大型外浮顶储罐防雷技术探讨

邓 鑫

（中国石油天然气管道工程有限公司）

大型浮顶储罐是我国石油化工企业和国家原油储备库通用的储罐形式，但储罐一旦发生火灾或爆炸，不仅会带来严重的经济损失同时也会给现场工作人员带来巨大的生命威胁［1～3］。雷击是造成储罐着火的主要原因之一， 据报道，1951～2003年间， 世界范围内储罐着火事故年均15～20起，其中三分之一的储罐火灾事故是由雷电引起的。 我国油罐多处于码头、港口等沿海雷电多发地区，黄岛油库、茂名石化北山油库、仪征输油站及镇海国家储备库等多个油库先后发生过雷击着火事故。 雷击造成浮顶储罐着火的机理为雷击电流通过储罐不同电位结构时产生的电火花引燃环向密封处聚集的油气［4～6］。浮顶储罐的防雷设计目的在于使储罐各部分结构等电位，将雷击电流通过罐体及防雷接地设施导向大地而不产生电火花，从而避免雷击起火事故，因此大型浮顶储罐的防雷设计是保证储罐安全运行的重要举措。目前，浮顶储罐的防雷措施大多为被动式［7，8］，为保证油罐的安全运行，应重视主动防雷措施的制定。 为此，笔者基于近年来国内外对于浮顶储罐防雷的标准规范，总结浮顶储罐可实施的防雷举措。

1 浮顶储罐防雷设计要求

针对浮顶储罐防雷设计的标准有：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 圆 筒 形 钢 制 焊 接 油 罐 设 计 规 范》［12］、GB 50737—2011 《石 油 储 备 库 设 计 规 范》［13］、GB 50074—2014 《石油库设计规范》［14］、GB 15599—2009《石油与石油设施雷电安全规范》［15］和Q/SY 1718—2014《外浮顶油罐防雷技术规范》［16］，具体要求见表1。

表1 不同标准对浮顶与罐体电气连接的要求

（续表1）

由表1可知， 无论国内还是国外工程建设中的浮顶储罐都应基于标准的规范要求采取相应的防雷措施，做法基本相同，即：

a. 浮顶油罐转动扶梯两侧与罐体和浮顶应做两处电气连接；

b. 利用浮顶排水管将罐体与浮顶做电气连接， 每条排水管线的跨接导线应采用1根截面积不小于50 mm2的扁平镀锡软铜复绞线；

c. 金属储罐的阻火器、 呼吸阀、 量油孔、人孔、切水管及透光孔等金属附件应等电位连；

d. 当采用滑板式机械密封时，钢滑板与浮顶间应采用截面积不小于10 mm2的软铜电缆线做电气连接，沿内壁间距不宜大于3 m。

从表1各标准对浮顶储罐防雷设计的规范要求不难发现，其中对电气连接线和导电片的要求不尽相同，具体为：

a. 电气连接线。 NFPA 780—2020、API RP 545—2009和Q/SY 1718—2014要求电气连接线应沿储罐圆周布置且安装间距不应大于30 m， 电气连接线的电阻值应小于0.03 Ω；GB 50341—2014与GB 15599—2009要求安装至少2根电气连接线，GB 50737—2011要求采用2根电气连接线， 而API 650—2020对于电气连接线未做要求； 各标准规范对于电气连接线的截面积要求皆为不小于50 mm2，但对于安装数量的要求不同。

b. 导电片。各标准对于导电片的物理参数和安装间距要求基本一致（宽度不小于50 mm，最小截面积为20 mm2， 设置间距不大于3 m）；NFPA 780—2020、API RP 545—2009要求导电片安装在液面以下0.3 m，或在满足一定条件和要求时也可安装在浮顶以上；API 650—2020 和Q/SY 1718—2014要求导电片安装在浮顶之上， 而GB 50074—2014要求储罐采用二次密封采用Ⅰ型橡胶刮板时， 导电片需与浮顶做电气连接，GB 50341—2014、GB 50737—2011 和GB 15599—2009对于导电片的安装位置未做要求。 此外，虽然国内主要规范未对导电片的安装做强制要求，但国内储罐基本按照宽度不小于50 mm， 最小截面积为20 mm2， 设置间距不大于3 m的要求安装在二次密封上部。

2 浮顶储罐的防雷措施

2.1 雷电特性

在雷击事故中，超过90%的雷击是负极性的［3］。 雷击电流的典型组成（图1）为持续时间短的中高频部分（A、B、D）和持续时间长的中低频部分（C），其参数列于表2。 API/EI的研究报告545-A表明：导电片对于电流中高频部分有更小的阻抗，其作用为传导雷击电流的中高频部分； 电气连接线对于电流的中低频部分有更小的阻抗， 其作用为传导雷击电流的中低频部分； 电气连接线的设置对减少导线片的打火现象作用明显； 中低频的电流虽然能量很小但是更容易引燃油气空间。

图1 典型负极性雷击电流的组成示意图

表2 典型负极性雷击参数

2.2 电气连接线的设置

电气连接线用于传导容易引燃油气空间的雷击电流中低频部分，是浮顶储罐防雷技术中的关键元件。 其电阻率越小导电性能就越好，大型外浮顶储罐的电气连接线应该按照规范要求的间距和数量进行设置，以保证预期的导电性能和防雷效果。 浮顶储罐电气连接线主要有传统型和可伸缩型两种形式（图2）。

图2 两种电气连接线形式示意图

无论浮顶在任何位置，尤其是当储罐处于高液位工况时，浮盘高度高，存有更高风险的情况［17］，可伸缩型电气连接线都能保证导线的阻抗最小，绝佳传导雷击电流。 以4种典型容积（公称）的浮顶储罐（表3）为例，进行两种型式电气连接线的性能对比。

表3 4种典型容积浮顶储罐参数

2.3 导电片的设置

导电片按标准要求可安装在浮顶上部二次密封之上，也可以安装于浮顶下部且浸在液面之下（可称之为浸液式），两种导电片的具体安装位置如图4所示。

图3 最高液位时两种类型电气连接线感抗值对比

图4 导电片两种安装位置示意图

导电片安装在浮顶上部，属于二次密封的供货范围， 是目前国内外储罐采用的安装形式，技术成熟，虽然导电片属于突出的尖锐物体，考虑到储罐浮顶的液位设计， 即使浮顶处于最高液位， 通常导电片离罐壁顶端约有300 mm的距离，处在罐壁锥形防雷区域内，不会发生直接引雷的现象。 导电片安装于浮顶上部方便日常运行管理，但其缺点为若导电片与罐壁接触不良或存在间隙，雷击电流经过时会产生电火花并引燃密封处存在的油气，发生着火事故。 导电片与罐壁的接触不良或间隙是由于浮顶晃动、罐壁锈蚀或结蜡等原因造成，这些原因对于运行时的储罐不可避免，故美国API协会提出浸液式导电片，其与罐壁的接触点位于液面以下隔绝了点火的必要条件——空气，即使导电片与罐壁产生电火花也不会引起储罐着火事故。

浸液式导电片在NFPA 780—2011和API RP 545—2009两个标准中最早被提出，NFPA 780在2014版和2017版中皆要求必须采用浸液式导电片， 但目前执行的最新版本NFPA 780—2020和API RP 545—2012并未强制要求采用，而是需根据储罐建造的实际情况判定是否采用浸液式导电片。 浸液式导电片通过隔绝空气的做法避免储罐着火事故，但也存在以下问题：

a. 没有成熟的安装方案。浸液式导电片可以包含在一次密封供货范围内，也可以单独开料由现场进行施工，但无论是国内外的密封供货商还是施工单位，对于导电片浸液式的安装方式还没有成熟的方案。

b. 旧罐改造的实施性较差。浸液式导电片的安装需要对旧罐进行清罐——若是整个库区一次性改造，清罐费用高，且改造会影响库区正常运转；若按库区改造计划分批更换，则更换周期太长。

c. 安装方式的局限性。 日常检修和维护不能及时开展，而且其周期需与储罐的大修周期保持一致，导电片的运行状态也无法监控，防雷效果也就得不到保障。

笔者认为：由于以上问题的存在，同时根据API RP 545—2009中的实验报告（中高频电流不易引燃油气空间），使得目前标准和API协会的规范要求采取灵活方式， 即结合储罐的实际情况，采取适宜的导电片形式，而不再强制要求采用浸液式导电片。

2.4 其他通路的防雷要求

其他通路主要包括一次密封（机械密封）、导向管和量油管。 API RP 545—2009要求对以上的电流通路进行电绝缘处理，电绝缘强度不低于1 kV；NFPA 780—2020要求对以上电流通路进行电绝缘处理或电气连接——若采用电绝缘处理，其电绝缘强度不得低于1 kV； 若采用电气连接，可以用导线、不锈钢导电片或其他等效材料的电气连接方式。

电绝缘处理，是让雷击电流只通过电阻率更低的电气连接线和导电片，这样就可避免雷击电流通过一次密封、量油管和导向管处时电火花引起油气空间起火的事故。 与浸液式导电片存在同样的问题，电绝缘的改造需要储罐清罐，对于规模较大的库区整体改造周期较长， 投资也很高。另外，若储罐的主要防雷设施电气连接线和导电片均为正常，雷击电流不会流经其他通路；若电气连接线和导电片失效，击穿5 mm间隙后雷击电流可达数十千伏［18］，1 kV电绝缘强度不足以绝缘其他通路。

电气连接的形式对于一次密封是十分必要的，一次密封所有部件之间应做电气连接，并且一次密封应与浮顶做电气连接。 同样，在量油管和导向管处通常会存在相当浓度的油气空间，理论上也应要求与浮顶做电气连接，但由于其结构原因，无论设置电气连接线或用其他等效的电气连接都存在一定难度，所以国内外储罐在量油管和导向管处均未实施电气连接。

3 结论

3.1浮顶储罐的防雷设计应满足转动扶梯电气连接、浮顶排水管电气连接、浮顶上附件做电气连接及机械密封电气连接等相关标准规范的要求。

3.2浮顶储罐的电气连接线应采用可伸缩型，相比于传统型其电气连接线的感抗降幅超90%；考虑导电片日常运行维护局限性的影响，建议导电片安装于二次密封之上。

3.3从经济性和技术成熟度方面考虑，浮顶储罐的防雷设计不推荐对量油管、导向管和机械式一次密封的电绝缘处理；若进行电绝缘处理，应充分考虑对储罐其他结构的影响，避免影响储罐的正常运转。