美国预防雷电和静电及杂散电流引燃技术标准发展趋势探讨

郭霄杰，姜垣良，白晓航，李彬，闫晓晨，蒋玉卓

(1. 中国石油天然气股份有限公司 管道分公司，河北 廊坊 065000；2. 中油国际管道公司，北京 100029；3. 中国石油天然气股份有限公司 管道沈阳输油气分公司，辽宁 沈阳 113001；4. 中国石油天然气股份有限公司 管道济南输油气分公司，山东 济南 250000；5. 中国石油青海油田分公司 管道处，青海 格尔木 816000)

雷电属于一种自然现象。油品储运过程中可能产生静电积聚，油气站场存在油气泄漏可能性，易发生火灾爆炸事故[1]。2007年5月至6月期间，上海金山国家储备库连续发生3起原油储罐雷击着火事故。2006年中国石油23起重大事故中，由静电导致的有6起，占比26%[2]。油气站场雷电和静电防御是一项复杂的系统性工程。管道企业应按照相关标准规范，对防雷、防静电设施进行检查检测，及时发现安全隐患，为油气站场安全运行提供可靠的技术保障[3]。本文研究了美国石油行业防雷、防静电的技术进展，跟踪美国管道行业标准的制修订动态信息，对于提高中国管道行业标准技术水平具有指导意义。

1 美国防雷和防静电标准简介

防雷、防静电领域具有代表性和权威性的技术标准是美国石油协会标准API RP2003： 2015《防止静电、雷电和杂散电流引燃的推荐做法》(简称2015版)[4]。中石油标准Q/SY 1651—2013《防止静电、雷电和杂散电流引燃技术导则》等同API RP2003： 2008(简称2008版)。在一定程度上代表了美国石油行业防雷、防静电的技术水平。限于篇幅，本文重点研究了API RP2003： 2015新修订的重要技术条款，供国内标准制修订机构和安全管理技术人员借鉴参考。

2 范 围

API RP2003： 2015新增一项防止静电、雷电和杂散电流引燃的基本原则，即确认采用静电引燃的限制措施后，在保证不发生静电引燃条件下，应尽快查找真正的引燃源。

API RP2003： 2015以静电为例，探讨了危害和风险的概念。危害指材料的特性或状态造成伤害的能力，例如可燃性、毒性、腐蚀性、电能、化学能属于工业材料和状态范畴内的危险源，电荷分离和静电积聚是低电导率烃类流体的固有特性。风险指危害因素造成的后果。静电积聚成为引燃源的条件是可燃油品油气混合物中存在静电且发生放电作用，任何一个条件不满足时，静电积聚、可燃油气混合物和火花放电都不存在风险。

3 规范性引用文件

API RP2003： 2015新增美国石油协会标准API RP545： 2009《储存可燃和易燃液体地上储罐雷电保护推荐做法》等3项；美国化学工程师学会研究报告《静电引燃导致的火灾和爆炸》和《化学工业预防静电引燃危害》；美国材料与试验协会标准ASTM D2624： 2015《航空燃料和馏出燃料电导率试验方法》；美国消防协会标准NFPA 407： 2003《航空燃油设施标准》。

4 静电危害

4.1 静电产生机理

针对产生静电荷、静电积聚产生引燃火花、存在火花间隙、火花间隙中存在可燃蒸气-空气混合物等静电荷成为点火源应具备的条件，油品电导率、容器导电能力、容器向大地消散电荷的能力等静电荷在液体中消散能力的影响因素，以及火花放电和刷形放电的静电放电机理，API RP2003： 2015无变更。

针对石油操作过程中分离或摩擦产生静电的例子，API RP2003： 2015新增以下两种情形：

1)不相容液体或者液体中的悬浮固体颗粒的分离，例如储罐中分散水分的沉降。

2)感应充电指当接地导体靠近高电量表面且与地面接触失效时，接地导体会被充电。

4.2 静电防护措施

API RP2003： 2015针对降低静电放电的风险，将2008版中规定的18项防护措施分为四类，即防止电荷产生的措施、防止静电积聚的措施、避免可燃性放电的措施和避免形成易燃气体的措施，提高了静电防护措施的适用性和可操作性。

为正确评估油品输送过程的静电危害，API RP2003： 2015新增油品电导率评估结果的影响因素：

1)静电危害评价必须选择输送温度下的油品电导率，温度降低时，油品电导率显著降低。

2)应考虑测量误差对油品电导率的影响，例如仪器精度和重复性。

3)检测试样应具有代表性，例如储罐内油品可能存在分层现象。

4)检测试样中含有水或其他污染物，或者油品成分变化，导致电导率显著增加。

4.3 汽车罐车的装卸作业

1)针对汽车罐车灌装。API RP2003： 2015规定在鹤管被浸没前，灌装液体线速不大于1 m/s，以防止喷溅，使液体表面湍流最小化。管线入口被浸没前，管线内流速和管口排放速度应小于1 m/s。相对2008版，油品流速由3 m/s降低为1 m/s，且采用鹤管装卸和管线充装均执行该值，主要考虑油品不同相在隔舱的沉淀，以及液体中含有水分的可能、夹带水滴等因素。

2)针对跨接和接地。API RP2003： 2015规定在对栈台、鹤管、管线进行跨接和电气连接时，跨接线应采用带绝缘套的导线，应定期测试或检查跨接导线的电气连续性，跨接电路电阻应小于1 Ω。在2008版中认为电阻值在10 Ω以下可以防止静电积聚，API RP2003： 2015中电阻值由10 Ω降低为1 Ω，针对跨界和接地要求更高。

3)针对采样和检尺。API RP2003： 2015规定为对隔舱进行检尺或采样前，应有 2 min的静置时间。电导率极低的液体，例如纯净的溶剂和化学级烃类或多相混合物，需要较长的静置时间。针对电导率极低的液体采样的静置时间要求为新增要求。

4.4 铁路罐车的装卸作业

由于铁路罐车的几何形状和尺寸可以减少静电场，使铁路罐车允许的流速v与鹤管直径D的乘积值高于汽车罐车。铁路罐车的跨接和接地、管线电气连续性、顶部/底部灌装作业、采样和检尺可参考汽车罐车的做法。

4.5 储 罐

4.5.1API RP2003： 2015新增的储罐静电防护措施

API RP2003： 2015新增有关储罐静电防护有以下几方面：

1)物料属于静电积聚体并含有分散相(例如夹带水滴)时，整个灌装操作中应将入口流速限制在1 m/s。

2)检查储罐中是否存在松动的检尺浮子和采样器等未接地的自由物或飘浮物，并将其清除掉。

3)向储罐内泵送液体时，避免夹带大量的空气或其他的气体。输送温度接近闪点8.5～11 ℃的易燃液体或可燃液体的管线，禁止用风吹扫。

4.5.2采样和检尺的静置时间

对于储罐采样及检尺有以下几方面：

1)容积大于 37.85 m3的大型储罐，检尺或采样作业前，应有30 min的静置时间,API RP2003： 2015和2008版无变更。

2)API RP2003： 2015规定： 容积为18.925～37.85 m3的储罐的静置时间为5 min；容积低于18.93 m3的储罐的静置时间为1 min。非常纯净的溶剂和化学级烃类等超低电导率的液体应延长静置时间。在2008版中容积低于18.93 m3的储罐的静置时间为2 min。

3)针对储罐吹扫和清洗，API RP2003： 2015无具体技术条款的变更，在执行标准方面指出储罐清洗和吹扫作业方法与规程执行API Std 2015： 2018《石油储罐的安全进入和清理要求》、API RP 2016： 2001《进入和清理储油罐指南与程序》和NFPA 69： 2019《防爆系统标准》，储罐清洗和吹扫过程中静电危害及指导执行API RP2003： 2015。

4)关于静电其他危害，包括飞机加油、传送带和皮带轮、过滤器、分离器、便携式金属储油罐、喷砂和喷漆、加油站等，与长输管道行业关系不完全相关，2015版变更内容不再赘述。

5 雷电危害

5.1 雷电产生机理

关于直击雷和感性雷的产生机理，API RP2003： 2015内容无变更。在执行标准方面指出雷电防护接地规程执行NFPA 70： 2017《国家电气规范》和NFPA 780： 2014《防雷系统安装标准》。

5.2 拱顶储罐和卧式储罐

针对拱顶储罐和卧式储罐因雷击引发的爆炸事故的因素，API RP2003： 2015内容无变更。针对拱顶储罐和卧式储罐减少雷击危险的预防措施，API RP2003： 2015增加以下几项内容：

1)所有呼吸孔应安装和使用真空呼吸阀或回火保护设施。

2)发生雷暴时，应停止对储罐的灌装作业或排空作业。

3)必须提供和维护惰化缓冲层或气体覆盖层。

5.3 外浮顶储罐

API RP2003： 2015删除了外浮顶储罐采用分路器设计防止雷电引燃的措施，保留了紧密密封防止雷电的方法，以及采用浮船操作维护检测程序降低雷击危险性的措施。在执行标准方面指出： 外浮顶储罐防止雷击引燃或火灾的有效预防措施是按照API 545： 2009对罐顶和罐壁进行有效连接。

5.4 内浮顶储罐

带有钢质导电罐顶的内浮顶储罐由于其结构特点可以防止雷击感应，内浮顶不需要与管壁连接进行雷电防护。API RP2003： 2015新增了内浮顶储罐一般性防护措施，使得固定顶与浮顶间易燃气体的浓度最小化，包括： 在浮顶周围安装紧密密封，适当通风，避免正常操作时浮顶落地，雷暴时避免储罐灌装作业，定期检测蒸气空间可燃气体浓度。

关于雷电对其他装置的危害，包括： 便携式金属储罐、油船和驳船、汽车罐车和铁路油罐车等，与长输管道行业关系不完全相关，API RP2003： 2015变更内容不再赘述。

6 杂散电流危害

近年来，随着中国长输管道的快速发展，长输管道与高压输电线路、铁路并行和交叉敷设的安全问题日益突出，会对埋地金属管道产生较强的交流干扰腐蚀[5]。关于交流干扰腐蚀的检测、评估和减缓措施方法也是目前管道腐蚀防护的重要研究领域。国内外制定了一系列相关标准，例如： 加拿大国家标准CAN/CSA C22.3 No.6： 2013《管道和输电线路的协调原则与做法》、欧洲标准EN 15280∶2013《埋地阴极保护管道交流腐蚀可能性评估》、美国标准NACE SP0177∶2014《减缓交流电和雷电对金属构筑物和腐蚀控制系统影响的标准规程》。鉴于相关技术标准较全面，API RP2003： 2015在杂散电流危害方面进行了简略和弱化处理，仅规定了一些原则性要求。其中API RP2003： 2015中规定要严格限制电化作用所产生的电压在任何情况下不得超过 15 V。上述标准中则详细规定了基于阴极保护电位、交流干扰电压、交流电流密度以及交流电流密度与阴极保护直流电流密度比值准则的适用条件。鉴于此，关于杂散电流的危险防护建议执行相应技术标准。

关于杂散电流其他危害，包括岔道(支路)、码头管线等，与长输管道行业关系不完全相关，API RP2003： 2015变更内容，不再赘述。

7 结束语

API RP2003： 2015集中反映了近十年美国石油行业防雷防静电方面的技术进展，重点针对汽车罐车的装卸作业的静电防护措施、储罐静电防护措施、拱顶储罐和卧式储罐的雷电防护措施进行了修订，体现在以下方面：

1)为正确评估油品输送过程的静电危害，新增油品电导率评估结果的影响因素。

2)针对汽车罐车装卸作业，油品充装速度由3 m/s降低为1 m/s；检测跨接电路电阻由10 Ω降低为1 Ω；新增隔舱进行检尺或采样前，应有2 min的静置时间。

3)针对储罐静电防护措施，含分散相水滴的油品充装速度低于1 m/s；检查并清除储罐内未接地的物体；储罐充装易燃液体禁止夹带空气。

4)针对拱顶储罐和卧式储罐的雷电防护措施，使用真空呼吸阀和应用回火保护措施；雷暴天气禁止储罐充装作业；油气空间应用惰性气体保护。

建立严格细致的防御雷电和静电工作是提高油气站场安全等级的重要举措。国内石油行业标准Q/SY 1651—2013等同API RP2003： 2015。美国石油行业防雷防静电技术发展很快，通过跟踪美国管道标准的修订信息，针对国内标准Q/SY 1651—2013开展标准技术更新工作，提高国内管道行业安全管理水平。