站、粉粒料筒仓、冷却塔、框架、管架、烟囱、火炬等。

（3）过渡场所。建筑结构为敞开式、半敞开式的场所是属于厂房房屋类场所和户外装置区场所之间的过渡场所。应该根据建筑形式、易燃易爆物质放散的量和通风条件进行分类。有屋顶而墙面敞开的大型压缩机厂房，或是在易燃易爆物质放散不利的环境，划为厂房房屋类；设备管道布置稀疏的框架应划为户外装置区。

4.2 户内外场所发生空间爆炸的风险评估

户外装置区（户外场所）由于其环境特点、爆炸性气体混合物的状态及爆炸事故率极低等的情况，就防雷技术要求而言，与户内场所有本质的不同，针对不同的爆炸风险我们需要采取不同的防雷设计思路，相对应的，在日常检查中的侧重点也会有所不同。由于过渡场所的防雷技术要求最终可以划归于户内和户外两类，因此本文就户内外场所的空间爆炸风险进行讨论，主要包括爆炸性混合气体的形成、持续、爆炸产生、后果等方面。

4.2.1爆炸性气体混合物在大气中的释放

（1）在户外：由释放源释放出的危险介质在大气中扩散，形成爆炸性气体混合物，一般呈倒扣瓦罐状，呈空间浓度由内到外逐渐减小的空间体积。随时间推移，空间浓度会逐渐减小，有风时加快减小，甚至消散和消失，总体上向着安全方向转变。即空间体积在缩小，浓度存在的时间减少。

（2）在户内：由释放源释放出的危险介质在封闭空间内扩散，形成爆炸性气体混合物，保持稳定的空间浓度，也可能逐渐加浓，总体上向着不安全方向转变。即空间体积不变，浓度存在的时间延续，直至事故处理。

户外场所与户内场所相比，在空间和时间上引燃爆炸的概率低得多，即使同样划为2区户外场所也安全得多，或可能划为非爆炸危险区，总之更为安全。

4.2.2 爆炸的发生及后果

（1）在户外：空间体积包括浓度不同的各层，并在变稀，各层综合爆炸压力不会很大，由于空间没有边界，形不成爆破压力，不会导致爆炸破坏。  

（2）在户内：户内空间体积有边界，浓度能长时期保持不变或增大，引燃后爆炸压力大，会导致爆炸破坏。

从爆炸造成的破坏后果上看，户外场所不常见，而户内场所则时有发生，因此户外场所比户内场所安全得多。

根据以上分析，可以说户内场所和户外场所在涉及有关爆炸危险问题的环境条件时有很大的区别，因此，必然会得出两种不同的处理原则：户内场所采用外部防雷装置进行全面的保护（包括爆炸危险空间）；户外场所没必要保护这些爆炸危险空间，可以利用生产设备的本体作为接闪器来进行保护。这也是目前国内外石油化工装置大量户外设备仍采用直接接地进行防雷的根本原因。

4.3 各类防雷场所的检查侧重点

依据各类防雷场所的爆炸风险性评估结果，我们在日常防雷安全监管中的技术检查侧重点也更加清晰。

（1）厂房房屋类(户内场所）的技术检查重点为针对建筑物整体的直击雷防护措施。需符合GB50057-2010的相关规定，对伸出建筑物屋面上排放爆炸危险物质的放散管等应保护到管口外有爆炸危险浓度的气体空间（相当于0区、1区）。

（2）户外装置区（户外场所）的技术检查重点是针对户外设备和设施的雷电防护措施。

（3）当厂房房屋和户外装置区两类场所混合布置时，技术检查应遵守如下原则：上部为框架下部为厂房布置时，应按户外装置区相关要求检查；上部为厂房下部为框架布置时，应按厂房房屋相关要求检查；厂房和框架为比邻布置时，应按各自相关要求进行检查。

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石油化工现场检查技术要点分析

5.1 厂房房屋类（户内场所）的技术检查重点

厂房房屋类（户内场所）的石油化工装置主要包括压缩机厂房、主风机厂房 （棚）、气压机厂房等，他们具体可以划分为两大类，即可以利用屋面作为接闪器和无法利用屋面接闪。

对于可以利用屋面接闪的户内场所，其结构形式一般采用门式钢架或网架承重体系，屋面及围栏结构采用压型钢板，厂房内的二层平台铺设钢格板，整个厂房呈敞开式或半敞开式形式。厂房内的设备在生产过程中可能会释放爆炸性危险气体，这样的结构形式有利于厂房内的通风，减少危险气体的积聚。有的厂房如氢气压缩机厂房，会在厂房的屋顶上面设置通风帽，及时排走比空气轻的氢气在屋顶的积聚，降低爆炸危险气体的浓度，提高了厂房的本质安全。

对于石化装置大型厂房的金属屋面，在做防雷设计时可以利用屋面作为接闪器，但是根据规范要求，我们检查时，应重点关注是否符合下面规定：

（1）金属板之间采用搭接时，其搭接长度不应小于100mm；

（2）金属板下面无易燃物品时，其厚度不应小于0.5mm；

（3）金属板下面有易燃物品时，其厚度不应小于4mm；

（4）金属板无绝缘被覆层。

若不满足上述条件时，应核实整个屋面上是否敷设接地线作为接闪网。

对于无法利用屋面接闪的户内场所（主要包括加氢装置的压缩机厂房、重整装置的压缩机厂房等），其生产过程中会有比空气轻的气体－氢气的泄漏，这些气体可能会积聚在厂房的屋顶。此时，厂房不能利用金属屋面接闪，需在金属屋面敷设接地线作为它的防雷保护。防雷电感应（闪电放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，可能使金属部件之间产生火花）的措施，应该采用均压措施，将厂房内的设备、管道、框架等金属设备就近连接到接地装置上，并与厂房的防雷接地装置连接在一起，形成完整的等电位连接。

另外，针对类似催化裂化装置的主风机厂房，其生产过程中一般不会出现易燃易爆气体，可以直接利用厂房的金属屋面作为接闪，但是实际上如果考虑到厂房所处的装置年预计雷击次数，检查过程中我们可以将这些厂房按照第二类防雷建筑物或第三类防雷建筑物设防要求进行核实。

值得注意的是，石油化工企业大型厂房的防雷与接地系统在实际工程中大多为镀锌扁钢或圆钢等材料，这些材料的价格比较低，实际监管中，我们要注意现场情况是否严格按照相关设计标准规范执行。因为整个接地材料的投资虽然占电气设计的投资比例不高，但是它们所连接的防雷和接地系统，在防护石油化工企业压缩机厂房、主风机厂房等设备安全方面起着极其重要的作用。

5.2 户外装置区（户外场所）的防雷检查重点

针对石油化工企业内的户外装置，我们可以区分为两个大类，相应的技术检查重点也有所不同，其分类依据为是否需要采取防直击雷保护措施。

5.2.1无需进行防直击雷保护的设施

根据GB50650-2011 4.2.2条规定，在水处理场所和一些罐区，地面空旷、分散布置有少量机泵（3台～4台及以下）和矮小金属设备，不必要进行防直击雷的设计。在地面上布置的管道和管架亦如此，只需要进行防雷电感应的接地。

5.2.2需要防直击雷保护的设施

5.2.2.1 直接作为接闪器的生产设备

凡是利用生产设备的金属实体作防雷接闪器的情况，需要满足以下两个条件：一是生产设备应为整体封闭、焊接结构的金属静设备，转动设备不能做接闪器；二是生产设备金属外壳的顶部和外侧上部应有足够的厚度，详见表1。

表 1  做接闪器设备的金属板最小厚度 (mm)

5.2.2.2 应另设接闪器的石油化工户外装置

根据GB50650的相关规定，生产设备安装在其他已用作接闪器的高大生产设备附近，位于他们的保护范围内，可以不设置防雷保护设施（但要接地），如果位于保护范围之外，则应设置外加的接闪器加以保护。

这类生产设备包含三种，即转动设备、不能作为接闪器的金属设备（如外壳厚度不够）和非金属外壳的静设备。因此，需要另设接闪器进行保护的户外石油化工装置包括：转动设备；不能作为接闪器的金属静设备；非金属外壳的静设备；排放爆炸性危险气体或蒸气而未设置阻火器的放散管。实际监管中我们要重点关注生产设备是否需要设立独立接闪器进行保护。

5.2.2.3 石油化工户外装置防雷接闪器保护范围的确定方法

实际监管过程中，较难一目了然的是对于接闪器保护范围的确定，对此，我们可以按照以下两种方法进行重新计算核实。首先，石油化工户外装置防雷接闪器的保护范围可以按《建筑物防雷设计规范》 GB50057 滚球法(hr=45m)确定。其次，我们还可按《雷电防护第三部分：建筑物的物理损坏和生命危险》GB21714.3的规定确定，接闪器顶部与被保护参考平面的高差和保护角应符合表2的规定。

表2  接闪器顶部与被保护参考平面的高差和保护角

5.2.2.4 生产设备防直击雷引下线

对于监管中遇到的生产设备上设置的防直击雷引下线，我们重点关注四个方面：当利用生产设备金属实体或其金属支架框架和支撑作为防雷引下线时，应确保这些金属体的电气连通，并应每隔≤18m间距与接地装置连接；当采用人工设置防雷引下线时，引下线的间距应≤18m, 且引下线应以尽量直和最短的路径直接引至接地装置中去，引下线材料应有足够的截面和厚度，并在地面以上加装机械保护设施；当利用户外设施柱内纵向主钢筋作为引下线时，柱内纵向主钢筋应采用箍筋绑扎或焊接；每一生产设备应至少使用两根引下线。

5.2.2.5防雷接地装置

对于监管中碰到的防雷接地装置，技术检查时要注意防直击雷用的每根引下线所直接连接的接地体，其冲击接地电阻Ri应小于100欧姆；每一处接地体各支线的接地长度1应满足l≤le（le为接地体的有效长度m），其值的计算应符合现行国标GB50057的有关规定。其次是接地装置防腐蚀的情况，一是接地体材料的选择，二是焊接工艺防腐，确保没有过度锈蚀或腐蚀的情况存在。

在对石油化工户外装置区域场所的防雷电感应措施进行检查时，应确保户外装置区场所内的金属设备、框架、管道、电缆保护层和放空管口等均连接至防雷电感应的接地装置上，并保证这些金属体与防直击雷引下线之间的空间距离满足S≥0.075×Kc×Lx（S为空间距离，Kc为引下线分流系数，Lx为引下线计算点到接地连接点的长度）。若空间距离得不到满足，则应在高于连接点地方增加接地连接线。

5.2.2.6  罐区

罐区是防雷安全监管中对于检查过程中常见的石油化工装置，对于这类设施我们需要分情况检查。首先，金属罐体应作防直击雷接地，接地点不应少于两处，并应沿罐体周边均匀布置，引下线的间距应≤18m。每根引下线的冲击接地电阻Ri≤10Q。其次，非金属储罐应装设专门接闪器，使被保护储罐和突出罐顶的呼吸阀等处于接闪器保护范围之内，接闪器的保护范围应符合GB50057第4.2.1条第二款的规定。最后，浮顶储罐/内浮顶储罐应利用罐体本身做接闪器，浮顶与罐体应有可靠的电气连接。这里值得注意的是，各国对接地电阻要求是不一致的。英国有关规范要求防雷接地电阻不大于7Ω；苏联和日本要求防雷接地电阻不大于10Ω。我国防雷接地电阻的要求不大于10Ω，是国内各部规程的推荐值。

5.2.2.7 其他设备

石油化工装置区内所使用的SPD 应满足防水、防尘、防火阻燃等电气安全要求，石油化工装置厂房房屋类场所的防雷检测应符合现行国家标准GB50601的有关规定。

6. 户外生产装置区排放设施

在石油化工生产装置中，排放设施种类繁多，情况最为复杂，其遭受雷击后的危险程度与排放的物料、排放的状况和排放的方法都有关，很难简单区分，因此，我们对户外生产装置区的排放设施防雷设计进行单独重点讨论。

石油化工装置使用的排放设施种类较多，但由于在户外场所，排放的物料容易扩散，排放的量一般不会大，所以即使发生爆炸，破坏的程度也不大。因此，根据GB50650要求，我们采取的措施为对极少数严重的排放情况重点加以保护，设置单独的接闪器，防止出现较大危害；对大多数的排放情况规定直接利用放空管口作为接闪器来保护。

进行监管时，我们要重点注意三种情况：安装在和延伸到生产设备顶部和外侧上部的排放设施（即为放空口）需要进行防雷保护，因为它们最可能遭受雷击；呼吸阀实际上是最危险的一种排放设施，它经常在呼和吸有爆炸危险浓度的气体，只有合格的防爆阻火器才能隔离爆炸的传递；生产装置发生紧急停车也是最危险的，此时有关的放空口不能再出现任何故障，即使此时雷击的概率极低，亦应加以保护。

具体情况来讲，依据根据GB50650的规定，我们针对以下五种常见情况进行判别。

（1）带阻火器的呼吸阀属于隔爆型结构，应使用于闪点低于或等于45℃的可燃液体储罐，能防止呼吸阀口外的火花 （包括雷电火花）传入罐内，因而不需要保护呼吸阀口外的爆炸危险空间。

（2）排风管是排建筑物室内的空气，还包括特定设备的专用排风系统，在户内应按GB50057的规定进行防雷设计，在户外一般不需要排风机。

（3）放料口、取样口和排污口等往往都在生产设备的侧部或底部，不会朝向高空，会受到设备本体的防雷保护，一般不需加以考虑。

（4）安全阀排放的物料浓度可能会高些，但时间会很短，一般也不需加以考虑。

（5）众多的放散管比较复杂，此时我们用一个简单的方法划分：在爆炸危险物质（特别含有液态物质时）进行较长时间大量排放的情况下（如生产紧急停车），以及会危及生产设备的情况下，应该另加接闪器进行保护或处理；一般的短时、周期性排放可以将管口作为接闪器，与附近的金属设备连接，而不必考虑雷电火花点燃管口外的爆炸危险空间。

值得一提的是直击雷的雷电流在雷击点上产生的熔化液滴的飞溅和下落。在平放的钢板上，雷电流最多能使钢板表面一部分熔软和出现凹痕，在垂直的小截面钢管、角钢和圆钢的上端，雷电流能使其熔化，并溅出熔滴掉落下来（如电焊时掉落的焊药渣）。应注意这一现象，在某些场合要防止其成为点燃爆炸性气体混合物的火源。

7 结论

（1）关于防雷设计怎样保证爆炸危险环境的安全性，GB50057《建筑物防雷设计规范》将建筑物作为主要载体，以建筑物防雷保护内部设施，但该规范并不包含户外装置的设计内容。而GB50650《石油化工装置防雷设计规范》则提出按防雷分类差异性处理，在石油化工装置户外装置区直接采用金属设备壳体作为接闪器的全新设计思路。

（2）根据GB50650第3.0.1和3.0.2条的规定，以形成爆炸性气体混合物的环境状况和空间气体的消散条件为参考依据，我们可以将石油化工装置的生产区域分为厂房房屋类（户内场所）、户外装置区（户外场所）和过渡场所。其中，过渡场所可以细化归纳于户外或户内场所，按照对应的检查重点处理。

（3）户内场所采用外部防雷装置进行全面的保护（包括爆炸危险空间）；户外场所无需保护这些爆炸危险空间，可以利用生产设备的本体作为接闪器来进行保护。

（4）检查户内场所时，重点区分是否可以利用金属屋面接闪，可以接闪时关注屋面的实际材质规格是否符合设计要求。检查户外场所时，重点区分是否需要设置独立接闪器，重点关注引下线、接地装置和罐区的实际情况是否满足规范的设计要求。

（5）排放设施最为复杂，排风管按GB50057的规定进行防雷设计；持续排放大量爆炸危险物质的放散管，应另加接闪器进行保护，短时、周期性排放的放散管可以自身接闪，需与附近的金属设备连接；使用于闪点低于或等于45℃可燃液体储罐的带阻火器呼吸阀、放料口、取样口、排污口和安全阀等无需保护。

参考文献：

  [1]刘明山.石化装置大型厂房的防雷和接地设计探讨[J].广东化工,2018,45(10):  205-206+202. 

  [2]叶平,熊芳瑜,郑立新.简论石油化工装置防雷检测应注意的问题[J].中国石油和化工标准与质量,2012,33(11):12-13. 

  [3] GB50650-2011 《石油化工装置防雷设计规范》（2022年版）.

作者简介：缪爱兵（1981-），男，汉族，江苏如东人，本科学历，工程师，从事气象工作。

通讯作者：张炎（1993-），男，汉族，江苏南通人，硕士学历，工程师，从事防雷安全工作。