海上钻井设施防雷技术研究与应用

苑世宁，王潇潇，田志新，孙玉江(.中海油(天津)管道工程技术有限公司，天津 005；.宝鸡石油机械有限责任公司自动化设备分公司，陕西 宝鸡 7000；.中海石油技术检测有限公司，天津 005；.中海油安全技术服务有限公司，天津 005)

0 引言

海上油气生产设施主要包括海上油气作业设施和海上油气生产设施。近年统计表明：有多个海上油气设施遭受不同程度的雷击损坏，其中主要对编码器、变频器、现场仪表等关键设备造成损坏，直接造成的经济损失不大，但造成的故障停工时间超过100 h以上。经现场调研发现，仅有部分平台配备了简易的避雷针及引下线装置，二次低压配电系统、PLC控制系统、通讯系统、仪表系统存在未设置电磁感应、静电感应、雷电波影响的防护措施，另外，雷达、高频电线等通讯设备的天线也没有安装避雷针进行保护。

随着各种设备的智能化发展，海上设施的控制系统越来越复杂，弱电系统在现场应用越来越广泛，同时伴随着全球变暖的趋势，部分海域雷暴日天气越来越多，海上设施的雷电风险隐患在提高，为了有效降低风险，保障设备的完整性，保障生产安全，就要在雷电危害、雷电风险评估、适应性改造等方面开展研究。

1 雷电危害分析

直击雷危害就是雷雨就近对地放电的过程，这种情况在海上设施时有发生，部分冷放空管线经常有雷击起火现象。感应雷危害就是雷电流的瞬变磁场在金属导线中产生的高电位和瞬间大电流造成的，密闭金属舱室内的设备因为舱室本身就是金属导体，能够起到屏蔽作用保护内部的仪表设备。但对于裸露于环境中的设备，能够造成较大的损害，现场的信号传输、状态显示、状态反馈等仪表，在缺少浪涌保护的条件下，如电磁兼容性较差，磁感峰值过高，极易造成损坏。国外的一些石油公司的海上设施在雷暴季节也曾遇到过雷电损害的情况，最后通过适应性改造，控制了雷电损失，保障了设备的完整性。

2 海上设施雷电防护现状

海上设施的雷电防护，目前没有国家标准、行业标准和团体标准。现有标准主要针对建(构)物，在防雷产品、工程设计、施工和检验方面的标准。仅有部分企业参照陆地设施的相关防雷技术和标准，对海上钻井设施进行防雷设计和施工，积累了一些技术和工程经验。如在西非作业的Jade海上钻井平台，在雷雨季节饱受雷击困扰，2003年由Lightning Eliminators &Consultants公司针对平台发电系统、变频系统、通讯系统、设备控制系统制定了一套防雷解决方案，取得一定成效。目前，Transocean、Chevron、Texaco、ExxonMobil和BP等国际石油公司已逐步意识到海上钻井设施面临的雷电危害，开始着手对所属海上钻井平台和其他各类石油设施开展有针对性的防雷设计改造。

3 防雷分区的划分

依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[1]，结合海上设施的空间结构和高程，以45 m作为滚球半径，根据滚球半径的保护位置，计算雷电防护区域和非防护区域。非防护区用LPZ0A表示，防护区用LPZ0B，钢制房间内的保护用LPZ1。以此，得到某海上设施防直击雷防护区域的划分。

(1)顶驱本体：LPZ0B；顶驱传感器：LPZ0B；顶驱旋转编码器：LPZ0B；顶驱电磁阀：LPZ0B；顶驱电机：LPZ1；顶驱接线箱：LPZ0B。

(2)顶驱变频房房体：LPZ0B；变频器柜：LPZ1；空调：LPZ1；DTI板、CUVC板等电路板：LPZ2。

(3)司钻房房体：LPZ0B；钻井仪表外壳：LPZ1；仪表电路：LPZ2；显示屏电路：LPZ2。

(4)泥浆池液位传感器：LPZ1；计量罐液位传感器：LPZ1；泥浆返流探头：LPZ1；顶驱悬重传感器：LPZ0B；顶驱转速传感器：LPZ0B；顶驱扭矩传感器：LPZ0B；立管压力传感器：LPZ0B；泵冲传感器：LPZ1。

(5)硫化氢探头：司钻房：LPZ0B；喇叭口：LPZ0B；振动筛：LPZ1；泥浆池：LPZ1；机舱门口：LPZ0B；生活区：LPZ0B。

(6)可燃气探头：泥浆池右：LPZ1；振动筛前：LPZ1；泥浆池左：LPZ1；振动筛后：LPZ1；喇叭口：LPZ0B；机舱门口：LPZ0B；钻台：LPZ0B。

(7)带云台摄像头：二层台带云台摄像头外壳：LPZ0B；摄像头电路：LPZ1；云台电路：LPZ1。

(8)套管平台带云台摄像头外壳：LPZ0B；摄像头电路：LPZ1；云台电路：LPZ1。钻台带云台摄像头外壳：LPZ0B；摄像头电路：LPZ1；云台电路：LPZ1。生活楼顶带云台摄像头外壳：LPZ0B。

(9)摄像头电路：LPZ1；云台电路：LPZ1。

根据GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》，对于处于LPZ0B区的设备和线路应在接口处安装浪涌保护器；对于处于LPZ1区的设备和线路，宜采用在接口处安装浪涌保护器；对于处于LPZ2区的设备和线路，可不采用在接口处安装浪涌保护器。

4 现有直击雷防护措施验证

4.1 钻井平台接地电阻的计算

钻井平台的接地电阻根据典型人工接地极均匀土壤中垂直接地极的接地电阻计算公式：

如考虑海水电阻率和海底土壤电阻率均为恒定值(标准海水的电阻率在0.21～0.22 Ω·m之间；渤海海域海底多为泥沙和软质泥，土壤电阻率在10 Ω·m左右)，则桩腿接地电阻的计算公式如下：

式中：ρ1为海水电阻率；ρ2为海底土壤电阻率，；1为桩腿在海水中的长度；l2为l1加上桩腿入泥深度；d是桩腿等效直径。

对海上某一钻井平台采用三电极测试法，某钻井平台桩腿的接地电阻≤0.01 Ω，小于国家标准不宜大于10 Ω的要求。

4.2 钻井平台等电位连接验证

依据移动钻井平台入级规范，该设施上部结构与主甲板采用焊接结构，电阻值小于0.01 Ω，设备外壳采用软铜绞线与船体连接，截面积不小于16 mm2。因此该平台在等电位连接上能够满足防雷电的要求。

4.3 钻井平台线路敷设屏蔽验证

该设施电缆均为船用电缆，分为动力电缆、控制电缆和通讯电缆，这些电缆均具备编织铠装层，均采用穿钢管敷设，或采用金属桥架敷设，并且接线良好，电缆与防雷引下线交叉敷设的间距应大于2 m，能够满足屏蔽技术要求。

4.4 直击雷防护措施分析

钻井平台除直升机甲板外，其他部位均处于直击雷防护范围内；雷击平台时，整体结构具备良好的直击雷能量泄放能力。但平台强弱电线路还存在集中布设的情况，外部线路屏蔽合规，但还不足以消除感应雷浪涌对设备接口的影响，弱电系统接口电路频繁的事故案例也能说明这一点。防雷设计时应充分考虑平台恶劣环境(大风、潮湿、盐腐、震动等)对防雷装置的要求，重点关注甲板上的变送器等信号传送模块。

依据防雷区划分图中的滚球圆弧，平台直升机甲板、井架二层台外金属罩部分处于井架和桩腿的直击雷保护范围外。其中二层台外金属罩与井架有可靠电气连接，过渡阻抗小于0.03 Ω；而直升机甲板因直升机起降不适合单独设置雷电防护系统，建议雷电活动发生期间，尽量避免人员在直升机甲板上活动。

5 浪涌保护器设置与验证

5.1 浪涌保护器选用标准

在实际现状中，布线和线路屏蔽问题难以在防雷改造中予以解决，可作为新建平台在防雷设计方面的建议。对于防雷改造的钻井平台，考虑为线路两端的雷电易损设备加装浪涌抑制设备，比较符合实际需求，也能够比较容易实现。

依据中国船级社的规范GD 01—2006《电气电子产品型式认可试验指南》，进行选型。该指南规定了不同区域选用浪涌保护器的选择，同时，明确指出所需要的型式试验。同时参考IEC 61643《低压电涌保护器》规范，该规范包含了GD 01—2006规定的型式试验内容及验收标准。因此，海上平台防雷设计中选用的浪涌保护器应符合船用电子产品的要求。

5.2 浪涌保护器应用分析

针对某一钻井平台，针对雷暴发生时需要保护的关键设备开展了适应性改造，下面对部分改造进行说明。

5.3 钻井仪表接线箱浪涌保护器安装

5.3.1 浪涌保护器的选用

钻井仪表接线箱现有11对线路(1对计量罐液位、4对泥浆池液位、1对泥浆流量、1对悬重、1对转盘转速、1对顶驱转速、1对泵压、1对泵冲)连接到钻井传感器，分别是9对24VDC、4-20 mA传感器模拟量信号，2对0-5VDC开关量信号；1路线路连接到钻井仪表，为双绞线传输数字信号。最终为钻井仪表控制箱的泥浆返流、泥浆池液位、计量罐液位传感器、悬重、泵压输入选用OBO MDP-4/D-24-T浪涌保护器。另为钻井仪表控制箱的网线选用OBO RJ45S-E100/4-F浪涌保护器，技术参数如表1所示。钻井仪表接线箱浪涌保护器安装示意图如图1所示。

表1 OBO RJ45S-E100/4-F SPD技术参数

图1 钻井仪表接线箱浪涌保护器安装示意图

5.3.2 浪涌保护器对原系统的分析

OBO RJ45S-E100/4-F浪涌保护器(钻井仪表改造用的)。

内部原理图和实物图如图2所示。根据浪涌保护器的内部原理图，1、2、3、6线路串联接入到原有系统中，这四段线路自身电阻极小，不会对信号传输带来影响。该浪涌保护器内部电路考虑到了浪涌的共模干扰和差模干扰，线线、线地间均设置一级GDT(气体放电管)，在未出现浪涌时GDT呈断路状态，漏流几乎为零，只有当浪涌入侵时GDT才会瞬间导通，泄放浪涌至PE线，并立即恢复断路状态；为了更精细地抑制信号线间的差模干扰浪涌，设置一组桥式整流电路，起稳压钳位作用。综上，该浪涌保护器在系统正常工作状态下既不会干扰信号的传输，也不会影响原有系统的性能，只在感应浪涌出现时发生动作。

图2 OBO RJ45S-E100/4-F SPD内部原理图和实物图

5.4 视频监控主机系统控制箱更换

浪涌保护器的选用：监控主机系统控制箱内无足够空间安装浪涌保护器，加装1台防爆接线箱，监控摄像机电缆通过新加防爆箱内浪涌保护器后，再接入监控主机系统控制箱，最终选用OBO VF2-230-AC/DC-FS型浪涌保护器。增设防爆型如图3所示。

6 海上设施防雷技术发展建议

图3 视频监控主机系统增设防爆接线箱前后对比图

关于海上设施的雷电防护，中国目前没有形成相关的国家或行业防雷标准，同时也缺乏设计和施工经验。对海上钻井设施进行防雷设计、评估和改造，陆地通讯、建筑、工业设施等方面的防雷技术理论和经验是否可以完全照搬到海上钻井设施，目前来说都是未知。因此，应在陆地防雷技术理论和标准的基础上，针对具体类型的海上设施开展适用性研究，找出海上设施和陆地建构筑物在防雷需求方面的异同点，并开展专项研究，在上述规范已有防雷规定的框架上，进一步细化、量化防雷标准。经过与国内防雷专家的交流和讨论，总结了以下发展方向：(1)以降低雷击时生产作业带来的安全隐患为目的的雷电监测系统和预警技术；(2)海上设施雷电风险评估技术，包括半定量和定量评估技术；(3)海上钻井设施专用防雷装置的开发和应用。

7 结语

此外，应努力制定并不断完善海上钻井设施防雷标准和规范，并加大防雷装置常规检测和维护力度，杜绝由于防雷装置损坏和失效造成的雷击事故。