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浅谈石油设施的雷击防护
发布时间:2019-12-07浏览次数:45返回列表

袁 胜

(江苏油田设计院,江苏 扬州 225118)

【摘 要】本文主要总结了油田中各种设施的雷击防护做法,对一些有争议性的问题提出自己的看出。并介绍了一些防雷系统的新的做法,并对雷电防护做法做了一些自己的总结。

【关键词】雷击防护;石油设施;联合接地;山区防雷

石油及石油产品(汽油、煤油、柴油、天然气、石油气等)均为易燃易爆的液体或气体。若遭受雷击时,如防范措施不到位,可能会发生爆炸,导致大量的财产损失及人员伤亡。震惊中外的1989年黄岛油库大火,就是因遭受雷击引发油罐爆燃后发生连锁爆炸。大火燃烧了104个小时才完全扑灭,烧掉原油3.6万吨,烧毁油罐5座,死亡19人(其中包括10余名消防队员),直接经济损失3540万元。如何保证石油设施在遭受雷击后,能安然无恙。这就要针对雷电的各种破坏力,采取相应措施。雷电之所以给石油设施安全运行造成巨大的威胁,主要是由于雷电热效应、电感效应、静电感应、电磁感应、机械力效应、雷电波侵入、高电位反击等直接威胁,而且还会引起设备损坏、燃烧、爆炸等二次危害。雷电具有电流高幅值(雷电流最大为几百千安),高电位(先导时,云中根部对地电位约为50MV~10MV),高冲击(主放电时间不超过100μs,峰值达几十到几百千安,及di/dt很大)等特点,就决定了雷电是防不住的,只能采用“疏”,及时的把雷电流以最短的通道,最小的阻碍,及时的导入大地,是避免对石油装置造成破坏的最好办法。即引下线的路径足够短,接地电阻足够小。

一、金属储罐的防雷做法

根据规范《石油与石油设施雷电安全规范》中4.1.1条,钢储罐顶板厚度不小于4mm时,不应装设避雷针。避雷针,其实应该叫“引雷针”。众所周知,电场在针尖处形成极不均匀场,此处场强最大。在不均匀场中,放电总是从曲率半径较小的电极表面,即间隙中场强最大的地方开始。下行雷先导从雷云向建构筑物发展时,从接地的建筑物上可能形成向上的迎面先导,迎面先导在相当大的程度上影响着下行先导的发展路线。所以说设避雷针处,引雷几率远远大于其余部分,反而增加油罐的危险性。现在有人认为,部分金属油罐外部有保温层,外保温板厚度一般只有0.5mm,不满足钢储罐顶板厚度不小于4mm,应装设避雷针。本人认为没有必要,分析过程如下:油罐本体是可靠接地,始终保持0点位。罐体保温层外表面感应的正电荷(因为90%以上雷电为负极性雷),根据电磁场基础相关知识,可得:E1=U/[ε1(d1/ε1+d2/ε2),式(1);E2=U/[ε2(d1/ε1+d2/ε2),式(2);U=U1+U2,式(3)。因d1>>d2,E1=U/d1,E2=ε1U/(d1ε2),取绝缘材料的相对介电常数为5[来自wWw.lw5u.com],即E2=U/(5d1),即E2=E1/5,一般先导放电时,通道的电场强度为25~30kV/cm左右,即E2为5~6kV/cm左右,保温层厚度按50mm计算,则U2=25~30kV。所以,雷电先导阶段,保温层未被击穿,主放电阶段,雷云的高电位被引至油罐外保温板上,此时,加在保温层两侧的电压U值一般达到几MV,而油罐保温层厚度只有几厘米,油罐保温层被击穿,U直接作用在雷云与油罐本体间。只要油罐壁厚满足要求,能直接采用罐体做接闪器。当遭受雷击时,外保温板及保温层被击穿,会发生局部破坏,因保温层材质一般为阻燃材料,所以不会导致油罐着火或爆炸。因为任何导电介质均存在电感,由于雷击发生时,di/dt很大,根据U=L*di/dt,由于L不同,不同的部位会产生不同的感应电压,可能会发生击穿。所以,油罐的相关的附件如阻火器、呼吸阀、爬梯等需做等电位连接。

二、放散管的防雷做法

1.金属油罐气体放空管路的防雷做法。根据规范《石油与石油设施雷电安全规范》中4.7.7条,可燃气体放空管路应安装阻火器或安装避雷针。而金属油罐及非金属油罐一般均配备了阻火器,所以放散管不需要单独设置防雷措施,只要把阻火器与罐体做可靠电气连接。

2.位于石油场站内独立放空管。根据《石油化工装置设计规范》,位于高空的放散管,应设置直接雷防护及感应雷防护的措施。如果放散管已设置阻火器,则只需把放散管做可靠接地(放散管壁厚超过4mm)。如果放散管未配备阻火器,则要设置独立避雷针,避雷针距离管口距离不小于2米,避雷针保护高度详见《石油化工装置设计规范》。

3.加气站的放散管的防雷措施。我们常见的加油加气站有CNG(压缩天然气)站,LPG(液化石油气)站,LNG(液化天然气)站。根据工业要求,一般在CNG及LPG站设置集中的放散管,均带有阻火器;而LNG站,因工艺原因,不允许在管路中装设阻火器,但在底部装有安全阀。CNG及LPG站的放散管,因有阻火器,可直接利用管体做接闪器,并与系统地连接。LNG站虽然没有装设阻火器,但是底部装设安全阀。在最不利的情况下,即可燃气体放空时,遭受直接雷击,因管内其他处于正压,雷击引起的燃烧只会限制在管口附近,不会引起回火。根据陕西省燃气设计院的部分现场实际经验,数次雷击正在释放可燃气体的放散管,均未造成安全事故。

三、含油污水罐的防雷做法

油田在污水处理过程中,设置了较多的污水罐。常见的有污水接受罐、沉降罐及注水罐。很多的罐体的材质为玻璃钢。原来做法是接受罐、沉降罐由于含油较多,按照油罐考虑。注水罐,按水罐考虑。根据《石油与石油设施雷电安全规范》第4.2.1条,非金属储罐应设置独立避雷针等防直接雷设备。根据《石油设施电气设备安装区域一级、0区、1区和2区区域划分推荐做法》第10.8.1.1条,污水是指任何可能包含或混合有易燃液体、气体或蒸汽的水,无论其来源如何都称之为污水。且非金属储罐放散口均装有阻火器。所以,直接利用储罐顶部的金属围栏扶梯等做接闪器,呼吸阀、阻火器等与接地系统做可靠电气连接。

四、油田泵房的防雷做法

油田泵房的防雷等级划分主要是看是否会造成巨大破坏和人身伤亡。如集输泵房,其爆炸危险级别一般为2区,则该泵房可划分为第二类防雷建筑物;但当工艺要求设置成地下或半地下时,在易燃液体的蒸汽或空气混合物的密度大于空气,又无可靠机械通风设施的情况下,爆炸混合物不易扩散,该泵房就要划分为1区危险场所。如该泵房为大型场站的原油泵房,当泵房遭雷击就可能导致企业停产,造成巨大的经济损失和人员伤亡,那么该泵房应该按一类防雷建筑物。如该泵房是石油库的卸油泵房,平时间断操作,虽可能因雷电火花引发爆炸造成经济损失和人身伤亡,但概率小的多,则这类泵房可划分为第二类防雷建筑物。

五、油田输油输气管线的防雷做法

油田输油管线及输气管线一般埋地或沿地面架空敷设,一般不会遭受直接雷。此时主要防范的是雷电流的电磁感应。根据U=L×di/dt,由于L不同,不同的部位会产生不同的感应电压,可能会发生击穿。所以对于距离较近的管线及阀门等处,应采用等电位连接。

六、建筑物内配电装置的防雷

根据《建筑物防雷设计规范》第4.1.1条,第一类防雷建筑物及部分有爆炸危险区域划分的第二类防雷建筑物除设置直接雷防护措施外,还要采用各种防闪电电涌侵入措施。第一类防雷建筑物应采用独立接闪杆(网)保护,接闪网网格不应大于5×5m或6×4m。独立接闪器的接地与建筑物本体接地距离不得小于3m。第二类防雷建筑物可采用屋面上装设接闪网保护,接闪网网格不应大于10×10m或12×8m。为了防止雷电波侵入,室外低压电缆应直接埋地敷设,埋地段长度不小于15m;铠装电缆的金属铠装层,金属保护套管等应与建筑物接地系统连接。在建筑物内的总配电箱内,装设10/350μs波形的SPD保护器。所有进出建筑物的金属管道,均应与建筑物的接地装置相连。

七、场站内各种专业的接地系统

在一个大型的场站内,往往有很多的设备需要接地,接地的目的也不一样,接地的电阻要求也不一样。如:电气专业的工作接地,雷电防护接地,防静电接地、自控与通讯系统的信号地等,由于多个用于不同目的的接地系统,使分开接地方式不同电位所带来的不安全因素日益严重,不同接地导体间的耦合影响又难以避免,会引起相互干扰。一般认为接地系统作用的范围为20米,即认为地下距离相隔20米以上的接地系统,才是互不干扰的接地系统,这在场站建设时,可以说是基本无法实现的。为了减少耦合,减少电位差,最简单的办法是把所有的接地系统连接起来,实施等电位连接措施,这就是联合接地方式。接地电阻按接入设备的最小值确定。

八、山区防雷的新做法

传统的防雷理论和规范是针对平原地区的雷电形成机理提出来,平原地区的雷云结构一般是底部距地2km左右,上部高10~12km,上部带正电荷,下部带负电荷。所以平原地区90%以上为负极性雷。山区的云体受大[来自www.lW5u.CoM]气流动和风力作用,往往发生倾斜,零点温度线降低,使正电荷云体接近山体顶部,所以山区正极性雷比平原多。建筑物受侧击现象比平原多。避雷针保护范围在正极性雷时,范围较负极性雷小,所以避雷针在山区保护效果要降低。山间带电云团沿山体浮动,球形雷多于平原。山区气压较平原低,雷电的强度减弱。有些山区的局部气象规律明显,雷云的运动和路径有一定的规律。在山区雷区活动的路径上,在雷击次数较多的地点,如山凹中的进风口、制高点、边界点等处安装松树型避雷针,使雷云进过这里时充分的放电,从而消除雷云对屏障后面设施的威胁。这是第一道保护,还要与建筑物的避雷带与进线SPD保护等三道保护,组成防雷系统。

综上所述,什么样的设施采用什么样的防雷措施,主要看遭受雷击后的后果是否能够承受,如果设施很重要,发生雷击事故后,后果很严重,则可以适当的增加雷电防护措施;如果一般性设备的措施,如含油污水罐,那只要按照规范相关要求即可。雷电防护主要方法是“疏”,不是堵,条件许可的情况下,不要装设避雷针,因为他的功能不是避雷,而是引雷。雷电防护是个系统工程,要有直接雷防护、防浪涌侵入、等电位连接等综合措施。

参考文献

[1]马宏达.确定避雷针(线)保护范围的滚球法[J].建筑电气 1990:9(2):6~10

[2]石油与石油设施雷电安全规范.GB15599-2009

[3]建筑物防雷设计规范.GB50057-2010

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