海洋石油工程防雷设计的探索与实践

郝 明，孔凡旭

海洋石油工程防雷设计的探索与实践

郝 明，孔凡旭

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

探索有效防雷方法并合理设置独立接闪器，可避免海上石油设施雷击灾害。本文对比分析了国内外标准的防雷要求，结合海洋石油工程实例，提出了海洋石油设施防雷设计系统方法及配置独立接闪器的推荐做法。对海洋石油工程防雷设计中，如何完成既降低工程投资成本又保障防雷效果可靠的方案提供参考。

海洋平台 FPSO 防雷

0 引言

近年来，海上石油平台及FPSO（浮式生产储油装置）等海上石油设施发生多起雷击事故，虽然没有造成严重后果，但人们对海洋石油工程防雷设计已日益关注。

每秒大约有2000 多个雷暴在地球上发生，并伴随大量雷电，海洋石油平台及FPSO等海上石油设施一般长期固定在空旷的海面上进行油气生产作业，其装置规模大、露天化布置，且通常都存在爆炸危险区域，一旦遭受雷击，将造成非常严重的人员及财产损失，有必要在工程设计中对海上石油设施进行专业的雷击风险评估及防雷设计，降低雷击风险。

1 海上雷电活动的特点[1]

剧烈的对流云（雷暴云）产生的放电现象称为雷电，亦称闪电。美国宇航局OTD 资料显示海洋和陆地的闪电平均密度约为1：10，全球78% 的雷电发生在30°N～30°S之间的热带、亚热带地区，北半球雷电发生总数大于南半球。

2 雷电对海洋石油平台及FPSO的破坏形式

直击雷、电磁脉冲、球形雷和云闪是雷电的四种形式。其中对人和建筑造成危害的多为直击雷和球形雷，而电磁雷和云闪对人类影响最小。雷电的危害主要包括直击雷的危害和感应雷的危害。

2.1 直击雷的危害[2,3]

直击雷可能使海上石油设施的石油天然气处理系统、含易燃易爆气体的放空设备等发生爆炸和火灾，或者导致通信设备、仪表等弱电系统设备严重损坏。

1）热效应。遭受直击雷时，雷电流峰值可以高达几万～几十万安培，雷电流从雷击点注入被击物体，所产生的热量使被击物体产生很高的温升，造成被击物体损毁。

2）电动力效应。雷电流流过金属物体时，会在其周围产生电磁场，由于电磁感应作用可能导致一些金属构件发生扭曲，对具有金属构件的装置造成结构损毁。

2.2 雷电感应的危害

海上石油设施的电气及控制设备主要布置在封闭的钢制房间内，理论上形成一个“法拉第笼”，但与其连接的室外天线、安装在高处仪表、灯具等往往通过电缆与其连接，由于雷电感应效应，雷电流产生的瞬间雷电电磁脉冲仍然会通过空间耦合对其造成破坏。主要破坏途径体现在雷电波沿通信天线、仪表等侵入到设备，雷电电磁脉冲在开口环上感应出电动势，从而导致电火花的产生，对于含有爆炸危险性气体的环境存在极大的爆炸和火灾风险。

3 现行海洋工程规范中的防雷要求

3.1 IEC标准

IEC 61892系列标准是海洋石油工程设计及施工中的常用标准，IEC 61892-6对直接损伤的雷电防护（直击雷）及间接损伤的雷电防护（雷电感应）做了详细的规定。

对直击雷防护，该标准明确从最高点至接地均通过跨界和焊接提供低阻通路的金属结构设施无需提供保护系统，金属桅杆或金属结构件应组成部分或全部保护系统；对于非金属结构设施或有足够数量的非金属设备的设施应提供保护系统。

船舶电气装置设计规范IEC60092-401中也有类似的规定。

3.2 美国石油学会（API）标准

美国石油学会标准API 14F（海上固定和浮式石油生产设施电气系统的设计、安装和维护推荐做法）在海洋石油工程电气设计中应用广泛，但API 14F本身并没有与海上设施的防雷做具体规定，而是引用了API RP 2003（静电、闪电及杂闪电流引起火花的防护的推荐做法）和NFPA 780（美国雷电保护系统的安装标准）规范。

API RP 2003明确规定接地良好的金属罐体、设备和结构可以作为雷电流的泄放通路；桅杆及其他突出物接地良好的钢制海船认为已可以防止直击雷的破坏；并强调应注意放空口的保护。

NFPA 780规定对于船舶，桅杆、扶手吊艇架及悬臂梁等金属部件可作为接闪器使用，并推荐采用滚球法进行防雷设计与校核。

3.3 船级社标准

挪威船级社标准DNV OS-D201仅对非金属船舶及具有非金属桅杆的船舶要求配置雷电保护系统。

中国船级社《移动平台入籍规范》中规定：对于金属结构平台，其金属桅杆及构件和船体构成固有的对地低电阻通路，所以无需另设避雷系统。

3.4 国内标准

1）海上固定平台安全规则/FPSO安全规则

海上固定平台安全规则和FPSO安全规则均未对防雷设计做具体规定，仅要求“应按所用规范、标准的要求确定平台上需要避雷的设施和处所，并采取有效的避雷措施”。

2）GB 50057建筑物防雷设计规范

GB 50057为国家强制性标准，适用于国内所有新建、扩建及改建（构）筑物的防雷设计。

根据GB 50057规定，海上石油设施应属于第一类防雷建（构）筑物。对于第一类防雷建（构）筑物的直击雷防护，应装设独立接闪杆或架空接闪线或网，使被保护的建筑物及风帽、放散管等突出屋面的物体均处于接闪器的保护范围内。当建筑物太高或其他原因难以装设独立的外部防雷装置时，可将接闪杆或接闪网或由其混合组成的接闪器直接装在建筑物上。

4 海洋工程中雷电防护措施

海上石油设施的防雷是一个综合系统工程，外部和内部防雷设计应进行整体综合考虑。外部防雷主要是防直击雷，通过接闪器、引下线和接地装置，将强大的雷电流导入大地；内部防雷主要是防感应雷及雷电侵入波，设计中要综合考虑接地、屏蔽、等电位连接、电缆布线及浪涌保护器（SPD）的配置[12]，详见图1所示。

4.1 外部防雷设计

外部防雷装置主要包括接闪器、引下线和接地装置。

1）接闪器。海上石油设施往往孤立于海面上，周围很难设置独立的接闪器使整个设施处于其保护范围内，即使可以设置，经济上也不合理。此时可参考GB 50057标准4.2.4节条文：“第一类防雷建筑物由于太高或其它原因，难以装设独立的外部防雷装置时，可将接闪杆或网格不大于5 m×5 m或6 m×4 m的接闪网或由二者混合组成的接闪器直接装在建筑物上”。

石油化工装置防雷设计规范GB50650中，也明确规定宜利用符合规定的生产设备的金属实体作为防直击雷的接闪器，对于海上石油设施，通常为钢制结构物，整体形成了固有的对地低电阻通路，无需另设避雷系统。但对于一些通信设备、冷放空口、航空障碍灯、布置在高处的仪表等，可能不在钢结构的保护范围之内，工程设计中应给予特别重视，根据需要设置专门的防雷装置。

2）引下线。陆地建筑物防雷的常规做法一般都专设引下线。海上石油设施一般为钢结构焊接型式，钢结构规格尺寸远远大于防雷引下线规格要求，可以利用钢结构作为引下线。

3）接地装置。海上石油设施普遍采用的固定式导管架平台或浮式结构，桩腿及结构浮体与海水接触良好，接地电阻很低，可认为是可靠的接地装置。

4.2 内部防雷设计

海上石油设施的内部防雷设计主要从等电位、屏蔽与合理布线、浪涌保护器的配置三个方面考虑[12]。

1）等电位连接。海上石油设施通常为钢制结构物，钢结构主要采用焊接连接，整体形成固有的低电阻通路，本身即为一个等电位体，并且按照施工规范要求，设备外壳以及电缆铠装层等均已有效接地。

2）屏蔽与合理布线。海上石油设施电气及仪表控制系统的主要设备均布置在设备房间内，设备房间整体为钢制，理论上是一个完美的“法拉第笼”；海上石油设施的动力电缆一般均采用铠装电缆，铠装层有效接地，仪表控制电缆通常也均采用屏蔽电缆。这些设计对电磁屏蔽起到良好的效果，对雷电电磁脉冲也可起到良好的抑制效果。

3）浪涌保护器（SPD）的配置。浪涌保护器是一种限制瞬时过电压及分走尖峰电流的器件，对各种弱电系统提供安全防护。但从经济性考虑，也不可能为所有I/O和控制设备都配置浪涌保护器，工程设计中应对雷击风险进行识别，对关键设备及易受雷击的高风险设备配置浪涌保护器。

图1 海上石油设施防雷措施

5 工程案例分析

PETROBRAS-67是服役于巴西海域2100米水深的30万吨级FPSO，采用多点固定系泊的方式，包含原油处理系统、天然气处理系统、火炬系统、发电系统、公用系统、原油舱、机舱、生活楼等设施。本项目主要从外部防雷和内部防雷两个方面进行防雷设计。

5.1 外部防雷设计

本项目外部防雷设计按照NFPA 780标准，采用滚球法，接闪器在h高度xx’平面上的保护半径计算公式为：

式中：为接闪器高度；h为被保护物高度；h为滚球半径；r为被保护高度上保护半径范围截面半径。

选用30 m滚球半径，已有结构设施对直击雷的保护范围见图2。

由于油舱放空塔靠近火炬塔布置，利用火炬塔作为接闪器，同时在防空塔顶端设置单独接闪器，对油舱放空塔的防直击雷保护校核见图3。

由于通信塔周围没有其他结构物保护，在通信塔顶部设计了单独接闪器，其保护范围见图4所示。

5.2 内部防雷设计

由于整个FPSO可以看做一个大型的“法拉第笼”，大部分的设备和电缆都布置和敷设在“法拉第笼”内，在做好等电位连接的情况下，已可以起到较好的防感应雷作用。除此之外，又通过以下三个措施进行了防感应雷设计：

1）隔离，对于重要设备，采用隔离变压器对动力电源与控制电源进行隔离；

2）屏蔽，对于信号回路采用屏蔽电缆，室外电缆采用铠装电缆，对非铠装动力电缆采用金属托架。减少外部对信号的干扰。

3）采用浪涌保护器（SPD），对于关键设备及安装位置易受雷击的设备，配置浪涌保护器。

图2 使用滚球法进行防直击雷设计与校核

图3 油舱放空塔防直击雷保护校核

图4 通信塔接闪器设计

6 结论

海洋石油工程防雷保护是一项系统性强综合性高的工程，其防雷设计要求采取全面综合措施结合通盘考虑以应对复杂多样的情况。任何微小的疏忽都可能导致雷击灾害，给人身安全和安全生产埋下严重隐患。本文依据本国及国际标准同时结合实际工程案例，对海上石油设施的防雷设计提出了切实可行的措施，既考虑经济性，又考虑可靠性及满足标准要求，为海上石油设施防雷设计提供借鉴和参考：

1）海上石油设施本身为钢结构，且接地良好，按照目前常规设计，设备及管线接地完整，无需专门设计整体防直击雷措施；

2）对于突出整体平台结构的放空口、通信天线、航空障碍灯、高处的仪表等设施要对其防雷进行特殊考虑；

3）重视浪涌保护器（SPD）的正确合理使用。

[1] 邓德文, 周筠珺. 全球雷电活动研究进展[J]. 高原山地气象研究, 2011. 31(4): 89-96.

[2] 罗经权, 罗佳俊, 罗伟华. “南海发现号”FPSO 的雷击风险评估[J]. 船海工程, 2012. 41(2): 187-191.

[3] 郭子炘, 李庆民, 闫江燕, 马宇飞, SiewWah Hoon. 海上风电场雷击演化物理机制的研究综述[J]. 电气工程学报, 2015. 10(5): 10-19.

[4] IEC 61892-6: Mobile and fixed offshore units-Electrical installations [S]. 2007.

[5] API 14F: Design, Installation, and Maintenance of Electrical Systems for Fixed and Floating Offshore Petroleum Facilities for Unclassified and Class 1, Division 1 and Division 2 Locations [S]. 2008.

[6] API RP 2003: Protection against ignitions arising out of static, lightning, and stray currents [S]. 2008.

[7] DNV-OS-D201: Electrical Installations [S]. 2011.

[8] 中国船级社. 移动平台入级规范[S]. 2016.

[9] GB 50057 建筑物防雷设计规范[S]. 2010

[10] GB 50650 石油化工装置防雷设计规范[S]. 2011

[11] NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems[S]. 2011

[12] 张辉, 孟毅, 贾红涛, 杨志彬. 海洋石油平台防雷设计及优化研究[J]. 石油石化节能, 2016, 6(11): 56-58.

Exploration and Practice of Lightning Protection Design of Offshore Oil Engineering

Hao Ming, Kong Fanxu

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

TE41

A

1003-4862（2019）02-030-04

2018-02-20

郝明（1986-），男，工程师。研究方向：海洋石油及天然气开发工程中电气设计及研究工作。E-mail: haoming@cooec.com.cn