外浮顶储罐机械密封雷击火花放电研究

毕晓蕾，刘全桢，刘宝全，高 剑，高 鑫，刘 娟，姜 辉

(1.中国石化安全工程研究院，山东青岛 2660712.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

外浮顶储罐机械密封雷击火花放电研究

毕晓蕾1,2，刘全桢1,2，刘宝全1,2，高 剑1,2，高 鑫1,2，刘 娟1,2，姜 辉1,2

(1.中国石化安全工程研究院，山东青岛2660712.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛266071)

为了深入研究外浮顶储罐机械密封雷击火花放电点和火花放电电流，加工制作了机械密封雷击实验装置，采用10/350冲击电流开展了机械密封雷击火花放电实验。当机械密封的4个弹片与金属密封板绝缘，冲击电流达到2.12 kA时，密封板与罐壁接触部位、伸缩架与密封板连接处都产生了火花放电现象。当机械密封只有1个弹片与金属密封板接触，冲击电流达到0.578 kA时，弹片与金属密封板之间产生了火花放电。冲击电流达到1.09 kA时，弹片贴合处、伸缩架与密封板连接处都产生了火花放电。由此可见，当储罐遭受雷击时，机械密封存在多处放电点，严重危害着储罐的安全运行。

外浮顶储罐 机械密封 雷击 火花放电

石油产业是我国经济的重要支柱产业，石油行业是雷电引发灾害事故的敏感行业之一。随着石油消费量增长迅速，各国原油储备以大型浮顶油罐为主，直径一般在60～100 m，容量最大可达到15×104m3。由于其体积和浮盘面积大，且直接暴露于大气中，因此外浮顶储罐的雷击火灾事故时有发生[1]。据不完全统计，国内外529起油罐火灾事故中，因雷击所造成的火灾数占总数的32.5%[2]。自1972年以来，国内发生了多起较大的外浮顶储罐雷击着火爆炸事故，造成了重大的经济损失、人员伤亡和较坏的社会影响[2]。镇海国家石油储备基地于2007年5月24日、2007年6月24日连续发生了2次雷击火灾事故，2007年7月7日中国石化管道储运分公司白沙湾输油站发生雷击火灾事故，2006年8月7日仪征输油站1#电视监控探头遭雷击损坏，浮顶与罐壁间的二次密封有5处着火点[2-5]。这几起浮顶储罐火灾事故都是由雷击引起的，发生事故储罐的共同特点是一次密封均采用机械式密封。

目前针对机械密封雷击火花放电的研究相对较少，大多停留在隐患和事故分析的层面上。偶国富[6]，杨扬[7]等对外浮顶储罐雷击火灾事故进行了分析，指出了机械密封的雷击危害，但是缺少相应的实验研究，未对机械密封的具体放电部位和起始放电电流进行深入的研究。高鑫等[8]对大型浮顶储罐经常的弹性机械密封装置进行雷击危险性研究，从沿面放电理论的角度分析了火花放电原因，并采用单个金属片开展了雷击火花放电实验，实验结果与外浮顶储罐导电片试验相类似，与真实机械密封结构相差较远，且未能得出机械密封的具体放电部位。为此，本文对外浮顶储罐机械密封的雷击危害进行分析和实验研究。

1 机械密封雷电危害分析

浮盘的外边缘与罐壁板之间有约250 mm的环形间隙，此间隙是储罐浮盘上下运行的需要，同时也是储罐浮盘散发油气的主要渠道。为阻止油气蒸发，必须依靠密封装置来减少油品的蒸发损失。目前国内外广泛使用的是“一次密封结构+二次密封结构”的密封方法。机械密封是一次密封的主要型式，位于油面上部空间，长期处在爆炸性气体混合物的环境中[9,10]。

当雷击储罐时，机械密封是雷电流的主要泄放通道之一，但是机械密封中的板式弹簧则是靠外界的弹力进行贴合的，并不是连续的可靠电气连接，存在一定的缝隙，根据沿面放电的原理[11]，在雷电流流过时极易产生火花放电。机械密封在有雷电流流过的时候，可能会产生火花放电成为燃爆危险点。可能发生火花放电的危险点有：密封板与罐壁之间；弹簧与密封板接触部位；伸缩架中间连接部位；伸缩架与密封板连接处；伸缩架与浮盘连接处。

以上5处的连接都是非电气连接，在雷电流流过的过程中，会产生火花放电，引燃油气造成储罐火灾。我国近几年发生事故的10×104m3和15×104m3大型外浮顶储罐一次密封均为机械密封。

2 机械密封雷电火花放电实验

2.1 实验波形与环境

本次试验采用的冲击电流波形为10/350 μs冲击电流波(图1)，波头、波尾时间分别为：(10±10%)μs，(350±10%)μs。

在整个实验过程中，采用空调、除湿机等手段维持稳定的实验室环境，温度控制在20～25 ℃，相对湿度为55%～60%，气压为101.8 kPa。

图1 10/350 μs冲击电流波

2.2 实验方案

图2为机械密封雷击火花放电实验示意图。图3为机械密封实验装置图，通过绝缘板保证机械密封与地面隔离，采用冲击电压发生器给机械密封施加10/350 μs冲击电流波，电流通过罐壁泄放入地。采用高速摄像机记录机械密封的火花放电过程。

图2 机械密封雷击火花放电实验示意

图3 机械密封实验装置

3 结果与讨论

3.1 4个弹片与金属密封板绝缘

为了分析金属密封板与罐壁的雷击火花放电现象，将机械密封的4个弹片与金属密封板绝缘，对试验装置施加10/350μs冲击电流，并观察机械密封的打火现象和打火部位。实验结果如表1所示，可以看出，当冲击电流达到2.12 kA时，密封板与罐壁之间、伸缩架与密封板连接处(图4)都产生了火花放电现象。当冲击电流小于2.12 kA时，机械密封任何部位未发生火花放电。

图4 机械密封雷击火花放电

表1 4个弹片与金属密封板绝缘时机械密封的雷击火花放电结果

注：“√”表示有放电火花，“×”表示没有放电火花

3.2 3个弹片与金属密封板绝缘

为了分析弹片与金属密封板之间的起始火花放电电流，将机械密封的3个弹片与金属密封板绝缘，如图5所示，对试验装置施加10/350 μs冲击电流，观察弹片是否产生火花放电。实验结果如表2所示，可以看出，当冲击电流达到0.578 kA时，弹片与金属密封板之间产生了火花放电现象。当冲击电流达到1.09 kA时，除弹片贴合处发生火花放电外，伸缩架与密封板连接处也发生了火花放电。

图5 机械密封3个弹片与金属密封板绝缘

表2 3个弹片与金属密封板绝缘时机械密封的雷击火花放电结果

注：“√”表示有放电火花，“×”表示没有放电火花

4 结论与建议

通过对机械密封的理论分析和实验研究可知，目前外浮顶储罐安装的机械密封依靠弹力与金属滑板进行贴合，并非可靠的电气连接，当有电流通过机械密封时，密封板与罐壁接触部位、弹片贴合处、中间旋转轴连接处这3个部位都容易发生火花放电。而机械密封又位于储罐0区，周围存在大量可燃气体，一旦因雷击发生火花放电，势必引燃周围可燃气体，造成储罐燃爆。为此，提出了以下几点建议。

a)采用等电位连接的方式，消除机械密封伸缩架与密封板之间的火花放电隐患。

b)增加浮盘和罐壁的雷电流泄放通道，降低机械密封雷电流的分流比例。

c)软密封结构与罐壁之间不存在火花放电间隙，不易产生火花放电，比机械密封更安全可靠，建议外浮顶储罐的一次密封采用软密封。

[1] 毕晓蕾，刘全桢，刘宝全，等. 浮顶储罐导电片间隙放电危险性研究[J]. 中国安全生产科学技术，2012，8(10)：24-27.

[2] Liu Quanzhen，Hu Haiyan，Liu Baoquan, et al. A Testing Research on Shunts Performance of the Large Floating Storage Tanks[C]. The Proceedings of the 6th International Conference on Applied Electrostatics，2008：206-209.

[3] 毕晓蕾，刘全桢，刘宝全，等. 罐区灯塔雷击电磁辐射对储罐的危害研究[J]. 中国安全生产科学技术，2013，9(2)：101-104.

[4] 胡海燕，刘全桢，刘宝全，等. 可伸缩接地装置在浮顶罐中的应用[J]. 安全、健康和环境，2007，7(11): 17- 19.

[5] 刘宝全，刘全桢，高鑫，等. 浮顶储罐二次密封装置雷击危险性分析[J]. 油气储运，2012，31(3)：193-195.

[6] 偶国富，徐如良，赵柏鑫，等. 沿海大型原油储罐雷击火灾成因分析及防护措施[J].石油化工安全环保技术,2008, 24(1): 17- 19.

[7] 杨杨，杨常国，韩飞，等. 大型储油罐一次机械密封改造的安全效果[J]. 储运安全,2009, 9(10): 45- 50.

[8] 高鑫，刘全桢，刘宝全. 浮顶储罐弹簧式机械密封装置雷击危险性分析[J].工业安全与环保,2012, 38(6): 38- 40.

[9] 郎需庆，宫宏，刘全桢，等. 浮顶储油罐密封泄漏机理与泄漏控制[J]. 安全、健康和环境，2007， 7(10): 17- 19.

[10] 宫宏，刘全桢，宋贤生，等. 大型浮顶储罐浮盘密封圈雷击起火事故分析[J]. 安全、健康和环境，2008，8(10)：7-8.

[11] 周泽存，沈其工，方瑜，等. 高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2007.

ResearchonLightningStrokeDischargeofMechanicalSealofExternalFloatingRoofTank

Bi Xiaolei1,2, Liu Quanzhen1,2, Liu Baoquan1,2, Gao Jian1,2,Gao Xin1,2, Liu Juan1,2, Jiang Hui1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao 266071 2.State Key Laboratory of Chemical Safety, Shandong, Qingdao 266071)

In order to further study the spark discharge positions and currents of the mechanical seal of external floating roof tank, we processed lightning stroke experiment device of mechanical seal. Lightning stroke experiment of mechanical seal is carried on by 10/350μs impulse current. When it is insulated between four springs and metal sealing plate and impulse current reaches 2.12kA, the spark discharge is generated at contact portion of sealing plate and tank wall, joint of retractable frame and the sealing plate. When only one spring contacts with metal sealing plate, the impact current reaches 0.578 kA, the shrapnel and metal seal plate produced a spark discharge, and impulse current reached 1.09kA, the spark discharge is generated at contact portion of sealing plate and spring, joint of retractable frame and the sealing plate. These show that there are many discharge points on mechanical seal which seriously endanger safety of tank, when tanks struck by lightning.

external floating roof tank; mechanical seal; lightning stroke; spark discharge

2016-10-12

毕晓蕾，工程师，硕士研究生，2010年毕业于中国石油大学(华东)物理学专业，现在主要从事石化行业防雷防静电技术研究。