LNG儲罐的防雷裝置分析

牛軍鋒

摘要：本文主要對LNG儲罐頂部裝置防雷及接地設置進行簡要分析，以供業內參考。

關鍵詞：LNG儲罐；防雷；設置

1 儲罐頂部設置避雷針

設置避雷針時，采用滾球法對避雷針進行了保護范圍計算。以 hr為半徑的一個球體，沿需要防直擊雷的部位滾動，當球體只觸及接閃器（包括被利用作為接閃器的金屬物）或接閃器和地面（包括與大地接觸能承受雷擊的金屬物）而不觸及需要保護的部位時，該部分就是接閃器的保護范圍。

LNG罐按第二類防雷構筑物設計。第二類防雷構筑物的滾球半徑hr為45 m，放空閥高度1m，距放空閥 5m處設置一支 h為10m 高的避雷針。避雷針保護范圍的具體確定方法如下（如圖1所示）：

圖1 避雷針保護范圍

（1）距地面hr處作一平行于地面的平行線；

（2）以針尖為圓心，hr為半徑，作弧線交于平行線的 A、B兩點；

（3）以 A、B為圓心，hr為半徑作弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切，從該弧線起到地面止就是保護范圍。保護范圍是一個對稱的錐體。從圖1中可以看出，放空閥安裝點距避雷針的距 離接近5m，而放空閥的高度只有1m，所以圖1避雷針保護范圍放空閥完全在避雷針的保護范圍內。避雷針采用鋼管制作，頂部是實心鋼棒，并用3條鋼絞線固定在儲罐頂部。

2 儲罐頂部設置避雷網

LNG罐按第二類防雷構筑物設計。GB50057—2010《建筑物防雷設計規范》 第4.3.1 條規定，第二類防雷構筑物外部防雷的措施，宜采用裝設在構筑物上的避雷網、避雷帶，在整個屋面組成不大于10m×10m或12m×8m 的網格，接閃器之間應互相連接。LNG 罐頂平面直徑80.6 m，分為5個圓周，半徑分別為R1= 5.75（m）、R2= 14（m）、R3= 23（m）、R4= 32（m）、R5= 40（m）。其中，R1圓周內區域已由避雷針覆蓋，該區域不再設置避雷網，其他4個圓周內設置避雷網。儲罐防雷接地結構如圖2所示。

（a）俯視圖 （b）側視圖

圖2 儲罐防雷接地結構

4 個圓周長分別為：L2= 2π×R2= 87.96（m）、L3= 144.51（m）、L4= 201.06（m）、L5=256.35（m）。每一圓周內相鄰兩個避雷帶之間的距離設計為5 m，分別需要避雷帶網格的個數是：N2= L2/5 =17.6≈18（個）、N3= 28.9≈29（個）、N4=40.2≈41（個）、N5= 51.3≈52（個）。

避雷帶采用12×4鍍鋅扁鋼制作。按照上述方法組成如圖2所示的罐頂避雷網，每一個區域面積符合防雷要求。

3 防雷引下線設置

GB 50057—2010 第4.3.3條規定，建（構）筑物專設引下線不應少于2根，并應沿建筑物四周均勻對稱布置，其間距沿周長計算不宜大于18m。

儲罐圓周L5= 256.35（m），引下線數量 N =L5/18 = 14.24（根），取15根引下線采用12×4鍍鋅扁鋼，在高度1m處設斷接卡，如圖2（b）所示。要測量每一個接地點的接地電阻，需拆開斷接卡，分別測量 15個接地點的接地電阻。引下線在地面下700mm 處通過120mm2的絕緣銅芯導線連接成一個接地干線網，并與接地極連接。

4 接地極設置

GB 50057—2010 第4.3.10條規定，有爆炸危險的露天鋼質封閉氣罐，當其高度小于或等于60m、罐頂壁厚不小于4mm時，或其高度大于60m、罐頂壁厚和側壁壁厚均不小于4mm時，可不裝設接閃器，但應接地，且接地點不應少于2處，兩接地點間距離不宜大于30m。

LNG儲罐地面基礎直徑D為85m，儲罐接地干線網與接地極連接點數量為N = D×π/30 = 8.89（個）。為保證儲罐有更加良好的接地效果，取N為12。

LNG儲罐位于填海區域，沙石電阻率較大，故選用電解離子接地極。

電解離子接地極由先進的陶瓷合金化合物組成，電極外表為紫銅合金，以確保最高導電性能及較長使用壽命，并配以內外兩大種類填充劑。實驗證明，土壤電阻率過高的直接原因是因為缺乏自由離子的輔助導電作用。接地導體外部的回填料以具有強吸水力、強吸附力和陽離子交換性能高的材料為主體，配以長效、降阻、防腐功能強、膨脹系數高、不受溫度變化影響、耐高電壓沖擊的多種化學材料為輔料，具有保濕、離子緩釋、潛深接地、長效降阻的功效和特點。電解離子接地極結構如圖 3 所示。

圖3 電解離子接地極

電解離子接地極長 3 m，不適合垂直安裝。根據現場的實際情況，將接地極平放于溝槽中，具體施工過程如下（見圖 4）。

圖4 電解離子接地極安裝圖

（1）在儲罐基礎1.5 m處挖—深60cm、長330cm、寬20cm的溝槽。

（2）用干布將接地極擦拭干凈，不能有油污；在接地極上部、中部、下部的離子釋放孔處注入清水。

（3）將 GAF 粉末狀接地改良劑加水攪拌，放置于溝底。

（4）將接地極保持一定傾斜度放置于溝底，上部用改良劑覆蓋。

（5）用絕緣膠帶將接地極引線包好，采用熱熔焊方式與接地干線連接。

5 靜電接地設置

當 LNG 注入儲罐時，液體流發生電荷分離，當電荷積聚到一定程度時就會產生靜電放電。由于靜電放電是在納秒級的時間內完成的，其峰值電流可達幾十安，所以瞬間的功率十分巨大，靜電放電具有嚴重的破壞力避免靜電危害的方法：一是限制可燃液體流動的速度，大大減少靜電的產生和積聚；二是做好靜電接地。靜電接地就是用接地的辦法提供一條靜電荷釋放的通道。接地回路必須連接可靠，否則會在接觸不良處產生火花放電。具體做法是：在儲罐內壁焊接接地螺栓，通過 70 mm2絕緣銅芯導線連接至外壁金屬體，以釋放靜電。靜電接地連接如圖 5所示。

圖 5 靜電接地連接

6 接地檢測結果

GB50057—2010第 4.3.10條還規定，每處接地點的沖擊接地電阻值不應 大 于30Ω。GB12158—2006《防止靜電事故通用導則》第 6.1.2條規定，要使靜電荷盡快地消散在靜電危險場所，所有屬于靜電導體的物體必須接地，每組專設的靜電接地體的接地電阻值一般不應大于100Ω，在山區等土壤電阻率較高的地區，其接地電阻值也不應大于 1000Ω。防雷接地工程結束后，實測接地電阻值為0.8Ω，各接地引下線與接地干線連接良好，滿足防雷接地要求。

7 防雷裝置的維護與運行

保證儲罐的防雷裝置在雷擊事故中起到應有的作用，是一個十分重要的問題。要做到這一點，關鍵是對防雷裝置進行安全檢測，及時發現問題，及時整改。

儲罐防雷裝置安全檢測應包括以下內容：

（1）接地電阻應符合要求，應該用專用接地沖擊電阻測試儀進行接地電阻的測量；

（2）接閃器與引下線應采用焊接法連接；

（3）引下線的材料與尺寸應滿足規定要求；

（4）斷接卡應該無銹蝕；

（5）定期進行防雷設施的防腐處理。

在日常維護和運行中，還應注意以下問題。

（1）接地電阻的年度檢測不能用政府部門的年度抽檢代替。這是兩個完全不同的測試方法，前者能夠保證每個接地點的接地電阻和接地系統是完好的，而后者只能保證整個接地系統符合要求。當雷擊發生時，必須將雷電流迅速傳導到地下，前提就是每個接地點都是完好的。所以，接地電阻年度檢測是必須進行的，不能用政府抽檢代替。

（2）電解離子接地極與儲罐基礎鋼結構的電池腐蝕問題。鐵和銅在海水中的電偶序分別是-0.5V、-0.1V，兩種金屬之間存在電位差，當通過導體連接在一起時，就組成了原電池，作為陽極的鐵被腐蝕，保護了陰極的銅。埋地電纜的鋼鎧被腐蝕也是這種現象，必須經常檢查腐蝕的速度和程度。

（3）儲罐陰極保護與接地裝置的設置。儲罐安裝陰極保護裝置時，如果設置不當，將近99%的陰極保護電流會通過接地裝置流入儲罐，只有不到1%的陰極保護電流通過土壤流入儲罐底板，使儲罐底板幾乎沒有陰極保護效果。必須進行全面的檢測評估，采取正確的安裝方法，使防雷接地和陰極保護兩種保護系統合理存在，各自發揮作用。