周 毅，赵晓刚，潘仕祥，凌建国

（1.中国人民解放军后勤工程学院军事供油工程系，重庆 401311；2.中国人民解放军后勤工程学院训练部，重庆 401311；3.广州军区联勤部军需物资油料部，广东广州 510000）

石油库大型储罐的综合防雷该项目获2009年国家科技进步二等奖，证书号：2009-J-244000-2-04-R01

周 毅1，赵晓刚1，潘仕祥2，凌建国3

（1.中国人民解放军后勤工程学院军事供油工程系，重庆 401311；2.中国人民解放军后勤工程学院训练部，重庆 401311；3.广州军区联勤部军需物资油料部，广东广州 510000）

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。

大型储罐；储油罐区；综合防雷；系统工程

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[1]。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1989年8月12日，山东黄岛油库雷击着火，大火燃烧了104 h，造成19人死亡，100多人受伤，损失巨大。根据文献 [2]，在记载的107例各行业各类油罐火灾中，有65例为雷电火灾，占总数的61%，其中79%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10万m3。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47.1 d[3]，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2006、2007两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。

2006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， 16#15万m3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30 min。2007年5月24日和6月24日，镇海国家储备库两次出现雷击着火事故，47#10万m3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10 min。2007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#10万m3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14 min。2007年6月29日，镇海炼化一座5 000 m3内浮顶石脑油罐遭直击雷击，引燃油罐呼吸口挥发的油气，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20 min。

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]。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0.25mJ[5]，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[6]，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[7]。

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：

式中ΔT——温升/K；

Q——雷电产生热量/J；

m——通过雷电流物体的质量/kg；

c——通过雷电流物体的比热容/（J/（kg·K））；

R——导体的电阻/Ω；

t——雷电流持续时间/μs，可取波头时间；

kc——分流系数，单根引线时取1；

i——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200 kA[8]。

由于雷电流带电量很大 （通常为20~30 C），通过时间短 （μs），雷击金属罐体时产生的热量将达到500~2 000 kJ，对钢质金属油罐雷击瞬时温升可达6 000~10 000℃，足以熔化体积为50~200 mm3或熔化深度为0.276~0.352 mm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U：

式中i——雷电流峰值/kA；

R0——接地电阻/Ω；

r——引下线单位长度电阻/（Ω/m）；

h——距离地面高度/m；

L0——单位长度的电感/（μH/m）；

L——引下线长度/m；

当雷电流峰值为100 kA的中型雷[9]直击击闪钢制内浮顶大型油罐时，L0取1.5 μH/m，接地电阻R0以10 Ω计，罐体上的电阻rh相对很小可以忽略不计，因此一个10万 m3外浮顶钢制储罐（罐顶部离地面20 m处）产生的电势将会高达2 500 kV。木材、砖石、水泥等非金属材料沿平面方向的闪络场强约为250～500 kV/m，距离大型储罐周围1m处的场强约为1 750 kV/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ζi。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ζi可由式 （3）计算：

式中ζi——感应电动势/kV；

M——互感系数/μH；

Um——大型储罐间隙最大击穿电压/kV；

d——击穿的气隙距离/m；

EL——电感电压的空气击穿强度/（kV/m）。

以一个10万m3大型储罐为例，当100 kA的中型雷雷击点距离油罐20 m时，取雷电闪击电流波形前沿为2.5μs，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 kV的感应电动势，对干燥空气 （EL取3 000 kV/m），其击穿间隙高达3 mm；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200 m，感应电势也可高达1 kV，1 mm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[10]。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[11-13]，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、导电性能优良的材料。接地引下线应采用不小于4 mm×40 mm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×40 mm不锈钢材料，同时用2个M12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[12-14]，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50 mm2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M12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间作等电位连接接地。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[15]。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消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[16]。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[17]。

4 系统综合防雷在重庆市601油库中的应用

重庆市601油库工程总储油量10.4万m3，属一级大型石油库，年平均雷暴日40.1 d，属雷电多发区。该油库二期建成8座1万m3立式内浮顶钢制油罐，油罐高度为19.4 mm，油罐直径为28.8 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5m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≤10Ω，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28 m，利用滚球法可计算出其有效保护半径为29.93 m，能够很好地满足储油罐区的雷电防护要求 （见图2）。

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）。

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601油库，彻底解决了油库的雷电安全防护问题。自2008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10万m3大型储罐，其高度约21 m、直径约90 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601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60万元，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。

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Integrated Lightning Protection of Bulk Storage Tank in Oil Depot

ZHOU Yi（Department of Petroleum Supply Engineering,Logistic Engineering University of PLA,Chongqing 401311,China）,ZHAO Xiao-gang,PAN Shi-xiang,et al.

This paper,on the basis of the lightning accident cases of bulk storage tanks in recent years,analyzes the main causes and characteristics of these cases,introduces lightning protection measures of such bulk storage tanks,and then discusses the integrated lightning protection technigues for the tank battery area，which has the characteristics of practicability,reliability and simplicity.

bulk storage tank;tank battery area;integrated lightning protection;system engineering

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.002

周 毅 （1986-），男，四川乐山人，后勤工程学院油气储运硕士研究生，从事油气储运技术及储运安全方向的研究。

2011-02-26；

2011-11-16