浮顶储罐雷击火灾分析及安全评价

李文凯

摘 要：浮顶储罐作为石油存储的主要装置，常年暴露于空气下，容易遭到雷电袭击，从而导致火灾事故发生，必然会造成大量的经济损失和人员伤亡，所以浮顶储罐的危险性非常大，需要做好安全评价，从而避免浮顶储罐受到雷击的严重影响。文章首先对浮顶储罐雷击火灾分析，分析其油气泄漏原因，主要原因在于浮顶储罐的密封存在问题，雷电击中后更容易发生火灾事故。然后还对浮顶储罐遭受雷击之后发生火灾事故的原理进行了分析。最后对浮顶储罐的安全评价进行分析，使用的方式为模糊综合评判方法，能够更准确的计算出各种指标对浮顶储罐安全性的影响程度，在后续浮顶储罐的管理中可以根据安全评价作出更加合理的解决方案。

关键词：浮顶储罐;雷击;火灾;安全评价

中图分类号：TE88 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）07-0149-04

Analysis and Safety Evaluation of Lightning Strike Fire of Floating Roof Tank

Li Wenkai

（Qinghai  Province Chemical Design and Research Institute Co.， Ltd.， Xining 810000， China）

Abstract：As the main device for oil storage， floating roof storage tanks are exposed to the air all year round and are easily attacked by lightning， which will lead to fire accidents and will inevitably cause a lot of economic losses and casualties. Therefore， the risk of floating roof storage tanks is very high， and safety evaluation needs to be done to prevent floating roof storage tanks from being seriously affected by lightning strikes. The paper first analyzes the lightning fire of floating roof storage tanks and analyzes the causes of oil and gas leakage. The main reason is that there are problems with the sealing of floating roof storage tanks. Fire accidents are more likely to occur after lightning strikes. Then it analyzes the principle of fire accidents after the floating roof tank is struck by lightning. Finally， the safety evaluation of floating roof storage tanks is analyzed， and the method used is fuzzy comprehensive evaluation method， which can more accurately calculate the degree of influence of various indicators on the safety of floating roof storage tanks. In the follow-up management of floating roof storage tanks， more reasonable solutions can be made based on safety evaluation.

Key words：floating roof storage tank; lightning strike; fire; safety evaluation

石油儲备具有重要意义，任何国家和社会都需要对石油进行储备，从而保证石油能够顺利供应。然而石油在存储过程中容易发生各种安全事故，所以安全存储石油相当重要。当前，存储石油的装置主要以浮顶储罐为主，该装置会直接建在室外，浮盘面积较大，这样长期暴露于室外，其安全性会受到各种因素的影响，尤其是常年受到雷击，浮顶储罐如果存在泄漏情况，遇到雷击之后容易引起浮顶储罐发生火灾事故[1-3]。在有关记载中表明储罐发生火灾事故，其中60%是因为雷电所引发[3]。所以有必要对浮顶储罐雷击火灾进行分析，对其安全性进行评价，从而提高浮顶储罐的安全性。

1 浮顶储罐雷击火灾分析

1.1 浮顶储罐油气泄漏分析

浮顶储罐作为大型的油气存储装置，具有非常大的危险性，容易受到雷电影响而引起火灾事故，将会造成非常大的经济损失和人员伤亡。保证浮顶储罐油气不会发生泄漏能够降低其火灾事故发生，但是当前使用的浮顶储罐很多都是外浮顶结构，于是在设计过程中浮盘和灌体之间需要使用密封装置进行密封。在进行密封操作时，如果存在疏忽、操作不当的地方，可能就会存在油气泄漏的风险，或者在对浮顶储罐进行维护时，没有及时发现问题，也可能导致油气泄漏;而且也存在某些介质会腐蚀浮盘和灌壁，从而导致其形状出现变化，所以很多原因都有可能造成油气泄漏。当雷电正好击中泄漏部位时，就非常容易引发火灾。

1.2 雷击放电对浮顶储罐的影响分析

防止浮顶储罐受到雷击使用传统的方式是设置接闪杆，虽然能够将雷电引到接闪杆上，但是雷电经过时，接闪杆周围会存在很强的电场分布，有学者对其周围10m的电场强度进行计算分析，得到如图1和图2所示电场分布，表明其电场强度还比较大，而且还会存在感应过电压，会引起金属间隙之间火花放电[5]。当油气灌存在泄漏情况时，就会引发火灾事故;而且浮顶储罐的面积较大，接闪杆可能无法覆盖所有面积，还会存在引雷风险，甚至有的雷电会绕过接闪杆，直接之中浮顶储罐。所以使用接闪杆的防护效果并不好。有研究表明，如果浮顶储罐的厚度超过4mm，将会具有承担雷击的效果，使得浮顶储罐表面不会受到损伤，所以可以不用安装接闪杆，安装反而会造成更多问题。

浮顶储罐受到雷击时可能会因为接闪杆而将雷电直接击中接闪杆，其造成的影响如上所示。但是对于某些没有安装接闪杆的浮顶储罐，雷电击中的位置存在变化性，不同的击中位置，其危险性也会存在差别。雷电可能会击中浮顶储罐的灌顶、浮盘或者附近较高的建筑物，下面将对这3种击中位置的危险程度进行分析。

（1）雷电击中浮顶储罐的灌顶。浮顶储罐的高度比较高，高达20多米，所以更容易受到雷电袭击，但是这种情况下管壁等通道可以将电流直接传递到地下，或者是电流会经过内测罐壁，然后经过分流器、密封圈等最后沿着罐壁排入到地下，如图3所示。即灌顶对于整个浮顶储罐来讲属于一个保护装置，能够将雷电造成的电流导入到地下进行泄放[6]。虽然灌顶容易受到雷击，但是其危害程度并不是很大。除非此时罐顶正好出现了油气泄漏，产生了火花等危险情况，不然此时的雷击不会造成非常大的火灾事故。

（2）雷电击中浮顶储罐的浮盘。浮顶储罐中存在很大一部分浮盘不在罐顶的保护范围内，所以当雷电击中没有受保护的浮盘之后，电流会经过浮盘，然后传递到罐臂或者其他相连接的物体上，即电流会沿着各个方面进行蔓延，最后将其导入到地下进行放电，如图4所示。虽然击中浮盘之后，也会将电流导入到地下泄放，但是这种情况下，雷击造成的危害是最大的。因为在浮盘上的二次密封导电片是粘合在管壁上，其主要负责将电流引入到地下进行泄放，但是该高点片只粘合在罐壁上，会因为各种因素导致其粘合不稳定，就会出现放电间隙，此时只需要比较小的电流就会引发火花放电，所以当雷电击中浮盘时，浮顶储罐雷击火灾发生的概率较大，危险性较高[7-8]。

（3）雷电击中浮顶储罐附近的高物。在浮顶储罐的附近可能会存在比较高的高塔、建筑物、避雷针等，这些高物会引发雷电的袭击，当雷电击中这些高物之后，虽然没有直接击中浮顶储罐，但是浮顶储罐周围会存在大量和雷电相反的电荷，这些电荷就会被失去束缚，从而传递到大地中。

2 浮顶储罐雷击火灾原理

浮顶储罐一旦发生泄漏风险，加之雷电对浮顶储罐的影响程度比较大，当电流经过时正好与油气发生碰撞，极有可能就会发生火灾事故。尤其在浮顶储罐二次密封的地方，因为该位置正好存在油气发生爆炸的空间，所以如果雷电正好击中该位置，然后引起打火现象，会发生爆炸事故，于是就会造成密封圈火灾事故。并且这几年来雷电造成储罐火灾事故之中，很多就是密封圈火灾事故。然后在浮顶储罐的一次密封处，密封靴板和罐壁接触的地方也比较容易出现放电间隙。对于这些容易发生火灾的重点区域，需要对其进行格外重视，从而降低其火灾事故发生频率。

通过上述分析之后，可知当浮顶储罐被雷电击中之后，可能会引起机械密封金属连接件之间或者储罐导电片发生火花放电，这几个地方属于危险区域，很可能成为点火源。因为浮顶储罐的密封装置效果比较差，于是二次密封的内部就会进入空气，与油气进行混合，这种情况下就会造成爆炸下限，一旦存在雷击引发火花就会引爆。当浮顶储罐密封效果更差时，在二次密封上部空间中甚至都可能形成燃爆空间，何况是一二次密封之间更容易发生燃爆现象，从而引发火灾事故。可以说浮顶储罐发生雷电火灾非常重要的原因就是浮顶储罐密封效果不好。

浮顶储罐中的油气属于可燃物质，当雷电火花与其相遇时，在适合的空间内就会出现闪爆现象，于是该空间的密封设施就会出现损坏，使得浮顶储罐中的石油直接暴露出来，此时石油与空气接触，就会生成更多的可燃气，如果没能对其进行及时处理，火灾情况将会变得更加严重，造成的损失将会更到。因为开始燃烧之后，浮顶储罐中的石油会变热，然后该热量会不断传递直至将整个浮顶储罐中的石油加热，當温度上升之后，就会促使蒸发加快，浮顶储罐内的压力就会更大，当其达到一定值之后，就会引发浮顶储罐爆炸和燃烧，此时的火灾事故波及范围将会非常大。所以浮顶储罐作为一个极其危险的石油装置，保障其安全性非常重要，并且很多学者对其安全性的控制和预测也有了较大研究，从而能够降低浮顶储罐雷电火灾事故的发生。

3 浮顶储罐雷击安全评价分析

浮顶储罐作为重要的储油装置，雷电会对其造成严重的火灾事故，为了降低该事故的发生频率，需要对其进行评价。因为该设备比较复杂，所以评价也会比较复杂，需要考虑到不同方面和因素，往往还会出现模糊现象，使用模糊综合评判方法能够有效对浮顶储罐雷击安全评价，该方法不仅能够定量分析，而且还可以对模糊的现象进行定性分析，能够实现客观评价事物的效果[9]。将其应用到浮顶储罐雷击安全评价中的具体步骤如下。

3.1 建立安全评价层次模型

浮顶储罐雷击安全评价层次模型如图5所示。在建立过程中参考了普通建筑物雷击风险评价，然后结合浮顶储罐自身的特点，一共将雷击安全评价分为了4个一级指标，然后每个一级指标下又分别包含4个二级指标。图中的一级指标从左往右分别使用符号u1、u2、u3、u4进行表示，图中的二级指标从左往右分别使用符号v1、v2、v3…v16进行表示，该符号的表述为后续计算做铺垫，图中的承灾体指的是浮顶储罐。建立好安全评价层次模型之后，在后续的计算中只需要以该层次模型作为标准，对其相关指标进行分析，即可对浮顶储罐的安全性进行分析。

3.2 确定指标因素权重

完成安全评价层次模型的建立之后，其中众多指标虽然都会对浮顶储罐安全性造成影响，但是每个指标的影响程度存在差别，于是为了得到精确度较高的安全评价结果，需要对每个指标进行权重计算。本文确定权重的方式采用的专家打分方法，首先对4个一级指标进行打分，得到下面的判断矩阵A：

于是通過计算之后可以得到u1、u2、u3、u4的权重分别为0.507、0.264、0.143、0.086。然后还需要对所得到的结果进行判断，进行一致性检测，检测的方法为首先计算出矩阵A的最大特征值为4.0211，然后一致性指标CI的公式和随机一致性比率CR的公式如下。

于是最终可以计算出CR=0.00543，该值远远小于0.01，于是可以判断该矩阵符合要求，那么上面所得到的4个一级指标的权重值能够用于后续安全评价计算中。

然后使用这种方式对二级指标的权重进行计算，最后得到如表1所示的权重结果。

采用专家打分的方式确定权重，不同的专业可能得到的权重不一样，所以文章为了得到更加准确的结果，选择多维经验丰富的专家进行打分，从而提高指标权重的准确性和合理性。从表1中得到的指标权重可知，其中一二次密封装置占有的权重最大，然后就是雷电分流分路器、雷电流强度，所以这几个指标对浮顶储罐雷电安全性的影响比较大，于是这几个指标在浮顶储罐检查过程中需要作为重点检查部位，需要对密封装置内部的可燃气体浓度进行测试，看其是否超过规定，从而降低雷电对浮顶储罐的安全影响。

4 结语

通过上文对浮顶储罐雷击火灾的分析，并且使用模糊综合评价的方式对其进行安全评价，从结果可以看出浮顶储罐的危险性很大，雷击造成的火灾后果非常严重。其中一二次密封装置和电流分路装置的隐患最大，所以需要对其进行格外重视。为了提高浮顶储罐的安全性，需要对一二次密封装置中的混合物进行浓度监测，能够及时发现浓度超标，从而快速对其进行解决;浮顶储罐属于危险性装置，需要加强其维护程度;还可以使用其他雷电分流分路装置替代导电片，能够提高雷电电流的有效排放，从而可以降低雷电对浮顶储罐的影响。

参考文献

[1]陈冬芳.超大型浮顶储罐多体力学分析与结构强度研究[D].大庆：东北石油大学，2010.

[2]郎需庆，宫宏，刘全桢，等.浮顶储油罐密封泄漏机理与泄漏控制[J].安全健康和环境，2007（10）：17-19.

[3]李文秀，苟俊杰，汪保华，等.浮顶储罐泄漏事故数值模拟计算[J].油气田地面工程，2016， 35（07）：32-34.

[4]林晖，解维斌.储油罐雷电防护措施研究[C].//中国石油学会，2012年石油天然气及石化装备管理与技术研讨会论文集，2012：23-26.

[5]陈永健.基于数值仿真实验研究接闪杆的高度对雷击点的影响[J].电瓷避雷器，2018（2）：145-149.

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[9]王琳.油田联合站储罐健康状态评价技术研究及系统实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.