储油罐防直击雷保护：自我保护方案或独立LPS?外文翻译资料

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2013年国际防雷研讨会（XII SIPDA），贝洛哈里桑塔，巴西，2013年10月7日至11日

储油罐防直击雷保护：自我保护方案或独立LPS?

Arturo Galvaacute;n D.

Instituto de Investigaciones Eleacute;ctricas

Departamento de Transmisioacute;n y Distribucioacute;n

Cuernavaca, Meacute;xico

agalvan@iie.org.mx

Chandima Gomes

Centre for Electromagnetic and Lightning Protection

Research (CELP)

Department of Electrical amp; Electronics Engineering

Selangor, Malaysia: chandima@eng.upm.edu.my

摘要：储油罐雷电防护由于保护标准的矛盾而成为一个有争议的话题。一种是依靠严格执行的操作条件、材料厚度和可靠连接，来使用自我保护标准；另一种是指建立独立防雷系统，为了避免梯级先导和罐体之间的任何拦截而安装接闪器，它可能导致热斑和温度过高。每种方法都有其自身的优点和缺点。本文中，在特定情况选择最合适的保护方法，做出适当的决策，批判性的分析了这些标准。

关键词：防雷，储油罐，自我保护，壁厚

1. 介绍

在建筑物安装外部防雷系统（LPS）是国际上常用的做法,为保护它们免受雷击或侧击的影响。然而，只要墙壁的厚度超过一定的阈值，许多国际知名标准^[1-3]允许金属结构本身作为独立的闪电拦截点。对于给定的墙体材料，基于在雷击时是否允许材料击穿的事实，建议使用两个最小厚度值。在文献中已经讨论过在防止击穿时，热斑效应也可能引起着火和火灾危险。

确保所需的最小厚度时石化储存和天然气/石油管道通常被认为是雷电防护直击雷的自我保护结构。许多安全规则建议将最小厚度的金属板设为4.8（3/16）mm，以便将罐顶视为拦截梯级先导的接闪器。一旦开始存储操作，难以监测罐壁的精确厚度，以便可以在正确的时间更换金属板。此外，石化系统安全标准没有规定很多有条件的细节，这些条件增加了油罐罐顶和电流通过罐壁的闪电拦截过程中墙壁失效的风险；特别是当容器内存放易燃的石化产品时存在的风险比较明显。随着时间减少厚度，烟气泄漏的可能性，在接头处存在不导电的密封、内部突起和不规则、击穿、局部加热和束缚电荷问题等，这些标准部分完全忽略了这些条件。本文中，我们详细讨论了这些问题并分析了选择储罐壁的最小厚度时可以考虑热效应和机械效应作为闪电拦截和电流路径系统。我们还讨论了金属板的更换标准，这些标准确保储罐本身作为防雷系统处理时安全的处理雷电流。此外，还通过适当的例子详细讨论了墨西哥的经验。

2. 储油罐事故

石油工业中，与闪电有关的火灾比人们预料的还多。不幸的是，并不容易收集油罐火灾的详细信息。尽管每个全面油罐火灾似乎在当地得到了相当多的关注，但从技术角度来看，当地媒体提供的信息通常都是非常有限的。石油公司尽量减少火灾事件的宣传，包括闪电相关事件，因为它可能会给人一种这样的设施非常危险的印象。

闪电对加工区域和油罐或容器的影响可能会对静态或动态设备造成严重损坏，可能导致安全壳的丢失以及火灾和爆炸。

Chang和Lin [6]回顾了过去40年（1960-2003）工业设施发生的242起储油罐事故。结果显示，74％的事故发生在炼油厂，石油码头或仓库。事故中火灾和爆炸占85％。闪电造成80起事故（33％），人为失误造成72起（30％），包括操作和维护不到位。其他原因包括设备故障，破坏，裂缝和破裂，泄漏和线路破裂，静电，明火等。该研究得出了一种可怕的想法：如果实施了良好的工程设计，大多数事故都会被避免。

公共信息显示了灾难和事件的悲惨场面。例如，图1 ^[7]显示了南泽西炼油厂巨大储油罐的雷击效应。闪电击中了一个装有约36,000桶（大约150万加仑）二甲苯的罐子，这是一种汽油调和组分。ARIA数据库显示了1977年至2005年期间在美国，德国，中国，俄罗斯，澳大利亚，英国，印度尼西亚，阿尔巴尼亚，加拿大，意大利，巴哈马，希腊，泰国，尼日利亚，巴西，埃及，约旦，突尼斯，摩洛哥，波兰，西班牙，秘鲁等几个国家记录的50个闪电相关事件及其影响^[8]。

图1：闪电袭击了南泽西炼油厂的一个巨大储油罐。

3. 储油罐雷电风险

雷击有一定程度的随机性，而且很少有直接目击者目睹雷击或由此造成的损坏。因此，油田中雷击损坏的话题被神秘和神话所包围。不幸的是，油田中的防雷被发现是例外而不是规则......它们通常仅在发生灾难性事件后安装。在某一特定结构实际被击中的可能性与当它被击中时该结构遭受损坏的可能性之间有很大的差别。实际被击中结构的可能性与结构受到撞击时可能造成的损坏之间存在巨大差异。表1列出了所选操作设备易受攻击的一个等级，以及实际损坏的明显频率报道。尽管油罐并不是最容易受到雷击的设施，但是它们在伤害频率和伤害程度方面位居首位。据报道，发生了大量储罐爆炸，其中包括满罐，空罐，部分满罐，储罐，水箱，金属和玻璃纤维罐。

表1.对油田设施的雷击和雷击损害的表观敏感性。

增加特定结构受直击雷的主要因素是：

1. 现场的闪电活动（地面闪光密度）。

2. 结构的高度。

3. 隔离程度。

施工的内容和材料对直击雷的影响和危害起重要作用。结构避免雷击相关损坏的能力与电流可以轻易通过结构元件并消散到地面的能力直接相关。一种危急情况是当雷电流试图在高电阻材料中流动时，上升到材料的快速加热和蒸发。这就是为什么玻璃纤维储罐在被闪电击中时容易蒸发的原因。

4. 雷电防护标准

雷电防护不只存是绝对的问题还存在程度上的问题。这里有两种方法可以实现保护：确保直接冲击所造成的损害最小，并/或避免在受保护的结构中直接冲击。前者有两种防雷方案：（a）自我保护和（b）非隔离接闪器。在后者中唯一的方案是一个隔离的系统^[3]。对隔离和非隔离的防雷系统进行了分析。

1. 自我保护

在该方案中，允许梯级先导与罐顶拦截，从而将总雷电流注入罐的金属结构中。负闪电的第一次返回行程是云对地闪中最常见的冲击电流，其峰值为ip，平均为30 kA，峰值电流导数为（di / dt）p ），平均为30 kA /mu;s，持续电流为几百安培，时间为0.5 s。因此，由于快速变化的电流流动，截断避雷针和随后通过的脉冲电流，可以在材料中产生高度局部化的热斑，大的电位梯度和机械应力。在这种情况下，坚固的罐壁对于防止在撞击点处的穿孔，靠近易燃材料的焦耳加热和由于磁力引起的机械坍塌是必要的。不仅是真正的故障，甚至是失败的风险感都可能强烈影响系统的顺利运行。

图2.储油罐雷电防护的自我保护标准

B.非隔离系统

在该方案中，允许梯级先导与结合到罐顶的接闪器进行拦截，从而将总雷电流注入到罐体的金属结构中，但是热斑从罐体的金属结构转移到了接闪器的顶端。当前通道对罐体金属结构的影响类似于自保护方案所给出的影响。图3描述了这种保护方案。

图3.储油罐防雷的非隔离标准

C.隔离系统

在该方案中，安装隔离金属桅杆以保护储罐。这些导体的安装与储罐之间的距离最小，以避免在发生雷击时油箱与桅杆之间产生电弧。最小间隔由^[3]中给出的相关方程计算。桅杆将充当接闪器和下导体。为了将雷电流容易地分散到土体中，应在桅杆的接地端安装合适的接地系统。罐壁和桅杆应在地面上电气连接，以避免表面电弧放电。这种隔离的LPS会阻止罐壁中形成热斑，并确保罐壁中没有明显的电流。然而，由于在闪电的情况下沿着桅杆的快速变化的电流将在箱壁中引起一定的电压，这又将驱动电流到地面。然而，该电流将远小于直击雷所注入的电流。雷电电流由接闪器管理，金属罐仅暴露于感应电压和电流中。

图4.储油罐雷电防护的隔离标准

与一些人相反，由接闪器制成的隔离和非隔离系统增加了安装地点附近发生撞击的可能性，但这种攻击的设计是正确的，系统可以为许多结构提供实质性避免损害的保护。相反，设计不当的系统会加剧与闪电有关的问题^[9]。

表 2.储罐金属结构上闪电相关热斑的风险条件

根据^[3,10]，滚球法适用于任何情况下接闪器的定位，包括具有火灾和爆炸风险的结构，如储油罐。图5显示了水平I和II的保护区（滚球半径为20和30 m），分别如^[10，2]中所推荐。

图5.采用滚球法对储油罐进行防雷，符合[10]。

5. 实现自我保护条件

人们认识到，要想降低储油罐的雷击风险[1-2]，就要完成以下问题：( a）关闭通风口（b）屋顶状况良好（无孔，无过薄）区域，没有非导电片等），（c）在所有通风孔中提供并保持压力真空阀或防闪光保护，（d）在电风暴期间停止油箱运动(包括加油和排空)，（e）提供和维护惰性或气体填充。另一方面，以避免导电表面之间产生火花，特别是在易燃蒸气逸出或积聚的地方，应保证以下内容：油箱各部分的等电位连接，(b)油箱与接地系统之间的等电位连接；(b)接地电极所有部分间的等电位连接，（c）永久性和适当的材料和等电位连接（包括横截面和防损坏措施）。

国际标准规定^[3]，如果钢的厚度达到4 mm（小于[1]和[2]所要求的3/16“，则金属管和罐体材料本身可被视为接闪器（自然组件）并且在撞击点内表面的温度升高不构成危险。

2009年，对地面储罐雷电效应进行了研究^[11]，特别是在不锈钢和黑色钢暴露于长时间雷电流时的击穿效应方面。这项研究的结果表明，对于一个5毫米厚的样品，在100 C和400 C（即0.5 s内200 A或800 A）时，熔池体积为64 mm3 ，100 A和400 mm3 为400A。在这种情况下没有一个样本被击穿。然而，熔池有一定的穿透深度：对于100℃为2.1mm-2.5mm，对于40℃为3.5mm-3.7mm。根据[11]，200 C的威胁被认为是在雷击时需要保护的足够严重的级别。测试结果表明，对于200 C钢，厚度为2.5mm的钢是可以击穿的，而3.5mm的钢是不可能击穿的。很明显，不可能有3/16英寸（4.8毫米）的钢壳被击穿，并且安全边距至少为1毫米，以便由于腐蚀而减小厚度。

如图6所示[11]，当闪电电弧连接在水箱的任何部位时，金属表面发生一定程度的金属腐蚀，导致较厚金属板背面出现热斑（内表面变得很温暖）。已经认识到，即使没有发生击穿，局部热斑本身也可能引起着火危险。

图6.钢板表面上方和下方的弧形连接点处的效应^[11]

上述所有防雷措施都依赖于严格执行的操作条件、材料厚度和可靠的连接。如果不能满足其中一些（操作条件的变化，材料的腐蚀和连接中的腐蚀）条件，由雷电流引起的火灾和爆炸的风险可能上升到不可接受的水平。

比如，墨西哥的石油工业建立了一个标准，当储油罐厚度减少到100毫秒（2.54毫米）时，可更换钢板，这是油箱机械完整性的良好参数。然而，这种标准不足以防止金属击穿或热斑的发展。为了更好的安全起见，建议将替换厚度提高到3.5mm，这可以认为是一个合适的厚度。

6. 结论

储油罐的自我保护代表了主要的防雷方案。为减少该方案的点火可能性应确保操作条件、材料厚度和可靠的连接。然而，如果其中一些不太可能实现，则必须实施隔离的接闪器以避免表面和内表面热斑的侵蚀。

请记住，隔离结构更容易被雷击，因此在保证自我保护后的下一步保护是修改周围安装设计的更高结构，如接闪器(避雷针)，以避免直接冲击。

为尽量减少对油箱的损坏，请勿连接一个隔离的，尖的和突出的物体，该物体可作为与玻璃纤维等电阻材料串联的接闪器（避雷针）。

参考文献

[1] API Recommended Practice 2003, “Protection Against Ignitions Arising Out of Static, Lightning and Stray Currents”, American Petroleum Institute.

[2] NFPA 780 “Standard For The Installation of Lightning Protection Systems, 2011 edition.

[3] IEC 62305-3 “Protection against lightning – Part 3: Physiscal damage to structures and life hazards”, 2010 Edition.

[4] H. Persson, A. Lonnermark, “Tank Fires: Review of fire incidents 1951-2003”, SP Swedish National Testing and Research Institute, Provning Forskning, SP Report 2004:14.

[5] E. Renni, E. Krausmann, G. Antonioni, S. Bonvicini, G. Spadoni, V. Cozzani, “Ri

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