第三節(jié)　外浮頂儲(chǔ)罐防雷設(shè)施的作用

自2006年8月7日中國石化管道公司南京輸油處儀征輸油站16號15×104m3原油外浮頂儲(chǔ)罐發(fā)生雷擊火災(zāi)后，經(jīng)過火因調(diào)查，以及過往國內(nèi)大型原油外浮頂儲(chǔ)罐雷擊火災(zāi)火因追溯與分析，普遍認(rèn)為在儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)置接閃器（避雷針）無助于防范雷擊火災(zāi)，且有引雷之嫌。自此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都不再規(guī)定可燃液體儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)置避雷針，而是靠儲(chǔ)罐自身防雷接地等防范。國內(nèi)多位業(yè)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為儲(chǔ)罐密封圈防直擊雷是難以做到的。

2015年4月6日騰龍芳烴爆炸火災(zāi)后，為更好貫徹黨和國家主要領(lǐng)導(dǎo)人的指示、批示精神，公安部消防局成立“石油化工企業(yè)事故防控專題調(diào)研小組”，深入全國主要相關(guān)企業(yè)開展調(diào)研。在調(diào)研過程中，基層消防人員反映撲救密封圈火災(zāi)需人員登頂，擔(dān)心被雷擊，建議儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)置避雷針。基層消防人員畢竟不是雷電科學(xué)方面的專業(yè)工作者，其樸素的建議能否起作用？

雷電科學(xué)屬大氣物理學(xué)下三級學(xué)科大氣電學(xué)的范疇，我國有幾所高校開設(shè)相關(guān)課程，如南京信息工程大學(xué)等。但其至今尚未形成一種被公認(rèn)為無懈可擊的完整學(xué)說。那么，目前大型外浮頂儲(chǔ)罐浮頂與罐壁間設(shè)置兩根旁路導(dǎo)線（我國也稱導(dǎo)靜電線）與沿罐周間距不大于3m（10ft）設(shè)置一個(gè)截面積不小于20mm2（0.4×51mm）奧氏體不銹鋼（通常牌號為302）分路（我國也稱導(dǎo)流片）的等電位連接有多大作用呢？再有兩根旁路導(dǎo)線截面積由25mm2增加到50mm2能起多大作用？我國業(yè)內(nèi)對外浮頂儲(chǔ)罐防雷也有不同觀點(diǎn)。為此，有必要對雷電成因、現(xiàn)有防雷措施的作用以及國內(nèi)外防雷進(jìn)展進(jìn)行簡要論述。

一、雷擊分類

雷擊有直擊雷、感應(yīng)雷、“球形雷”三種主要形式。直擊雷是指帶電云層與大地某點(diǎn)間迅猛放電現(xiàn)象；感應(yīng)雷是由于帶電云層的靜電感應(yīng)，使地面某一范圍帶上異種電荷，當(dāng)直擊雷發(fā)生后，云層帶電迅速消失，而地面某些范圍因散流電阻大，以致出現(xiàn)局部高電壓，或者由于直擊雷放電過程中，強(qiáng)大的脈沖電流對周圍的導(dǎo)線或金屬物產(chǎn)生電磁感應(yīng)產(chǎn)生高電壓以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象，也稱之為“二次雷”；球狀閃電俗稱滾地雷，這種現(xiàn)象早于1838年便有文獻(xiàn)記載，但至今仍未有合理的解釋，也較少見，故不再論述了。

二、雷電成因與特性

（一）雷電成因

從18世紀(jì)中葉美國科學(xué)家本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin）用他那綁有尖端導(dǎo)體的風(fēng)箏取雷電實(shí)驗(yàn)后，證明了雷電與摩擦產(chǎn)生的電是相同的，并且發(fā)明了流傳后世的避雷針。隨著后來者的不斷實(shí)驗(yàn)研究，在這一領(lǐng)域取得了許多成就。研究認(rèn)為雷擊通常是部分帶電云層與另一部分帶異種電荷云層或帶電云層對大地之間的迅猛放電。這種迅猛放電過程產(chǎn)生強(qiáng)烈閃電并伴隨巨大聲音。云層間放電主要對飛行器有危害，云層對地放電則對建構(gòu)筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜危害甚大。雷云形成與帶電云層密不可分，有關(guān)雷云形成的假說很多，現(xiàn)介紹其中一種被認(rèn)為比較完善并經(jīng)常被推薦的假說，劍橋大學(xué)的查爾斯·威耳遜（Charles Thomson Rees Wilson）假說：

根據(jù)大量科學(xué)測試與推算，地球表面約帶有5×105C負(fù)電荷，地球上空存在一個(gè)帶同樣電量正電的電離層，兩者間形成一個(gè)已充電的電容器，它們之間的電壓為300kV左右，且電場方向?yàn)樯险仑?fù)。這種電荷分布與穩(wěn)定靠雷暴，地球上任何時(shí)刻約有2000個(gè)雷暴在活動(dòng)。

當(dāng)?shù)孛婧魵獾目諝馐軣嵘仙a(chǎn)生向上氣流。這些含水蒸氣上升時(shí)溫度逐漸下降形成雨滴、冰雹（稱為水成物），這些水成物在地球靜電場的作用下被極化（圖3-22），電荷分布為負(fù)上正下，因重力作用下落速度比云滴和冰晶（這二者稱為云粒子）要大，因此極化水成物在下落過程中要與云粒子發(fā)生碰撞。碰撞的結(jié)果是其中一部分云粒子被水成物所捕獲，增大了水成物的體積，另一部分反彈回去。反彈回去的云粒子帶走水成物前端的部分正電荷，使水成物帶上負(fù)電荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子下降的速度慢，因此帶正、負(fù)兩種電荷的微粒逐漸分離（這叫重力分離作用），如果遇到上升氣流，云粒子不斷上升，分離的作用更加明顯。最后形成帶正電的云粒子在云的上部，而帶負(fù)電的水成物在云的下部，或者帶負(fù)電的水成物以雨或雹的形式下降到地面。當(dāng)帶電云層一經(jīng)形成，就形成雷云空間電場，空間電場的方向和地面與電離層之間的電場方向一致，因而加強(qiáng)了大氣的電場強(qiáng)度，使大氣中水成物的極化更厲害，在上升氣流存在情況下更加劇重力分離作用，使雷云發(fā)展得更快。實(shí)際上氣流的運(yùn)動(dòng)比上面講的更為復(fù)雜，雷云電荷的分布也比上述復(fù)雜得多。

雷電與帶電云層的存在分不開，與閃電有關(guān)的云有層積云、雨層云、積雨云等多種，其中閃電最主要發(fā)生于積雨云，人們通常把發(fā)生閃電的云稱為積雨云。據(jù)大量直接觀測，典型的雷云中的電荷分布大體如圖3-23所示。

測試結(jié)果表明，大地被雷擊時(shí)，多數(shù)是負(fù)電荷從雷云向大地放電，少數(shù)是雷云上的正電荷向大地放電；在一塊雷云發(fā)生的多次雷擊中，最后一次雷擊往往是雷云上的正電荷向大地放電。觀測證明，發(fā)生正電荷向大地放電的雷擊顯得特別猛烈。

（二）雷擊閃電的特性

雷電破壞作用與峰值電流及其波形有最密切關(guān)系。雷擊的發(fā)生、雷電流大小與許多因素有關(guān)，其中主要有地理位置、地質(zhì)條件、季節(jié)和氣象。其中氣象情況有很大的隨機(jī)性，因此研究雷電流大多數(shù)采取大量觀測記錄，用統(tǒng)計(jì)的方法尋找出它的概率分布。根據(jù)資料表明，各次雷擊閃電電流大小和波形差別很大。尤其是不同種類的雷放電差別更大。

閃電電荷的多少取決于雷云帶電情況，所以它又與地理和氣象條件有關(guān)，也存在很大的隨機(jī)性。大量觀測數(shù)據(jù)表明，一次閃電放電電荷可從零點(diǎn)幾庫侖到1000多庫侖。第一次負(fù)閃擊放電量10多庫侖者居多。

雷電之所以破壞性很強(qiáng)，主要是因?yàn)樗牙自铺N(yùn)藏的能量在短短的幾十微秒（μs）放出來，從瞬間功率來講，它是巨大的。但據(jù)有關(guān)資料計(jì)算，每次閃擊發(fā)出的能量只相當(dāng)燃燒幾千克石油所放出的能量而已。

（三）雷擊的選擇性

蘇聯(lián)H·C·斯捷柯里尼科夫（CTehojhkob）曾用模擬試驗(yàn)的研究方法證明，如果地面土壤電阻率的分布不均勻，則在電阻率特別小的地區(qū)，雷擊的概率較大。這就是在同一區(qū)域內(nèi)雷擊分布不均勻的原因。這種現(xiàn)象被稱為“雷擊選擇性”。試驗(yàn)結(jié)果證明，雷擊位置經(jīng)常在土壤電阻率較小處，而電阻率較大的多巖石土壤被擊中的機(jī)會(huì)很小。根據(jù)其試驗(yàn)與實(shí)際觀測認(rèn)為易遭雷擊的地點(diǎn)一般為：有金屬礦床的地區(qū)、河岸、地下水出口處、湖沼、低洼地區(qū)和地下水位高等土壤電阻率較小的地方，山坡與稻田接壤處等具有不同電阻率土壤的交界地段。易遭受雷擊的建（構(gòu)）筑物為：水塔、電視塔、高樓等高聳突出的建筑物，排出導(dǎo)電塵埃、廢氣熱氣柱的廠房、管道等，內(nèi)部有大量金屬設(shè)備的廠房，地下水位高或有金屬礦床等地區(qū)的建（構(gòu)）筑物，孤立、突出在曠野的建（構(gòu)）筑物。

三、儲(chǔ)罐分路和旁路導(dǎo)線防直擊雷有效性探討

據(jù)以往外浮頂儲(chǔ)罐雷擊火災(zāi)案例，基本是在旁路導(dǎo)線連接良好情況下發(fā)生的，由直擊雷引起的可能性較大。表3-4是25mm2軟銅復(fù)絞線有關(guān)電阻與感抗計(jì)算值，導(dǎo)線電阻和感抗約相差2～3個(gè)數(shù)量級，因此導(dǎo)線的阻抗主要取決于其感抗，而感抗主要與長度有關(guān)，實(shí)測數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一觀點(diǎn)，如某50000m3儲(chǔ)罐火災(zāi)，事后檢查旁路導(dǎo)線電阻為0.4Ω，兩接點(diǎn)接觸電阻分別為0.041Ω、0.043Ω。因此，從泄流分流上現(xiàn)有旁路導(dǎo)線的作用很小，將其由2×25mm2改為2×50mm2對防直擊雷幫助不大。因?yàn)榕月穼?dǎo)線是由許多細(xì)銅線成股編織成的，即使電阻降低到原來的四分之一，而其電感與感抗不會(huì)降低，且雷電沖擊時(shí)間短（μs級）。

在標(biāo)準(zhǔn)波形雷電流下，18m長旁路導(dǎo)線兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢為：

當(dāng)峰值雷擊電流為150kA/10μs時(shí)，導(dǎo)線到罐壁端的電勢差為：

ΔU=1/2×150×0.44+31×10-6H×1/2×150 kA/10μs=265.5kV

如此大電勢差能夠產(chǎn)生閃絡(luò)放電。那么分路（見圖3-24）作用如何呢？我國實(shí)際工程中分路大都為“包覆式”，接觸不好，即接觸電阻大于旁路導(dǎo)線阻抗，間隙處電位差可能如前述分析那樣，存在一個(gè)大于閃絡(luò)放電的電位差。

四、國內(nèi)外外浮頂儲(chǔ)罐防雷進(jìn)展

（一）美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)演變

1998年版API RP2003　Protection Against Ignitions Arising out of Static，Lightning，and Stray Currents（《防靜電、雷擊和散流引發(fā)火災(zāi)的措施》）中有關(guān)外浮頂儲(chǔ)罐防直擊雷的論述為：防直擊雷打擊通常是不可能的。可接受的保護(hù)方法是提供一個(gè)有足夠橫截面積的金屬通道到地面，使雷電迅速消散，從而使危害降到最低。儲(chǔ)存揮發(fā)性液體的浮頂油罐，當(dāng)浮頂處于高液位時(shí)，如果被雷擊中邊緣密封處，火災(zāi)就會(huì)發(fā)生。這些火災(zāi)在浮頂處于低液位時(shí)也發(fā)生。直擊雷和浮頂上的感應(yīng)電荷瞬間放電都可引起火災(zāi)。當(dāng)帶電云團(tuán)向油罐附近的大地放電時(shí)，浮頂上的感應(yīng)（束縛）電荷會(huì)放電。在浮頂和沿儲(chǔ)罐內(nèi)壁滑動(dòng)的密封靴板之間設(shè)置的沿浮頂環(huán)向間距不應(yīng)大于3m（10ft）的分路，將感應(yīng)電荷釋放到大地，從而避免點(diǎn)燃油氣隔膜下方的油氣。當(dāng)在密封上方設(shè)置擋雨板或二次密封時(shí)，其空腔內(nèi)油氣與空氣混合氣濃度可能在爆炸極限范圍內(nèi)，因此應(yīng)設(shè)置分路使之與二次密封上方的罐壁直接接觸。分路設(shè)置間距要求同上。防止直擊雷點(diǎn)燃最有效的手段是嚴(yán)密的密封。2000年版NFPA 780　Standard for the Installation of Lightning Protection Systems（《雷電保護(hù)系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)》）中也有相同的論述，并進(jìn)而規(guī)定分路應(yīng)使用牌號302不銹鋼帶，規(guī)格1/64×2in（0.4×51mm）。分路沿罐周的間距不應(yīng)大于3m（10ft），并且無論浮頂處于任何高度位置，必須保證形成罐壁與浮頂間持續(xù)的金屬接觸。

2004年版NFPA 780與2008年版API RP 2003刪除了上述表述。美國石油學(xué)會(huì)是專業(yè)組織，美國消防協(xié)會(huì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基本借鑒或采納API標(biāo)準(zhǔn)，且NFPA 780涉及儲(chǔ)罐防雷的內(nèi)容較少。

2008年版API RP 2003規(guī)定：防止雷電火災(zāi)的最有效方法是采用緊密的密封和正確設(shè)置分路。分路是在罐頂周邊以不超過3m（10ft）的間隔安放金屬帶，使浮頂與罐體等電位連接，以便將任何與雷電相關(guān)的電流傳導(dǎo)到大地，而且不會(huì)在可能引燃蒸氣的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生火花。任何類型的密封上方設(shè)有擋雨板或二次密封時(shí)，其空腔內(nèi)可能含有易燃蒸氣與空氣混合物。這種情況下，分路的安裝應(yīng)能保證它們直接與二次密封上方的罐壁接觸。任何情況下，必須確保在罐頂最高處，保持分路與罐體的良好接觸。

2009年10月，美國石油學(xué)會(huì)發(fā)布了第一版專門的地上易燃可燃液體儲(chǔ)罐防雷推薦規(guī)程，即API RP 545-2009　Recommended Practice for Lightning Protection of Aboveground Storage Tanks for Flammable or Combustible Liquids，并取代了API RP 2003。其中對外浮頂防雷規(guī)定：分路主要用于傳導(dǎo)高中頻的雷擊電流，沿浮頂周長以不大于3m（10ft）的間隔排列于液面0.3m以下。旁路導(dǎo)線主要用于傳導(dǎo)中低頻的雷擊電流，應(yīng)當(dāng)采用直接電氣連接的方式，通過適當(dāng)數(shù)量的旁路導(dǎo)線將儲(chǔ)罐的浮頂接到儲(chǔ)罐外壁上，包括接頭在內(nèi)的每個(gè)導(dǎo)線的最大一端電阻為0.03Ω，旁路導(dǎo)線應(yīng)具有使浮頂做最大移動(dòng)所需的最小長度，旁路導(dǎo)線沿儲(chǔ)罐周長以不超過30m（100ft）的間距均勻排列，并且至少設(shè)有兩個(gè)旁路導(dǎo)線。對傳導(dǎo)雷電流的分路與旁路提出了嚴(yán)于之前的要求，并闡述：儲(chǔ)罐的連接點(diǎn)處于最高的豎向電場區(qū)域，該區(qū)域包括儲(chǔ)罐外緣或大型儲(chǔ)罐浮頂本身。雷電流傳導(dǎo)到地面不是走單一路徑，它與每個(gè)有效路徑的電涌阻抗成比例劃分。從連接點(diǎn)開始，電流作為一個(gè)薄層在所有的導(dǎo)電路徑上流動(dòng)。隨著電流在一個(gè)較大面積上展開，表面電荷即被中和。電流路徑的任何不連續(xù)都會(huì)在間隙上產(chǎn)生電弧。該標(biāo)準(zhǔn)分析了三種雷擊罐體電流路徑，見圖3-25～圖3-27。

2014年版NFPA 780也作了相同而稍細(xì)化的規(guī)定，在此就不列出了。

（二）我國的工作進(jìn)展

自2006年8月7日中國石化管道公司南京輸油處儀征輸油站16號15×104m3原油外浮頂儲(chǔ)罐發(fā)生雷擊火災(zāi)后，我國大型浮頂儲(chǔ)罐防雷技術(shù)研究就在持續(xù)進(jìn)行。由于美國的兩部標(biāo)準(zhǔn)都要求分路設(shè)于液面0.3m以下，安裝、檢測與維護(hù)較難操作，我國并未采納該標(biāo)準(zhǔn)。中國石油天然氣集團(tuán)公司內(nèi)推薦安裝雷電分流及監(jiān)控器，并納入了其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《外浮頂油罐防雷技術(shù)規(guī)范—第一部分導(dǎo)則》Q/SY 1718.1—2014，其結(jié)構(gòu)形式見圖3-28；中國石油化工集團(tuán)公司內(nèi)推薦將分路安裝在刮蠟器上，并通過導(dǎo)線與浮盤做等電位連接。具體情況可咨詢相關(guān)部門，在此就不做論述了。

五、小結(jié)

綜上所述，現(xiàn)有大型外浮頂儲(chǔ)罐的泄流手段對防直擊雷作用有限，旁路導(dǎo)線截面積簡單地由2×25mm2改為2×50mm2對防直擊雷幫助不大。做好防雷，一是應(yīng)分路泄流、旁路導(dǎo)線泄流并行，且降低接觸電阻（如不大于0.03Ω）；二是從選址規(guī)避著手；三是應(yīng)從密封設(shè)置上著手，如采用浸油式軟密封，如圖3-24所示的泡沫塑料棒二次密封等。這些工作做好了，相信外浮頂儲(chǔ)罐密封圈雷擊火災(zāi)概率會(huì)顯著降低。

另外，關(guān)于滅火救援人員擔(dān)心登頂被雷擊一事，一個(gè)云泡（對流云團(tuán)）的總壽命約為1h，而成熟有降水和閃電產(chǎn)生維持的時(shí)間約15min到20min，即使遇上由幾個(gè)云泡交替出現(xiàn)的持久的雷暴，一般也不會(huì)超過60min，可通過延長泡沫供給時(shí)間，并以斷續(xù)供給泡沫的方式等待機(jī)會(huì)。密封圈火災(zāi)導(dǎo)致儲(chǔ)罐全液面火災(zāi)可能性較低，尤其是降雨過程中。密封圈火災(zāi)也不大可能引發(fā)原油沸溢。