大型外浮頂儲罐防雷技術探討

鄧 鑫

（中國石油天然氣管道工程有限公司）

大型浮頂儲罐是我國石油化工企業和國家原油儲備庫通用的儲罐形式，但儲罐一旦發生火災或爆炸，不僅會帶來嚴重的經濟損失同時也會給現場工作人員帶來巨大的生命威脅［1～3］。雷擊是造成儲罐著火的主要原因之一， 據報道，1951～2003年間， 世界范圍內儲罐著火事故年均15～20起，其中三分之一的儲罐火災事故是由雷電引起的。 我國油罐多處于碼頭、港口等沿海雷電多發地區，黃島油庫、茂名石化北山油庫、儀征輸油站及鎮海國家儲備庫等多個油庫先后發生過雷擊著火事故。 雷擊造成浮頂儲罐著火的機理為雷擊電流通過儲罐不同電位結構時產生的電火花引燃環向密封處聚集的油氣［4～6］。浮頂儲罐的防雷設計目的在于使儲罐各部分結構等電位，將雷擊電流通過罐體及防雷接地設施導向大地而不產生電火花，從而避免雷擊起火事故，因此大型浮頂儲罐的防雷設計是保證儲罐安全運行的重要舉措。目前，浮頂儲罐的防雷措施大多為被動式［7，8］，為保證油罐的安全運行，應重視主動防雷措施的制定。 為此，筆者基于近年來國內外對于浮頂儲罐防雷的標準規范，總結浮頂儲罐可實施的防雷舉措。

1 浮頂儲罐防雷設計要求

針對浮頂儲罐防雷設計的標準有：API 650—2020《Welded Tanks for Oil Storage》［9］、NFPA 780—2020 《Standard for the Installation of Lighting Protection Systems》［10］、API RP 545—2009 《Recommended Practice for Lighting Protection of Aboveground Storage Tanks for Flammable or Combustible Liquids》［11］、GB 50341—2014 《立式 圓 筒 形 鋼 制 焊 接 油 罐 設 計 規 范》［12］、GB 50737—2011 《石 油 儲 備 庫 設 計 規 范》［13］、GB 50074—2014 《石油庫設計規范》［14］、GB 15599—2009《石油與石油設施雷電安全規范》［15］和Q/SY 1718—2014《外浮頂油罐防雷技術規范》［16］，具體要求見表1。

表1 不同標準對浮頂與罐體電氣連接的要求

（續表1）

由表1可知， 無論國內還是國外工程建設中的浮頂儲罐都應基于標準的規范要求采取相應的防雷措施，做法基本相同，即：

a. 浮頂油罐轉動扶梯兩側與罐體和浮頂應做兩處電氣連接；

b. 利用浮頂排水管將罐體與浮頂做電氣連接， 每條排水管線的跨接導線應采用1根截面積不小于50 mm2的扁平鍍錫軟銅復絞線；

c. 金屬儲罐的阻火器、 呼吸閥、 量油孔、人孔、切水管及透光孔等金屬附件應等電位連；

d. 當采用滑板式機械密封時，鋼滑板與浮頂間應采用截面積不小于10 mm2的軟銅電纜線做電氣連接，沿內壁間距不宜大于3 m。

從表1各標準對浮頂儲罐防雷設計的規范要求不難發現，其中對電氣連接線和導電片的要求不盡相同，具體為：

a. 電氣連接線。 NFPA 780—2020、API RP 545—2009和Q/SY 1718—2014要求電氣連接線應沿儲罐圓周布置且安裝間距不應大于30 m， 電氣連接線的電阻值應小于0.03 Ω；GB 50341—2014與GB 15599—2009要求安裝至少2根電氣連接線，GB 50737—2011要求采用2根電氣連接線， 而API 650—2020對于電氣連接線未做要求； 各標準規范對于電氣連接線的截面積要求皆為不小于50 mm2，但對于安裝數量的要求不同。

b. 導電片。各標準對于導電片的物理參數和安裝間距要求基本一致（寬度不小于50 mm，最小截面積為20 mm2， 設置間距不大于3 m）；NFPA 780—2020、API RP 545—2009要求導電片安裝在液面以下0.3 m，或在滿足一定條件和要求時也可安裝在浮頂以上；API 650—2020 和Q/SY 1718—2014要求導電片安裝在浮頂之上， 而GB 50074—2014要求儲罐采用二次密封采用Ⅰ型橡膠刮板時， 導電片需與浮頂做電氣連接，GB 50341—2014、GB 50737—2011 和GB 15599—2009對于導電片的安裝位置未做要求。 此外，雖然國內主要規范未對導電片的安裝做強制要求，但國內儲罐基本按照寬度不小于50 mm， 最小截面積為20 mm2， 設置間距不大于3 m的要求安裝在二次密封上部。

2 浮頂儲罐的防雷措施

2.1 雷電特性

在雷擊事故中，超過90%的雷擊是負極性的［3］。 雷擊電流的典型組成（圖1）為持續時間短的中高頻部分（A、B、D）和持續時間長的中低頻部分（C），其參數列于表2。 API/EI的研究報告545-A表明：導電片對于電流中高頻部分有更小的阻抗，其作用為傳導雷擊電流的中高頻部分； 電氣連接線對于電流的中低頻部分有更小的阻抗， 其作用為傳導雷擊電流的中低頻部分； 電氣連接線的設置對減少導線片的打火現象作用明顯； 中低頻的電流雖然能量很小但是更容易引燃油氣空間。

圖1 典型負極性雷擊電流的組成示意圖

表2 典型負極性雷擊參數

2.2 電氣連接線的設置

電氣連接線用于傳導容易引燃油氣空間的雷擊電流中低頻部分，是浮頂儲罐防雷技術中的關鍵元件。 其電阻率越小導電性能就越好，大型外浮頂儲罐的電氣連接線應該按照規范要求的間距和數量進行設置，以保證預期的導電性能和防雷效果。 浮頂儲罐電氣連接線主要有傳統型和可伸縮型兩種形式（圖2）。

圖2 兩種電氣連接線形式示意圖

無論浮頂在任何位置，尤其是當儲罐處于高液位工況時，浮盤高度高，存有更高風險的情況［17］，可伸縮型電氣連接線都能保證導線的阻抗最小，絕佳傳導雷擊電流。 以4種典型容積（公稱）的浮頂儲罐（表3）為例，進行兩種型式電氣連接線的性能對比。

表3 4種典型容積浮頂儲罐參數

2.3 導電片的設置

導電片按標準要求可安裝在浮頂上部二次密封之上，也可以安裝于浮頂下部且浸在液面之下（可稱之為浸液式），兩種導電片的具體安裝位置如圖4所示。

圖3 最高液位時兩種類型電氣連接線感抗值對比

圖4 導電片兩種安裝位置示意圖

導電片安裝在浮頂上部，屬于二次密封的供貨范圍， 是目前國內外儲罐采用的安裝形式，技術成熟，雖然導電片屬于突出的尖銳物體，考慮到儲罐浮頂的液位設計， 即使浮頂處于最高液位， 通常導電片離罐壁頂端約有300 mm的距離，處在罐壁錐形防雷區域內，不會發生直接引雷的現象。 導電片安裝于浮頂上部方便日常運行管理，但其缺點為若導電片與罐壁接觸不良或存在間隙，雷擊電流經過時會產生電火花并引燃密封處存在的油氣，發生著火事故。 導電片與罐壁的接觸不良或間隙是由于浮頂晃動、罐壁銹蝕或結蠟等原因造成，這些原因對于運行時的儲罐不可避免，故美國API協會提出浸液式導電片，其與罐壁的接觸點位于液面以下隔絕了點火的必要條件——空氣，即使導電片與罐壁產生電火花也不會引起儲罐著火事故。

浸液式導電片在NFPA 780—2011和API RP 545—2009兩個標準中最早被提出，NFPA 780在2014版和2017版中皆要求必須采用浸液式導電片， 但目前執行的最新版本NFPA 780—2020和API RP 545—2012并未強制要求采用，而是需根據儲罐建造的實際情況判定是否采用浸液式導電片。 浸液式導電片通過隔絕空氣的做法避免儲罐著火事故，但也存在以下問題：

a. 沒有成熟的安裝方案。浸液式導電片可以包含在一次密封供貨范圍內，也可以單獨開料由現場進行施工，但無論是國內外的密封供貨商還是施工單位，對于導電片浸液式的安裝方式還沒有成熟的方案。

b. 舊罐改造的實施性較差。浸液式導電片的安裝需要對舊罐進行清罐——若是整個庫區一次性改造，清罐費用高，且改造會影響庫區正常運轉；若按庫區改造計劃分批更換，則更換周期太長。

c. 安裝方式的局限性。 日常檢修和維護不能及時開展，而且其周期需與儲罐的大修周期保持一致，導電片的運行狀態也無法監控，防雷效果也就得不到保障。

筆者認為：由于以上問題的存在，同時根據API RP 545—2009中的實驗報告（中高頻電流不易引燃油氣空間），使得目前標準和API協會的規范要求采取靈活方式， 即結合儲罐的實際情況，采取適宜的導電片形式，而不再強制要求采用浸液式導電片。

2.4 其他通路的防雷要求

其他通路主要包括一次密封（機械密封）、導向管和量油管。 API RP 545—2009要求對以上的電流通路進行電絕緣處理，電絕緣強度不低于1 kV；NFPA 780—2020要求對以上電流通路進行電絕緣處理或電氣連接——若采用電絕緣處理，其電絕緣強度不得低于1 kV； 若采用電氣連接，可以用導線、不銹鋼導電片或其他等效材料的電氣連接方式。

電絕緣處理，是讓雷擊電流只通過電阻率更低的電氣連接線和導電片，這樣就可避免雷擊電流通過一次密封、量油管和導向管處時電火花引起油氣空間起火的事故。 與浸液式導電片存在同樣的問題，電絕緣的改造需要儲罐清罐，對于規模較大的庫區整體改造周期較長， 投資也很高。另外，若儲罐的主要防雷設施電氣連接線和導電片均為正常，雷擊電流不會流經其他通路；若電氣連接線和導電片失效，擊穿5 mm間隙后雷擊電流可達數十千伏［18］，1 kV電絕緣強度不足以絕緣其他通路。

電氣連接的形式對于一次密封是十分必要的，一次密封所有部件之間應做電氣連接，并且一次密封應與浮頂做電氣連接。 同樣，在量油管和導向管處通常會存在相當濃度的油氣空間，理論上也應要求與浮頂做電氣連接，但由于其結構原因，無論設置電氣連接線或用其他等效的電氣連接都存在一定難度，所以國內外儲罐在量油管和導向管處均未實施電氣連接。

3 結論

3.1浮頂儲罐的防雷設計應滿足轉動扶梯電氣連接、浮頂排水管電氣連接、浮頂上附件做電氣連接及機械密封電氣連接等相關標準規范的要求。

3.2浮頂儲罐的電氣連接線應采用可伸縮型，相比于傳統型其電氣連接線的感抗降幅超90%；考慮導電片日常運行維護局限性的影響，建議導電片安裝于二次密封之上。

3.3從經濟性和技術成熟度方面考慮，浮頂儲罐的防雷設計不推薦對量油管、導向管和機械式一次密封的電絕緣處理；若進行電絕緣處理，應充分考慮對儲罐其他結構的影響，避免影響儲罐的正常運轉。