石油庫大型儲罐的綜合防雷該項目獲2009年國家科技進步二等獎，證書號：2009-J-244000-2-04-R01

周 毅，趙曉剛，潘仕祥，凌建國

（1.中國人民解放軍后勤工程學院軍事供油工程系，重慶 401311；2.中國人民解放軍后勤工程學院訓練部，重慶 401311；3.廣州軍區聯勤部軍需物資油料部，廣東廣州 510000）

石油庫大型儲罐的綜合防雷該項目獲2009年國家科技進步二等獎，證書號：2009-J-244000-2-04-R01

周 毅1，趙曉剛1，潘仕祥2，凌建國3

（1.中國人民解放軍后勤工程學院軍事供油工程系，重慶 401311；2.中國人民解放軍后勤工程學院訓練部，重慶 401311；3.廣州軍區聯勤部軍需物資油料部，廣東廣州 510000）

文章在綜合了近幾年來大型儲罐雷擊事故案例的基礎上，分析了大型儲罐發生雷擊事故的主要原因和特點，提出了大型儲罐的雷電防護措施 （如采用浮頂密封，改善防雷接地和等電位連接等），進而探討了大型儲罐罐區的系統綜合防雷技術，該綜合防雷技術應用于大型儲罐防雷實踐中，具有實用、可靠、簡便等特點。

大型儲罐；儲油罐區；綜合防雷；系統工程

1 大型儲罐的雷擊事故案例

雷電仍是人類目前難以駕馭的自然現象，每年雷電將會造成數以百億計的經濟損失[1]。油罐作為油料存儲的主要實體，儲存著大量易燃易爆油品，一旦遭受雷擊，將造成設施設備損毀、人員財產損失等災難。如1989年8月12日，山東黃島油庫雷擊著火，大火燃燒了104 h，造成19人死亡，100多人受傷，損失巨大。根據文獻 [2]，在記載的107例各行業各類油罐火災中，有65例為雷電火災，占總數的61%，其中79%為浮頂罐火災。因此雷電是引發油罐火災的重要原因。

隨著我國石油需求的增加，石油儲運事業迅速發展，在浙江鎮海、舟山、山東黃島和遼寧大連等地建立了多處國家石油戰略儲備基地，形成特大容量的儲罐罐區，有的大型儲罐單罐容量已達10萬m3。這些戰略儲備基地及其儲罐大多處于雷電多發地區，如鎮海年雷暴日達47.1 d[3]，防雷形勢十分嚴峻。據初步統計，近年來大型儲罐雷擊著火事故常有發生，僅在2006、2007兩年就連續在儀征輸油站、鎮海國家儲備庫、鎮海煉化、白沙灣輸油站等相繼發生了5起大型儲罐雷擊著火事故。

2006年8月7日，中國石化集團管道儲運分公司儀征輸油站發生雷擊事故， 16#15萬m3外浮頂鋼制儲罐遭雷擊，引發的大火火焰高度超過了6 m，明火持續了大約30 min。2007年5月24日和6月24日，鎮海國家儲備庫兩次出現雷擊著火事故，47#10萬m3外浮頂鋼制儲罐前后兩次遭受雷擊，引發的油罐大火火焰高度都超過4 m，兩次明火都持續了約10 min。2007年7月7日，中國石化集團管道儲運分公司白沙灣輸油站發生雷擊事故， 3#10萬m3外浮頂鋼制儲罐遭雷擊，爆炸引燃了罐內油品，明火持續了大約14 min。2007年6月29日，鎮海煉化一座5 000 m3內浮頂石腦油罐遭直擊雷擊，引燃油罐呼吸口揮發的油氣，并進一步引爆儲罐內浮盤上方揮發的輕質油氣，瞬間炸開罐頂面積的1/3，并導致內浮頂失穩，一側陷入石腦油中，引發的油罐內部大火持續燃燒20 min。

上述5起大型儲罐雷擊起火事故雖然都被及時撲滅，未造成重大損失，但是如果一旦有雷擊起火不能被及時撲滅，那么將會導致重大安全事故，造成人員、設備、財產等多方面的巨大損失[4]。因此，做好大型儲罐的防雷工作，制訂好大型儲罐罐區綜合防雷措施勢在必行。儲罐大型化的發展趨勢及其防雷安全問題，已是擺在我們面前亟待解決的重大技術難題。

2 大型儲罐遭雷擊事故案例的原因及理論分析

根據大型儲罐火災事故現場調查的相關資料，發現上述5起雷擊事故著火點位置都在密封圈間隙處，發生事故的大型儲罐均有二次密封，且一次密封均為機械式密封。這充分說明大型儲罐的一次機械密封不嚴，存在著油氣泄漏的可能，在一、二次密封之間和密封圈周圍將會聚集大量的可燃性爆炸油氣，這就為雷電事故埋下了隱患。由于大型儲罐罐區內并未裝設避雷針，不能有效地防護雷電，一旦儲罐或在儲罐附近遭受雷擊時，若罐頂金屬浮盤和罐壁間沒有作良好的等電位跨接，在雷電的高電壓、大電流作用下，將產生電弧火花或感應電火花。因點燃油蒸氣的能量極小，僅需0.25mJ[5]，雷電火花會引燃油蒸氣，導致大型儲罐火災爆炸事故。

由雷電引起儲罐起火爆炸的原因一般可分為直擊雷、感應雷、感應靜電勢、雷電反擊、球雷五種[6]，而大型儲罐爆炸起火原因主要是直擊雷和感應雷。從統計資料分析來看，特別是由感應雷引起的爆炸起火事故案例尤為突出[7]。

金屬油罐罐頂遭受直擊雷時，雷電流通過被擊物體時在通道上會發熱。根據焦耳定律，忽略散熱影響，一次閃擊的雷電流在導體上引起的溫升為：

式中ΔT——溫升/K；

Q——雷電產生熱量/J；

m——通過雷電流物體的質量/kg；

c——通過雷電流物體的比熱容/（J/（kg·K））；

R——導體的電阻/Ω；

t——雷電流持續時間/μs，可取波頭時間；

kc——分流系數，單根引線時取1；

i——雷電通道的雷電流/A，可取雷電峰值，對于第一類防雷建筑取200 kA[8]。

由于雷電流帶電量很大 （通常為20~30 C），通過時間短 （μs），雷擊金屬罐體時產生的熱量將達到500~2 000 kJ，對鋼質金屬油罐雷擊瞬時溫升可達6 000~10 000℃，足以熔化體積為50~200 mm3或熔化深度為0.276~0.352 mm的鋼材。所以大型儲罐在遭受直擊雷時，雷擊點附近的金屬會熔化，產生火花飛濺，只要在大型儲罐罐頂聚集了油蒸氣，直擊雷的能量足以點燃油蒸氣引起儲罐爆炸起火。

當金屬油罐受直擊雷擊時，會與周圍的物體發生雷電反擊 （旁閃）。由于目前大型儲罐并未獨立設置避雷針避雷，而是依靠自身罐體作為引下線通導雷電流，這樣儲罐在巨大的瞬變雷電流通過時電位上升極高，此高電壓引發金屬罐體和其他連接大地的物體之間發生閃絡。可以用式 （2）計算出直擊雷擊時大型儲罐的電壓U：

式中i——雷電流峰值/kA；

R0——接地電阻/Ω；

r——引下線單位長度電阻/（Ω/m）；

h——距離地面高度/m；

L0——單位長度的電感/（μH/m）；

L——引下線長度/m；

當雷電流峰值為100 kA的中型雷[9]直擊擊閃鋼制內浮頂大型油罐時，L0取1.5 μH/m，接地電阻R0以10 Ω計，罐體上的電阻rh相對很小可以忽略不計，因此一個10萬 m3外浮頂鋼制儲罐（罐頂部離地面20 m處）產生的電勢將會高達2 500 kV。木材、磚石、水泥等非金屬材料沿平面方向的閃絡場強約為250～500 kV/m，距離大型儲罐周圍1m處的場強約為1 750 kV/m，足以產生雷電反擊。這樣不僅損害電子電器設備，而且會使各種金屬管道帶上高電壓，造成人身事故，同時發生的閃絡、電火花等還會引起火災。

大型金屬儲罐遭受落地雷直擊，或遭受附近落雷時，雷擊所產生的高峰值、高坡度的雷電流會在儲罐周圍形成變化的電磁場。如果大型儲罐金屬突出物間隙等電位連接不良，根據法拉第電磁感應定律，在大型儲罐周圍會產生較大的感應電動勢ζi。一旦產生的感應電動勢大于間隙的最大擊穿電壓時，雷電將會擊穿間隙，產生感應電火花，從而引起大型儲罐爆炸起火。感應電動勢ζi可由式 （3）計算：

式中ζi——感應電動勢/kV；

M——互感系數/μH；

Um——大型儲罐間隙最大擊穿電壓/kV；

d——擊穿的氣隙距離/m；

EL——電感電壓的空氣擊穿強度/（kV/m）。

以一個10萬m3大型儲罐為例，當100 kA的中型雷雷擊點距離油罐20 m時，取雷電閃擊電流波形前沿為2.5μs，浮盤與罐壁密封處按邊長為5 m金屬正方形開口環路計算，將產生高達9 kV的感應電動勢，對干燥空氣 （EL取3 000 kV/m），其擊穿間隙高達3 mm；在潮濕的雷雨環境中，空氣擊穿強度小，擊穿間隙將會更大。即使雷擊點距離油罐200 m，感應電勢也可高達1 kV，1 mm左右的間隙也會被擊穿。如果浮盤與罐壁間隙、液面與罐頂內壁突出物間隙等未作等電位跨接，雷電將會擊穿這些間隙，產生感應電火花，從而引起儲罐爆炸起火。

3 大型儲罐綜合防雷措施

大型儲罐雷擊火災爆炸的形成條件既需滿足油氣濃度在爆炸極限范圍內，又需滿足點火源的要求。在通常實際工作中，應控制并減少罐內氣體空間體積，避免油氣在油罐局部聚集，并且力求控制好點火源。具體來說，就是在大型儲罐罐區合理布置避雷針系統，同時做好防雷接地和等電位連接，這樣就能從根本上防止直擊雷或感應雷所造成的危害。

3.1 浮頂軟密封措施

目前大型油罐浮頂的密封一般采用機械密封。從使用效果來看，其密封效果不理想，易在一、二次密封間聚集大量的油氣。從防雷安全角度考慮，對于外浮頂油罐的一次密封型式應該采用軟密封結構 （見圖1）替代機械密封結構，這樣可大大降低一、二次密封間的可燃氣體濃度[10]。另外，軟密封將浮盤與罐壁在油氣密集的區域內絕緣隔離的同時，也大大減少了金屬突出物的存在，有效地防止了感應電勢在油氣空間內部放電火花的產生，從而大大降低爆燃的可能性。軟密封的二次密封應采用導靜電材料，同時增加靜電導出片與罐壁接觸，可有效地將雷電流導出。但是軟密封在使用后期密封效果有所下降，所以要及時檢查并且更換，以增強其安全性能。

3.2 防雷接地及等電位連接措施

目前大型儲罐防雷接地主要存在的問題是浮盤的接地不良、泄流不暢、泄流通道阻抗過高等。根據相關標準規范[11-13]，大型儲罐防雷接地要求做到：罐體基礎自然接地體應與罐區接地裝置相連，連接點不少于兩處，且采用耐腐蝕、導電性能優良的材料。接地引下線應采用不小于4 mm×40 mm的熱鍍鋅扁鋼，并在距離地面0.3~1.0 m之間裝設斷接卡。斷接卡應采用4 mm×40 mm不銹鋼材料，同時用2個M12的不銹鋼螺栓連接并加防松墊片固定。

目前大型儲罐等電位連接主要存在的問題是儲罐浮盤與罐壁之間的兩條連接導線在腐蝕、接觸不良等情況下，導致電流導通不暢、阻抗增加，產生電位差。根據相關標準規范[12-14]，對大型儲罐等電位連接要求做到：浮頂應與罐體做等電位連接，連接導線應當不少于2根，且每根導線應選用截面積不小于50 mm2的扁鍍錫軟銅復絞線或絕緣阻燃護套軟銅復絞線，連接點處用銅接線端子及2個M12的不銹鋼螺栓連接并加防松墊片固定；同時宜采用可靠的方式將浮盤和罐體沿罐周做均布的等電位連接。

大型儲罐除了按照標準進行上述連接外，還應當在扶梯與罐壁以及扶梯與浮盤間作等電位連接接地。儲罐上的溫度液位測量裝置、信息系統裝置、消防監控系統裝置等也應與罐體作等電位連接。與罐體相接的電氣、儀表配線電氣連接應采用金屬管屏蔽保護。

3.3 大型儲罐罐區系統綜合防雷措施

為確保大型儲罐的安全，除采用上述防雷措施外，應當配套使用油庫系統綜合防雷措施，防止雷擊造成的危害。

所謂系統綜合防雷措施，就是綜合利用傳統防雷設備和自主研制的專用防雷設備進行優化匹配，達到最佳防雷效果[15]。即根據大型儲罐的防雷特點，在儲罐區總平面布置圖上，建立全面與重點、遠引與近防、消磁與消弧、反射與吸收、疏導與屏蔽相結合的多層、多級、多措施的全方位雷電預防與防護體系。

對儲罐保護區域以外的雷電，利用遠引避雷針，結合地形和環境在較遠距離內盡量吸引和攔截可能進入保護區域的雷電；對進入保護區域的雷電，利用自主研發的消磁消弧避雷針進行綜合防護。該消磁消弧避雷針的主要特點是利用其反射體有效地反射接閃器雷電火花的電磁感應；利用其吸波裝置的導磁體有效地吸收過濾雷電流的高頻脈沖，并將電磁感應有效地轉換成渦流；利用其無感抑浪裝置減小雷電電磁感應產生的峰值電流；通過防雷專用電纜疏導強大的雷電流，同時屏蔽雷擊電流所產生的電磁感應和閃絡[16]。這樣既可以避免大型儲罐遭受直擊雷，又可以防止感應雷所產生的感應電動勢對大型儲罐帶來的危害，同時還可以消去雷電所產生的電磁脈沖、沖擊電壓等，保護了儲油罐區儀表、消防監控系統等精密弱電磁設備，使之不會因雷擊而損壞[17]。

4 系統綜合防雷在重慶市601油庫中的應用

重慶市601油庫工程總儲油量10.4萬m3，屬一級大型石油庫，年平均雷暴日40.1 d，屬雷電多發區。該油庫二期建成8座1萬m3立式內浮頂鋼制油罐，油罐高度為19.4 mm，油罐直徑為28.8 m。

目前對這8座儲罐應用了系統綜合防雷技術，在距離儲罐區防火堤5m處，架設自主研制的專用消磁消弧避雷針8套，做獨立接地，接地電阻≤10Ω，同時作環形地網，以確保各獨立避雷針接地系統等電位。每套避雷針對儲罐進行一級保護，其架設有效高度為28 m，利用滾球法可計算出其有效保護半徑為29.93 m，能夠很好地滿足儲油罐區的雷電防護要求 （見圖2）。

根據避雷針對儲油罐的保護級別和避雷針的有效保護半徑，針對每個儲油罐的相對地理位置，通過自主研制的系統綜合防雷數字仿真軟件進行分析，在油庫總平面圖上合理地布置消磁消弧避雷針，使其既滿足各個儲油罐雷電防護的需要，又做到統籌優化，達到經濟高效的目的 （見圖3）。

系統綜合防雷技術具有穩定實用、安全可靠等特點，將其應用于重慶601油庫，徹底解決了油庫的雷電安全防護問題。自2008年投入使用以來再也沒有發生任何雷擊安全事故。

三期即將建成的4座10萬m3大型儲罐，其高度約21 m、直徑約90 m，由于尺寸大，在系統綜合防雷時，應當適當地增加避雷針架設高度或建造避雷塔，在大型儲罐保護區域外建立起遠引避雷針系統，在保護區域內合理地確定消磁消弧避雷針的架設位置。對大型儲罐罐區建立起高、中、低多層次雷電保護，通過濾波裝置、吸波裝置和無感應抑浪裝置等建立起堤壩式的多級浪涌保護，同時在技術、管理、操作等層面上建立起多措施全方位雷電防護。

5 結論

綜上所述，應用系統工程原理對大型儲罐雷電安全防護工作進行綜合治理，根據大型儲罐的雷擊特點采取相應防雷措施，以達到安全實用、穩定可靠的目的。在大型儲罐雷電防護實際工作中，宜采用軟密封以減少油氣泄漏，同時做好防雷接地和電氣連接等措施，避免直擊雷或感應雷所帶來的損害。在大型儲罐罐區應當配套采用油庫系統綜合防雷措施，在罐區總平面布置圖上合理布置消磁消弧避雷針系統，建立全面與重點、遠引與近防、消磁與消弧、反射與吸收、疏導與屏蔽相結合的多層、多級、多措施的全方位雷電預防與防護體系。從該防雷系統在重慶601油庫應用實踐來看，其防雷措施科學可行，防雷效果好；從經濟效益看，該系統經過2年的實際使用，減少了油庫以往每年因雷擊造成的直接經濟損失近60萬元，實現了經濟、社會效益的有機統一，具有十分廣闊的應用前景。

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Integrated Lightning Protection of Bulk Storage Tank in Oil Depot

ZHOU Yi（Department of Petroleum Supply Engineering,Logistic Engineering University of PLA,Chongqing 401311,China）,ZHAO Xiao-gang,PAN Shi-xiang,et al.

This paper,on the basis of the lightning accident cases of bulk storage tanks in recent years,analyzes the main causes and characteristics of these cases,introduces lightning protection measures of such bulk storage tanks,and then discusses the integrated lightning protection technigues for the tank battery area，which has the characteristics of practicability,reliability and simplicity.

bulk storage tank;tank battery area;integrated lightning protection;system engineering

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.002

周 毅 （1986-），男，四川樂山人，后勤工程學院油氣儲運碩士研究生，從事油氣儲運技術及儲運安全方向的研究。

2011-02-26；

2011-11-16