大型浮顶储罐雷击火灾预防技术现状及改进探讨

王志斌，闫志怡，吴大刚，左松奇，刘海龙

(1. 宁波鼎实仓储有限公司，浙江 宁波 315812 ；2. 陕西海默油田服务有限公司，陕西 西安 710016； 3. 东北石油管道有限公司，辽宁 沈阳 111000；4. 国家管网集团 山东运维中心济南作业区，山东 济南 370100；5. 国家管网集团北方管道有限责任公司 秦皇岛输油气分公司，河北 秦皇岛 066000)

储罐是石油行业重要基础设施，随着中国经济快速发展和石油战略储备政策实施，原油库建设规模持续增长，国内已掌握容积1.0×105m3和1.5×105m3储罐设计建设技术[1]。大型储罐直径一般为60～100 m，如发生火灾事故导致严重人员伤亡、财产损失和环境影响。浮顶储罐主要火灾类型是密封圈雷击着火，其次是浮顶故障、罐底/罐壁腐蚀、阀门损坏、管件断裂引起的火灾[2]。国际资源保护组织统计分析了188例大型浮顶储罐火灾事故，密封圈火灾占总数的88.7%。美国石油协会(API)统计1951—2003年大型浮顶储罐火灾事故，密封圈雷击火灾占总数的32%[3]。SY 6306—2014《钢质原油储罐运行安全规范》统计的107例储罐火灾事故中，65例是雷电引燃储罐密封间隙油蒸气造成的。2021年新版《安全生产法》颁布实施，要求石油企业完善储罐防雷设施设计检测标准，提高储罐抵御恶劣雷暴天气条件防护能力。本文系统梳理了国外储罐防雷标准先进实践经验，可为石油库安全运行提供技术保障，对于国家能源安全也具有重要意义。

1 典型储罐雷击火灾事故案例及原因分析

石油储备库设计建设呈现大型化趋势，运行风险增加，近年发生多次储罐雷击火灾事故[4]，举例如下：

1)案例A。2006年8月7日，中石化仪征站直径为100 m，储油量为1.2×105m3的16号储罐发生雷击着火事故，自动灭火系统启动后21 min扑灭，调查发现储罐二次密封存在5处着火点。

2)案例B。2007年5月至6月，镇海储备库47号储罐先后受到2次雷击；上海金山储备库先后发生3次原油储罐雷击着火事故。

3)案例C。2007年7月7日，白沙滩油库3号储罐容积为1.0×105m3，储油量为4.0×104m3，遭雷击起火，自动灭火系统启动后14 min扑灭，事后检查储罐二次密封被爆炸损坏沿罐周长度达123 m。

分析上述事故均发生在储罐浮盘密封圈处且有多处燃爆点。储罐雷击火灾事故原因是密封圈处不严密以及故障失效，浮盘外缘与罐壁的环形间隙是油蒸气泄漏、挥发聚集的主要区域，油气浓度超过燃点或者爆炸限值。雷击产生电弧火花或感应火花，引燃油蒸气发生爆炸。例如案例A储罐一次和二次密封间的油气体积分数为0.50%～4.65%，位于原油爆炸极限体积分数范围1.1%～6.4%。分析储罐设计施工和运行维护中密封圈失效原因： 储罐施工过程罐体椭圆度、垂直度和不圆度偏差超过设计指标；储罐长期服役基础沉降，储存介质对罐壁腐蚀作用，浮顶和罐体几何尺寸发生变化；密封物质受光照、风蚀发生老化和变形；储罐油品收发时液面不稳定导致浮顶移动或者失稳。

2 储罐防雷技术现状及存在问题

2.1 储罐二次密封装置

保证密封装置可靠性以及与罐壁严密贴合是消除油气空间、防止油气泄漏的根本方法。应限定罐体与浮顶间密封装置的间隙，5×104m3储罐罐体与浮顶间密封间隙为200～250 mm；1×105m3储罐罐体与浮顶间的密封间隙为250～300 mm。储罐大修中如发现密封间隙过大，可填充异性泡沫或者安装过渡板进行调整。

储罐采用机械式/弹性填料一次密封装置和带油蒸气阻隔膜的二次密封装置。所调研的储罐一次密封较多采用机械式密封，存在较大油气空间，长期使用密封效果差，测试油气浓度达到爆炸极限的位置点较多。2015年中石油鄯善油库开展储罐泄漏检测，储罐存在一次密封褶皱、变形和脱裂现象，推断一次密封失效是油蒸气浓度超标的原因，21座原油储罐包含1×105m3油罐14座，5×104m3油罐7座，其中16座储罐存在超标情形[5]。

推荐采用弹性填料密封装置，分为单体式(调节范围为100 mm)和三芯式(调节范围为125 mm)。软物质填充膨胀后直接接触液面，显著降低油气浓度，应关注软密封物质长期服役的变形程度及密封效果。建议研发新型密封装置，例如在一、二次密封间增加一道安全密封，或者增加一次密封对罐壁的压紧力，进一步压缩油气空间；在一次密封外设置外密封膜，使得上下密封形成整体密封，原则上基本消除油气现象的安全隐患。储罐新型无油气密封装置原理如图1所示。

图1 储罐新型无油气密封装置原理示意

2.2 储罐氮气密封装置

国外认为储罐二次密封进行氮气惰性防护是安全可行的措施。例如美国储罐在罐顶边缘处安装氮气密封装置，从一次、二次密封上部环形空间注入氮气，该方法在发生火灾时具有冷却、绝热和灭火功能。氮气注入可以稀释油蒸气体积分数和降低氧气体积分数，进而降低了最大爆炸能量。研究表明针对挥发性较强的原油储罐，氧气体积分数控制在8%以下可保证安全性。

文献[6]研制了储罐二次密封通风装置、氮气注入系统以及油蒸气/氧气检测系统，油气检测系统工作原理是利用气体取样泵从二次密封空间取出混合气体样气，经过滤、脱液、分离等预处理进入气体分析仪，得到油气体积分数和氧气体积分数。如油蒸气体积分数超过报警值(氧气体积分数8%作为联锁报警值)，储罐浮盘和罐体环向空间强制注入氮气，直至油蒸气体积分数恢复至安全值。该系统可以有效防止储罐雷击火灾事故，氮气还具有隔绝空气等辅助灭火功能。氮气工艺管网设计参数总管道为DN150，储罐组汇管为DN80，储罐罐顶氮气注入支管为DN40。

与此类似，长庆油田油库7座1×105m3储罐安装主动式防护系统[7]，应用在线分析技术，对密封空间油气体积分数和氧气体积分数进行周期性采样，密封空间可燃气体体积分数超过设定值，系统启动氮气置换、惰化密封空间可燃气体，有效降低操作人员劳动强度，实现主动式预防火灾爆炸事故。该系统安全判定准则设定有安全、一级预警、二级预警和危险四种状态，见表1所列。系统启动逻辑顺序为： 如未接到雷电预警信号，取样点检测判定结果为危险，系统启动直至油气体积分数不高于50%LEL；如已接到雷电预警信号，取样点检测判定结果为二级预警，系统启动直至油气体积分数不高于25%LEL。制氮系统基于变压吸附技术(PSA)，可制取99.9%纯度的氮气，安装一座40 m3缓冲罐，设计操作压力为0.8 MPa。每座储罐罐顶注氮钢管为DN40，沿罐周向设置32个注氮喷头，管线安装压力、温度补偿器及排液阀。

表1 储罐主动式防护系统安全判定准则

2.3 储罐电气连接(等电位连接)

国内外较为公认的储罐雷击防护措施有接闪、分流、屏蔽、均压、等电位连接和接地[8]。浮顶储罐浮盘与罐壁必须采取等电位连接措施，通行做法是罐体与浮顶进行电气连接，以及阻火器、呼吸阀、量油孔、人孔、透光孔等储罐附件设施的电气连接。GB 50074—2014《石油库设计规范》和GB 15599—2009《石油与石油设施雷电安全规范》规定了储罐附件设施电气连接及等电位连接做法如下：

1)采用导线将罐体与浮顶做电气连接。

2)利用浮顶排水管将罐体与浮顶做电气连接。

3)转动扶梯分别与罐体和浮顶做两处电气连接。

4)储罐温度/液位测量装置(量油孔、人孔、透光孔)、自动消防灭火系统(阻火器、呼吸阀)与罐体做等电位连接。

API RP 545： 2009《储存易燃液体地上储罐雷电防护推荐做法》中除规定浮盘与罐壁等电位连接要求外，推荐导电触片分流，导电触片材质为不锈钢，安装在油品液面下方，横截面积大于 20 mm2，沿罐周向间隔不超过3 m。API RP 2003： 2015《防止静电、雷电和杂散电流引燃推荐做法》中提出预防储罐雷击火灾根本途径是密封可靠和设计有效电流通道，与此类似，沿罐周向间隔3 m安装导电触片，将雷电电流泄放大地，防止在油蒸气空间产生火花。可以看出，国内标准重视罐体与浮顶的电气连接，储罐附件设施间的电气连接。美国标准推荐导电触片分流方式。

大型浮顶储罐防雷措施存在的问题： 连接导线长度超过20 m，泄放雷电电流时由于导线趋肤效应使电感瞬时增大，罐体与浮顶之间产生较大电位差，如密封圈处存在放电间隙，可能导致火灾[9]；导电触片是罐体与浮顶之间雷电流主要泄放通道，储罐实际运行过程中由于弹力不足，导电触片不能与罐壁紧密贴合，导电片与罐壁之间形成短距离的空气间隙，雷击时可能产生火花放电，成为潜在点火源[10]。

浮顶储罐防雷研究方向是罐体与浮顶之间可靠的等电位连接方式，同时保证罐体与浮顶之间电位差不能太大，目前新建储罐应用了可伸缩式接地装置，原理是用带状编织导线缠绕在卷轴上，可随浮顶上下移动而自动缠绕，实现罐体与浮顶之间最短的导线连接，带状编织导线在卷轴上始终保持张紧状态，减小了雷电频率下的趋肤效应，浮顶与罐体之间电路阻抗值不大于1 Ω。

2.4 储罐防雷接地

针对储罐防雷接地形式、数量，国内外标准基本一致。GB 50074—2014规定储罐应设置至少2处防雷接地点，接地点沿储罐周向间距应小于30 m。API RP 545： 2009规定应安装可靠储罐接地设备，做法是沿罐周向平均设置环状接地，接地点不少于2处，间隔小于30 m，接地装置与罐壁直线距离大于3 m。

针对储罐接地极电阻检测值，国内外标准差异较大。GB 50074—2014和GB 15599—2009规定储罐接地电阻应小于10 Ω。API RP 545： 2009规定储罐接地设施电阻值应小于4 Ω。储罐接地电阻值越小，散流效应越快，储罐雷击产生的跨步电压、接触电压越小，对操作人员人身风险越小。因此，限定储油罐接地电阻不大于4 Ω更为合理。

2.5 储罐雷电预警系统

雷电预警系统已成为油库重要的安全防护系统和管理手段，目前基于场磨原理的大气静电场探测产品，一般可提前30 min预警发生雷暴。其工作原理是对持续屏蔽和开放的探测电极带电量的增益放大，转换为电场数值，监测近地面大气层静电场变化趋势，实现雷电风险识别和预警。雷电预警系统预警信息按照严重程度由低到高分为3个等级： 1级提醒消防泵房操作人员就位；2级提醒雷电生成；3级提醒雷电迫近罐区，自动触发控制室生产系统报警。2008年先后在仪征、白沙湾等4个大型油库安装雷电预警系统，可在雷电前发出预警，提醒控制室和消防队处于应急备用状态。

3 结束语

储罐防雷重点是保证密封装置完好性和接地装置可靠性。石油企业应严格遵循标准规范，充分借鉴国外储罐防雷先进实践经验，增强储罐预防雷击火灾风险的能力，保障油库运行安全。

1)储罐设计应避免抗风圈/加强圈处金属突出物，降低雷电产生电弧火花的可能性。

2)新建储罐施工严格控制罐体不圆度、几何形状尺寸，以及储罐基础、导向柱垂直度。储罐防雷设施施工重点关注罐体与浮顶的电气连接，保证导电触片、连接导线的产品质量和安装可靠性。

3)推荐一次密封采用弹性填料型式，优先采用三芯式弹性填料密封，增大密封装置适用调整范围，研发新型无油气密封装置。

4)储罐运行重点是防雷设施检测以及密封处油气浓度检测，并保证工业监视系统、可燃气体/火焰检测系统和自动消防系统处于可靠、备用状态。仪征和白沙湾油库储罐雷击火灾短时间内成功扑救，根本原因在于安装的感温报警系统和工业电视监控系统，及时发现火情并报警；消防系统处于高稳压备用状态，迅速供应消防泡沫和冷却水。保证储罐安全防护系统高效协调联动，储罐密封圈雷击火灾及时发现处置是完全可控的。

5)如经济条件允许，建议储罐同时安装氮气置换防护系统和雷电预警系统，促进储罐安全管理从“被动灭火”向“主动预防”理念的转变，创新大型储罐安全管理的新模式。