自升式鉆井平臺的雷擊風險評估方法

沈寰 石烜 苑世寧

摘 要：筆者依據GB/T21714.2-2008有關建筑物雷擊風險評估的理論，結合海上自升式鉆井平臺的現場調研情況，提出了適用于自升式鉆井平臺的雷擊風險評估方法。這套方法對其他鉆井平臺、油氣生產平臺、FPSO等海上油氣設施也具有借鑒意義。

關鍵詞：鉆井平臺 雷擊 風險評估 防護措施

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（c）-0040-03

隨著我國海洋石油勘探開發事業的快速發展，海上設施不斷增多，各種弱電設備也被大量投入使用。近年來，隨著全球氣候變化影響，雷暴天氣增多，導致這些海上設備設施頻繁遭受雷電災害，已威脅到人員和設備安全，對正常生產作業帶來一定的影響。

自升式海上鉆井平臺是一種用于鉆探井的海上結構物，由平臺、樁腿和升降機構組成，并裝備鉆井、動力、通訊、導航等設備。據不完全統計，近十年來，中國海油已有十多座自升式鉆井平臺遭受不同程度的雷電災害，造成頂驅編碼器、電子司鉆服務器、頂驅變頻器內部電路板、鉆井儀表主機、視頻監控設備、氣體監測裝置等關鍵設備損壞，造成數十小時的故障停機以及一定的直接經濟損失。

為了有效減少自升式鉆井平臺遭受的雷災損失，應正確開展防雷設計和施工工作。而防雷設計施工的前提，就是通過開展雷電災害風險評估，確定平臺是否需要防雷以及需要怎樣的防雷措施，確保防雷設計施工安全可靠、技術先進、經濟合理。該文中，筆者結合自升式鉆井平臺的現場調研情況以及GB/T21714.2-2008針對建筑物的雷擊風險評估理論，提出了海上自升式鉆井平臺的雷擊風險評估方法。

1 調研平臺簡介

實地調研的是一座典型的自升式鉆井平臺——中海油服所屬的BH10平臺，由新加坡馬拉松船廠制造。該平臺注冊于由美國船級社（ABS），主要在我國渤海海域開展鉆探井作業。

該平臺如圖1所示，由一個焊接的鋼質單層船體組成，船殼外形大致為三角形，具有三根橇架式樁腿，每根樁腿端有一個樁靴。該平臺總長64.72 m，寬53.65 m，型深6.10 m，井架長度44.2 m，樁腿總長109.83 m，平臺凹槽12.19 m×15.8 m，樁靴直徑12.19 m，樁靴高度6.52 m，樁靴面積147.25 m2，直升飛機平臺直徑21.34 m，最大懸臂長度12.19 m，轉盤面至船底16.67 m。

2 調研平臺現有防雷措施及缺陷

BH10平臺現場勘察發現，平臺井架、船身和樁腿可作為優良的直擊雷接閃和泄放裝置；（1）發電機輸出端配有高壓防浪涌裝置，然而弱電系統的防雷措施還很不完善：平臺線路大多露天布設或走半開放式橋架，屏蔽措施不符合防雷要求；（2）頂驅電磁閥和編碼器、頂驅變頻器、司鉆控制臺、鉆井儀表、鉆井儀表控制設備、各現場傳感器、視頻監控等均未采取浪涌抑制措施，等等。

3 風險評估

對自升式鉆井平臺進行雷擊風險評估，是為了評估平臺在現有防雷措施下的雷災風險是否超出可接受的風險范圍。如果雷災風險超出風險允許值，應采取相應的防雷措施降低該風險。

3.1 風險組成

雷電流是引起自升式鉆井平臺雷電災害的主要原因，損害成因根據雷擊點位置的不同可分為以下兩種。

（1） S1，雷擊平臺自身；

（2） S2，雷擊平臺附近區域。

上述形式的雷電影響可對自升式鉆井平臺產生以下損害。

（1） D1，雷擊對作業人員造成的傷害；

（2） D2，雷擊對平臺設備設施造成的物理傷害；

（3） D3，雷擊對電氣電子設備造成的誤動作或損壞。

每種損害，不論單獨出現或與其他損害共同作用，會在自升式鉆井平臺產生以下各種損失。

（1） L1，人員傷亡損失；

（2） L2，平臺供電、信號傳輸等中斷的損失；

（3） L4，經濟損失（設備設施失效或永久損壞）。

雷電風險是由雷擊造成的年均可能損失與需要保護對象總價值的比值，為了評估自升式鉆井平臺遭受雷電影響時可能出現的各種損失的概率，應計算人員傷亡損失風險R1、平臺供電及信號傳輸等中斷的風險R2以及經濟損失風險R4。

3.2 風險分量

對于自升式鉆井平臺來說，應加以考慮取決于雷擊點位置的下列風險分量：

（1） 雷擊平臺自身。

RA：在平臺外部甲板上，由接觸和跨步電壓導致對人員傷害的風險分量。可能會出現L1的損失類型；

RB：在平臺上由危險火花引發的火災或爆炸引起設備設施物理損害的風險分量。可能會出現L1，L2，L4的損失類型；

RC：因雷電電磁脈沖引起的平臺電氣電子設備失效的風險分量。在任何情況下都會涉及L2和L4的損失，對于有爆炸危險的區域，L1損失也要加以考慮；

RU：平臺內部由于接觸和跨步電壓導致的對人員傷害的風險分量。這是由于雷電流注入電力、信號等線路引起的，可能會出現L1損失；

RV：因雷電流通過或沿著電力、信號等線路導入所致的平臺設備設施物理損害的風險分量，可能會出現L1，L2，L4損失；

RW：因電力、信號等線路中感應產生并導入平臺內部的感應過電壓引起電氣電子設備失效的風險分量。在任何情況下，L2和L4損失都會涉及，對于有爆炸危險的區域，L1損失也要加以考慮。

（2）雷擊平臺附近區域。

RM：因雷電電磁脈沖引起的平臺電氣電子設備失效的風險分量。在任何情況下都會涉及L2和L4損失，對于有爆炸危險的區域，L1損失也要加以考慮；

RZ：因電力、信號等線路中感應產生并導入平臺內部的感應過電壓引起的電氣電子設備失效的風險分量。在任何情況下，L2和L4損失都會涉及。對于有爆炸危險的區域，L1損失也要加以考慮。

3.3 風險計算

各個風險分量可用以下通用表達式來表示（3）：

RX=NXPXLX（X=A，B…）

式中，Nx為年均危險雷擊次數，Px表示年均雷擊損害概率，Lx表示每次雷擊損害導致的損失率。

（1） 雷擊平臺自身產生的各個風險分量計算：

RA=NDPALA= NDPAraLt

RB=NDPBLB=NDPBrhrfLf

RC=NDPCLC= NDPCLO

RU=（NL+NDa）PULU=（NL+NDa）PUraLt

RV=（NL+NDa）PVLV=（NL+NDa）PVrhrfLf

RW=（NL+NDa）PWLW=（NL+NDa）PWLO

（2） 雷擊平臺附近區域產生的的各個風險分量計算

RM=NMPMLM=NMPMLO

RZ=（NI+NL）PZLZ=（NI-NL）PZLO

3.4 風險評估步驟

（1） 評估自升式鉆井平臺是否需要防雷的具體步驟。

評估自升式鉆井平臺是否需要防雷時，應考慮風險R1、R2并采取以下步驟（圖2）：

（2） 評估自升式鉆井平臺采取保護措施成本效益的步驟。

除了對自升式鉆井平臺是否需防雷的評估外，也有必要對減少經濟損失L4而采取防雷措施的成本效益做出評估（圖3）。

（3） 防雷措施的選取。

依據GB/T21714.3、GB/T21714.4、GB/T21714.5，按照雷電損害類型選擇防護措施以相應地降低風險。對自升式鉆井平臺進行防雷設計時，應根據每一風險分量在總風險中所占比例并考慮各種不同保護措施的技術可行性及造價，單獨或組合采用最合適的防護措施。（圖4）。

4 結語

為了確保海上自升式鉆井平臺防雷設計施工安全可靠、技術先進、經濟合理，筆者根據鉆井平臺調研的實際情況并結合GB/T21714.2-2008的理論，制定了一套切實可行的自升式鉆井平臺雷電災害風險評估方法，為類似海上設施的雷電災害風險評估提供參考。

參考文獻

[1] 中國船級社.海上移動平臺入級規范[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2] SH/T3164-2012 石油化工儀表系統防雷工程設計規范[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3] GB/T21714.2-2008雷電防護 第2部分：風險管理[S].北京：中國標準出版社，2008.