海上原油儲罐的防雷保護

儲培麟，李 光，茹 淼

（中國石油海洋工程有限公司天津分公司，天津 300451）

海上原油儲罐的防雷保護

儲培麟，李 光，茹 淼

（中國石油海洋工程有限公司天津分公司，天津 300451）

文章在簡要介紹了雷擊基本類型的基礎上，論述了避雷針的防雷計算，重點對某海上原油儲罐的避雷裝置進行校核計算。校核計算發現該儲罐呼吸閥等附件不在避雷針保護范圍內，因此提出了改進措施并進行防雷計算，完善了該原油儲罐的防雷保護。

原油儲罐；防雷；避雷針；校核計算；防雷保護

0 引言

進入夏季雷雨季節，雷電常發，雷擊危險性增大，海上石油生產作業安全受到一定影響，其中儲油罐等重點設施的安全保障工作形勢嚴峻。本文作者根據現場的生產實際情況，對某海上原油儲罐的避雷裝置進行了校核計算，全面檢驗該避雷針的保護范圍是否滿足安全要求。檢驗發現，該避雷裝置僅能對原油儲罐罐體進行保護，但對呼吸閥等儲罐附件起不到保護作用。因此，對避雷針提出改進措施，并進行計算，確保該避雷針的保護范圍能夠覆蓋整個原油儲罐及其附件。

1 雷電及防雷裝置的保護

1.1 雷電及防雷裝置簡介

雷電是常見的、無法控制的一種自然現象。它是雷云在一定條件下對大地或大地上物體發生放電，或者雷云與雷云之間相互放電。雷云內部的放電一般不會造成危害，雷云對大地放電則可能造成危害。它造成的危害分為以下幾種：直接雷電危害、間接雷電危害、雷電波侵入危害、防雷裝置上的高電壓對建筑物的反擊作用。

防雷裝置能防止直接雷擊或將雷電流引入大地，以保證人身及建筑物的安全。常見的防雷裝置有避雷針、避雷線、避雷網、避雷帶、避雷器。一套完整的避雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。

1.2 避雷針保護范圍計算方法

受到避雷針某種程度保護的空間稱為避雷針的保護范圍。這里主要介紹單支避雷針、兩支等高避雷針、三支等高避雷針的保護范圍計算方法。

1.2.1 單支避雷針的保護范圍

單支避雷針的保護范圍是一個以避雷針為軸的旋轉體，邊界線為一雙曲線，如圖1（a）所示。在工程設計中，為了作圖和計算方便，把單支避雷針的保護邊界線——雙曲線近似地以兩條折線代替，如圖1（b）所示。從避雷針的頂點向下作45°斜線，構成圓錐形的上半部；從水平距避雷針腳，長度為1.5倍避雷針高度的位置向上作斜線與前一斜線在針高1/2處相交，交點以下構成圓錐形的下半部。由這一折線所構成的組合圓錐體，即為避雷針的保護范圍。

如避雷針高為h，則避雷針在地面上的保護半徑r0=1.5 h，其在任一高度hx水平面上的保護半徑rx按下式確定：

式中h——避雷針的總高度 （從地面算起）/m；

hx——被保護建 （構）筑物的高度/m；

rx——高度為hx處避雷針的保護半徑/m；

P——保護范圍受高度影響的系數。當h≤30 m時，P=1；當30＜h＜120 m時，

1.2.2 兩支等高避雷針的保護范圍

如圖2所示，在兩支避雷針之間高度為hx的水平面上，其保護范圍的最小寬度2bx位于兩避雷針的中點處，其數值可按下式確定：

式中bx——兩支避雷針在hx高度的水平面上中心線兩側的保護寬度/m；

a——兩避雷針之間的距離/m；

ha——避雷針的有效高度/m，ha=h-hx。

從 （3）式中可得，當a=7haP時，bx=0。即兩避雷針之間的最低保護高度h0可按下式計算：

1.2.3 三支等高避雷針的保護范圍

三支等高避雷針在高度為hx平面上的保護范圍的形狀如圖3所示。其所形成的三角形、外側保護范圍均可分別按兩支等高避雷針的作圖法確定。如各相鄰避雷針間的最小保護寬度bx＞0時，則在三角形面積以內范圍均可受到保護。

保護全部面積所需條件為：

式中D——圖3中△123外接圓的直徑。

2 儲罐避雷實例

2.1 基礎數據

某海上移動試采平臺的原油儲罐為鋼質拱頂罐，容積1 300 m3，儲罐直徑D=16 m，拱頂高度hg=1.62 m。在儲罐頂部罐體邊緣裝設有三支等高避雷針1、2、3，高度h均為4 m，其相對位置如圖4所示，各相鄰避雷針間距分別為a1=10 m，a2=a3=15 m。三支避雷針所形成△123的外接圓直徑即為儲罐直徑。因h=4 m，故取P=1。

2.2 儲罐本身校核計算

儲罐頂部最高點距罐壁頂部的距離為拱頂高度：H=hg=1.62 m。

2.2.1 校核拱頂是否在避雷針保護范圍內

在拱頂最高點平面上，當各相鄰避雷針間的最小保護寬度bx＞0時，三角形面積以內范圍均可受到保護。

根據 （1）式，高度為hx=H=1.62 m處避雷針的保護半徑為：

此平面上避雷針的有效高度ha=h-hx=4-1.62=2.38 m。

校核避雷針2和3間的bx1。根據 （3）式，避雷針2和3形成的保護區在H=1.62 m平面中心線兩側的保護寬度為bx1：

可得bx1=1.65>0

同理，校核在H=1.62 m平面上，避雷針1、3間，1、2間的保護寬度為bx2、bx3。由于a2=a3，故 bx2=bx3； 得 bx2=bx3=0.63>0。

綜上，儲罐拱頂頂部處于避雷針構成的三角形的保護范圍內。

2.2.2 校核儲罐橫截面是否在避雷針保護范圍內

避雷針設置在罐壁上，罐壁頂部水平面的有效高度為避雷針的高度，即ha=h=4 m。在此平面上，避雷針1、2、 3間的保護寬度取較小值bx2計算：

根據 （1） 式， 高度為hx′=0 m處 （即避雷針底端）避雷針的保護半徑為：

根據 （5） 式， 有8haPbx2′=8×4×1×3.94=126.08>D=16 m，故儲罐罐壁范圍內的水平面處于避雷針的保護范圍內。

由以上校核計算結果可知，該平臺原油儲罐所裝設避雷針可對儲罐本身進行保護。但由于儲罐頂部裝有呼吸閥，上述校核高度并不包括呼吸閥。下面將對呼吸閥最高點平面進行校核計算，以驗證呼吸閥是否在避雷針保護范圍內。

2.3 儲罐呼吸閥校核計算

呼吸閥及阻火器高度hz=0.80 m。考慮呼吸閥后，受保護的最高點高度變為：H′=hg+hz=1.62+0.80=2.42 m。

根據 （4）式，計算兩避雷針間的最低保護高度為：

從以上計算結果可看出，避雷針2、3間的最低保護高度滿足呼吸閥最高點的要求。避雷針1、2及1、3間的最低保護高度則不能滿足呼吸閥最高點要求。也就是說，在H′平面上，避雷針2、3中心線兩側的保護寬度bx1′>0，而避雷針1、2及1、3則沒有起到保護作用。

下面計算在H′高度平面上避雷針2、3中心線兩側的保護寬度bx1′：

根據 （1） 式， 高度為 hx′=H′=2.42 m處避雷針的保護半徑為：

此平面上避雷針的有效高度 ha′=h-hx′=4-2.42=1.58 m

而如圖4所示，通過幾何計算，可得避雷針2和3的中心線距呼吸閥處 （即三角形外接圓圓心處）的距離為：S=6 m>bx1′=0.35 m，故在呼吸閥最高點平面上，避雷針的保護范圍不能覆蓋到呼吸閥的位置。

綜上所述，呼吸閥不在避雷針的保護范圍之內，存在雷擊危險。

2.4 改進措施

為使避雷針能完全保護整個儲罐 （包括呼吸閥），則必須增加避雷針的高度 （注：此處只對現有避雷針的高度改變進行計算，而不改變避雷針數量和位置）。

為滿足儲罐整體保護要求，需要將避雷針高度增至h″，此時任意兩個避雷針之間的最低保護高度h0均不低于H′。3.85 m。

（2）在避雷針1、2及1、3間：

要同時滿足以上兩個條件，取較大值，h″>4.56 m。

故在不改變避雷針數量和位置的條件下，為確保呼吸閥處于避雷針保護范圍之內，則避雷針的高度必須增加至4.56 m以上。

[1]郭光臣，董文蘭，張志廉.油庫設計與管理[M].山東：中國石油大學出版社，1994.

[2]GB 50074-2002，石油庫設計規范[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

儲培麟 （1986-），男，安徽池州人，助理工程師，2008年畢業于中國石油大學 （華東）油氣儲運工程專業，現從事海上試油試采與技術管理工作。

2011-08-23