丁　波

(中石化销售浙江石油零售分公司，浙江　杭州　310000)



浮顶油罐一二次密封防雷技术现状研究

丁波

(中石化销售浙江石油零售分公司，浙江杭州310000)

大型浮顶油罐所带来的火灾事故十分巨大，近年来发生的多起浮顶油罐密封圈雷击起火事故，都造成了一定的经济损失和环境危害。对国内外浮顶油罐一二次密封防雷技术研究现状进行了分析，结果显示：当油罐遭到雷击时，罐壁和浮盘之间难以做到等电位连接，在一定的电流下，会产生放电现象，表明针对浮顶油罐密封圈防雷的标准和措施并不能完全有效地防止其因雷击而发生火灾的事故；而通过消除可燃气体而达到防雷防爆目的的方法尚未有较多的理论研究。

浮顶油罐；密封空间；油气分布；雷电

油罐大型化的发展，所带来的火灾事故也十分巨大，并具有火焰辐射强、范围广、潜在威胁多、损失大、扑救困难等特点。对国内外529起油罐火灾事故进行了事故分析，因为雷击引起的占到了32.5%，而在浮顶油罐火灾事故中，因密封圈遭遇雷击从而引起浮顶油罐火灾事故的频率为83%左右[2-4]。近几年发生的浮顶油罐着火事故也是因一二次密封空间内油气被引燃后而导致爆燃的，比如2006年8月仪征输油站某15×104m3浮顶油罐遭遇雷击，油罐的密封圈位置出现5个着火点；2007年5月，镇海国家石油储备基地的某10×104m3浮顶油罐遭遇雷击，造成密封圈起火，火焰高度超过了4 m，次月，该公司的同一浮顶油罐再次遭遇雷击，引起起火事故。2011年11月，大连港石油储备基地中的两个10×104m3浮顶油罐密封圈也发生雷击起火事故[5-8]。此外茂名、金山、日照、白沙湾等地也发生了浮顶油罐密封圈雷击事故，造成了一定的经济损失和人员伤亡。

1　引起密封圈燃烧包括3个要素

1.1点火源

由于油罐常位于港口码头附近且地势较为平坦开阔的地方，往往是雷电多发地区，同时浮顶油罐较高，比周围建筑物更易遭受雷击。目前通过导电片和静电引下线接地的方式并不能完全地消除静电，甚至是接触不良的导电片或引下线与罐壁产生放电，从而产生电火花。

1.2可燃气体

可燃气体主要来源于一次密封下的油品和黏附在罐壁上的黏油挥发而成。目前，我国大多数浮顶油罐的密封采用一次密封和二次密封相结合的结构，一次密封具体可分为以下3种类型[9-10]：

(1) 动臂式机械密封。其结构都是由密封靴板支撑、连杆机构以及连续密封带组成。密封靴板，一般是由多张镀锌钢板连接为一个整体，依靠支撑及连杆机构紧密地压紧在罐壁上，下端插入油品液面下，有效地抑制油气的挥发，可以减少60%～70%的油气损失[11]。

(2) 泡沫密封，是目前普遍采用的密封方式，有液托式和气托式两种安装方式，其密封效果低于充液管式密封[12]。

(3) 充液管式密封，该密封特别之处是不存在油气空间，是比较理想的液面弹性密封。二次密封主要用于大型浮顶油罐上，从而取代传统的挡雨板结构，不仅可以防止雨雪对油品的污染，同时降低了外界风对油面的影响，从而大大减少了油品的蒸发。

随着油面的高低，浮顶油罐的浮盘是需要上下浮动的，因此浮顶油罐浮盘边缘与罐壁之间有250～300 mm的环形间隙，该间隙是油气散发的主要渠道，通常使用一、二次密封装置对此间隙进行密封[13]。但是由于一、二次密封并不是完全密封的，故此密封空间内会存在一定的油气与空气的混合物，具体原因如下：

(1)对于10×104m3的浮顶油罐，油气隔膜与油面的间距约为50～60 mm，油品挥发后产生的油气聚集在该空间内，若隔膜密封不严或罐壁变形，该空间内的油气将扩散到一二次密封空间内，由于二次密封并不能完全阻止外界空气进入一二次密封空间内，因此该密封空间内必然会存在油气与空气的混合物。

(2)当浮盘随着油面下降而缓缓降落时，由于油罐内壁较为粗糙，原油粘度较大，部分油品会粘附在油罐内壁上，油温温度较高，黏附原油挥发严重，这也在另一个方面加剧了油气在一二次密封空间内的聚集。

(3)较大的风压会导致油罐变形，使密封装置无法完全贴合罐壁，或使浮盘偏移，从而导致油气泄漏；在外界风压下密封空间内的油气很容易产生积聚，使某一区域油气体积分数急剧上升。

(4)密封橡胶一般沾有油污，在阳光照射下很容易发生变形，从而导致油气泄漏。

(5)受油罐受施工质量的影响，一次密封会出现密封不严，导致油气泄漏至一二次密封空间内[14]。

总之，一二次密封空间内的油气浓度与原油性质、一次和二次密封装置性能、原油温度、大气温度、外界风力、储罐运行状态等因素关系密切。

1.3助燃剂

一二次密封空间内与外界连通，本身含有一定量的氧气，支持油气的燃烧。

国内外的防雷标准多数是通过低阻抗的静电引下线和导电片将雷电流引至接地系统，从而达到保护储罐的目的，但对近几年来的密封圈火灾事故分析可知，发生雷击事故的储罐大都符合设计规范，表明目前的这些方式并不能完全地避免密封圈火灾事故。更有甚至，正是因为电气连接装置的存在，在泄流过程中出现放电而产生火花，引燃了油气。而一旦密封圈发生燃烧，又缺少可靠迅速的灭火方式，主要是靠工作人员爬上油罐后，手持灭火器对其进行灭火，由此带来的问题较为严重，速度慢、灭火剂量小、扑救过程中存在一定的自身危险性等。而固定式泡沫灭火方式主要作用是当发生大型火灾时，抑制火势进一步扩大，却不能满足密封圈的灭火要求，比如泡沫液泵出泡沫速度较慢、不能迅速覆盖密封圈、对密封部件和油品污染严重等。因此以预防角度出发，研发出一种密封圈防雷防爆装置显得尤为重要。

2　国内外浮顶油罐防雷研究进展

苏伯尼等[15-16]建立了闪电和浮顶油罐的模型，并开展了雷电引发油罐火灾爆炸的风险评估，计算出了闪电击中浮顶油罐的概率和引起密封圈爆炸起火的概率，结果表明密封圈火灾概率远远大于雷电击穿罐壁而引起火灾的概率。引起雷电事故主要包括两个因素：点火源和可燃物，国内外主要从这两个方面进行防雷工作。

2.1关于消除点火源的研究

油罐较高，且多处于较为平坦开阔的区域，因此油罐一般将自身作为引雷器，而后通过低阻抗的静电引下线将雷电流引入大地以保护油罐免遭雷击破坏，比如我国的《石油库设计规范》、北美的《防止静电、闪电和杂散电流引燃的措施》等防雷标准也是以该原则为基础的[17-18]，规定不仅需将罐体做静电接地，同时还需加强浮盘与罐体的电气连接，其中GB 15599-2009石油与石油设施雷电安全规范规定静电引下线应采用两根截面不小于50 mm2的扁平镀锡软铜复绞线或绝缘阻燃护套复绞线，且连接点不少于两处[19]，GB50074-2002《石油库设计》规范规定静电引下线应为两根横截面积不小于25 mm2的软铜复绞线[20]，俄罗斯标准Правила规定使用截面积不小于6 mm2的МГ型软铜线保持浮盘和油罐的电气连接[21]，上述规范还提出需在二次密封上设置导电片，以实现浮盘与罐壁的等电位连接。朱根民建议增强静电导出渠道，将原先用于连接浮盘与罐壁的2根横截面积为25 mm2的静电引出线改为4根50 mm2的静电引下线[22]，鉴于机械密封性能较差，同时有较多的金属构件，容易在浮顶泄流过程中产生放电现象，而建议更换机械密封为弹性泡沫填充密封。中石化系统也组织国内相关专家对油罐防雷措施进行论证，发文明确将机械密封作隐患改造，用弹性密封取代，然而改变密封形式后不久的2010年3月，某大型储库再次发生雷击起火事故，引起了国内同行对浮顶油罐防雷措施的茫然。

APIRP-545[23]开展导电片放电试验后，提出改变导电片的位置，将其移入液面0.3 m以下；同时还规范了浮盘与罐壁等电位连接的方式，即导电片和分流导线，其中导电片的材料为奥氏体不锈钢，其横截面积不小于 20 mm2，最小宽度为51 mm，安装在油面以下0.3 m处。

James I[4]在对近几年的油罐雷击事故评估中指出：1991年新加坡一油库某油罐的雷击事故从密封圈火灾最终演变成为覆盖全部油面，安装在10×104m3原油储罐的传统的雷电保护系统并没有阻止其遭到雷击，认为现有的防雷标准为石油行业几乎没有提供任何大的帮助。

赵晓刚等[24-25]提出“近防”是不够的，需要“远引”，即通过远引避雷针系统，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。

Williams Del[26]通过实验表明：当浮盘位于较高位置时，油罐的雷击危险性最高。雷电流都集中直接雷击位置的下方；当浮盘较低时，雷击电流较分散，最终均匀分布在浮盘外表面。Qingzhong Xue[27]在多个导线消雷器和避雷针情况下，测量电晕电流。结果表明发现，消雷器的电晕电流基本上等于避雷针，都小于70 μA。此结果表明，消雷器不能提供足够的带电离子以中和雷雨云中的电荷，所以消雷器不能消除雷电的作用。

胡海燕等[28]建立了浮顶油罐模型，开展导电片与罐壁形成空气间隙击穿放电初始电压试验，研究表明当泄放电流在400 A左右时，导电片开始产生火花放电，由于诸多原因，导电片与罐壁难以做到完全贴合，因此浮顶油罐罐在遭遇雷击时，导电片很容易产生火花放电。

闫啸[29]认为浮顶油罐现有的静电引下线难以及时地泄放电流，提出在浮顶油罐上安装“卷尺静电导出带”，该导电带连接浮盘与罐壁顶部，随着浮盘的上下浮动，导电带可随意伸缩，做到了良好的等电位连接。同时，认为在浮顶油罐上设置一个铝制穹顶，并对穹顶进行有效接地，可避免密封装置附近产生电火花，而且以往的应用现实也证明了其具有良好的防雷击着火功能。

Culham等[30-32]对符合防雷标准的浮顶油罐进行了雷击试验，结果表明导电片的存在不仅没有起到快速泄放电流的作用, 反而带来了一定的危害,正因为导电片与罐壁的不良接触而产生电火花，并提出取消导电片，而沿着罐壁用特种低阻抗引下线连接浮盘，通过合理的计算布置，可以实现快速泄放雷电流的作用。

2.2关于密封空间油气浓度的研究

国内外对浮顶油罐一二次密封空间内的油气分布规律研究较少，但部分学者通过开展风洞试验来研究浮顶油罐浮盘上方的风压分布，结果表明气流从浮顶油罐顶部掠过时，会在油罐密封圈上方位置产生低于大气压力的负压区和高于大气压力的正压区，而油罐迎风面内侧为负压区，背风面内侧为正压区[33-34]，沿罐壁内周边圈各点的压力以平行于气流方向的油罐直径为对称轴对称分布，并在该直径的两个端点和达到最小值和最大值，试验证明，两点的压差与气体流动速度有关[35]。Humphrey等[36]对浮顶油罐不同高度的浮盘上方空间风速大小进行了实验和CFD模拟，发现浮盘高度对风速分布的影响很大，在空罐条件下风在浮盘上方垂直空间循环流动；满罐条件下风贴着浮盘在小范围内循环流动。研究还表明浮盘高度对浮顶上风速的大小产生了不同的影响，低浮盘时，最大风速在罐中间位置，而高浮盘条件下，最大风速在罐边缘位置。贾明岩[37]利用CFD软件对油罐群风环境进行了模拟，研究结果表明油罐群的流场呈对称分布，且在油罐群的正后方形成了负压区。上述研究人员对油罐周边的压力分布进行了分析，虽未提及到空间内油气的具体分布情况，但给一二次密封空间油气分布的研究提供了一定的基础。

一二次密封空间内的油气来源于一次密封下油品的蒸发，各国都对在外界风压作用下的浮顶油罐静止时油品的蒸发损耗进行了分析，尤其是对油气的泄漏方式做了较为合理的解释[38]，对密封空间内油气浓度及分布规律的研究也提供了基础。

何利民等[39]在1991年就对浮顶油罐的油气浓度分布问题进行了实地检测研究，对浮盘通气阀，浮盘取样孔、量油管与浮盘之间缝隙、导向柱与浮盘之间缝隙、浮盘立柱与套管之间的缝隙、浮盘密封圈与罐壁之间的缝隙等对浮盘上各油气排放点进行测试，记录各测试点的油气浓度，同时记录浮盘上风速和油高、油温，实测得到数据可知：通气阀和密封周边是油气浓度分布最高的地方。

李恩田等[40-42]对浮顶油罐一二次密封空间进行惰化实验和模拟，得出了惰化过程中空间内油气浓度的变化，提供了新的思路和方法，但该惰化模型并不能完全表征浮顶油罐一二次密封空间的惰化特征，需建立仿真度更高的空间惰化模型。宫宏[43]提出将一种本质安全性产品填充在浮顶储罐一二次密封空间内,防止浮顶油罐密封圈在遇到静电、雷击等意外事故时发生爆炸着火，虽未指出本质安全产品的具体材料、特征以及填充方式，也未直接提及空间内的油气浓度及分布情况，但提供了一种新的密封圈防爆思路。白濠等[44]提出一种通风抑爆装置，根据气象预报或雷电预警系统信息，在雷击前启动风机，通过通风管往一二次密封空间内输送空气，从而降低空间内的油气浓度，该方法简单快捷、但高速空气吹扫油气空间可能会产生静电起火，不符合设计规范。

3　结　论

综上所述，国内外有不同的油罐防雷标准，但针对浮顶油罐密封圈防雷的标准和措施并不能防止其因雷击而发生火灾的事故。国内外研究人员在消除点火源进行了一些研究，但最后结果表明：当油罐遭到雷击时，罐壁和浮盘之间难以做到等电位连接，在一定的电流下，会产生放电现象。在消除可燃物方面研究较少，较为普遍的是利用氮气对密封圈进行惰化，从而达到防爆的目的。要使如今的防雷防爆措施真正实现对浮顶油罐的防护，并能有效推广，还需做以下研究：

(1)改变浮盘与罐壁的连接方式，避免浮盘与罐壁产生放电间隙。

(2)研究氮气对一二次密封空间的惰化效果及影响因素。

[1]武铜柱.大型立式油罐发展综述[J].石油化工设备技术,2004,25(3):56-59.

[2]Drabkin.M.M., Grosser A. Lighting protection of flammable storage facilities [A].International Conference on Grounding and Earthing & 2nd International Conference on Lightning Physics and Effects[C]. Brazil,2006.

[3]郎需庆,高鑫, 宫宏,等.降低大型浮顶储罐密封圈内油气浓度的研究[J].石油天然报,2008,30(2):618-619.

[4]James I. Chang, Cheng-Chung LinA.study of storage tank accidents[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2005,19 (1):51-59.

[5]王玉生等.原油浮顶油罐防雷设计探讨[J]. 石油规划设计,2008,19(3):32-33.

[6]杨扬,谢静蓉,方海燕,等.大型储油罐区防雷方式及测雷预警安全措施[J].油气储运, 2009(4):61-62.

[7]刘宝全,胡海燕,刘全桢,等.浮顶储罐导电片在油气空间中放电研究[J].电瓷避雷器,2012(1):86-89.

[8]殷晓波.浅析大型浮顶油罐雷击火灾的原因及处置[J].安全、健康和环境,2012(6):3-5.

[9]肖允涛.浅谈外浮顶罐二次密封的意义[J].安全、健康和环境, 2005,5(5):32-34.

[10]陈朝晖.外浮顶储罐二次密封技术应用[J].石油化工设备. 2002,31(4):23-25.

[11]王怜俐,陈春梅.外浮顶油罐密封系统分析[J].油气田地面工程, 2004,23(7):25-26.

[12]孟昕,刘琛.浅谈外浮顶罐的二次密封[J]. 石油商技, 2003,21(5):29-31.

[13]王硕.油田万方浮顶储油罐结构改进与建议[J].油气田地面工程,2010(9):74-75.

[14]刘宝全,刘全桢,高鑫,等.浮顶储罐二次密封装置的雷击危险性[J].油气储运, 2012,31(3):193-195.

[15]苏伯尼,黄弘,李云涛.雷电引发油罐火灾爆炸事故的概率计算[J].中国安全科学学报,2013(4):79-83.

[16]Elisabetta Renni, Elisabeth Krausmann, Valerio Cozzani.Industrial accidents triggered by lightning[J]. Journal of Hazardous Materials,2010(3):42-48.

[17]郑娟,苏建峰,张丽丽.国内外储油罐防雷标准对比[J].油气储运,2011,30(9):696-698.

[18]Richard Kithil. Over view of global lightning protection codes and standards[A]. International Lightning Detection Conference[C]. Tucson, Arizona, USA, April 24-25,2006.

[19]GB 15599-2009.石油与石油设施雷电安全规范[S].中国标准出版社,2009.

[20]GB50074-2002石油库设计规范[S].中国计划出版社,2003.

[21]赵云峰,宋兆勇,蔡培培,等.中俄管道站场安全相关标准对比[J].油气储运,2013,32(1):78-81.

[22]朱根民,尹亮.大型储罐防雷、防静电与一次密封选型问题探讨[J].消费导刊,2010(2):199.

[23]American Petroleum Institute. API RP545-2009 Recommended practice for lightning protection of aboveground storage tanks for flammable or combustible or combustible liquids[S].Washington,DC:API,2009.

[24]赵晓刚.石油储运安全系统工程理论及其应用[M].北京:解放军出版社,2005:17-19.

[25]周毅,赵晓刚,潘仕祥等.石油库大型储罐的综合防雷[J].石油工程建设2009,38(1):5-8.

[26]闫啸.储油罐防雷技术研究[D].山东:中国石油大学,2010.

[27]Williams Del.Economically Improving Floating Tank Roof Lightning Protection[J].Pipeline & Gas Journal, 2010,237(10):58-60.

[28]胡海燕,刘宝全,刘全桢,等.浮顶储罐二次密封油气空间放电分析[J].中国安全科学学报,2011(3):106-109.

[29]Qingzhong Xue, Yanmin Liu, Liubin Huang,et al.Comparison study for lightning rod and lightning eliminator.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2003, 65(8):963-969.

[30]任晓明,傅正财,刘全桢,等.大型浮顶油罐直击雷防护实验分析[J].高电压技术, 2011(4):867-873.

[31]Culham.Electro magnetics and Lightning Limited. Verification of lightning protection requirements for above ground hydrocarbon storage tanks[R].Port land: Energy Institute, 2009.

[32]刘宝全,胡海燕,刘全桢,等.浮顶储罐导电片在油气空间中放电研究[J].电瓷避雷器, 2012(1):86-89.

[33]Asghar Alizadeh Dakhel,Masoud Rahimi. CFD simulation of homogenization in large-scale crude oil storage tanks[J]. Journal of petroleum science and Engineering,2004,43(3): 151-161.

[34]R.J.Holroyd.On the behaviour of open-topped oil storage tanks in high wind. Aerodynamic Aspects[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1983,12(3):29-352.

[35]林寅,赵阳.十万立方米钢油罐结构平均风荷载的风洞试验[C].第十四届空间结构学术会议论文集[A].福州:福州大学,2012:102-105.

[36]Humphrey Pasley,Colin Clark.Computation fluid dynamics study of flow around floating-roof oil storage tanks[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2000,86(1):37-54.

[37]贾明岩. 基于CFD的油罐群风环境数值模拟[J].科学技术与工程,2011,11(8):1881-1883.

[38]黄维秋.油气回收基础理论及其应用[M].北京:中国石化出版社,2011:45-47.

[39]何利民,何跃生,李自力.浮顶油罐油气扩散规律及其安全性.炼油设计,1994,24(4):56-58.

[40]李恩田,谢磊,王树立.浮顶油罐罐顶油气惰化数值模拟[J].油气储运,2011(9):671-632.

[41]Fei-fei Zhang, Hui-ling Jiang, Cheng Zhang. Study of Charging Nitrogen to External Floating Roof Tank to Prevent Rim-seal Fires from Lightning[J]. Procedia Engineering,2014(71):124-129.

[42]李恩田,谢磊,王树立.浮顶油罐油气惰化防火防爆实验研究[J].中国安全生产科学技术,2011,7(11):68-71.

[43]宫宏.防止浮顶储罐密封圈爆炸着火的方法[P]. 中国,200710015142.5,2007-07-13.

[44]白濠.一种浮顶油罐密封圈的通风防爆装置[P].中国,201110057960.8,2012-09-19.

Research Status of Floating Roof Tank Seal Lighting Protection Technology

DING Bo

(Sinopec Zhejiang Oil Products Company, Zhejiang Hangzhou 310000, China)

Tank development tends to be large scale, bringing enormous fire. Floating roof tank seals lightning fire which occurred in recent years had caused economic loss and environmental hazard. Different lightning protection measures at home and abroad were analyzed, the result showed that it was difficult for tank wall and floating disk to achieve equipotential bonding, result in producing discharge in a certain current, and there was little theory research about eliminating oil vapor to achieve the purpose of the lightning protecion,

floating roof tanks；sealed space；oil vapor distribution；lighting

丁波(1989-)，男，硕士，助理工程师，主要从事油气储运过程安全管理工作。

TE88

A

1001-9677(2016)01-0038-04