“南海发现号”FPSO的雷击风险评估

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(1.广东省兴宁市气象局，广东 深圳 514000；2.深圳市艾尔特通讯技术有限公司，广东 深圳 518049)

浮式生产储油卸油船(floating production storage and offloading，FPSO)作为长期工作在海面上的一个集水、气、油的分离以及油船原油的装卸的装置，雷雨天气时存在极大的雷击风险。2008年10月份，根据CCS相关规范的要求，笔者对 “渤海长青号”FPSO通往油舱的呼吸阀做了直击雷防护工程。时隔2年“南海发现号”FPSO通往油舱的呼吸阀和位于驾驶舱上的雷达遭到雷击，损失严重。事实说明FPSO的防雷工作极为重要，有必要对存在爆炸气体危险环境的区域采取雷击风险评估，为实施防雷改造提供科学依据，从而降低FPSO的雷击风险。

1 “南海发现号”FPSO介绍

“南海发现号”FPSO，是我国第一艘FPSO。作业在中海油与CACT集团合作开发的惠州21-1油田，这是一艘装有快速解脱转塔式系泊装置的25万t FPSO，由新加坡船厂改装完成。注册于美国船级社(ABS)，作业者是CACT作业者集团，停泊于中国南海海域。

该船船长330.70 m；船宽51.81 m；型深25.60 m；载重量255 000 t。

“南海发现号”FPSO作业在惠州海域的8个油田包围的海域之中，负责8个油田原油的水、气、油的分离以及油轮原油的装卸工作。

2 现有防雷措施评估

“南海发现号”FPSO于1990年下水，船体分为两大部分，一部分是生产作业区，一部分是生活作业区。现场勘查发现船上的防雷措施几乎处于空白状态：电子信息系统除发电机输出端装有高压避雷器以外，其余的低压配电系统、PLC控制系统、通信系统等均没有安装相应的防雷设施；生产作业区通往油舱底部的呼吸阀虽然安装了避雷针，已经不符合现行规范要求，加之长时间没有维护已经严重腐蚀，其他高耸的金属构件均没有安装避雷针进行保护；生活作业区顶部的雷达、高频天线等通讯设备的天线也没有安装避雷针保护。

雷击风险评估主要依据行业规范，即《NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems》、《ABS Guide for Building and Classing Facilities on Offshore Installations.2009》、《钢质海船入级规范》及《风险管理》GB/T 21714.2等。

3 作业区域雷电活动规律评估

对任何物体进行雷击风险评估时，其附近的雷电活动规律都是影响雷击风险的重要因子。该雷电活动规律包含了当地的落雷概率(地闪次数)、雷电流的能量分布、雷电活动频繁的月份、时段等。美国宇航局OTD和LIS联合观测的1995-04～2003-02全球雷电地闪密度分布见力图1。

由图1可见，全球雷暴活动最频繁的区域主要集中在北纬和南纬30°之间的陆地，雷电活动最少的区域则是海洋区域和极地区域。雷电探测器得到的全球闪电数为2.05×109/年，而且54%发生在北半球，平均的陆地总地闪密度为8.3/(km2·年)，是海洋上总闪电密度的3.4倍[1]。这是由形成雷暴云的必要条件——具有强烈上升的暖湿空气决定的。由于水的比热容要远大于陆地，在同样日照的情况下，地面温度上升要比海洋快速得多，从而使地表空气迅速加热，并在一定条件下急剧上升形成了雷暴云，产生更多的雷暴和闪电。因此，可以猜想到南海发现号作业的海洋区域落雷密度并不高，从雷电监测预警系统监测到“南海发现号”FPSO作业区域2010年1～9月份的雷电资料可以看出，与猜想相符。

图1 来自美国宇航局OTD和LIS联合观测的1995-04～2003-02全球雷电地闪密度分布

将“南海发现号”FPSO及其周围8个海上采油平台的经纬度分别在Google 卫星地图上定位，见图2。

图2 “南海发现号”FPSO及其周围8个海上采油平台卫星定位

从图2可见，HZ21-1A和HZ21-1B平台离“南海发现号”FPSO比较近，三者组成的区域可能吸引更多的雷电发生。

查询国家雷电监测预警网2010年1～9月份“南海发现号”FPSO周围3 km的雷电活动资料，5月份开始出现雷暴天气，其中，5月份发生地闪3次，平均雷电流为105.7 kA，均为负地闪；6月份发生地闪4次，平均雷电流为102.1 kA，2次正地闪，2次负地闪；7月份发生地闪5次，平均雷电流69.2 kA，其中4次负地闪，1次正地闪；8月份发生地闪2次，平均雷电流59.7 kA，均为负地闪；9月份发生地闪8次，平均雷电流为72.7 kA，均为负地闪。

分析上面数据，“南海发现号”FPSO的雷暴活动主要集中在7、8、9月份。5、6月份的雷暴虽然少，但是能量非常大，远远高于雷暴活动频繁的月份。从总地闪次数来看，海面上要远远小于陆地上的，但是雷电流的平均能量达到了80.6 kA，却远远大于陆地，这是因为在海洋上空，特别是热带海域的积雨云厚度可达两万米以上，其雷暴云所带的电荷要远远高于地面雷暴云所带电荷。因此，放电的能量要远远高于陆地。

因此，“南海发现号”FPSO遭受雷击的概率很小，年雷击次数只有0.78次/年，一旦遭受雷击，后果却是非常严重的，正如此前通往油舱的呼吸阀遭到雷击一样，呼吸阀旁边的避雷针被雷击歪，1/4的排气管被烧焦，险些酿成大祸。

4 选择性评估

鉴于“南海发现号”FPSO自身结构和工作环境的特殊性，影响雷击选择性的因素如下。

1)与“南海发现号”上的设施情况有关。凡是有利于雷云与“南海发现号”FPSO建立良好放电通道者易受雷击，这是影响雷击选择性的重要因素。在空旷的海面上，突出、孤立的构筑物更加容易遭受直接雷击。

突出甲板的气体排放口、火炬燃烧塔等排放的气体中会含有导电粒子和游离气团，它们比一般的空气易于导电，这就等于加高了排气管的高度，这也是排气管、放散管、呼吸阀等容易遭受雷击的重要原因之一。

2)与“南海发现号”FPSO的结构及其附属构件条件有关。由于“南海发现号”FPSO本身是全钢质结构的船体，相对于广阔的海面，在静电感应的作用下可以感应出更多的电荷，从而建立起很强的电场，而附属在上面突出的金属构件附近的电场畸变更严重，因此更容易遭受雷击。

综上所述，“南海发现号”FPSO驾驶舱平台上很多孤立分置的通信、导航、雷达天线，生产作业区很多高耸的排放燃烧废气和爆炸混合物的放散管、排气管和呼吸阀，这些区域的雷击风险级别要远远高于其它区域，因此，这些部位是雷击防护的重点部位，应特别注意，见图3。

图3 “南海发现号”FPSO存在潜在雷击风险的区域(圆圈所在的区域)

5 破坏形式评估计算

“南海发现号”FPSO相当于一个小型的化工厂，位于生产作业区域的各种系统包含了石化工艺装置所具有的一切特征，雷雨天气时可能遭受来自雷电两方面的破坏。

1)直击雷。可能对生产作业区的油气处理系统、管道系统、排放易燃易爆混合气体的放空管、呼吸阀等造成爆炸和火灾。

2)雷电感应。虽然船体属于钢制结构，各种线缆均穿金属管敷设，但是由于雷电感觉的作用，雷电流产生的瞬间雷电电磁脉冲仍然会通过空间耦合对“南海发现号”上的仪器仪表等造成破坏。

因此，必须对上述存在潜在雷击危险的区域采取重点的雷电防护措施，将雷电对“南海发现号”FPSO的破坏降到最低点。

5.1 直击雷

雷电直接击在“南海发现号”FPSO上时产生的热破坏效应和电动力效应均会对其造成破坏。

1)热效应。遭受直击雷时，强大的雷电流从雷击点注人被击物体，所产生的热量能够在雷击点局部范围及电流通路附近引起很高的温升，可以造成此处金属物体熔化或非金属物体烧毁。

雷击金属物产生的热量Wm可以采用在雷电流作用时间t内的积分来估算[2]：

(1)

式中：Uar——金属物体上雷击点处电弧压降，其经验值取20～30 V；

i——从雷击点注入的雷电流，kA。

电荷量Q与雷电流i之间存在下列关系：

(2)

因此，式(1)可以简化为Wm=103QUar，取Uar=30 V，Q取一类防雷首次雷击的电荷量100 C，则Uar=3×106J。

雷击非金属物体(主要指位于驾驶舱顶部的玻璃钢材质的通信天线和雷达)后，雷电流将强行从雷击点注入非金属内部，在其内部产生的热量Wn可以用下式估算。

(3)

式中：R——非金属物体内部电流路径的视在电阻，Ω；

i——从雷击点注入的雷电流，kA。

由于雷电流作用的时间很短，在计算雷击对金属或非金属物体所造成的温升Δθ时，可以忽略散热的影响。

(4)

式中：m——质量；

c——比热容。

2)电动力效应。雷电流通过直立金属棒时，会在其周围产生电磁场，处在该电磁场中的金属棒内由于存在电流，会受到安培力的作用，该安培力可能导致一些金属构件发生扭曲，对船体上工艺装置的结构造成破坏。

5.2 雷电感应

雷电感应对“南海发现号”FPSO的破坏主要体现在雷电波沿通信天线侵入到设备、雷电电磁脉冲(LEMP)在开口环上感应出电动势，从而导致电火花的产生，对于爆炸危险气体的环境存在极大的爆炸和火灾风险。

1)雷电波侵入。该种破坏途径主要集中在驾驶舱顶部外围的天线部分，通讯天线和雷达处于直击雷非防护区域，一旦发生雷击，雷电流可能沿通讯线路侵入到内部设备，从而导致通讯设备损坏。

假设开口环的尺寸为5 m×5 m，波头时间2.5 μs，雷电流峰值100 kA，在距离雷击点200 m时也可以感应到1 kV左右的电压，在海面潮湿的环境下，零点几毫米的气隙可能被击穿，产生有害的火花，从而对易燃易爆环境构成威胁。

6 风险计算

对“南海发现号”FPSO进行风险计算的目的是为了评价现有状态下是否存在雷击风险，一旦发生雷击，产生的风险是否在“南海发现号”FPSO可接受的风险范围之内，如果超出了风险容许值的范围，应该采取相应的防雷措施来降低这种风险，确保安全。本评估参考了GB/T 21714.2 介绍的方法，并结合油船的特殊性，对一些因子和风险容许值做了调整，使其更加客观。

6.1 风险组成

雷电流是造成损坏的主要原因，按雷击点的位置可以分为下列两种：①雷击船体S1；②雷击船体附近S2。

雷击过程中，雷击引起的损害类型分为三种。人员伤害D1；物理伤害D2；电气和电子系统故障D3。

每类损害，不论是单独出现还是与其它损害共同出现，会在被保护对象中产生不同的损失，可能出现的损失类型取决于需要保护对象本身的特性及其内存物，因此，南海发现号应考虑以下几种类型的损失：人身伤亡损失L1；船体服务设施损失L2；经济损失L3。

风险是雷电造成的年平均可能损失(人和物)与需要保护对象(人和物)的总价值之比，南海发现号可能出现的损失应计算其对应的风险。

6.2 “南海发现号”FPSO需估算的风险

人身伤亡损失风险R1；服务设施损失风险R2；经济损失R3。

6.2.1 直接雷击船体引起的船体的风险分量

RA：雷击点附近3 m范围内，因接触电压和跨步电压造成船上工作人员伤害的风险。

RB：“南海发现号”上因危险电火花触发火灾或爆炸引起物理损害的风险分量。

RC：因LEMP造成内部系统故障的风险。会产生L2和L3类的损失，在具有爆炸危险场所的生产作业区还可以产生L1类的损失。

6.2.2 雷击船体附近时引起的船体风险分量

RM：因LEMP引起内部系统故障的风险分量。会产生L2和L3类的损失，在具有爆炸危险场所的生产作业区还可以产生L1类的损失。

6.3 雷击风险及其分量组成

人身伤害风险的分量[3]为RA=ND×PA×LA；

物理损害的风险分量为RB=ND×PB×LB；

内部系统故障的风险分量为RC=ND×PC×LC；

人身伤亡损失风险为R1=RA+RB+RC+RM；

服务设施损失风险为R2=RB+RC+RM；

经济损失风险为R3=RA+RB+RC+RM。

雷击产生的风险分量如下。

内部系统故障的风险分量RM=NM×PM×LM;

雷击“南海发现号”FPSO的危险次数ND为

ND=Ng×Ad×Cd×10-6

(5)

式中：Ng——雷击“南海发现号”FPSO的密度；

Ad——“南海发现号”FPSO的截收面积;

Cd——“南海发现号”FPSO的位置因子。

年平均危险事件次数NM为

NM=Ng×(Am-Ad×Cd)×10-6

(6)

式中：Am——“南海发现号”FPSO附近的截收面积。

6.4 采取防护措施成本效益的估算

为减小“南海发现号”FPSO的经济损失R3，估算采取防护措施时的成本效益是有用的。R3的评估对象可以是“南海发现号”FPSO的整体，也可以是一部分;可以是内部系统的整体，也可以是内部系统的一部分。

按下列公式分别计算采取防护措施之前及之后所造成的损失代价CL及CRL

C=RA×CA+RB×(CA+CB+CS+CC)+
(RC+RM)×CS

(7)

式中：CA——人员的价值;

CS——“南海发现号”FPSO内部系统的价值;

CB——“南海发现号”FPSO的价值;

CC——“南海发现号”FPSO内存物的价值。

通过以下公式计算防护措施的年均花费。

CPM=CP×(i+a+m)

(8)

式中：CP——防护措施的成本；

i——利率；

a——防护措施的折旧率；

m——维护费用。

若CL-(CPM+CRL)>0，采取防护措施时经济是合理的。

每年因此而减小的费用支出S为

S=CL-(CPM+CRL)

(9)

所有参与计算的因子应由“南海发现号”FPSO的拥有者给出。

6.5 风险容许值

风险容许值是指“南海发现号”FPSO可以接受的雷击风险值，在该值范围内认为是安全的，评估结果超过此值时应采用相应的措施来降低相应的风险。

容许值与存在的风险值是对应的，其容许值也包括人身伤亡损失风险，服务设施损失风险，经济损失等，用RT表示容许值。

容许值同防护措施的成本效益一样，由“南海发现号”FPSO的拥有者给出。

7 结论

本文通过分析影响“南海发现号”FPSO雷击风险的各种因素，试图对其做出全面的分析，找出影响风险的每类因子，为海上船只的雷击风险评估提供参考。

[1] 梅卫群，江如燕．建筑防雷工程与设计[M].2版.北京：气象出版社，2006.

[2] 张小青．风电机组防雷与接地[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3] 全国雷电防护标准化技术委员会．GB/T 21714．2—2008雷电防护第二部分：风险管理[S]．北京：中国标准出版社，2008．