大型浮顶储罐雷击火灾危险性及防控对策研究

袁 杰, 刘占全,任常兴

(1.天津大学环境科学与工程学院，天津 3000722.天津南港工业区安全生产监督管理局，天津 3002803.公安部天津消防研究所，天津 300381)

1 国内外概况

作为化工园区危险化学品重大危险源聚集区的石化仓储类罐区，种类繁多且储量巨大，多为易燃易爆或有毒有害物质，一旦发生事故后果影响往往巨大。石化罐区作为石油及产品的主要储存区域，担负着液态油品和可燃气体的收发储存任务，近年来全国的石化仓储类罐区发生了多起雷击起火事故。例如：2006年8月仪征输油站，2007年5月和6月镇海国家储备库，2007年7月上海白沙湾输油站，2011年11月大连港中石油油品码头海滨北罐区的雷击起火事故等。实际情况表明，雷电已成为影响储罐安全的重要因素之一。

由国际资源保护组织(RPI)负责，BP、Shell等16家石油公司组织开展的LASTFIRE项目表明每年发生 15～20 起大型石化储罐火灾事故[1]。据国外的529起油罐火灾事故统计，从起火原因来看，雷击起火约为32.5%；从燃烧介质来看，主要是原油约为33%，其次是汽油约为27.3%；从起火油罐类型来看，以浮顶储罐为主(占29.5%)，其次是拱顶罐。维护状态良好的固定金属顶储罐和卧式储罐，由于其全部金属部件互相连接，拥有对直接雷击引燃和损坏的良好防护；根据法拉第笼式效应，具有导电罐顶的内浮顶储罐本身就具有防护闪电的能力；带压储存可燃性液体或气体的金属储罐、容器和工艺设备，通常都能良好地接地且有足够的厚度，不致被直接雷击击穿，一般不要求另加雷电防护[2-4]。可见，大型原油浮顶储罐是主要防范对象，起火频率高，灾害后果严重。

在2006年巴西召开的国际防雷年会上一些专家指出“尽管可燃物储存设施的防雷全部遵照有效的国际防雷规范，但雷击引发火灾的危险依然很高，进一步改进防雷系统是必须的”[5-6]。同时，近年来石油储罐雷击事故的连续发生也迫切需要进一步研究和完善大型浮顶储罐现有防雷技术措施，推广应用可行的防雷新技术。本文通过对大型浮顶原油储罐雷击起火要素及其影响因素风险分析，给出了雷击起火防范技术措施和管理对策，对大型浮顶储罐防雷安全运行具有一定的指导意义。

2 大型储罐雷击起火风险因素及防雷规范分析

LASTFIRE项目收集了1981～1995年2 420座直径大于40 m的外浮顶储罐运行33 909罐年的事故数据，单罐密封圈火灾、浮顶泄漏火灾、防火堤内小火、防火堤内大火及部分或全液面火灾的年发生事故频率分别为1.0×10-3、3.0×10-5、9.0 ×10-5、6.0 ×10-5和3.0×10-5。对于大型原油浮顶储罐，一定浓度油气混合物存在于浮顶储罐密封圈周围，雷击和静电是起火的主要原因，其中雷击闪电可以附着在储罐的任何部位，如罐壁、仪表、罐顶或浮顶上的闪电电流等，且储罐附近地面的闪电也可能引发储罐密封圈处放电。从多起储油罐着火的事故中可以看出，在储罐密封处发生的火灾居多，雷击密封圈火灾是主要事故场景[7-8]。

通常情况下浮顶密封引起的泄漏主要分为两类，即浮顶密封静止蒸发损耗和储罐的收、发油操作引起的油气损耗[9]。从罐区雷击起火事故条件来看，现有罐区密封空间形成爆炸性混合物的主要问题是罐壁不光滑、密封不严，形成雷击火花的主要问题是电流泄放不畅、等电位连接失效等。同时，储罐机械密封存在本质安全上缺陷，而弹性密封材料易老化腐蚀等，往往导致可燃气体泄漏聚集，若遇雷击易引发火灾。

从我国现有罐区防雷规范要求来看，罐区防雷措施多是依照现有规范进行设防，采用或参照美国API RP 2003《预防静电、雷电和杂散电流引发火灾》[3]、API RP545《地上易燃或可燃液体储罐的雷电防护推荐作法》[10]和NFPA780《防雷击系统的安装》[11]等，要求浮顶储罐利用罐体本身作为接闪器，浮顶与罐体应有可靠的电气连接。关于雷电防护的系列标准GB/T 21714(总则、风险管理、建筑物的物理损害和生命危险、建筑物内电气和电子系统)等同采用IEC62305系列标准，强调防雷的风险管理和系统性防护。国内外罐区防雷规范技术指标比较见下表1，依据传统的富兰克林避雷针理论，多数罐区防雷规范主要是保证雷电流的泄放，避免存在间隙放电而进行技术条件规定。国内规范对于罐体内一次密封和二次密封的设计、制造及安装验收缺乏规范性要求，也没有浮盘密封的技术指标，对于罐体形成爆炸性混合物的防控措施相对较薄弱。

3 大型浮顶储罐雷击起火防控对策

鉴于大型石油储罐区闪电附着面积大，附着形式多样，即使全部遵照有效的防雷规范，雷击引发火灾的概率依然很高。同时，由于大型原油浮顶储罐全液面火灾可能引发沸溢、喷溅、大面积流淌等灾难性事故，至今未见成功扑救的案例报道[12]。大型外浮顶储罐防雷是一个多专业、多领域配合协作的全过程系统防控工程，涉及设计、制造、运行、维护及管理等多个环节，应加强仓储石油园区雷击起火综合防控能力建设。

对于大型浮顶油罐区，预防雷击起火事故一是罐区防雷，二是避免形成可燃气体爆炸环境，其最有效的防护就是采取严格的密封措施和设计合理的电流泄放通道。同时，一旦发生雷击起火事故，关键是提高初期火灾的预警和扑救能力。下面主要从标准规范要求、防控技术措施和安全监管等方面综合提出罐区雷击起火事故的防控对策措施。

3.1 修订罐区防雷规范

对于大型浮顶储罐，建议制修订关于罐体内一次密封和二次密封的设计、制造及安装验收规范性技术要求，以及一个通用的浮盘密封设计、安装验收标准，提高大型浮顶罐密封的可靠性，有效控制爆炸性混合物的形成。同时，开展大型浮顶储罐浮盘密封技术研究，合理选择浮盘密封结构形式，减少或消除一二次密封之间的可燃混合气体空间，实现浮盘密封的本质安全。合理选用隔膜材料，研究开发性能优良的阻燃性密封隔膜材料用于浮顶储罐的密封。

表1 国内外罐区防雷规范技术指标比较

依据研究报告API RP545模拟雷击实验和安全工程研究院对浮顶储罐导电片开展的模拟雷击放电实验结果等，建议尽快修订相关规范，取消浮顶储罐导静电刮板。同时，参考 API RP 545 “液面以下的导电密封组件(包括弹簧、支架、密封膜等)，以及仪表、导向杆都应与浮顶绝缘，绝缘强度大于 1 kV”等相关内容给出电气仪表相应部分的绝缘要求；以API RP 545 为基础，采纳俄罗斯标准关于维护和检测方面的细节要求，制定国内储罐防雷维护保养方面的管理规定。

3.2 应用雷击起火防控技术

基于事故风险防范原则，罐区雷击起火防控技术措施主要涉及以下两个方面：①降低雷击起火发生频率，主要是减少或稀释油气爆炸性混合物以及增强防雷技术措施，降低雷击火花的发生概率；②提高初期火灾预防和扑救能力，及早发现，及早处置[13]。鉴于现有规范相对于新技术应用的滞后性，应鼓励和推动罐区雷击起火防控新技术的应用。

a)政策层面应制定有利于新技术推广应用的鼓励机制。鉴于责任问题，一般在设计阶段，设计单位在进行罐区防雷设计时很难突破现有规范的标准要求，这为新技术研究成果的及时应用形成了障碍。建议国家制定推动措施，为罐区防雷新技术的试点和推广提供政策支持。通过政策指引，鼓励有实力的专业机构开展诸如主动式避雷装置、浮顶罐伸缩式接地装置RGF、内浮顶防雷技术等罐区防雷新技术措施的研究，积极引进国外先进防雷技术。

b)政府/企业层面应加大罐区雷击起火防控新技术应用的资金投入。对于罐区雷击起火防控新技术措施，建议政府层面给出新技术推广应用目录，并对应用企业单位和当地研发机构给予一定的资金支持，推动新技术的推广及应用，增强罐区雷击起火综合防控能力。例如，采取“惰化技术”降低密封圈区域可燃油气浓度和氧气浓度，向具有火灾危险的一次密封和二次密封封闭空间注入二氧化碳、氮气和惰性气体等。推广应用罐区防雷新技术，如改进油库储罐布局、雷电预警系统、大型浮顶储罐防雷成套技术、改进浮顶罐密封技术、改进储油罐等电位接地的“伸缩式接地装置”技术和外浮顶罐改内浮顶罐技术等[14-16]。提高罐区初期火灾事故预警和扑救能力，如加强雷电预警能力，采取以预防为主的多重报警及控制系统(二三三模式，即为两种报警、三种灭火保护和三种控制操作)，实现了火灾自动报警与PLC 控制紧密结合，推广应用罐区灭火新技术等。

3.3 加强罐区雷击起火安全管理

对于罐区雷击起火事故防范的安全管理，主要是加强罐区防雷本质安全化设计的监管及准入，开展罐区防雷综合风险评估，确定优化的系统防控技术措施，规范化罐区防雷管理制度及操作规程，提高罐区检查和人员维保技术及资格要求，全面提高罐区雷击起火防控的安全管理能力。

3.3.1加强罐区防雷本质安全化设计的监管及准入

建设本质安全型储罐是保障罐区安全稳定运行的基础，从单罐建设、罐区选址及化工园区布局等层面综合规划设计，实现罐区的本质安全。

a)单罐建设。建议对单个储罐的最大罐容开展基于风险的研究，避免储罐的盲目增大。

b)罐区选址。聚集在同一化工园区内的储罐区数量较多，储存介质的物化特性差别较大，应避免存在禁忌的物料或物化特性相差较多的物料的罐区邻建，以控制罐区的相互影响，且考虑企业安全裕量，合理规划。

c)化工园区布局。建议明确安全条件论证、安全评价、安全规划、总体规划和控制性规划间的相互关系，并体现基于风险规划的效力。对化工园区具体给出界定标准，严格化工园区的设立条件，明确设立化工园区的管理程序。

3.3.2开展罐区综合防雷风险评估确定优化防控技术措施

通过罐区雷击风险评估，对雷电活动规律、电磁环境、防雷等级、孕灾气象环境危险性、雷灾氶灾体的易损性、潜在风险类型及比例等做出评估，并开展安全措施成本效益分析，根据评估分析结果提出优化的防雷控制措施。建议出台园区管理规定，要求企业对于重大罐区项目进行危险性和可操作性(HAZOP)、预先危险性分析(PHA)等风险评估，以科学选择标准等级，构建真正有效的防护体系。同时，建立园区预警和企业防范两级防雷系统，实现预警资源信息共享；开展罐区基础不规则沉降监测和园区重点企业罐区监测，实现地质沉降引起罐体变形的双重监控。

3.3.3规范化罐区雷击起火防范制度建设

建议出台指导罐区企业建立管理制度、操作规程、应急预案等文件的指导性意见或导则，开展罐区防雷制度规范化建设。如制修订《防雷防静电设备设施管理制度》、《浮顶罐一二次密封气相空间可燃气体检测制度》、《防雷防静电安全责任制》、《雷雨天气罐区安全操作规程》和《罐区突发事件应急处置预案》等。同时，加强罐区雷击起火防范技术措施的检测和定期维保，提高罐区日常监管能力，严格执行相关制度和操作规程。

3.3.4提升罐区雷击起火防范人员管控水平

加强对罐区防雷系统及灭火系统设施检测单位的资质审查及管理，强化检测人员的资格管理，定期开展罐区防雷系统、消防系统的检测及维护，建立人员检测记录档案。同时，罐区维护保养人员应加强培训，持证上岗，建立维护保养档案。

4 结语

雷击是大型浮顶储罐火灾事故的主要原因之一，通过对大型浮顶储罐区雷击火灾事故原因、形成要素以及国内外防雷规范技术指标对比分析，笔者建议尽快修订相关防雷技术规范，取消二次密封上的导电片；政府层面发布防雷新技术推广目录，给予企业资金支持和政策鼓励，推动罐区防雷新技术的应用。同时，开展大型原油储备基地防雷风险评估，加强罐区防雷本质安全化设计和日常维护检测，提高罐区雷击火灾综合防控能力。

5 参考文献

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