大型储罐雷电防护措施和技术现状

2020-01-01姚森

石油和化工设备 2020年11期

姚森

（国家管网集团东部原油储运有限责任公司沧州输油处，河北沧州 061000）

中国实行原油战略储备计划，储罐设计大型化已成为发展方向，建成的最大储罐容积为15×104m3。油库通常建于空旷偏僻地区，储罐比较孤立和突出，受到雷击的可能性较大。由于原油易燃易爆特点，储罐雷击火灾事故将造成严重人员伤亡和经济损失。2006年和2007年中石化仪征站、镇海储备库、镇海炼化油库、白沙湾站连续发生5起10×104m3和15×104m3储罐雷击着火事故[1]。储罐雷电预防是一项强制性和综合性工程。应遵循国家标准规定，对防雷设施进行检查测试，为油库安全运行提供有效保障[3]。本文介绍了国内外储罐雷电安全措施与技术现状，对提高我国管道行业安全管理水平具有一定指导意义。

1 雷电产生机理及危害形式

储罐运行过程中雷击型式是感应雷、直击雷和球形雷，其中感应雷引起的储罐着火事故最多。感应雷产生机理为：金属储罐感应、积聚与雷雨云极性相反的电荷，雷雨云放电，雷雨云与地面之间的电势快速减小，但储罐表面电荷不能立即散失，产生巨大感应电压并对大地放电。直击雷是雷电直接击中高大建筑物并泄放电流入地，建筑物产生震动和温升过程，造成水分蒸发或氧气/氢气分解体积聚集膨胀引起爆炸。球形雷是雷电产生的发光火球，直径在20cm-10m不等，移动速度可达2m/s，可从储罐呼吸阀、采样孔、检尺孔等串入罐体内部。虽然雷击产生、放电时间非常短暂，但瞬间感应电压可达上百千伏。储罐密封处油气浓度较高，雷击火花极易引发火灾事故。雷电在电击点的金属体连接区域产生极高的对地电压，导致操作人员接触电压或者跨步电压发生人身触电伤亡事故。

2 储罐雷击着火原因分析

固定顶储罐容积较小（小于15×104m3），且装有避雷器、机械呼吸阀和阻火器，遭受雷击时电流沿罐体通过接地装置直接导入大地，雷击风险性小。据统计，2007年之前107例储罐火灾案例，65例为雷击火灾，其中79%是浮顶罐火灾[2]。

浮顶罐浮顶与罐壁存在200-300mm间隙距离。大型储罐设计有二次密封装置，其中一次密封是机械式密封，也是油气泄漏、局部聚集的集中区域。大型浮顶储罐雷击火灾发生在储罐密封圈不严密处，可燃油气浓度达到燃烧或者爆炸限值，雷击管体金属物产生电弧火花或感应电火花，引燃油气混合甚至罐内油气爆炸。储罐密封圈不严密或失效的原因有：

（1）储罐建设施工过程中罐体椭圆度、垂直度和局部不圆度偏差超过设计限值；

（2）储罐长期运行后基础垫层沉降，导致储罐和浮顶几何尺寸、几何形状发生变化；

（3）橡胶密封材料受光照、风力侵蚀产生老化和变形；

（4）储罐油品充装过程中液面不稳定导致浮盘产生漂移或移动。

3 储罐雷电安全措施及技术现状

公认的应用广泛的储罐雷电安全措施包括接闪器、电流分流、金属屏蔽、均压、等电位连接（电气连接）和接地等方法和技术。

3.1 浮顶软密封结构

调研发现，国内储罐浮顶与罐壁间一次密封做法较多地采用机械密封，实际使用效果并不理想。推荐采用软密封结构替代机械密封，软质物料填充后密封下侧与液面接触，可明显降低油气浓度。二次密封制造应采用耐油导静电材质，沿罐周向间隔1.5m安装静电导触片与罐壁接触，形成电气通路，泄放雷电电流。应关注软密封长期使用后的老化情况和密封效果，及时检查更换。调研国外储罐在顶部设计氮封装置，即对一次、二次密封上部环形空间进行氮气密封，在发生火灾状态下发挥冷却、隔热和初期灭火功能[3]。

3.2 储罐防雷接地做法

根据GB 50074-2014《石油库设计规范》规定，大型储罐罐壁厚度高于4mm，不需设置避雷针接闪，通过罐壁、引下线和接地装置将雷电导入地面泄放。推荐做法和施工质量要求：

（1）罐体及基础垫层自然接地体与油库公用接地装置连接，连接点至少2处，应用耐腐蚀强、导电性能良好的材料。

（2）储罐防雷接地点沿罐周向设置间隔应小于18m，罐体周向接地点应均匀设置，接地电阻测试值小于10Ω。

（3）储罐与油库公用接地装置连接的引下线，规格不低于40mm×4mm热镀锌扁钢，在距地面1m设置断接卡。引下线和断接卡采用2个M12螺栓连接，并用防松垫片加以固定。

3.3 储罐等电位连接做法

大型储罐等电位连接推荐做法和施工质量要求：

（1）浮顶和罐体等电位连接应至少2根导线连接，规格是不低于横截面积50mm2，材料为绝缘阻燃护套软铜复绞线（或扁平镀锡软铜复绞线），连接处用铜质接线端子和2个M12不锈钢螺栓，并用防松垫片加以固定。

（2）外扶梯和罐壁之间以及转动扶梯和浮顶之间至少做2处等电位连接。利用储罐顶部中央排水管将罐体与浮顶进行电气连接。导线规格和材料质量要求同上。

（3）储罐温度/液位测量装置、消防系统和可燃气体探测器也与罐体做等电位连接。

（4）与罐体连接的自动化仪表线缆应采用金属套管进行屏蔽，金属套管上下两端与罐壁做电气连接。

4 储罐防雷设施检查检测

在每年夏季或雷雨频繁期之前，对储罐防雷装置、接地装置进行全面、系统检测，并与日常定期检查结果比较，必要时进行开挖，验证接地装置腐蚀状况。储罐防雷设施定期检查项目为：

（1）接地装置（地下部分）腐蚀情况和导电性。

（2）接地引下线表面有无裂纹、断裂、松脱等迹象，检查有无烧损和闪燃迹象。

（3）连接断接卡的不锈钢螺栓有无损坏，防松垫片是否牢固。

（4）扶梯、浮顶、罐壁之间的电气连接线有无裂纹、断裂、松脱等迹象。

（5）测试接地电阻值是否满足要求。

5 储罐密封油气检测

储罐雷击着火主要表现为浮顶储罐密封圈不严密处的油气闪燃或闪爆。保证储罐一、二次密封与罐壁、液面紧密贴合是减少油气泄漏的根本途径。应定期检测储罐一、二次密封处油气浓度体积分数，同一检测点的数据应进行历史变化趋势分析，以掌握密封运行状况。储罐密封检测点要求是，10×104m3储罐沿周向均匀布置检测点大于8个，5-10×104m3储罐沿周向均匀设置检测点大于4个。