浮頂儲罐雷擊致災(zāi)機理與安全評價方法研究

李昊岑 馬端祝 婁仁杰 戴麗平

〔1 中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院 北京 102249；2 中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司 北京 102206〕

隨著石油行業(yè)的迅速發(fā)展，原油儲罐的安全問題已成為重點關(guān)注的問題。目前，大型原油儲罐大部分采用浮頂儲罐的形式，因其結(jié)構(gòu)特點的原因，浮盤的面積較大且直接暴露在空氣中，容易造成因雷擊火花放電引起的火災(zāi)爆炸事故[1-3]。分析雷擊浮頂儲罐的火災(zāi)爆炸事故機理，采用合理的方法對其進行雷擊風險的安全評價，對預(yù)防浮頂儲罐雷擊事故具有重要意義。

目前針對儲罐雷擊風險的研究，宮宏等人對浮盤的密封形式與儲罐雷擊起火之間的關(guān)系進行了研究[1]。蓋程程、Amos Necci等人采用QRA定量化風險評估的方法進行了研究[4-6]。銀鋒等人基于火災(zāi)事故的多米諾效應(yīng)分析了雷擊造成火災(zāi)連鎖事故的場景[7]。劉寶全、劉健等人提出取消二次密封上的導電片，在浮盤與罐壁之間采用多個可伸縮的接地裝置來代替[8-9]。也有學者在基于國際防雷標準IEC 62305[10-12]和蒙特卡洛法[13]，對油庫的雷電災(zāi)害風險評估進行了研究。目前對儲罐的雷電災(zāi)害風險性評估大部分采用IEC 62305-2 (Protection against Lightning Part 2: Risk Management )中單體建筑物的雷擊風險評價方法[14]，運算過程中缺乏對儲罐特性的考慮，且儲罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素多，綜合評價較困難。模糊綜合評判法能在充分考慮浮頂儲罐雷擊風險因素的情況下，從層次性角度分析儲罐雷擊事故，可最大限度地客觀評價儲罐雷擊事故。

1 浮頂儲罐雷擊事故機理分析

1.1 油氣泄漏原因分析

由于原油儲罐的高危性，一旦遭受到雷擊極有可能造成巨大的財產(chǎn)損失和人員傷亡，尤其是浮頂儲罐。目前，絕大多數(shù)的大型原油儲罐都采用外浮頂結(jié)構(gòu)，在浮盤與罐體之間會有一定的間隙，為保證浮盤的靈活性并防止油氣泄漏，浮盤與罐體之間需要安裝密封裝置。

現(xiàn)有的外浮頂儲罐大多采用的是“一次密封結(jié)構(gòu)+二次密封”的密封方法，但由于操作不當或維護不利，導致密封失效的狀況時有發(fā)生[15,16]，如：在實際操作中，浮盤的沉降、油品等介質(zhì)的腐蝕會造成罐壁和浮盤的形狀出現(xiàn)變化，導致密封失效；陽光和風蝕也會導致密封橡膠老化變型，引起密封失效。而且因為二次密封裝置無法徹底隔絕外部空氣進入密封裝置內(nèi)，故外界進入的空氣與散發(fā)的油氣必在一、二次密封裝置之間混合，形成油氣混合物。經(jīng)上述分析，一、二次密封裝置之間可能存在處于爆炸極限范圍內(nèi)的可燃氣體，倘若雷擊造成該部位發(fā)生點火放電，將會造成嚴重的火災(zāi)爆炸事故。

1.2 雷擊危險性分析

儲罐雷擊事故的著火源是罐體上的金屬設(shè)施

間存在的放電間隙。雷擊浮頂儲罐有以下兩種形式：

(1)雷擊罐壁頂。因為電流會選擇最小電阻最小的電路通過，所以罐壁頂位置易受到直接雷擊，雷擊后的雷電流會通過兩種渠道導出，如圖1所示。一種是直接經(jīng)過罐壁導出，一種則是經(jīng)過內(nèi)側(cè)罐壁、分流器、密封圈、浮盤、分流器后再沿著罐壁導出。

圖1 雷擊罐壁雷電流途徑

(2)雷擊浮盤。根據(jù)滾球法計算，浮盤有一部分區(qū)域沒有在罐頂?shù)谋Ｗo區(qū)域內(nèi)，特別是當罐內(nèi)液位較高，浮盤的絕大部分區(qū)域都易受到雷擊。雷擊后雷電流會沿各個方向蔓延，或經(jīng)過滑動扶梯，或依次通過密封圈、分流器和罐壁向大地放電，如圖2所示。

圖2 雷擊浮盤雷電流途徑

其中第二種雷擊方式是較危險的。電流的泄放必須具備連續(xù)的電氣連接，常見的雷電分流分路裝置是浮盤上的二次密封導電片，它是由外界的彈力貼合在罐壁上，貼合會由于一些原因?qū)е沦N合不穩(wěn)，存在放電間隙，而電流產(chǎn)生火花放電只需要達到幾百安培[17,18]，一旦有雷電流通過就會出現(xiàn)放電打火的可能，這也是出現(xiàn)浮頂儲罐雷擊火災(zāi)爆炸的重要原因之一。

除此之外，倘若防雷接地、罐體上的金屬附件等電位連接等防雷措施不合格，存在放電間隙，當有雷電流通過或者存在感應(yīng)電壓時，也極易在間隙處出現(xiàn)放電打火現(xiàn)象，從而形成點火源；罐體上的液位系統(tǒng)、感溫系統(tǒng)、自動火災(zāi)報警系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)等信息系統(tǒng)出現(xiàn)失效，進而引起的反饋不及時或反饋失效，也有可能導致事故的發(fā)生[19]。

2 浮頂儲罐雷擊風險評估

在對浮頂儲罐這類復(fù)雜事物進行評價時，需要兼顧同時多種屬性、多種方面。模糊綜合評判法既能夠進行嚴格的定量刻畫，也可以對一些模糊、難以定量分析的模糊現(xiàn)象進行定性描述，可以最大限度地客觀評價事物[20]。

2.1 評估層次模型的建立

因需要，在普通建筑物雷擊風險評估的基礎(chǔ)上，建立了結(jié)合浮頂儲罐特性的雷擊風險評估層次模型，如圖3所示。參考浮頂儲罐實際安全管理現(xiàn)狀的層次結(jié)構(gòu)，可以將儲罐雷擊風險體系分為4個一級指標，包括承災(zāi)體(浮頂儲罐)風險u1、雷擊風險u2、防御風險u3、地域風險u4，各因素又包括4個二級指標：一、二次密封裝置v1、雷電分流分路器v2、防雷接地等防雷設(shè)施v3、儲罐信息系統(tǒng)v4、雷電流強度v5、年雷暴日v6、雷擊密度v7、雷暴途徑v8、防雷設(shè)施維護v9、防雷檢測v10、應(yīng)急救援v11、安全教育v12、地形地貌v13、土壤條件v14、周邊環(huán)境v15、交通通訊條件v16。

圖3 浮頂儲罐的雷擊風險評估層次模型

2.2 指標因素權(quán)重確定

使用層次分析法確定各指標因素的權(quán)重，以一級指標為例，根據(jù)劃分的承災(zāi)體(浮頂儲罐)風險u1、雷擊風險u2、防御風險u3、地域風險u4這4個指標，根據(jù)專家打分法確定判斷矩陣A為：

然后通過按列規(guī)范化再對其行平均，得到權(quán)重值A(chǔ)0為:

A0=(0.506 7 0.264 0 0.142 8 0.086 4)

得到最大特征值為4.021 1，進行一致性檢驗：

查看一致性指標，當n=4時，C.R.=0.89，則

式中：CI為判斷矩陣一致性指標，RI為引入平均隨機一致性指標，CR為隨機一致性比率。當CR大于0.01時需要對矩陣進行調(diào)整，當CR小于0.01時表示構(gòu)建的判斷矩陣可以接受[21]。

所以，判斷矩陣可以接受，所得的權(quán)重值可以使用。

同理，可求得各二級指標的權(quán)重，得到浮頂儲罐的雷擊風險評估指標因素的權(quán)重大小及其排序，詳見表1。

表1 各級指標因素對其目標層的權(quán)重及排序

續(xù)表1

在進行權(quán)重確定時，不同專家的觀點會造成權(quán)重系數(shù)間的差異，這具有一定的主觀性，所以充分分析并合理選取指標因素，由多位經(jīng)驗豐富的專家判斷來確定權(quán)重是評價結(jié)果科學合理的保障。根據(jù)所得的權(quán)重分析結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，一、二次密封裝置v1、雷電分流分路器v2、雷電流強度v5、防雷設(shè)施維護v9這幾個因素對儲罐的雷擊安全性影響較大，應(yīng)當定期檢查密封裝置內(nèi)的可燃氣體濃度，做好防雷設(shè)施設(shè)備的維護。

2.3 某浮頂儲罐的雷擊模糊綜合評價

2.3.1 建立浮頂儲罐雷擊安全的評語集

以某地區(qū)10萬m3外浮頂儲罐為例，建立了5個等級的浮頂儲罐雷擊安全的評語集(表2)。

表2 安全評價等級及分數(shù)

2.3.2 某浮頂儲罐的雷擊模糊評價分析

根據(jù)專家評定，得出各個因素對評語集中每個等級的隸屬度,再將各因素的隸屬度為行構(gòu)建評價矩陣R。

得出v1～v4構(gòu)成的承災(zāi)體風險層隸屬度矩陣R1：

得出v5～v8構(gòu)成的雷擊風險層隸屬度矩陣R2：

得出v9～v12構(gòu)成的防御風險層隸屬度矩陣R3：

得出v13～v16構(gòu)成的防御風險層隸屬度矩陣R4：

采用M(∧,∨)算子，用“·”表示，計算各二級因素層的模糊評價結(jié)果：

承災(zāi)體風險層：

V1=(v1,v2,v3,v4)·R1=(0.3,0.2,0.27,0.2,0)

雷擊風險層：

V2=(v5,v6,v7,v8)·R2=(0.48,0.26,0.12,0,0)

防御風險層：

V3=(v9,v10,v11,v12)·R3=(0.5,0.3,0.19,0.1,0)

地域風險層：

V4=(v13,v14,v15,v16)·R4=(0.51,0.3,0.1,0,0)

在此基礎(chǔ)上進行二級評估，歸一化建立總評價矩陣B：

進而再采用M算子進行模糊分析處理并歸一化，得出系統(tǒng)評價矩陣C：

C=(u1,u2,u3,u4)·B=(0.293,0.247,0.265,0.195,0)

根據(jù)安全評價的評語集(表1)及歸一化得出的C值，計算出系統(tǒng)的總得分為：

f=95×0.293+80×0.247+65×0.265+50×0.195=74.57

3 評價結(jié)果分析及預(yù)防對策

文章在考慮了浮頂儲罐特性和雷擊風險因素基礎(chǔ)上，研究了浮頂儲罐雷擊災(zāi)害風險層次評估的結(jié)構(gòu)并采用模糊綜合評價法進行了評價。從整個評價過程來看，建立的浮頂儲罐雷擊風險綜合模糊評估模型可以較為客觀地進行評估，所采用的層次分析法確定權(quán)重，其操作簡易并具有良好的實用性和擴充性。從評價結(jié)果來看，與實際情況基本一致，該儲罐的安全等級為較安全，但在雷電分流分路裝置和一、二次密封裝置處仍存在一定的安全隱患，因此給出了相應(yīng)的預(yù)防對策：

(1)采用其他雷電分流分路裝置代替導電片。在實際操作中，難以保證導電片與罐壁能夠緊密貼合，當雷擊浮頂儲罐時，倘若導電片與罐壁存在間隙，極易發(fā)生火花放電，進而引起一、二次密封裝置內(nèi)的油氣混合物燃燒爆炸。采用可伸縮式接地裝置，實現(xiàn)分流器與罐壁的低阻抗電氣連接，能夠有效、安全地泄放雷電流。

(2)對一、二次密封裝置內(nèi)的油氣混合物濃度進行實時監(jiān)控。大部分雷擊儲罐時造成的火災(zāi)爆炸事故都是因一、二次密封裝置內(nèi)可燃氣體濃度超標引起的。在現(xiàn)實操作中盡管對其進行了定期濃度檢測，但難免由于人員疏忽、罐壁腐蝕等原因，出現(xiàn)油氣泄漏并超標的現(xiàn)象，這是極大的安全隱患。對一、二次密封裝置內(nèi)的油氣混合物濃度進行實時監(jiān)控，可在出現(xiàn)濃度超標的情況時及時采取措施，保證可燃氣體濃度在爆炸極限以下。

(3)加強防雷設(shè)施設(shè)備維護。增強各金屬設(shè)備之間的等電位連接，認真完成日常的檢查工作，尤其是在雷雨季節(jié)更要加強防范意識，做好罐體防雷設(shè)備的維護工作。