储培麟，李 光，茹 淼

（中国石油海洋工程有限公司天津分公司，天津 300451）

海上原油储罐的防雷保护

储培麟，李 光，茹 淼

（中国石油海洋工程有限公司天津分公司，天津 300451）

文章在简要介绍了雷击基本类型的基础上，论述了避雷针的防雷计算，重点对某海上原油储罐的避雷装置进行校核计算。校核计算发现该储罐呼吸阀等附件不在避雷针保护范围内，因此提出了改进措施并进行防雷计算，完善了该原油储罐的防雷保护。

原油储罐；防雷；避雷针；校核计算；防雷保护

0 引言

进入夏季雷雨季节，雷电常发，雷击危险性增大，海上石油生产作业安全受到一定影响，其中储油罐等重点设施的安全保障工作形势严峻。本文作者根据现场的生产实际情况，对某海上原油储罐的避雷装置进行了校核计算，全面检验该避雷针的保护范围是否满足安全要求。检验发现，该避雷装置仅能对原油储罐罐体进行保护，但对呼吸阀等储罐附件起不到保护作用。因此，对避雷针提出改进措施，并进行计算，确保该避雷针的保护范围能够覆盖整个原油储罐及其附件。

1 雷电及防雷装置的保护

1.1 雷电及防雷装置简介

雷电是常见的、无法控制的一种自然现象。它是雷云在一定条件下对大地或大地上物体发生放电，或者雷云与雷云之间相互放电。雷云内部的放电一般不会造成危害，雷云对大地放电则可能造成危害。它造成的危害分为以下几种：直接雷电危害、间接雷电危害、雷电波侵入危害、防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用。

防雷装置能防止直接雷击或将雷电流引入大地，以保证人身及建筑物的安全。常见的防雷装置有避雷针、避雷线、避雷网、避雷带、避雷器。一套完整的避雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。

1.2 避雷针保护范围计算方法

受到避雷针某种程度保护的空间称为避雷针的保护范围。这里主要介绍单支避雷针、两支等高避雷针、三支等高避雷针的保护范围计算方法。

1.2.1 单支避雷针的保护范围

单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的旋转体，边界线为一双曲线，如图1（a）所示。在工程设计中，为了作图和计算方便，把单支避雷针的保护边界线——双曲线近似地以两条折线代替，如图1（b）所示。从避雷针的顶点向下作45°斜线，构成圆锥形的上半部；从水平距避雷针脚，长度为1.5倍避雷针高度的位置向上作斜线与前一斜线在针高1/2处相交，交点以下构成圆锥形的下半部。由这一折线所构成的组合圆锥体，即为避雷针的保护范围。

如避雷针高为h，则避雷针在地面上的保护半径r0=1.5 h，其在任一高度hx水平面上的保护半径rx按下式确定：

式中h——避雷针的总高度 （从地面算起）/m；

hx——被保护建 （构）筑物的高度/m；

rx——高度为hx处避雷针的保护半径/m；

P——保护范围受高度影响的系数。当h≤30 m时，P=1；当30＜h＜120 m时，

1.2.2 两支等高避雷针的保护范围

如图2所示，在两支避雷针之间高度为hx的水平面上，其保护范围的最小宽度2bx位于两避雷针的中点处，其数值可按下式确定：

式中bx——两支避雷针在hx高度的水平面上中心线两侧的保护宽度/m；

a——两避雷针之间的距离/m；

ha——避雷针的有效高度/m，ha=h-hx。

从 （3）式中可得，当a=7haP时，bx=0。即两避雷针之间的最低保护高度h0可按下式计算：

1.2.3 三支等高避雷针的保护范围

三支等高避雷针在高度为hx平面上的保护范围的形状如图3所示。其所形成的三角形、外侧保护范围均可分别按两支等高避雷针的作图法确定。如各相邻避雷针间的最小保护宽度bx＞0时，则在三角形面积以内范围均可受到保护。

保护全部面积所需条件为：

式中D——图3中△123外接圆的直径。

2 储罐避雷实例

2.1 基础数据

某海上移动试采平台的原油储罐为钢质拱顶罐，容积1 300 m3，储罐直径D=16 m，拱顶高度hg=1.62 m。在储罐顶部罐体边缘装设有三支等高避雷针1、2、3，高度h均为4 m，其相对位置如图4所示，各相邻避雷针间距分别为a1=10 m，a2=a3=15 m。三支避雷针所形成△123的外接圆直径即为储罐直径。因h=4 m，故取P=1。

2.2 储罐本身校核计算

储罐顶部最高点距罐壁顶部的距离为拱顶高度：H=hg=1.62 m。

2.2.1 校核拱顶是否在避雷针保护范围内

在拱顶最高点平面上，当各相邻避雷针间的最小保护宽度bx＞0时，三角形面积以内范围均可受到保护。

根据 （1）式，高度为hx=H=1.62 m处避雷针的保护半径为：

此平面上避雷针的有效高度ha=h-hx=4-1.62=2.38 m。

校核避雷针2和3间的bx1。根据 （3）式，避雷针2和3形成的保护区在H=1.62 m平面中心线两侧的保护宽度为bx1：

可得bx1=1.65>0

同理，校核在H=1.62 m平面上，避雷针1、3间，1、2间的保护宽度为bx2、bx3。由于a2=a3，故 bx2=bx3； 得 bx2=bx3=0.63>0。

综上，储罐拱顶顶部处于避雷针构成的三角形的保护范围内。

2.2.2 校核储罐横截面是否在避雷针保护范围内

避雷针设置在罐壁上，罐壁顶部水平面的有效高度为避雷针的高度，即ha=h=4 m。在此平面上，避雷针1、2、 3间的保护宽度取较小值bx2计算：

根据 （1） 式， 高度为hx′=0 m处 （即避雷针底端）避雷针的保护半径为：

根据 （5） 式， 有8haPbx2′=8×4×1×3.94=126.08>D=16 m，故储罐罐壁范围内的水平面处于避雷针的保护范围内。

由以上校核计算结果可知，该平台原油储罐所装设避雷针可对储罐本身进行保护。但由于储罐顶部装有呼吸阀，上述校核高度并不包括呼吸阀。下面将对呼吸阀最高点平面进行校核计算，以验证呼吸阀是否在避雷针保护范围内。

2.3 储罐呼吸阀校核计算

呼吸阀及阻火器高度hz=0.80 m。考虑呼吸阀后，受保护的最高点高度变为：H′=hg+hz=1.62+0.80=2.42 m。

根据 （4）式，计算两避雷针间的最低保护高度为：

从以上计算结果可看出，避雷针2、3间的最低保护高度满足呼吸阀最高点的要求。避雷针1、2及1、3间的最低保护高度则不能满足呼吸阀最高点要求。也就是说，在H′平面上，避雷针2、3中心线两侧的保护宽度bx1′>0，而避雷针1、2及1、3则没有起到保护作用。

下面计算在H′高度平面上避雷针2、3中心线两侧的保护宽度bx1′：

根据 （1） 式， 高度为 hx′=H′=2.42 m处避雷针的保护半径为：

此平面上避雷针的有效高度 ha′=h-hx′=4-2.42=1.58 m

而如图4所示，通过几何计算，可得避雷针2和3的中心线距呼吸阀处 （即三角形外接圆圆心处）的距离为：S=6 m>bx1′=0.35 m，故在呼吸阀最高点平面上，避雷针的保护范围不能覆盖到呼吸阀的位置。

综上所述，呼吸阀不在避雷针的保护范围之内，存在雷击危险。

2.4 改进措施

为使避雷针能完全保护整个储罐 （包括呼吸阀），则必须增加避雷针的高度 （注：此处只对现有避雷针的高度改变进行计算，而不改变避雷针数量和位置）。

为满足储罐整体保护要求，需要将避雷针高度增至h″，此时任意两个避雷针之间的最低保护高度h0均不低于H′。3.85 m。

（2）在避雷针1、2及1、3间：

要同时满足以上两个条件，取较大值，h″>4.56 m。

故在不改变避雷针数量和位置的条件下，为确保呼吸阀处于避雷针保护范围之内，则避雷针的高度必须增加至4.56 m以上。

[1]郭光臣，董文兰，张志廉.油库设计与管理[M].山东：中国石油大学出版社，1994.

[2]GB 50074-2002，石油库设计规范[S].

Offshore Crude Oil Tank Protection from Lightning

CHU Pei-ling（Tianjin Branch of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China），LI Guang,RU Miao

This paper discusses the basic types of lightning strikes and the calculation of lightning rod putting emphasis on the checking calculation for the lightning protection device of an offshore crude oil tank.The calculation results indicate that some accessories including breather valve are beyond the protection range of lightning rod.Then the improvement measures are brought forward and checked by calculation to consummate the lightning protection for that crude oil tank.

crude oil tank;lightning protection;lightning rod;checking calculation

TE972

B

1001－2206（2011）增刊－0045－04

储培麟 （1986-），男，安徽池州人，助理工程师，2008年毕业于中国石油大学 （华东）油气储运工程专业，现从事海上试油试采与技术管理工作。

2011-08-23