张英杰，管孝瑞，姜 辉，毕晓蕾，陶 彬，刘全桢，马梦白

(中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104)

0 前言

大型储罐是石化企业主要物料存储容器，而石油化工原料大多为易燃易爆物料，雷击储罐会导致拱顶烧蚀、穿孔，进一步引燃储罐内部易燃易爆物料[1,2]。近几年，铝拱顶由于其强度高且重量低的优势越来越多地应用在大型浮顶储罐上，但同时铝拱顶遭受雷击的风险也随之而来[3,4]，由于铝的熔点比铁低，铝网壳拱顶在遭受雷击时铝蒙皮易熔化穿孔，此外直击雷对于铝蒙皮还具有较强的电动力效应，在热效应和电动力的叠加下，铝蒙皮容易破裂脱落，引燃内部易燃易爆物料[5-7]。

国内外对于大型拱顶储罐铝蒙皮的厚度有不同的论述，美国石油协会《Welded Tanks for Oil Strorage》中建议储罐拱顶的铝蒙皮板厚度为1.2 mm[8,9]，但《石油化工装置防雷设计规范》中为防止雷电击(熔)穿，规定铝顶板的厚度最小为7 mm[10]，当铝顶板厚度小于7 mm时，应装设接闪器。而GB 50074—2014《石油库设计规范》进一步规定，铝顶储罐应装设接闪杆(网)。国内外标准不统一导致铝拱顶储罐的防雷问题成为石化行业内关注的重点。

接闪杆是雷电防护中可靠的保护方法，利用接闪杆接闪可有效避免铝拱顶储罐遭受雷击，也解决了国内外标准铝蒙皮板厚度不一致的问题[11,12]。在大型储罐上使用接闪杆接闪既要有效保护拱顶储罐，又要降低接闪杆高度，从而降低引雷的风险[13]。本文对大型拱顶储罐的雷电防护提出多圈短杆的直击雷保护方案，结合滚球法计算出接闪杆的高度和位置，仿真优化确定铝拱顶储罐直击雷防护模型；建立铝拱顶10∶1微缩试验模型，开展高压接闪试验，以期为铝拱顶储罐的雷电防护提供数据支撑。

1 滚球法计算模型

本研究开发的铝拱顶适用于直径41 m的储罐，储罐的铝拱顶高度8 m，防雷方案设计完成后要开展雷击模拟仿真和实验室雷击试验，采用10∶1微缩模型进行滚球法雷电防护设计和雷击试验。铝拱顶是球体的一部分，可看做是由一个球体切割而来，根据等比例微缩模型中的数据，罐顶直径4.1 m，拱顶高度0.8 m，可求出被切割球体半径约为3.2 m。等比例微缩模型尺寸如图1所示。

图1 等比例微缩模型尺寸

雷电防护方案的确定通常有滚球法、折线法、保护角法、网格法等，折线法因其对于被保护物体的侧面雷击保护程度较弱自1994年逐渐不再采用；保护角法源于滚球法，受滚球半径制约仅适用于外形简单的小型建筑；网格法多用来保护平面物体；滚球法的基础是雷击距理论，当雷云位于铝拱顶储罐上方时，由于大部分雷云下部是负电荷，在铝拱顶及防雷装置上会感应出与雷云下部相反的正电荷。雷云不断发展，带电液滴越来越多，雷云下部会产生向下发展的下行先导，此时的下行先导并不受地面物体的影响；而当雷云下部聚集的负电荷越来越多，地面物体表面也会感应出相应数量的正电荷，当正电荷不断增加，在曲率半径较小的接闪杆顶部会产生向上发展的上行先导，下行先导与上行先导相汇合，形成雷电的主放电，此时主放电的长度即为雷击距。GB 50057—2010和IEC 62305均把滚球法作为雷电防护方案的设计基础[14-16]。

滚球法计算模型(图2)的初始工作是确定被保护物体的滚球半径，根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》中的规定，储罐应划分为第二类防雷建筑物，滚球半径为45 m。接闪杆的设计分为单支、双支等高、双支不等高、多支不等高等类型，雷击是随机事件，防雷设计的目的是要尽可能降低被保护物体遭受雷击的概率，因此采取适当的雷电防护方案既要成功代替被保护物体遭受雷击，又要不至于增加引雷的风险是雷电防护的最优解。根据铝拱顶的球面结构特点，采用多支不等高接闪杆，同时尽可能降低高度可有效降低引雷概率。

图2 滚球法计算模型

2 铝拱顶接闪杆雷电防护模型

利用多支不等高接闪杆保护范围计算方法，对铝拱顶储罐进行接闪杆高度和位置确定。按照滚球法计算结果，采用17支接闪杆按内、中、外3圈加顶点布置，方案见表1。基于CDEGS软件的Shild-3D与SESCAD模块，首先在SESCAD模块建立铝拱顶直击雷防护模型，铝拱顶是由球体切割而来、由铝合金构成的框架结构，导入Shild-3D模块后建立接闪杆模型。接闪杆采用铝合金材质，圆锥体结构，圆锥体底半径为0.01 m，高度如表1所示，仿真模拟的效果如图3所示。

表1 铝拱顶接闪杆初步安装高度及数量

图3 铝拱顶接闪杆雷电防护初步方案

对铝拱顶仿真模型施加150 kA直击雷，进行模拟仿真试验和99%保护范围仿真试验，得到保护效果如图4所示。

图4 初步方案试验及仿真结果

绿色表示得到了有效保护，红色代表未保护，但绿色过深时，易出现过保护状态。从仿真结果看，150 kA直击雷模拟试验结果和99%保护范围仿真试验结果都是上部至顶部绿色较深，表明接闪杆对铝拱顶的顶部周围是过保护的状态，过保护意味着引雷风险增大，增加接闪杆的接闪次数，不利于大型储罐的雷电安全。

仿真结果中上部至顶部过绿表示该区域接闪杆高度过高或数量过多，经过高度计算，内圈接闪杆顶点高度：0.69+0.35=1.04(m)，顶点接闪杆顶点高度：0.8+0.1=0.9(m)，内圈接闪杆高度已经超过铝拱顶的高度，且已超过顶点处的接闪杆高度，内圈高度突出会导致雷云易与接闪杆发生多个先导通道，导致保护物体多次发生雷击，不利于被保护物体的防雷安全。因此要对17支接闪杆按3圈加顶点布置的防护方案进行优化，以多圈短杆为原则，本着避雷和减少引雷双目标对接闪杆的方案进行优化，降低接闪杆高度和数量。

经过模型优化，采用16支接闪杆按2圈加顶点布置，达到多圈短杆的布置效果，以铝拱顶底面圆心为坐标原点建立三维直角坐标系，接闪杆安装位置坐标如图5(a)和表2所示，接闪杆安装效果如图5(b)所示。

图5 接闪杆安装位置及效果

优化后，对该接闪杆雷击保护方案施加150 kA直击雷和99%保护水平模拟仿真，见图6。结果显示，该接闪杆防雷方案保护效果良好，满足99%雷电保护水平，中上部深绿色减轻，过保护范围减少，满足在防雷的同时减少引雷的设计目标。

表2 接闪杆安装位置及高度

图6 优化方案试验及仿真结果

3 铝拱顶雷电防护方案雷击接闪试验

接闪试验一般有模拟先导接闪和模拟雷云接闪两种。模拟先导接闪通过假定先导位置下的接闪，模拟雷云接闪假定雷云板的位置和范围下的接闪，模拟先导接闪比模拟雷云接闪条件更严苛，随机性更强。本文采用模拟先导接闪试验方法，运用中国石化自主研发的最高可输出3 600 kV的高电压实验设备，模拟雷电先导对铝拱顶10∶1微缩模型进行雷击试验，通过高速相机记录雷击点位置，得到多圈短杆防雷方案的接闪概率。雷击试验采用直径3.2 cm的棒状电极，使用航吊将其悬挂于铝拱顶模型内圈和外圈接闪杆之间的上方，此时棒状电极距离最近的接闪杆和铝拱顶均为0.5 m，此位置下的雷击试验对于接闪杆是较为严苛的试验条件。棒状电极用于模拟雷电产生的先导，在冲击电流释放的一瞬间，棒状电极与下方物体发生放电。铝拱顶雷击试验设计如图7所示。

图7 模拟先导接闪雷击试验设计

在棒状电极与最近的接闪杆/铝拱顶距离均为0.5 m的情况下，进行了20组冲击试验，冲击试验结果如表3，接闪杆接闪18次，铝拱顶接闪2次。接闪杆的接闪概率为90%，接闪杆接闪电压随机分布在752.00～787.25 kV区间内，平均接闪电压为767.66 kV。铝拱顶接闪电压为887.13 kV和904.75 kV，明显高于接闪杆的接闪电压。接闪杆接闪电压波形示例如图8(a)所示，接闪杆接闪如图8(b)所示，铝拱顶接闪如图8(c)所示。

4 结论

本文基于滚球法针对铝拱顶储罐开展直击雷防护方案设计，提出多圈短杆的接闪杆方案并进行仿真优化，确定铝拱顶储罐直击雷保护模型，建立铝拱顶10∶1微缩试验模型，开展高压接闪试验，得到以下结论：

a) 大型石油化工储罐的接闪杆的设计既要成功保护被保护物体，又要降低高度不至于引雷，因此宜采用多圈短杆布置方案，避免采用单根高大避雷针的设计。

表3 铝拱顶雷击试验结果 kV

b) 当采用17支接闪杆按3圈加顶点的设计方案时，铝拱顶自顶点至内圈接闪杆所在范围为过保护状态，引雷风险大大增加。当采用16支接闪杆按2圈加顶点的设计方案时，顶部过保护程度减轻，有效减少引雷风险。

c) 在棒状电极与最近的接闪杆/铝拱顶距离均为0.5 m的情况下，针对铝拱顶10∶1微缩试验模型开展20组棒状电极高压接闪试验，结果显示多圈短杆的接闪杆保护方案接闪率为90%，最大接闪电压787.25 kV，最小接闪电压752.00 kV，平均接闪电压为767.66 kV，内圈接闪杆和外圈接闪杆之间存在保护范围不足的情况。

图8 棒状电极高压接闪试验

d) 下一步，将针对铝拱顶蒙皮板的抗雷击涂层开展雷击试验研究，建立接闪杆与抗雷击涂层相结合的雷电防护方案，进一步提升铝拱顶储罐的雷电防护能力。