1、1中国石油集团安全环保技术研究院中国石油集团安全环保技术研究院 大型外浮顶油罐防雷技术大型外浮顶油罐防雷技术二二一三年六月一三年六月目录2一、大型油罐雷电事故概况一、大型油罐雷电事故概况二、雷击油罐机理二、雷击油罐机理三、大型外浮顶油罐防雷现状三、大型外浮顶油罐防雷现状四、主要存在的问题危害性分析四、主要存在的问题危害性分析五、大型外浮顶油罐分路与分流措施五、大型外浮顶油罐分路与分流措施六、技术水平六、技术水平3 外浮顶罐的雷击火灾事故，需有气体泄漏及泄漏附近发生放电两个基本条件。放电两种形式：一是直击雷，二是感应雷。后者通常发生在不接地导体或接地不良导体情形。从国内以往发生的雷击事故例看，除
2、2005年一起汽油罐事故找到感应雷放电的证据外，其它都是在浮顶2根接地线连接良好情况下发生的；其次，事故位置几乎都在7080%以上液位处，用30m或20m滚球法测定，浮顶大部分处于暴露位置；如某石化4座5万m3罐，用2个45m高消雷塔和罐上6支59m高避雷针联合保护，当按30m滚球半径计算保护范围时，浮顶有44m2暴露区，当用20m滚球半径计算时，浮顶暴露区面积为928m2（约为浮顶1/3面积）；2011年“11.22”雷击着火事故，通过分析T031号油罐浮盘遭受直击雷。因此，国内以往事故由直击雷引起的可能性较大。 从这些事故看，初步得出以下现象与结论： （1）多数发生在高液位处，不能排除直击
3、雷和感应雷形式； （2）二次密封空腔内积聚可燃气体，并达到爆炸极限范围； （3）导电片均为“包覆式”； （4）大型外浮顶油罐无高中频雷电流分路设施，无中低频雷电流分流设施。 （5）现行措施在防雷设计和管理上仍有漏洞，如接地电阻不合格，导电片与罐壁间的接触电阻值不合等。一、大型油罐雷电事故概况一、大型油罐雷电事故概况目录2一、大型油罐雷电事故概况一、大型油罐雷电事故概况二、雷击油罐机理二、雷击油罐机理三、大型外浮顶油罐防雷现状三、大型外浮顶油罐防雷现状四、主要存在的问题危害性分析四、主要存在的问题危害性分析五、大型外浮顶油罐分路与分流措施五、大型外浮顶油罐分路与分流措施六、技术水平六、技术水平二
4、、雷击油罐机理二、雷击油罐机理（一）直接性雷击作用（一）直接性雷击作用 将闪电与地面或者构建物的连接点命名为“连接点” 是标准的命名。储罐的连接点处于最高的竖向电场区域，该区域包括储罐的缘、通风口、护栏、量油杆（量油标尺）、照明灯和在壳顶的其它物体，或者包括大型储罐的浮顶本身。雷电下降到地面不是走一个单独的路径。雷击电流与每个有效路径的电涌阻抗成比例划分。从连接点开始，电流作为一个薄层在所有的导电路径上流动。随着电流在一个较大面积上展开，表面电荷即被中和。电流路径的任何不连续都会在间隙上产生电弧。闪闪 电电电流沿储罐壳体的外侧向下流动电流沿储罐壳体的外侧向下流动地地 面面 闪电通往储罐壳体顶部
5、的电流路线闪电通往储罐壳体顶部的电流路线注意快速高电流脉冲沿壳体内侧向下流动，并经过边缘密封和浮顶顶部流动。(只表示了两条路线；实际上电流在整个罐顶顶部流动，并穿过沿整个罐顶周长的边缘密封。)注意快速高电流脉冲沿所有方向经浮顶流向边缘密封和分路，然后向上并在壳体上流向地面。(只有在罐顶较高时，这才有可能是一个雷击点)通往罐顶的闪电通往罐顶的闪电地地 面面闪电通往浮顶的电流路线闪电通往浮顶的电流路线 如果雷击在邻近储罐的地方发生，一些电流会在储罐壳体的外皮上，经过浮顶向下流到储罐壳体另一侧的地面。与直接遭受雷击的储罐相比，此时经过储罐的放电电流的能量要小得多。与直接雷击一样，电流路径的任何不连续
6、，都会在间隙上产生电弧。（二）间接性雷击作用（二）间接性雷击作用电流从雷击连接点起四处展开，包括向储罐、向上和在储罐上展开，并沿远侧向下展开，如典型的电流流动线和箭头所示。这个电流流动平面图仅适用于快速高电流脉冲。连续电流仅沿地面和罐底流动。通往地面的闪电通往地面的闪电地地 面面闪电通往浮顶储罐附近地面的电流路线闪电通往浮顶储罐附近地面的电流路线 之所以产生火花打火，那是因为：由于在储罐上或者紧靠储罐的驱动电流流过浮顶(经过导电片或者经过在浮顶和壳体之间有意或者无意间形成接触的任何其它金属)的任何雷击都具有产生电流的倾向，因此火花最有可能因雷电在外浮顶式储罐上引起储罐火灾。 对气隙火花应作如下
7、考虑： （1）气隙火花出现在这样的部位，亦即该部位的导电物体之间具有一个很小的间隙，在那里雷电产生了一个足够大的电压，可导致气隙内的空气或蒸汽/空气混合物发生电击穿。 （2）如果处在易燃混合物范围内，能量高于0.2毫焦的气隙火花足以引燃产品的蒸汽/空气混合物。 （三）火花打火（三）火花打火目录2一、大型油罐雷电事故概况一、大型油罐雷电事故概况二、雷击油罐机理二、雷击油罐机理三、大型外浮顶油罐防雷现状三、大型外浮顶油罐防雷现状四、主要存在的问题危害性分析四、主要存在的问题危害性分析五、大型外浮顶油罐分路与分流措施五、大型外浮顶油罐分路与分流措施六、技术水平六、技术水平 通过对200余座5-15万
8、m3外浮顶储罐的雷电防护措施调查研究。调查结果如下：（1）外浮顶油罐密封有两种形式，即“机械密封”、软密封（囊式密封）；（2）外浮顶油罐浮盘导电片大多是“包覆式”；（3）外浮顶油罐二次密封密封度不严；（4）外浮顶油罐二次密封空腔内的可燃气体浓度可以达到爆炸极限浓度；（5）外浮顶油罐一次密封空腔内金属构件没有进行等电位连接；（6）外浮顶油罐二次密封金属密封挡板没有等电位连接；（7）外浮顶油罐浮盘上的两根接地连线的连接形式不正确；（8）外浮顶油罐浮盘扶梯没有与浮盘、罐壁进行等电位连接；（9）部分导电片与浮盘间的电阻值不符合要求，有的阻值趋于“”；（10）大多数导电片与罐壁的电阻值不符合要求，大部分
9、阻值趋于“”；（11）外浮顶油罐浮盘没有高中频雷电流分路设施；（12）外浮顶油罐浮盘没有中低频雷电流分流设施；（13）浮盘上的呼吸阀没有进行跨接；（14）浮盘上的强制呼吸阀没有进行跨接；（15）油罐周围设立高塔避雷针、高架灯。三、大型外浮顶油罐防雷现状三、大型外浮顶油罐防雷现状目录2一、大型油罐雷电事故概况一、大型油罐雷电事故概况二、雷击油罐机理二、雷击油罐机理三、大型外浮顶油罐防雷现状三、大型外浮顶油罐防雷现状四、主要存在的问题危害性分析四、主要存在的问题危害性分析五、大型外浮顶油罐分路与分流措施五、大型外浮顶油罐分路与分流措施六、技术水平六、技术水平四、主要存在的问题危害性分析四、主要存在
10、的问题危害性分析1 1、二次密封空腔可燃气体浓度超标危害性分析、二次密封空腔可燃气体浓度超标危害性分析 二次密封空腔内可燃气体浓度达到爆炸极限范围的油罐，一旦油罐遭受雷击，就会引起油二次密封空腔内可燃气体浓度达到爆炸极限范围的油罐，一旦油罐遭受雷击，就会引起油罐浮盘二次密封空间闪爆着火，如果初期火灾没有得到控制，进而会扩大火势。罐浮盘二次密封空间闪爆着火，如果初期火灾没有得到控制，进而会扩大火势。 二次密封空腔内可燃气体浓度超过二次密封空腔内可燃气体浓度超过25%LEL25%LEL的油罐，说明一次密封不好，如果气体在继续积的油罐，说明一次密封不好，如果气体在继续积聚，就可达到爆炸极限范围，若遭
11、受雷击，亦有可能着火。聚，就可达到爆炸极限范围，若遭受雷击，亦有可能着火。2 2、“包覆式包覆式”导电片分析导电片分析包覆式导电片其中一面在二次密封胶板内，在有雷流时，此处若有微小的间隙就会发生放包覆式导电片其中一面在二次密封胶板内，在有雷流时，此处若有微小的间隙就会发生放电。如果二次密封内部空腔可燃气体浓度达到爆炸极限浓度，就会出现闪爆着火事故。电。如果二次密封内部空腔可燃气体浓度达到爆炸极限浓度，就会出现闪爆着火事故。3 3、二次密封上部导电片个数不够、二次密封上部导电片个数不够 导电片其实是雷电流的一个分路措施，如果其数量不够，每个导电片通过的雷电流就越大，导电片其实是雷电流的一个分路措
12、施，如果其数量不够，每个导电片通过的雷电流就越大，就已出现打火现象。就已出现打火现象。4 4、导电片与罐壁间的电阻值、导电片与罐壁间的电阻值 导静电片与罐壁间的电阻值，远远超高标准要求的不大于导静电片与罐壁间的电阻值，远远超高标准要求的不大于0.030.03，最大值为，最大值为，不合格率，不合格率达达100%100%。导电片与罐壁间接触电阻越大，形成的电位差越大，产生的放电电流就越大，危害就越大。导电片与罐壁间接触电阻越大，形成的电位差越大，产生的放电电流就越大，危害就越大。目录2一、大型油罐雷电事故概况一、大型油罐雷电事故概况二、雷击油罐机理二、雷击油罐机理三、大型外浮顶油罐防雷现状三、大型
13、外浮顶油罐防雷现状四、主要存在的问题危害性分析四、主要存在的问题危害性分析五、大型外浮顶油罐分路与分流措施五、大型外浮顶油罐分路与分流措施六、技术水平六、技术水平五、大型外浮顶油罐分路与分流措施五、大型外浮顶油罐分路与分流措施（一）标准要求（一）标准要求1 1、 “ “防止静电、雷电和杂散电流引燃技术导则防止静电、雷电和杂散电流引燃技术导则”API RP2003API RP2003：20082008 防止雷电火灾的最有效方法是采用紧密的密封和正确设计分路。分路分路是在罐顶周边以不超过3米(10英尺)的间隔安放金属带，使浮顶与罐体跨接，以便将任何与雷电相关的电流传导到大地，而且不会在可能引燃蒸气
14、的区域内产生火花。 任何类型的主密封上方设有防风雨罩时，或者在设有刮蜡器或二次密封时，两个密封间的区域可以含有易燃蒸气空气混合物。这种情况下，分路的安装分路的安装应能保证它们直接与二次密封上方的罐壁发生接触。任何情况下，设计必须确保在罐顶最高处，保持分路与罐体的良好保持分路与罐体的良好接触接触( (例如：上方设置例如：上方设置51mm51mm的间隙的间隙) )。 还可以将分路安放在液体的下方，但由于检查上的困难，不建议采用这种设计。2 2、API545-2009API545-2009地上易燃液体储罐的雷电防护工业标准地上易燃液体储罐的雷电防护工业标准规定规定4.2外浮顶式储罐4.2.1.1 导
15、电分路 分路用于传导雷击电流的快速的和短时持续的时间分量。 分路沿浮顶周长以不大于3米(10英尺)的间隔排列。4.2.1.2 旁路导体 旁路导体用于传导雷击电流的快速和高中等持续时间分量。 应当采用直接电气连接的方式，通过适当数量的旁路导体将储罐的浮顶接到储罐壳体上。包括接头在内的每个导体的最大端-端电阻为0.03欧。旁路导体应具有使浮顶做最大移动所需的最小长度。旁路导体沿储罐周长以不超过每30米(100公尺)的间距均匀排列，并且至少设有两个旁路导体。 3 3、NFPA780-2011NFPA780-2011雷电保护系统的安装标准雷电保护系统的安装标准规定规定7.4.1.2外浮顶式储罐7.4.
16、1.2.1 分路器安放 分路器在浮顶周界上的间隔不得大于3米(10英尺)。7.4.1.3旁路导体7.4.1.3.1 必须通过直接电气连接，将储罐的浮顶接到罐壳上。7.4.1.3.2 包括接头在内的每个导体的最大端-端电阻必须为0.03欧姆。7.4.1.3.3 旁路导体必须具有允许浮顶做最大移动所需的最小长度。7.4.1.3.4 在储罐周界至少设有两个每个间隔不超过30米(100英尺)的均匀分布旁路导体。4 4、中国石油天然气股份有限公司、中国石油天然气股份有限公司轻质油品储罐技术导则（试行）轻质油品储罐技术导则（试行）3.7.8 浮顶油罐的浮顶泡沫堰板处与罐壁间每隔18m宜安装一个有效可靠的雷
17、电分流及监控器，连接线截面积不小于50mm2。 3.7.10 浮顶油罐二次密封上的导电片（分路器）沿周长间距不大于3m均匀分布，导电片（分路器）应安装在二次密封上部，且保持与罐壁间电气接触良好。（二）（二）AJ/FL-1型高中频雷电流分路器型高中频雷电流分路器 目前，大型外浮顶油罐为了泄放浮盘落雷的雷电流，一般采用的是包覆式“导电片”，这种“导电片”存在以下几个方面问题：一是没有弹性，当运行出现变形时无法恢复原状态，由此造成导电片与罐壁间存在间隙，有雷电流时会发生间隙性火花放电；二是导电片与罐壁间的接触电阻值过大，主要是二者之间油层绝缘厚度大于2mm，当有雷电流时，绝缘层无法击穿，会出现旁路“
18、跳火”，进而发生雷电流的火花放电；三是目前所有的导电片没有任何技术数据为之提供技术支撑，就是采用普通铜或白钢片制成，是否能够达到泄放雷电流，并且不产生雷电火花，没有进行实验。上述三个方面的原因造成了二次密封空间导电片部分火花放电，致使二次密封空腔内的可燃气体发生闪爆着火。 为了减少和消除大型外浮顶油罐一、二次密封空腔雷击着火事故，我们开发研制出高中频雷电流分路器，以替代过去的导电片。高中频雷电流分路器具有足够张力性、雷电流通流性、良好电气连接性以及耐磨性。 高中频雷电流分路器是大型外浮顶油罐浮盘高中频雷电流泄流装置，通过可调节装置解决罐体微变形和浮盘位移造成的分路器与罐壁间隙差异，保证实现分路
19、器与罐壁无阻抗的电气连接，确保浮盘上的高中频雷电流得到及时释放，并消除雷电流释放过程产生的火花。 1、结构组成、结构组成 雷电流分路器由4个部分组成，即分流板、固定板、调节器、拉力计量器组成。 2、雷电流分路器技术参数、雷电流分路器技术参数（1）分路器的分流板张力50 N（2）分路器的分流板的倾斜角为 3度 15 度 。（3）分路器的分流板沿罐壁运行的磨损度0.69m/m。（4）分路器的分流板最大通流量大于25kA。（5）分路器的分流板打火电流大于5kA。注：在分流板与罐壁间处于良好的接触条件下，通入8/20 S 波形雷电流，当雷电流达到11.12kA时，分流板与罐壁间开始打火。10万m3外浮
20、顶油罐，周长为251m，按2.5m间距布设1个分路器，将布设100个。如果雷电流为100kA，则每个分路器通过的雷电流0.5 kA，不会打火。（6）分路器的分流板在张力=9N时，分路器与罐壁间的接触电阻0.03。 （7）分路器与罐壁间存有的大于1012.m绝缘涂层，厚度为2mm时，冲击击穿电阻小于等于0.03，并不发生旁路跳火现象。（三）（三）AJ/FLQ-1型中低频雷电流分流及监控系统型中低频雷电流分流及监控系统 雷电是一种能量极高并且发生极其频繁的大气自然现象，直击雷、感应雷产生的破坏对大型外浮顶油罐带来的损害非常大。雷电流基本波形有两种，一是8/20S，另外一种是10/350S。而10/
21、350S一般反映的是直击雷波形，为中低频形式，处于大电流状态。假如直击雷直接落到浮盘上，就应该在最短时间将中低频的大电流泄放到大地中，避免在浮盘上“运动”而产生间隙性的火花放电。故此我们研究了中低频雷电流分流与监控系统。 中低频雷电流分流器是大型外浮顶油罐浮盘中低频雷电流泄流装置，通过可伸缩式导线盘及分流导线连接浮盘与罐壁，实现分流器与罐壁低阻抗的电气连接，确保浮盘上的中低频雷电流得到及时释放。并增加雷电流检测装置，可实时将雷电流数据上传至监控中心，实现雷击数据的监测与统计，并可与其它系统实现联动控制。 1、结构组成、结构组成 中低频雷电流分流及监控系统由雷电分流装置、雷电流传感器、雷电流记录
22、发射器、监控管理平台组成。（1）雷电分流装置由分流线、伸缩器、防护罩、安装支架等组成。（2）雷电流传感器由雷电流分流线、等电流分流环、磁敏传感器组成。（4）雷电流记录发射器由记录仪（雷电流前置信号处理单元、管理单元、时钟单元、存储记录单元）、无线自组网通信器、太阳能供电装置。（5）监控管理平台由无线自组网通信器、工控机等组成。 2、雷电流分流及监控系统技术参数、雷电流分流及监控系统技术参数（1）雷电分流装置 截面积：50mm2； 长度：25m； 最大冲击阻抗（10/350S波形）最大冲击阻抗1； 最大通流量最大通流量为200kA； 分流器与罐壁间的接触电阻20m。(2) 雷电流传感器 雷电流强
23、度感应范围：0.5KA200KA； 雷电流分流器的雷电流测试精度为5%； 防爆结构：高压绝缘材料全程灌封，绝缘强度大于18KV/mm； 耐压强度：大于10KV； 防水性能：-40/96h和80/96h，再进行IP65浸水实验，符合GB/T2423和IP65； 工作环境温度：-65+250； 测量误差：小于5；(3) 雷电流记录发射器 耐压强度：大于10KV； 防水性能：-40/96h和80/96h，再进行IP68浸水实验，符合GB/T2423和IP68； 工作环境温度：-45+150。 测量误差：小于5； 无线自组网通信器：发射功率：50mW（无线电管理部门允许自由使用功率范围）； 工作频率：
24、 470475MHz（无线电管理部门允许自由使用频率范围）； 接口数据格式： 8E1/8N1； 接收灵敏度： -110dBm9600bps（1%BER）； 信道带宽： 100K9600bps； 接口速率： 240038400bps； 太阳能设备：使用磷酸铁锂电池；DC18V；电池独立使用时间5天。（4）监控管理平台功能 无线自组网通信器：发射功率50mW； 工作频率470475MHz； 接口数据格式 8E1/8N1； 接收灵敏度-110dBm9600bps（1%BER）； 信道带宽 100K9600bps； 接口速率240038400bps。 工控机：5u标准全钢机箱；具有抗冲击、抗振动、抗电
25、磁干扰能力；机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力；连续长时间工作能力，可以24小时连续工作Intel 酷睿i3处理器；4G DDR3 1333内存；500G硬盘；22寸液晶显示器。目录2一、大型油罐雷电事故概况一、大型油罐雷电事故概况二、雷击油罐机理二、雷击油罐机理三、大型外浮顶油罐防雷现状三、大型外浮顶油罐防雷现状四、主要存在的问题危害性分析四、主要存在的问题危害性分析五、大型外浮顶油罐分路与分流措施五、大型外浮顶油罐分路与分流措施六、技术水平六、技术水平六、技术水平六、技术水平1、创新点、创新点 可靠分流高中频雷电流（8/20S波形） 、中低频雷电流（10/350S波形），保证雷电流通过时不出现放电“打火”现象，同时有监控系统，在操作室可实时监控油罐是否遭受雷击，遭受的雷电流幅值有多大，是否造成油罐着火。2、技术水平、技术水平 高中频雷电分路器、中低频雷电流分流与监控系统属国内首创，属国内领先水平。31
