石油库大型储罐的综合防雷.pdf

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第3 8 卷第1 期 石 油工 程 建 设 5 l | | _ 焉濑赣囊鬟 濑 峨穗 熏 | | | 该项目获2 o 0 9 年国家科技进步二等奖, 证书弩2 0 o 9 _ J - 2 4 4 0 0 D - 2 _ ID 4 。 一 - l l .. ⋯ 周 毅 1 ,赵 晓刚 ,潘仕祥 2 ,凌建 国 3 摘要 文章在综合 了近几年来大型储罐 雷击事故案例的基础上 ,分析 了大型储罐发生雷击事故的 主要原因和特点 ,提 出了大型储罐的雷电防护措施 如采用浮顶 密封 ,改善防雷接地和等电位连接 等 ,进而探讨 了大型储罐罐 区的 系统综合 防雷技术 ,该综合防雷技术应 用于大型储罐 防雷实践 中, 具有 实用、可靠、简便等特点。 关键词 大型储罐 ;储油罐 区;综合防雷;系统工程 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 2 2 0 6 . 2 0 1 2 。 0 1 . 0 0 2 1 大型储 罐 的 雷击事 故 案例 雷电仍是人类 目前难以驾驭的自然现象 ,每年 雷电将会造成数 以百亿计的经济损失l 1 l 。油罐作为 油料存储的主要实体 ,储存 着大量易燃易爆 油品, 一 旦遭受雷击 。将造成设施设备损毁 、人员财产损 失等灾难 。如 1 9 8 9年 8月 1 2日,山东黄岛油库雷 击着火 ,大火燃烧 了 1 0 4 h ,造成 l 9人死亡 ,1 0 0 多人受伤 ,损失 巨大 。根 据文献f 2 ] ,在记 载的 1 0 7例各行业各类油罐火灾 中,有 6 5例为雷 电火 灾 ,占总数 的 6 1 %,其 中 7 9 % 为浮顶罐火灾 。因 此雷 电是引发油罐火灾的重要原因。 随着我国石油需求的增加 。石油储运事业迅速 发展 ,在浙江镇海、舟山、山东黄岛和辽宁大连等 地建立了多处国家石油战略储备基地 ,形成特大容量 的储罐罐区,有的大型储罐单罐容量已达 l 0万m 。 这些战略储备基地及其储罐大多处于雷 电多发地 区 ,如镇 海 年雷 暴 日达 4 7 . 1 d[ 3 1 ,防雷 形 势 十分严 峻 。据初 步统 计 ,近年 来 大型储 罐 雷击 着火 事故 常 有发生 ,仅在 2 0 0 6 、2 0 0 7两年就连续在仪征输油 站、镇海 国家储备库 、镇海炼化 、白沙湾输油站等 相继发生 了 5起大型储罐雷击着火事故 。 2 0 0 6年 8月 7日,中 国石化集团管道储运分 公 司仪征 输油 站发生 雷击 事故 , 1 6 1 5万 m 外 浮顶 钢制储 罐遭雷击 ,引发的大火火焰高度超 过 了6 m,明火持续 了大约 3 0 mi n 。2 0 0 7年 5月 2 4 日和 6月 2 4日。镇海 国家储 备库两次出现雷击着 火事故 .4 7 l 0万 m 外浮顶钢制储罐前后两次遭 受雷击 ,引发的油罐大火火焰高度都超过 4 m,两 次 明火都持续了约 1 0 rai n 。2 0 0 7年 7月 7日,中 国石化集 团管道储运分公 司白沙湾输油 站发 生雷 击事故 . 3 1 O万 m 外 浮顶钢制储罐 遭雷击 ,爆 炸引燃了罐 内油品,明火持续了大约1 4mi n 。2 0 0 7 年 6月 2 9 E l ,镇 海 炼 化一 座 5 0 0 0 m 内 浮顶 石脑 油罐 遭直击 雷击 ,引燃油罐 呼吸 1 3 挥 发 的油气 , 并进 一步 引爆储罐 内浮盘上方 挥发 的轻质油气 , 瞬间炸开罐顶面积 的 1 / 3 ,并导致 内浮顶失稳 ,一 侧 陷入石脑油 中。引发 的油罐 内部大火持续燃烧 2 0 mi n。 上述 5起 大型储罐雷击起火事故虽然都 被及 时 扑 灭 ,未 造 成 重 大 损 失 ,但 是 如 果 一旦 有 雷 击 起火不能被及时扑灭 ,那么将会导致重 大安全 事 故 ,造成人员 、设备 、财产等多方面 的巨大损失 [4 1 。因此 ,做好大型储罐 的防雷工作 ,制订好大型 储罐罐 区综合 防雷措施势在必行 。储罐 大型化 的 发展趋势及其 防雷安全 问题 .已是摆在 我们 面前 亟待解决 的重大技术难题 。 2 大型储罐遭雷击事故案例的原因及理论分析 根据大型储罐火灾事故现场调查的相关资料 , 发现上述 5 起雷击事故着火点位置都在密封圈间隙 处 ,发生事故的大型储罐均有二次密封 ,且一次密 6 石 油工 程 建 设 2 0 1 2 年2 月 封均为机械式密封 。这充分说 明大型储罐的一次机 械密封不严 ,存在着油气泄漏 的可能 ,在一、二次 密封 之 间和 密封 圈周 围将 会 聚集大 量 的可 燃性 爆炸 油气 ,这就为雷电事故埋下了隐患。由于大型储罐 罐区内并未装设避雷针 ,不能有效地防护雷 电,一 旦储罐或在储罐附近遭受雷击时 ,若罐顶金属浮盘 和罐壁间没有作 良好 的等 电位跨接 ,在雷 电 的高 电压 、大 电流作用下 ,将产生 电弧火花 或感应 电 火花。因点燃油蒸气的能量极小 ,仅需 0 .2 5 Ⅱ 5 1 ,雷 电火花会引燃油蒸气 ,导致大型储罐火灾 爆炸事 故 。 由雷 电引起储罐起火爆炸的原 因一般可分为直 击雷、感应雷、感应静电势 、雷电反击 、球雷五种嘲, 而大型储罐爆炸起火原因主要是直击雷和感应雷。 从统计资料分析来看 ,特别是由感应雷引起的爆炸 起 火事 故案 例尤 为 突 出 。 金属油 罐罐顶遭受直击 雷时 ,雷电流通过被 击物体时在通道上会发热 。根据焦耳定律 ,忽 略 散热影响 ,一次 闪击 的雷 电流在 导体上引起 的温 升 为 △ _ , nC ㈩ 式 中 △ 温升/ K p 雷 电产 生热 量/ J ; m 通过雷电流物体的质量/ k g ; c 通过雷电流物体的比热容/ J / k g K ; R导体的电阻 ; £ 雷电流持续时间/ s ,可取波头时间; . 分 流 系数 ,单根 引线 时取 1 ; 雷 电通道的雷电流, A,可取雷 电峰值 , 对于第一类防雷建筑取 2 0 0 k A E 。 由于雷 电流带 电量很大 通 常为 2 0~3 0 c , 通过时间短 s ,雷击金属罐体时产生 的热量将 达到 5 0 0 2 o o o k J .对钢质金属油罐雷击瞬时温 升 可达 6 0 0 0~1 0 0 0 0℃,足 以熔化 体积 为 5 0~ 2 0 0 m m 或熔 化深 度为 0 . 2 7 6~0 . 3 5 2 m m 的钢 材 。 所 以大型储罐在遭受直击雷时 ,雷击点附近的金属 会 熔化 ,产 生 火花 飞溅 ,只要 在大 型储罐 罐顶 聚 集 了油蒸气 ,直击雷的能量足以点燃油蒸气引起储罐 爆炸起火 。 当金属油罐受直击雷击时 ,会与周围的物体发 生雷电反击 旁 闪 。由于 目前大型储罐并未独 立 设置避雷针避雷 ,而是依靠 自身罐体作 为引下线通 导雷 电流 ,这样储罐在巨大的瞬变雷电流通过时电 位上升极高 ,此高电压引发金属罐体和其他连接大 地的物体之间发生闪络 。可 以用式 2 计算 出直 击雷击时大型储罐 的电压 J Ui R o 0 2 o 式中 雷电流峰值/ k A; 尺 接 地 电阻/ Q; 一引下线单位长度 电阻/ Q/ m ; 距离 地 面高 度/ m; 单位 长度 的电感/ p H / m ; 引下线 长 度/ m; 雷 电流 坡度/ k A l e s 。 Ut 当雷电流峰值为 1 0 0 k A的中型雷[ I直击击闪 钢制 内浮顶大型 油罐 时 , 。 取 1 . 5 H / m,接 地 电 阻 R 。 以 l O Q 计 ,罐体上 的电阻 r 相对很小 可以 忽 略不 计 ,因此一 个 1 0万 m 外 浮顶 钢 制 储 罐 罐 顶 部离 地 面 2 0 m 处 产 生 的 电势将 会 高 达 2 5 0 0 k V。木材 、砖石 、水泥等非金属材料沿平面 方 向的闪络场强约为 2 5 0~5 0 0 k V / m,距离大型储 罐周围 l m处的场强约为 1 7 5 0 k V / m,足以产生雷 电反击 。这样不仅损 害电子电器设备 ,而且会使各 种金属管道带上高电压 ,造成人身事故 ,同时发生 的闪络 、电火花等还会引起火灾。 大型金属储罐遭受落地雷直击 ,或遭受附近落 雷时 ,雷击所产生 的高峰值 、高坡度的雷电流会在 储罐周围形成变化的电磁场。如果大型储罐金属突 出物间隙等电位连接不 良,根据法拉第 电磁感应定 律 ,在大型储罐周 围会产生较大的感应 电动势 . 。 一 旦产生 的感应 电动势大 于间隙的最大击穿 电压 时 ,雷 电将 会击 穿 间隙 ,产 生感 应 电火花 ,从 而 引 起大型储罐爆炸起火 。感应 电动势 可由式 3 计算 一 U m 扭 L 3 U 式 中 _ 1感应 电动势/ k V; M互感系数/ H; 一 大型储罐 间隙最大击穿电压l k V; 击 穿 的气 隙距 离/ m; E _一 电感电压 的空气击穿强度/ k V / m 。 第 3 8卷第 1 期 周 毅等 石 油库 大型储罐 的综合防雷 7 以一个 1 0万 m 大型储罐为例 ,当 1 0 0 k A 的 中型雷雷击点距离油罐 2 0 m时 ,取雷电闪击 电流 波形前沿为 2 . 5 s ,浮盘与罐壁密封处按边长为 5 m 金属正方形开 口环路计算 ,将产生高达 9 k V的感 应电动势 ,对干燥空气 E . 取 3 0 0 0 k V / m ,其击 穿间隙高达 3 m m;在潮湿的雷雨环境中 ,空气击 穿强度小 ,击穿间隙将会更大。即使雷击点距离油 罐 2 0 0 m,感应 电势也可高达 1 k V,1 m m左右 的 间隙也会被击穿。如果浮盘与罐壁间隙 、液面与罐 顶 内壁突出物间隙等未作等电位跨接 ,雷电将会击 穿这些 间隙 ,产生感应 电火花 ,从而引起储罐爆炸 起 火 。 3大型 储罐 综合 防 雷措 施 大型储罐雷击火灾爆炸 的形成条件既需满足油 气浓度在爆 炸极限范 围内,又需满足点火 源的要 求。在通常实际工作中,应控制并减少罐内气体空 间体积 ,避免油气在油罐局部聚集 ,并且力求控制 好点火源 。具体来说 ,就是在大型储罐罐区合理布 置避雷针系统 ,同时做好防雷接地和等电位连接 , 这样就能从根本上防止直击雷或感应雷所造成的危 害 。 3 . 1 浮 顶软 密封措 施 目前 大型油罐浮顶 的密封一般采用机械密封 。 从使用效果来看 ,其密封效果不理想 ,易在一 、二 次密封 间聚集大量的油气 。从防雷安全角度考虑 , 对于外浮顶油罐的一次密封型式应该采用软密封结 构 见图 1 替代机械密封结构 ,这样可大大 降低 一 、二次密封间的可燃气体浓度㈣。另外 ,软密封 将浮盘与罐壁在油气密集 的区域 内绝 缘隔离 的同 时 ,也大大减少了金属突出物的存在 ,有效地防止 了感应电势在油气空间内部放 电火花的产生 .从而 大大降低爆燃 的可能性。软密封的二次密封应采用 导静 电材料 ,同时增加静 电导 出片与罐壁接触 ,可 有效地将雷电流导出。但是软密封在使用后期密封 效果有所下降,所 以要及时检查并且更换 ,以增强 其安 全性 能 。 3 . 2防雷接地 及 等 电位 连接 措施 目前大型储罐 防雷接地主要存在的问题是浮盘 的接地不 良、泄流不畅、泄流通道阻抗过高等。根 据相关标 准规范[ 1 1 - 1 3 ] ,大型储 罐 防雷 接地要 求做 到 罐体基础 自然接地体应与罐 区接地装置相连 , 连接点不少于两处 ,且采用耐腐蚀 、导电性能优 良 罐壁 弹性耐腐蚀软密封 一 次密封隔板 托板 图 1大 型储 罐 软 密 封 结构 不恿 的材料。接地引下线应采 用不小 于 4 m m4 0 m m 的热镀锌扁钢 ,并在距离地面 0 - 3~1 . 0 m之间装设 断接卡。断接卡应采用 4 mm X 4 0 m m不锈钢材料 , 同时用 2个 M1 2的不锈钢螺栓连接并加防松垫片 固定 。 目前大型储罐等 电位连接主要存在的问题是储 罐浮盘与罐壁之间的两条连接导线在腐蚀 、接触不 良等情况下 ,导致电流导通不畅、阻抗增加 ,产生 电位差。根据相关标准规范 1 2 4 ] ,对大型储罐等 电 位连接要求做到 浮顶应与罐体做等电位连接,连 接导线应当不少于 2根 ,且每根导线应选用截面积 不小于 5 0 m m 的扁镀锡软铜复绞线或绝缘阻燃护 套 软铜 复 绞线 ,连 接点 处用 铜 接线 端 子及 2个 M1 2的不锈钢螺栓连接并加 防松垫 片固定 ;同时 宜采用可靠 的方式将浮盘和罐体沿罐周做均布的等 电位连接。 大型储罐除了按照标准进行上述连接外 ,还应 当在扶梯与罐壁以及扶梯与浮盘问作等电位连接接 地 。储罐上 的温度液位测量装置、信息系统装置 、 消防监控系统装置等也应与罐体作等电位连接。与 罐体相接的电气、仪表配线电气连接应采用金属管 屏蔽保护。 3 . 3 大型储罐罐 区系统综合防雷措施 为确保大型储罐的安全 ,除采用上述防雷措施 外 ,应 当配套使用油库系统综合防雷措施 ,防止雷 击造成 的危害 。 所谓系统综合防雷措施 ,就是综合利用传统防 雷设备和 自主研制 的专用 防雷设 备进行优化 匹配 , 达到最佳防雷效果 1 。即根据大型储罐 的防雷特 点 ,在储罐 区总平面布置图上 ,建立全面与重点 、 远引与近防、消磁与消弧、反射与吸收、疏导与屏 蔽相结合的多层 、多级 、多措施的全方位雷 电预防 与防护体系。 对储 罐保护 区域 以外 的雷电 ,利用远引避雷 8 石 油,it 程 建 设 针 ,结合地形和环境在较远距离内尽量吸引和拦截 可能进入 保护区域的雷 电;对进入保护 区域的雷 电 ,利用 自主研发的消磁} 肖弧避雷针进行 综合防 护。该 消磁消弧避雷针 的主要特点是利用其反射体 有效地反射接闪器雷电火花的电磁感应 ;利用其吸 波装置的导磁体有效地吸收过滤雷 电流 的高频脉 冲,并将电磁感应有效地转换成涡流 ;利用其无感 抑浪装置减小雷电电磁感应产生的峰值电流 ;通过 防雷专用 电缆疏导强大的雷电流 ,同时屏蔽雷击 电 流所产生的电磁感应和闪络 。这样既可以避免大 型储罐遭受直击雷 ,又可以防止感应雷所产生的感 应 电动势对大型储罐带来 的危害,同时还可以消去 雷电所产生 的电磁脉冲、冲击电压等 ,保护了储油 罐区仪表 、消防监控系统等精密弱电磁设备 ,使之 不 会 因雷击 而损 坏 4 系统综 合 防雷在 重庆 市 6 0 1油库 中的应用 重庆市 6 0 1 油库工程总储油量 1 O . 4万 r n , .属 一 级大型石油库 ,年平均雷暴 日4 0 . 1 d 。属雷 电多 发区。该油库二期建成 8座 1万 IT I 立式 内浮顶钢 制油罐 ,油罐高度为 1 9 .4 mm,油罐直径为 2 8 . 8 m。 目前对这 8座储罐应用 了系统综合防雷技术 , 在距离储罐区防火堤 5 m处,架设 自主研制的专用消 磁消弧避雷针 8 套 ,做独立接地 ,接地 电阻≤1 0Q, 同时作环形地网,以确保各独立避雷针接地系统等 电位。每套避雷针对储罐进行一级保护 ,其架设有 效高度为 2 8 m,利用滚球 法可计算 出其有效保 护 半径为 2 9 . 9 3 1T I ,能够很好地满足储油罐区的雷电 防护要求 见图 2 。 注 1~8为 避雷 针 ;Bo 为 建 筑 物 。 图 2 重庆 6 0 1油 库储 油罐 区消磁 消弧避 雷针平面 布置示意 根据避雷针对储油罐的保护级别和避雷针的有 效保护半径 ,针对每个储油罐的相对地理位置 ,通 过 自主研 制的系统综合防雷数字仿真软件 进行 分 析 ,在 油库总平面图上合理地布置消磁 消弧避雷 针 ,使其既满足各个储油罐雷电防护的需要 ,又做 到统筹优化 ,达到经济高效的目的 见图 3 。 图 3重 厌 6 0 1油厍 储 油罐 区 消磁 消 弧避 雷 针保 护 范 围 数 字 仿 真 系统综 合 防雷 技术 具有 稳定 实用 、安全 可靠 等 特点 ,将其应用于重庆 6 0 1油库 ,彻底解决了油库 的雷电安全 防护问题 。 自2 0 0 8年投入使用 以来再 也没有发生任何雷击安全事故。 三期即将建成的 4座 l O万 m s 大型储罐 ,其高 度 约 2 1 m、直 径 约 9 0 m.由于 尺 寸 大 ,在 系 统 综 合防雷时 ,应当适当地增加避雷针架设高度或建造 避 雷塔 ,在 大 型储 罐保 护 区域外 建立 起 远引 避雷 针 系统 ,在保护区域内合理地确定消磁消弧避雷针的 架设位置。对大型储罐罐 区建立起高 、中、低多层 次雷电保护,通过滤波装置 、吸波装置和无感应抑 浪装置等建立起堤坝式的多级浪涌保护 ,同时在技 术 、管理 、操作等层面上建立起多措施全方位雷电 防护 。 5 结 论 综 上 所 述 ,应 用 系 统 工 程 原 理 对 大 型 储 罐 雷 电安 全 防护 工作 进行 综 合 治理 ,根 据 大型 储 罐 的雷 击 特点 采取 相应 防雷 措施 , 以达 到安 全 实 用 、稳 定可 靠 的 目的 。在 大 型储 罐 雷 电 防护 实 际工 作 中 ,宜 采用 软密 封 以减 少 油 气 泄 漏 , 同时做 好 防雷 接地 和 电气 连 接 等措 施 ,避 免 直 击 雷 或感 应 雷所 带来 的损 害 。 在 大型 储 罐罐 区 应 当配套 采用 油库 系 统综 合 防 雷措 施 ,在 罐 区 总平 面布置 图上合 理布置 消磁 消弧避 雷针 系统 , 建 立 全 面 与 重 点 、远 引 与 近 防 、消 磁 与 消 弧 、 反 射与 吸收 、疏 导与屏蔽 相结合 的多 层 、多级 、 多措施 的全方 位 雷 电预 防与 防 护体 系 。从 该 防 雷系 统 在重 庆 6 0 1油库 应 用 实 践来 看 ,其 防雷 措 施 科 学 可 行 ,防 雷 效果 好 ;从 经 济 效 益 看 , 该 系统经 过 2年 的实 际使 用 ,减少 了油 库 以往 每年 因雷 击造成 的直接 经济 损失 近 6 0万元 ,实 现 了经济 、社 会 效益 的有 机 统 一 ,具 有 十分 广 阔的应用前景 。 第3 8 卷第1 期 石 油,it { j f建 设 9 蟹黧鞘 骥 王永虎 中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北任丘0 6 2 5 5 0 摘 要 采 用大型有 限元软件 A N S Y S 8 . 0 ,运用不 同建模 方法对无筋砌体墙进行 了计算分析 ,并将 结果与原型试件进行对 比。计算结果表明,只要 建模适 当,采用分层整体式模 型能更有效地分析无 筋砌体墙 受力性能,从 而为无筋砌体结构有限元分析找到一种新的数值模拟方法。 关键词 分层整体式模型 ;无筋砌体墙 ;有限元 d o i l 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 - 2 2 0 6 . 2 0 1 2 . 0 1 . 0 0 3 0 引言 砌体是 由块体和砂浆组成的复合材料 ,这两种 材料的属性与受力性能相差悬殊 ,导致砌体这种复合 材料在荷载作用下表现出错综复杂的性质。运用有限 元分析手段能够帮助我们深入研究砌体的受力性能。 现阶段对砌体进行有 限元分析常用两类模型 分离模 型和整体连续体模型 ” 。总体来说 ,分离模 型可 以模拟砌块和砂浆之 间的作用 和砌 体破坏机 理 ,适用于模拟小型试验砌体的破坏行为 ,但计算 量大,建模烦琐 ;整体连续体模型适于分析大规模 的墙体 ,但对于详细的应力分析和了解砌体多样 的 失效机理却显得不足 。 本文分别采用两种不同的方法建立墙体 的有限 元模型。一种采用较为成熟的整体模型,将砌体墙看 作各向同性的均质整体,直接采用砌体的材料参数 ; 另一种是考虑到砌体抗剪性能主要受水平灰缝砂浆的 影响,可以忽略竖向灰缝砂浆的影响。本文提出一种 探索性的建模方式,即建立接触单元来模拟水平灰缝 砂浆的作用,以此模拟墙体破坏时的剪切滑移 ,暂命 名为分层式 整体模 型。利用大型有 限元分析软件 A N S Y S 8 . 0对无筋砌体墙的受力性能进行计算分析 , 并与原型试件进行对 比分析 ,试图为该类构件受力 性能的分析寻找一个有效的数值模拟方法。 1原 型试 件简 介 选文献 [ 2 】中的对 比试件 G W0为原型 ,为叙 述方便 ,本文将其命名为 MW一 1 。试件为 1 0 0 0 m m 。 十。 十 ‘ _ “ 十 一 。 ’ 一。 ’ 一 - 一 “ - 。 ● 一。 。 ’ 一一 - 。 _ - 一 - - - 一 - - - - 一 - * - - - - - - 一 - - - 一 - - 一 - - - - 一 一 参考 文献 [ 1 0 】 杨扬, 杨常国, 韩飞, 等. 大型储油罐一次机械密封改造的 安全效 [ 1 】赵晓刚 , 周 毅, 李少 呜 , 等. 浅谈非金属油罐 的综合 防雷U ] . 石 油工 果册. 储运安全 , 2 0 0 9 , 9 1 0 4 5 4 6 . 程建设 . 2 0 0 8 . 3 4 4 1 - 3 . 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