第三节　外浮顶储罐防雷设施的作用

自2006年8月7日中国石化管道公司南京输油处仪征输油站16号15×104m3原油外浮顶储罐发生雷击火灾后，经过火因调查，以及过往国内大型原油外浮顶储罐雷击火灾火因追溯与分析，普遍认为在储罐区设置接闪器（避雷针）无助于防范雷击火灾，且有引雷之嫌。自此相关标准都不再规定可燃液体储罐区设置避雷针，而是靠储罐自身防雷接地等防范。国内多位业内学者认为储罐密封圈防直击雷是难以做到的。

2015年4月6日腾龙芳烃爆炸火灾后，为更好贯彻党和国家主要领导人的指示、批示精神，公安部消防局成立“石油化工企业事故防控专题调研小组”，深入全国主要相关企业开展调研。在调研过程中，基层消防人员反映扑救密封圈火灾需人员登顶，担心被雷击，建议储罐区设置避雷针。基层消防人员毕竟不是雷电科学方面的专业工作者，其朴素的建议能否起作用？

雷电科学属大气物理学下三级学科大气电学的范畴，我国有几所高校开设相关课程，如南京信息工程大学等。但其至今尚未形成一种被公认为无懈可击的完整学说。那么，目前大型外浮顶储罐浮顶与罐壁间设置两根旁路导线（我国也称导静电线）与沿罐周间距不大于3m（10ft）设置一个截面积不小于20mm2（0.4×51mm）奥氏体不锈钢（通常牌号为302）分路（我国也称导流片）的等电位连接有多大作用呢？再有两根旁路导线截面积由25mm2增加到50mm2能起多大作用？我国业内对外浮顶储罐防雷也有不同观点。为此，有必要对雷电成因、现有防雷措施的作用以及国内外防雷进展进行简要论述。

一、雷击分类

雷击有直击雷、感应雷、“球形雷”三种主要形式。直击雷是指带电云层与大地某点间迅猛放电现象；感应雷是由于带电云层的静电感应，使地面某一范围带上异种电荷，当直击雷发生后，云层带电迅速消失，而地面某些范围因散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应产生高电压以致发生闪击的现象，也称之为“二次雷”；球状闪电俗称滚地雷，这种现象早于1838年便有文献记载，但至今仍未有合理的解释，也较少见，故不再论述了。

二、雷电成因与特性

（一）雷电成因

从18世纪中叶美国科学家本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）用他那绑有尖端导体的风筝取雷电实验后，证明了雷电与摩擦产生的电是相同的，并且发明了流传后世的避雷针。随着后来者的不断实验研究，在这一领域取得了许多成就。研究认为雷击通常是部分带电云层与另一部分带异种电荷云层或带电云层对大地之间的迅猛放电。这种迅猛放电过程产生强烈闪电并伴随巨大声音。云层间放电主要对飞行器有危害，云层对地放电则对建构筑物、电子电气设备和人、畜危害甚大。雷云形成与带电云层密不可分，有关雷云形成的假说很多，现介绍其中一种被认为比较完善并经常被推荐的假说，剑桥大学的查尔斯·威耳逊（Charles Thomson Rees Wilson）假说：

根据大量科学测试与推算，地球表面约带有5×105C负电荷，地球上空存在一个带同样电量正电的电离层，两者间形成一个已充电的电容器，它们之间的电压为300kV左右，且电场方向为上正下负。这种电荷分布与稳定靠雷暴，地球上任何时刻约有2000个雷暴在活动。

当地面含水蒸气的空气受热上升，产生向上气流。这些含水蒸气上升时温度逐渐下降形成雨滴、冰雹（称为水成物），这些水成物在地球静电场的作用下被极化（图3-22），电荷分布为负上正下，因重力作用下落速度比云滴和冰晶（这二者称为云粒子）要大，因此极化水成物在下落过程中要与云粒子发生碰撞。碰撞的结果是其中一部分云粒子被水成物所捕获，增大了水成物的体积，另一部分反弹回去。反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分正电荷，使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐分离（这叫重力分离作用），如果遇到上升气流，云粒子不断上升，分离的作用更加明显。最后形成带正电的云粒子在云的上部，而带负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面。当带电云层一经形成，就形成雷云空间电场，空间电场的方向和地面与电离层之间的电场方向一致，因而加强了大气的电场强度，使大气中水成物的极化更厉害，在上升气流存在情况下更加剧重力分离作用，使雷云发展得更快。实际上气流的运动比上面讲的更为复杂，雷云电荷的分布也比上述复杂得多。

雷电与带电云层的存在分不开，与闪电有关的云有层积云、雨层云、积雨云等多种，其中闪电最主要发生于积雨云，人们通常把发生闪电的云称为积雨云。据大量直接观测，典型的雷云中的电荷分布大体如图3-23所示。

测试结果表明，大地被雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云上的正电荷向大地放电；在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电。观测证明，发生正电荷向大地放电的雷击显得特别猛烈。

（二）雷击闪电的特性

雷电破坏作用与峰值电流及其波形有最密切关系。雷击的发生、雷电流大小与许多因素有关，其中主要有地理位置、地质条件、季节和气象。其中气象情况有很大的随机性，因此研究雷电流大多数采取大量观测记录，用统计的方法寻找出它的概率分布。根据资料表明，各次雷击闪电电流大小和波形差别很大。尤其是不同种类的雷放电差别更大。

闪电电荷的多少取决于雷云带电情况，所以它又与地理和气象条件有关，也存在很大的随机性。大量观测数据表明，一次闪电放电电荷可从零点几库仑到1000多库仑。第一次负闪击放电量10多库仑者居多。

雷电之所以破坏性很强，主要是因为它把雷云蕴藏的能量在短短的几十微秒（μs）放出来，从瞬间功率来讲，它是巨大的。但据有关资料计算，每次闪击发出的能量只相当燃烧几千克石油所放出的能量而已。

（三）雷击的选择性

苏联H·C·斯捷柯里尼科夫（CTehojhkob）曾用模拟试验的研究方法证明，如果地面土壤电阻率的分布不均匀，则在电阻率特别小的地区，雷击的概率较大。这就是在同一区域内雷击分布不均匀的原因。这种现象被称为“雷击选择性”。试验结果证明，雷击位置经常在土壤电阻率较小处，而电阻率较大的多岩石土壤被击中的机会很小。根据其试验与实际观测认为易遭雷击的地点一般为：有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖沼、低洼地区和地下水位高等土壤电阻率较小的地方，山坡与稻田接壤处等具有不同电阻率土壤的交界地段。易遭受雷击的建（构）筑物为：水塔、电视塔、高楼等高耸突出的建筑物，排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等，内部有大量金属设备的厂房，地下水位高或有金属矿床等地区的建（构）筑物，孤立、突出在旷野的建（构）筑物。

三、储罐分路和旁路导线防直击雷有效性探讨

据以往外浮顶储罐雷击火灾案例，基本是在旁路导线连接良好情况下发生的，由直击雷引起的可能性较大。表3-4是25mm2软铜复绞线有关电阻与感抗计算值，导线电阻和感抗约相差2～3个数量级，因此导线的阻抗主要取决于其感抗，而感抗主要与长度有关，实测数据也证实了这一观点，如某50000m3储罐火灾，事后检查旁路导线电阻为0.4Ω，两接点接触电阻分别为0.041Ω、0.043Ω。因此，从泄流分流上现有旁路导线的作用很小，将其由2×25mm2改为2×50mm2对防直击雷帮助不大。因为旁路导线是由许多细铜线成股编织成的，即使电阻降低到原来的四分之一，而其电感与感抗不会降低，且雷电冲击时间短（μs级）。

在标准波形雷电流下，18m长旁路导线两端的感应电动势为：

当峰值雷击电流为150kA/10μs时，导线到罐壁端的电势差为：

ΔU=1/2×150×0.44+31×10-6H×1/2×150 kA/10μs=265.5kV

如此大电势差能够产生闪络放电。那么分路（见图3-24）作用如何呢？我国实际工程中分路大都为“包覆式”，接触不好，即接触电阻大于旁路导线阻抗，间隙处电位差可能如前述分析那样，存在一个大于闪络放电的电位差。

四、国内外外浮顶储罐防雷进展

（一）美国相关标准演变

1998年版API RP2003　Protection Against Ignitions Arising out of Static，Lightning，and Stray Currents（《防静电、雷击和散流引发火灾的措施》）中有关外浮顶储罐防直击雷的论述为：防直击雷打击通常是不可能的。可接受的保护方法是提供一个有足够横截面积的金属通道到地面，使雷电迅速消散，从而使危害降到最低。储存挥发性液体的浮顶油罐，当浮顶处于高液位时，如果被雷击中边缘密封处，火灾就会发生。这些火灾在浮顶处于低液位时也发生。直击雷和浮顶上的感应电荷瞬间放电都可引起火灾。当带电云团向油罐附近的大地放电时，浮顶上的感应（束缚）电荷会放电。在浮顶和沿储罐内壁滑动的密封靴板之间设置的沿浮顶环向间距不应大于3m（10ft）的分路，将感应电荷释放到大地，从而避免点燃油气隔膜下方的油气。当在密封上方设置挡雨板或二次密封时，其空腔内油气与空气混合气浓度可能在爆炸极限范围内，因此应设置分路使之与二次密封上方的罐壁直接接触。分路设置间距要求同上。防止直击雷点燃最有效的手段是严密的密封。2000年版NFPA 780　Standard for the Installation of Lightning Protection Systems（《雷电保护系统安装标准》）中也有相同的论述，并进而规定分路应使用牌号302不锈钢带，规格1/64×2in（0.4×51mm）。分路沿罐周的间距不应大于3m（10ft），并且无论浮顶处于任何高度位置，必须保证形成罐壁与浮顶间持续的金属接触。

2004年版NFPA 780与2008年版API RP 2003删除了上述表述。美国石油学会是专业组织，美国消防协会相关标准基本借鉴或采纳API标准，且NFPA 780涉及储罐防雷的内容较少。

2008年版API RP 2003规定：防止雷电火灾的最有效方法是采用紧密的密封和正确设置分路。分路是在罐顶周边以不超过3m（10ft）的间隔安放金属带，使浮顶与罐体等电位连接，以便将任何与雷电相关的电流传导到大地，而且不会在可能引燃蒸气的区域内产生火花。任何类型的密封上方设有挡雨板或二次密封时，其空腔内可能含有易燃蒸气与空气混合物。这种情况下，分路的安装应能保证它们直接与二次密封上方的罐壁接触。任何情况下，必须确保在罐顶最高处，保持分路与罐体的良好接触。

2009年10月，美国石油学会发布了第一版专门的地上易燃可燃液体储罐防雷推荐规程，即API RP 545-2009　Recommended Practice for Lightning Protection of Aboveground Storage Tanks for Flammable or Combustible Liquids，并取代了API RP 2003。其中对外浮顶防雷规定：分路主要用于传导高中频的雷击电流，沿浮顶周长以不大于3m（10ft）的间隔排列于液面0.3m以下。旁路导线主要用于传导中低频的雷击电流，应当采用直接电气连接的方式，通过适当数量的旁路导线将储罐的浮顶接到储罐外壁上，包括接头在内的每个导线的最大一端电阻为0.03Ω，旁路导线应具有使浮顶做最大移动所需的最小长度，旁路导线沿储罐周长以不超过30m（100ft）的间距均匀排列，并且至少设有两个旁路导线。对传导雷电流的分路与旁路提出了严于之前的要求，并阐述：储罐的连接点处于最高的竖向电场区域，该区域包括储罐外缘或大型储罐浮顶本身。雷电流传导到地面不是走单一路径，它与每个有效路径的电涌阻抗成比例划分。从连接点开始，电流作为一个薄层在所有的导电路径上流动。随着电流在一个较大面积上展开，表面电荷即被中和。电流路径的任何不连续都会在间隙上产生电弧。该标准分析了三种雷击罐体电流路径，见图3-25～图3-27。

2014年版NFPA 780也作了相同而稍细化的规定，在此就不列出了。

（二）我国的工作进展

自2006年8月7日中国石化管道公司南京输油处仪征输油站16号15×104m3原油外浮顶储罐发生雷击火灾后，我国大型浮顶储罐防雷技术研究就在持续进行。由于美国的两部标准都要求分路设于液面0.3m以下，安装、检测与维护较难操作，我国并未采纳该标准。中国石油天然气集团公司内推荐安装雷电分流及监控器，并纳入了其企业标准《外浮顶油罐防雷技术规范—第一部分导则》Q/SY 1718.1—2014，其结构形式见图3-28；中国石油化工集团公司内推荐将分路安装在刮蜡器上，并通过导线与浮盘做等电位连接。具体情况可咨询相关部门，在此就不做论述了。

五、小结

综上所述，现有大型外浮顶储罐的泄流手段对防直击雷作用有限，旁路导线截面积简单地由2×25mm2改为2×50mm2对防直击雷帮助不大。做好防雷，一是应分路泄流、旁路导线泄流并行，且降低接触电阻（如不大于0.03Ω）；二是从选址规避着手；三是应从密封设置上着手，如采用浸油式软密封，如图3-24所示的泡沫塑料棒二次密封等。这些工作做好了，相信外浮顶储罐密封圈雷击火灾概率会显著降低。

另外，关于灭火救援人员担心登顶被雷击一事，一个云泡（对流云团）的总寿命约为1h，而成熟有降水和闪电产生维持的时间约15min到20min，即使遇上由几个云泡交替出现的持久的雷暴，一般也不会超过60min，可通过延长泡沫供给时间，并以断续供给泡沫的方式等待机会。密封圈火灾导致储罐全液面火灾可能性较低，尤其是降雨过程中。密封圈火灾也不大可能引发原油沸溢。