浮顶储罐雷击致灾机理与安全评价方法研究

李昊岑 马端祝 娄仁杰 戴丽平

〔1 中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院 北京 102249；2 中国石油集团安全环保技术研究院有限公司 北京 102206〕

随着石油行业的迅速发展，原油储罐的安全问题已成为重点关注的问题。目前，大型原油储罐大部分采用浮顶储罐的形式，因其结构特点的原因，浮盘的面积较大且直接暴露在空气中，容易造成因雷击火花放电引起的火灾爆炸事故[1-3]。分析雷击浮顶储罐的火灾爆炸事故机理，采用合理的方法对其进行雷击风险的安全评价，对预防浮顶储罐雷击事故具有重要意义。

目前针对储罐雷击风险的研究，宫宏等人对浮盘的密封形式与储罐雷击起火之间的关系进行了研究[1]。盖程程、Amos Necci等人采用QRA定量化风险评估的方法进行了研究[4-6]。银锋等人基于火灾事故的多米诺效应分析了雷击造成火灾连锁事故的场景[7]。刘宝全、刘健等人提出取消二次密封上的导电片，在浮盘与罐壁之间采用多个可伸缩的接地装置来代替[8-9]。也有学者在基于国际防雷标准IEC 62305[10-12]和蒙特卡洛法[13]，对油库的雷电灾害风险评估进行了研究。目前对储罐的雷电灾害风险性评估大部分采用IEC 62305-2 (Protection against Lightning Part 2: Risk Management )中单体建筑物的雷击风险评价方法[14]，运算过程中缺乏对储罐特性的考虑，且储罐结构复杂，影响因素多，综合评价较困难。模糊综合评判法能在充分考虑浮顶储罐雷击风险因素的情况下，从层次性角度分析储罐雷击事故，可最大限度地客观评价储罐雷击事故。

1 浮顶储罐雷击事故机理分析

1.1 油气泄漏原因分析

由于原油储罐的高危性，一旦遭受到雷击极有可能造成巨大的财产损失和人员伤亡，尤其是浮顶储罐。目前，绝大多数的大型原油储罐都采用外浮顶结构，在浮盘与罐体之间会有一定的间隙，为保证浮盘的灵活性并防止油气泄漏，浮盘与罐体之间需要安装密封装置。

现有的外浮顶储罐大多采用的是“一次密封结构+二次密封”的密封方法，但由于操作不当或维护不利，导致密封失效的状况时有发生[15,16]，如：在实际操作中，浮盘的沉降、油品等介质的腐蚀会造成罐壁和浮盘的形状出现变化，导致密封失效；阳光和风蚀也会导致密封橡胶老化变型，引起密封失效。而且因为二次密封装置无法彻底隔绝外部空气进入密封装置内，故外界进入的空气与散发的油气必在一、二次密封装置之间混合，形成油气混合物。经上述分析，一、二次密封装置之间可能存在处于爆炸极限范围内的可燃气体，倘若雷击造成该部位发生点火放电，将会造成严重的火灾爆炸事故。

1.2 雷击危险性分析

储罐雷击事故的着火源是罐体上的金属设施

间存在的放电间隙。雷击浮顶储罐有以下两种形式：

(1)雷击罐壁顶。因为电流会选择最小电阻最小的电路通过，所以罐壁顶位置易受到直接雷击，雷击后的雷电流会通过两种渠道导出，如图1所示。一种是直接经过罐壁导出，一种则是经过内侧罐壁、分流器、密封圈、浮盘、分流器后再沿着罐壁导出。

图1 雷击罐壁雷电流途径

(2)雷击浮盘。根据滚球法计算，浮盘有一部分区域没有在罐顶的保护区域内，特别是当罐内液位较高，浮盘的绝大部分区域都易受到雷击。雷击后雷电流会沿各个方向蔓延，或经过滑动扶梯，或依次通过密封圈、分流器和罐壁向大地放电，如图2所示。

图2 雷击浮盘雷电流途径

其中第二种雷击方式是较危险的。电流的泄放必须具备连续的电气连接，常见的雷电分流分路装置是浮盘上的二次密封导电片，它是由外界的弹力贴合在罐壁上，贴合会由于一些原因导致贴合不稳，存在放电间隙，而电流产生火花放电只需要达到几百安培[17,18]，一旦有雷电流通过就会出现放电打火的可能，这也是出现浮顶储罐雷击火灾爆炸的重要原因之一。

除此之外，倘若防雷接地、罐体上的金属附件等电位连接等防雷措施不合格，存在放电间隙，当有雷电流通过或者存在感应电压时，也极易在间隙处出现放电打火现象，从而形成点火源；罐体上的液位系统、感温系统、自动火灾报警系统、泡沫灭火系统等信息系统出现失效，进而引起的反馈不及时或反馈失效，也有可能导致事故的发生[19]。

2 浮顶储罐雷击风险评估

在对浮顶储罐这类复杂事物进行评价时，需要兼顾同时多种属性、多种方面。模糊综合评判法既能够进行严格的定量刻画，也可以对一些模糊、难以定量分析的模糊现象进行定性描述，可以最大限度地客观评价事物[20]。

2.1 评估层次模型的建立

因需要，在普通建筑物雷击风险评估的基础上，建立了结合浮顶储罐特性的雷击风险评估层次模型，如图3所示。参考浮顶储罐实际安全管理现状的层次结构，可以将储罐雷击风险体系分为4个一级指标，包括承灾体(浮顶储罐)风险u1、雷击风险u2、防御风险u3、地域风险u4，各因素又包括4个二级指标：一、二次密封装置v1、雷电分流分路器v2、防雷接地等防雷设施v3、储罐信息系统v4、雷电流强度v5、年雷暴日v6、雷击密度v7、雷暴途径v8、防雷设施维护v9、防雷检测v10、应急救援v11、安全教育v12、地形地貌v13、土壤条件v14、周边环境v15、交通通讯条件v16。

图3 浮顶储罐的雷击风险评估层次模型

2.2 指标因素权重确定

使用层次分析法确定各指标因素的权重，以一级指标为例，根据划分的承灾体(浮顶储罐)风险u1、雷击风险u2、防御风险u3、地域风险u4这4个指标，根据专家打分法确定判断矩阵A为：

然后通过按列规范化再对其行平均，得到权重值A0为:

A0=(0.506 7 0.264 0 0.142 8 0.086 4)

得到最大特征值为4.021 1，进行一致性检验：

查看一致性指标，当n=4时，C.R.=0.89，则

式中：CI为判断矩阵一致性指标，RI为引入平均随机一致性指标，CR为随机一致性比率。当CR大于0.01时需要对矩阵进行调整，当CR小于0.01时表示构建的判断矩阵可以接受[21]。

所以，判断矩阵可以接受，所得的权重值可以使用。

同理，可求得各二级指标的权重，得到浮顶储罐的雷击风险评估指标因素的权重大小及其排序，详见表1。

表1 各级指标因素对其目标层的权重及排序

续表1

在进行权重确定时，不同专家的观点会造成权重系数间的差异，这具有一定的主观性，所以充分分析并合理选取指标因素，由多位经验丰富的专家判断来确定权重是评价结果科学合理的保障。根据所得的权重分析结果能够发现，一、二次密封装置v1、雷电分流分路器v2、雷电流强度v5、防雷设施维护v9这几个因素对储罐的雷击安全性影响较大，应当定期检查密封装置内的可燃气体浓度，做好防雷设施设备的维护。

2.3 某浮顶储罐的雷击模糊综合评价

2.3.1 建立浮顶储罐雷击安全的评语集

以某地区10万m3外浮顶储罐为例，建立了5个等级的浮顶储罐雷击安全的评语集(表2)。

表2 安全评价等级及分数

2.3.2 某浮顶储罐的雷击模糊评价分析

根据专家评定，得出各个因素对评语集中每个等级的隶属度,再将各因素的隶属度为行构建评价矩阵R。

得出v1～v4构成的承灾体风险层隶属度矩阵R1：

得出v5～v8构成的雷击风险层隶属度矩阵R2：

得出v9～v12构成的防御风险层隶属度矩阵R3：

得出v13～v16构成的防御风险层隶属度矩阵R4：

采用M(∧,∨)算子，用“·”表示，计算各二级因素层的模糊评价结果：

承灾体风险层：

V1=(v1,v2,v3,v4)·R1=(0.3,0.2,0.27,0.2,0)

雷击风险层：

V2=(v5,v6,v7,v8)·R2=(0.48,0.26,0.12,0,0)

防御风险层：

V3=(v9,v10,v11,v12)·R3=(0.5,0.3,0.19,0.1,0)

地域风险层：

V4=(v13,v14,v15,v16)·R4=(0.51,0.3,0.1,0,0)

在此基础上进行二级评估，归一化建立总评价矩阵B：

进而再采用M算子进行模糊分析处理并归一化，得出系统评价矩阵C：

C=(u1,u2,u3,u4)·B=(0.293,0.247,0.265,0.195,0)

根据安全评价的评语集(表1)及归一化得出的C值，计算出系统的总得分为：

f=95×0.293+80×0.247+65×0.265+50×0.195=74.57

3 评价结果分析及预防对策

文章在考虑了浮顶储罐特性和雷击风险因素基础上，研究了浮顶储罐雷击灾害风险层次评估的结构并采用模糊综合评价法进行了评价。从整个评价过程来看，建立的浮顶储罐雷击风险综合模糊评估模型可以较为客观地进行评估，所采用的层次分析法确定权重，其操作简易并具有良好的实用性和扩充性。从评价结果来看，与实际情况基本一致，该储罐的安全等级为较安全，但在雷电分流分路装置和一、二次密封装置处仍存在一定的安全隐患，因此给出了相应的预防对策：

(1)采用其他雷电分流分路装置代替导电片。在实际操作中，难以保证导电片与罐壁能够紧密贴合，当雷击浮顶储罐时，倘若导电片与罐壁存在间隙，极易发生火花放电，进而引起一、二次密封装置内的油气混合物燃烧爆炸。采用可伸缩式接地装置，实现分流器与罐壁的低阻抗电气连接，能够有效、安全地泄放雷电流。

(2)对一、二次密封装置内的油气混合物浓度进行实时监控。大部分雷击储罐时造成的火灾爆炸事故都是因一、二次密封装置内可燃气体浓度超标引起的。在现实操作中尽管对其进行了定期浓度检测，但难免由于人员疏忽、罐壁腐蚀等原因，出现油气泄漏并超标的现象，这是极大的安全隐患。对一、二次密封装置内的油气混合物浓度进行实时监控，可在出现浓度超标的情况时及时采取措施，保证可燃气体浓度在爆炸极限以下。

(3)加强防雷设施设备维护。增强各金属设备之间的等电位连接，认真完成日常的检查工作，尤其是在雷雨季节更要加强防范意识，做好罐体防雷设备的维护工作。