_內(nèi)浮頂儲罐雷擊火災(zāi)危險性分析

1、2013 年第 2 期 （總第 252 期）2013 年 4 月文章編號： 1003-8337（2013）02-0069-04電瓷避雷器Insulators and Surge ArrestersNo2. 2013 (Ser.252)Apr. 2013內(nèi)浮頂儲罐雷擊火災(zāi)危險性分析胡海燕 1，2， 劉寶全 1，2， 劉全楨 1，2， 畢曉蕾 1，2， 高鑫 1，2（1. 化學(xué)品安全控制國家重點實驗室， 山東 青島 266071； 2 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院， 山東 青島 266071）摘 要： 為了避免內(nèi)浮頂儲罐由于雷擊火花放電引起的火災(zāi)燃爆事故， 在實驗室建立了 2 m 直

2、徑內(nèi)浮頂儲罐模型， 開展了儲罐 8/20 s 模擬直擊雷實驗， 結(jié)合理論分析及軟件仿真， 研究結(jié)果表明： 內(nèi)浮頂儲罐遭受雷擊時， 儲罐相當(dāng)于 幾乎封閉但帶有孔的法拉第籠， 雷電流、 感應(yīng)電荷主要通過罐體泄放入地， 但這些孔不斷有油氣泄放， 有時能達到爆炸范圍， 具有較大的雷擊危險性； 儲罐遭受雷擊時的另一風(fēng)險主要表現(xiàn)在雷擊瞬時罐體呈現(xiàn)高電位， 如罐體各部位等電位連接不可靠易引起火花放電。 結(jié)合內(nèi)浮頂儲罐的實際運行情況， 提出了罐頂通氣孔安裝阻火器、規(guī)范導(dǎo)靜電線設(shè)置、 導(dǎo)向柱設(shè)施與浮盤密封絕緣、 液位儀及相連管線與儲罐等電位連接等措施， 可大大降低內(nèi)浮頂儲罐雷擊火災(zāi)燃爆事故。關(guān)鍵詞： 內(nèi)浮頂儲罐

3、； 雷擊火災(zāi)； 模擬實驗； 火花放電中圖分類號： TM862文獻標(biāo)識碼： AAnalysis on Lightning Fire Risk of Internal Floating Roof TankHU Hai-yan1,2, LIU Bao-quan1,2, LIU Quan-zhen1,2, BI Xiao-lei1,2, GAO Xin1,2（1. State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, Qingdao 266071， China； 2. SINOPEC Research Institute of Safety

4、 Engineering, Qingdao Shandong 266071， China）Abstract: In order to avoid internal floating roof tank fire explosion accident caused by lightning strikes. We establish 2 m diameter tank model and carry out 8/20s direct lightning stroke simulation experiment. Combining theoretical analysis and softwar

5、e simulation, research results show that: Whenthe internal floating roof tank being struck by lightning, the tank is equivalent to the almost closed but with holes of the Faraday cage. Lightning current and the induced charge discharge into the ground through the tank shell. However the holes are co

6、ntinually release of oil and gas and sometimes can reach the explosive range. So the holes of internal floating roof storage tank have greater lightning fire risk. The other main lightning fire risk is that tank shows high potential as lightning transient and the metal parts of tank may easily cause

7、 sparks discharge if unreliable connection exists. Combined with the actual operation of the tanks, some measures being put forward and greatly reduce lightning fire explosion accident of internal floating roof tank, such as the tank roof vent installing flame arrester, standardized setting of stati

8、c conductive line, guide post sealing and electrical insulation with floating roof, Level gauge and associated pipelines bonding with tank, etc.Key words: Internal floating roof tank，Lightning Fire，Simulation experiment, Spark discharge收稿日期： 2012-11-08作者簡介： 胡海燕 （1979）， 女， 工程師， 現(xiàn)從事電氣安全領(lǐng)域的研究工作。基金項目： 國

9、家科技支撐計劃項目 （編號： 2012BAK03B03）。輪輷 2013 年第 2 期電瓷避雷器（總第 252 期）引言隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，石油及石油產(chǎn)品在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來越廣泛，石油罐區(qū)總儲量及單罐容量也越來越大,內(nèi)浮頂儲罐被廣泛應(yīng)用，特別是在儲存汽、煤、柴、石腦油等高揮發(fā)性油品方面。 此外，儲罐內(nèi)儲存的油品一般還具有閃點低、易爆炸等性質(zhì)，一旦因雷擊發(fā)生火災(zāi)，必將造成重大的損失1-3。內(nèi)浮頂儲罐的結(jié)構(gòu)綜合了拱頂罐和浮頂罐的優(yōu)點，保證了油品質(zhì)量，但由于結(jié)構(gòu)的改變也產(chǎn)生了新的問題，浮盤密封不嚴造成的蒸發(fā)或當(dāng)液面下降時附著在罐壁上的油品的蒸發(fā)，以及液位低于浮盤最低位置時，浮盤上的油氣都可

10、使浮盤與罐頂之間的油氣濃度升高達到爆炸極限。 這些油氣不像在拱頂儲罐內(nèi)那樣很快越過爆炸極限趨于飽和，也不像在浮頂儲罐罐頂那樣，很快散失在大氣中4。 因此，內(nèi)浮頂罐一旦遭受雷擊發(fā)生火災(zāi)事故，比浮頂儲罐釀成的事故還要大。 近年來，國內(nèi)外均有內(nèi)浮頂儲罐因雷擊引起的火災(zāi)事故。 2007 年 6 月 29 日， 某企業(yè)一內(nèi)浮頂儲罐發(fā)生雷擊火災(zāi)爆燃事故。對于內(nèi)浮頂儲罐的雷電防護措施國內(nèi)也只規(guī)定了避雷針、防雷接地的相關(guān)要求5，未開展過深入的研究。 筆者主要針對內(nèi)浮頂儲罐雷擊火災(zāi)危險性開展深入的理論及實驗研究，并提出可行的技術(shù)措施，有效降低儲罐雷擊火災(zāi)事故。雷擊火災(zāi)危險性機理分析爆炸性混合氣體分析內(nèi)浮頂儲罐大

11、多僅采用一次密封型式，未裝設(shè)二次密封，在儲罐實際使用中，由于制造誤差和運行中的磨損， 各結(jié)合部位密封面會有油氣泄漏；當(dāng)浮盤下降時，黏附在罐壁上的油品會蒸發(fā)的。 因此儲罐內(nèi)浮盤與拱頂間的空間會有油氣出現(xiàn)； 另外， 浮盤由于是搭接而成，隨著浮盤的升降，搭接處存在較大縫隙， 浮盤受到油料沖擊導(dǎo)致螺絲松動，油氣泄漏處較多， 使得罐內(nèi)浮盤上面的油氣濃度較高；儲罐的附件設(shè)施（如導(dǎo)向及防轉(zhuǎn)裝置）很多都開孔穿過浮盤，但由于密封不嚴，也存在油氣泄露。 種種原因致使罐內(nèi)浮盤與罐頂之間存在大量油氣，有時能達到爆炸范圍之內(nèi)6-9。 內(nèi)浮頂儲罐內(nèi)浮盤與拱頂之間的油氣空間就是可燃物與助燃劑的混合空間,當(dāng)混合比達到油氣爆炸

12、濃度范圍時,就具備了燃燒的兩個條件。內(nèi)浮頂儲罐的罐頂中央通氣孔和罐壁環(huán)形通氣孔均暴露在大氣中，罐頂通氣孔安裝在罐頂中心位置，罐壁通氣孔安裝在壁板上部，通氣孔設(shè)置的主要作用是為有效防止內(nèi)浮盤上方的油氣積聚，使其與空氣充分對流并平衡儲罐內(nèi)外壓力，可有效降低儲罐內(nèi)浮盤與拱頂之間的油氣濃度。 通氣孔周圍的油氣濃度有時能達到爆炸極限，特別是在夏季雷雨天氣，氣壓較低，油品的揮發(fā)大大增強，油氣易積聚達到爆炸極限，儲罐內(nèi)外空氣流通不暢，通氣孔排出的可燃氣體不能很快散開，更易于達到爆炸范圍，遇到雷電火花，很容易引起通氣孔可燃氣閃燃， 如果火苗串入罐內(nèi)油氣空間，勢必會引起儲罐重大燃爆事故，因此，通氣孔是內(nèi)浮頂儲罐

13、雷擊防護的重點部位。雷擊火花分析雷擊火花主要包括直接雷擊和雷電感應(yīng)引起的火花。直接雷擊內(nèi)浮頂儲罐的方式有雷電直擊儲罐罐頂或罐壁和雷電直擊儲罐通氣孔附近的油氣空間。 如果雷電直擊儲罐罐頂或罐壁，只要金屬罐頂和罐壁的厚度大于 4 mm， 鋼板就不會被直擊雷擊穿，且儲罐接地良好，雷電流就會通過金屬罐體泄放入地。 對于雷電直擊儲罐通氣孔附近的油氣空間， 如果雷擊點周圍可燃氣濃度達到爆炸范圍內(nèi)， 會引起通氣孔油氣閃燃，此時罐內(nèi)浮盤上方油氣混合氣體如果也在爆炸極限范圍內(nèi)，火苗容易串入罐內(nèi)引起大范圍油氣著火， 氣體瞬時在罐內(nèi)膨脹，無法快速對外泄放，引起儲罐燃爆，這種情況是內(nèi)浮頂儲罐雷擊最危險的情況。儲罐遭受

14、直擊雷時另一個較大的雷擊風(fēng)險主要來源于雷擊瞬時對儲罐產(chǎn)生較大的電位，電位的大小主要取決于雷擊電流值和儲罐對大地的電阻值。 儲罐對大地的電阻值主要包括兩部分：儲罐本身的電阻值和儲罐的沖擊接地電阻，儲罐為直徑幾十米的金屬圓柱型，本身的電阻值較低，在毫歐級以下， 相對其沖擊接地電阻幾個歐姆可以忽略不計， 所以如果雷電流為 100 kA 的直擊雷擊中儲罐罐頂，假設(shè)儲罐的沖擊接地電阻值為 10 ，那么儲罐雷擊點的電位可高達 106 V， 儲罐這么高的電位和與遠方大地相連的低電位或零電位設(shè)施之間會輫輮 2013 年 第 2 期內(nèi)浮頂儲罐雷擊火災(zāi)危險性分析（總第 252 期）產(chǎn)生較大的電位差，如果此時連接處

15、有放電間隙存在，就可能擊穿間隙引起火花放電現(xiàn)象。 雷直擊儲罐引起間隙放電的原理見下圖 1 所示，雷擊“幾乎封閉但帶有孔的法拉第籠”， 一根來自遠處并且在那里接地的線進入該孔， 在被雷擊的法拉第籠與“遠方”大地之間產(chǎn)生電位差 U=100 kA10 =106 V， 這么大的電位差主要是流過沖擊接地電阻的雷電流造成的。 雷擊瞬時對儲罐產(chǎn)生較大的電位還是會對人體產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓的風(fēng)險。接8-9。圖 2 實驗儲罐模型Fig. 2 The tank model of experiment導(dǎo)靜電線雷電流分流實驗運用 8/20 s 模擬雷電流波沖擊儲罐罐頂中央，浮盤與罐頂連接 0.5 m 長 16 mm

16、2 銅導(dǎo)線，分別采用電流傳感器、高壓探頭及差分探頭測量儲罐電流與電壓的分布。 實驗原理如圖 3 所示。圖 1 雷擊法拉第籠造成對“法拉第孔”內(nèi)的導(dǎo)線閃絡(luò)Fig. 1 Wire flashover of Faraday holes as lightning strike Faraday cage內(nèi)浮頂儲罐遭受直擊雷的概率較低，而遭受雷電感應(yīng)的風(fēng)險較高。 儲罐遭受雷電感應(yīng)的方式主要有兩種：雷云感應(yīng)儲罐帶電、雷擊儲罐附近高大建筑物。 儲罐在遭受雷云感應(yīng)時，一方面罐周圍會產(chǎn)生變化的電磁場，由于拱頂與罐壁的形狀及面積的不同,因此,兩者切割磁力線的方向及數(shù)量亦不同,這就會在罐體上產(chǎn)生電位差。 另一方面儲罐

17、上方雷云經(jīng)過時， 會對儲罐罐頂及罐體感應(yīng)出大量靜電荷， 雷云對儲罐附近高大建筑物放電或雷云電荷瞬時消失時，儲罐上的束縛電荷通過罐體泄放入地的過程中，儲罐上瞬時呈現(xiàn)高電位，與儲罐遭受直擊雷的情形類似，區(qū)別僅在于直擊雷與雷電感應(yīng)的帶電電荷量不同。雷電流泄放實驗研究實驗?zāi)Ｐ鸵娤聢D 2。 儲罐高度 0.6 m，外徑 2 m， 內(nèi)浮盤直徑 1.6 m，采用四氟棒支撐，且高度可上下調(diào)節(jié)。 內(nèi)浮盤四周采用橡膠材料與罐壁密封。 內(nèi)浮盤與罐頂采用導(dǎo)線進行等電位連接。 罐頂、罐體等均采用 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼材料制作。 罐頂上設(shè)人孔。 儲罐單點接地，并與實驗室地網(wǎng)進行等電位連圖 3 導(dǎo)靜電線雷電流分流實驗

18、原理圖Fig. 3 The schematic figure of conductive line by lightning strike實驗研究表明：當(dāng)內(nèi)浮頂儲罐罐頂遭受直接雷擊時，全部雷電流通過罐體泄放入地，浮頂與罐壁之間導(dǎo)靜電線無雷電流通過，罐頂與內(nèi)浮盤之間保持等電位狀態(tài)。 實驗結(jié)果見表 1，表 2。導(dǎo)向柱設(shè)施雷電流分流實驗運用 8/20 s 模擬雷電流波沖擊儲罐罐頂中央，儲罐內(nèi)罐頂與罐底連接 1 m 長導(dǎo)線替代導(dǎo)向柱設(shè)施， 電流傳感器串聯(lián)于導(dǎo)線上測量流過的雷電流值。實驗研究表明：當(dāng)內(nèi)浮頂儲罐罐頂遭受直接雷擊時，大部分雷電流通過罐體泄放入地，僅少量雷電流通過罐頂與罐底之間導(dǎo)向柱等設(shè)施泄放

19、入地， 且儲罐本身具有一定的屏蔽效果。輫輯 2013 年第 2 期電瓷避雷器（總第 252 期）表 1 導(dǎo)靜電線雷電流分流實驗結(jié)果沖擊電流導(dǎo)靜電線電罐頂電位內(nèi)浮盤電位浮盤與罐頂/kA流/kA/kV/kV電位差/V3.280.01.091.102.63.920.01.301.302.54.800.01.541.582.46.040.02.122.102.96.840.02.262.323.68.040.02.702.644.2Tab. 1 The experiment result of conductive line by lightning strike表 2 導(dǎo)向柱設(shè)施雷電流分流實驗結(jié)果T

20、ab. 2 The experiment result of guide post by lightning strike沖擊電流/kA模擬導(dǎo)向柱雷電流/A分流比例 （%）5.1620.40.00405.9229.80.00506.1232.20.00538.1242.80.00538.9647.60.00539.4450.40.00539.8452.60.005311.2059.00.0053軟件仿真分析采用有限元電場分析方法，對內(nèi)浮頂儲罐遭受直擊雷的情況進行了仿真，分析雷擊時儲罐罐頂及內(nèi)部的電位分布。 仿真結(jié)果表明：雷擊點電位最高， 沿半徑方向向罐頂邊緣到罐壁逐漸減小，在罐頂與罐壁連接位置

21、曲率突變處電位變化較大；內(nèi)浮盤和罐壁之間、 內(nèi)浮盤和油面之間均存在較大的電位差，這些位置油氣濃度較高，雷擊火災(zāi)危險性較大。仿真結(jié)果見圖 4、圖 5 所示。結(jié)論及建議通過理論分析、實驗研究及軟件仿真， 得出如下結(jié)論。內(nèi)浮頂儲罐遭受雷擊時，儲罐相當(dāng)于“幾乎封閉但帶有孔的法拉第籠”，雷電流、感應(yīng)電荷主要通過罐體泄放入地， 但這些孔不斷有油氣泄放，有時能達到爆炸范圍，具有較大的雷擊危險性。儲罐遭受雷擊時的另一風(fēng)險主要表現(xiàn)在雷擊瞬時罐體呈現(xiàn)高電位，如罐體各部位等電位連接不可靠易引起火花放電。圖 4 雷擊罐頂中心電位分布Fig. 4 Potential distribution figure of tan

22、k top center圖 5 儲罐內(nèi)部電位分布圖Fig. 5 Potential distribution figure of tank internal結(jié)合內(nèi)浮頂儲罐的實際運行情況，提出降低內(nèi)浮頂儲罐雷擊火災(zāi)燃爆的措施建議。儲罐罐頂通氣孔安裝阻火器。規(guī)范罐頂與內(nèi)浮盤之間導(dǎo)靜電線的設(shè)置數(shù)量及安裝方式，并進行定期檢測，確保其與儲罐良好電氣連接。導(dǎo)向柱等設(shè)施與浮盤密封絕緣。儲罐液位儀、溫度計及相連管線兩端與儲罐進行等電位連接。定期檢查浮盤與罐頂之間以及通氣孔周圍的油氣濃度。雷雨天氣禁止進出油或儲罐空置，禁止打開浮盤上的任何開口，保證浮盤的附件處于關(guān)閉狀態(tài)。參考文獻：唐黎明，郝敏. 油庫防雷安全技

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