“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的雷擊風(fēng)險評估

，，

(1.廣東省興寧市氣象局，廣東 深圳 514000；2.深圳市艾爾特通訊技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518049)

浮式生產(chǎn)儲油卸油船(floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO)作為長期工作在海面上的一個集水、氣、油的分離以及油船原油的裝卸的裝置，雷雨天氣時存在極大的雷擊風(fēng)險。2008年10月份，根據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范的要求，筆者對 “渤海長青號”FPSO通往油艙的呼吸閥做了直擊雷防護(hù)工程。時隔2年“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO通往油艙的呼吸閥和位于駕駛艙上的雷達(dá)遭到雷擊，損失嚴(yán)重。事實說明FPSO的防雷工作極為重要，有必要對存在爆炸氣體危險環(huán)境的區(qū)域采取雷擊風(fēng)險評估，為實施防雷改造提供科學(xué)依據(jù)，從而降低FPSO的雷擊風(fēng)險。

1 “南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO介紹

“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO，是我國第一艘FPSO。作業(yè)在中海油與CACT集團(tuán)合作開發(fā)的惠州21-1油田，這是一艘裝有快速解脫轉(zhuǎn)塔式系泊裝置的25萬t FPSO，由新加坡船廠改裝完成。注冊于美國船級社(ABS)，作業(yè)者是CACT作業(yè)者集團(tuán)，停泊于中國南海海域。

該船船長330.70 m；船寬51.81 m；型深25.60 m；載重量255 000 t。

“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO作業(yè)在惠州海域的8個油田包圍的海域之中，負(fù)責(zé)8個油田原油的水、氣、油的分離以及油輪原油的裝卸工作。

2 現(xiàn)有防雷措施評估

“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO于1990年下水，船體分為兩大部分，一部分是生產(chǎn)作業(yè)區(qū)，一部分是生活作業(yè)區(qū)。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)船上的防雷措施幾乎處于空白狀態(tài)：電子信息系統(tǒng)除發(fā)電機(jī)輸出端裝有高壓避雷器以外，其余的低壓配電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等均沒有安裝相應(yīng)的防雷設(shè)施；生產(chǎn)作業(yè)區(qū)通往油艙底部的呼吸閥雖然安裝了避雷針，已經(jīng)不符合現(xiàn)行規(guī)范要求，加之長時間沒有維護(hù)已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕，其他高聳的金屬構(gòu)件均沒有安裝避雷針進(jìn)行保護(hù)；生活作業(yè)區(qū)頂部的雷達(dá)、高頻天線等通訊設(shè)備的天線也沒有安裝避雷針保護(hù)。

雷擊風(fēng)險評估主要依據(jù)行業(yè)規(guī)范，即《NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems》、《ABS Guide for Building and Classing Facilities on Offshore Installations.2009》、《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》及《風(fēng)險管理》GB/T 21714.2等。

3 作業(yè)區(qū)域雷電活動規(guī)律評估

對任何物體進(jìn)行雷擊風(fēng)險評估時，其附近的雷電活動規(guī)律都是影響雷擊風(fēng)險的重要因子。該雷電活動規(guī)律包含了當(dāng)?shù)氐穆淅赘怕?地閃次數(shù))、雷電流的能量分布、雷電活動頻繁的月份、時段等。美國宇航局OTD和LIS聯(lián)合觀測的1995-04～2003-02全球雷電地閃密度分布見力圖1。

由圖1可見，全球雷暴活動最頻繁的區(qū)域主要集中在北緯和南緯30°之間的陸地，雷電活動最少的區(qū)域則是海洋區(qū)域和極地區(qū)域。雷電探測器得到的全球閃電數(shù)為2.05×109/年，而且54%發(fā)生在北半球，平均的陸地總地閃密度為8.3/(km2·年)，是海洋上總閃電密度的3.4倍[1]。這是由形成雷暴云的必要條件——具有強(qiáng)烈上升的暖濕空氣決定的。由于水的比熱容要遠(yuǎn)大于陸地，在同樣日照的情況下，地面溫度上升要比海洋快速得多，從而使地表空氣迅速加熱，并在一定條件下急劇上升形成了雷暴云，產(chǎn)生更多的雷暴和閃電。因此，可以猜想到南海發(fā)現(xiàn)號作業(yè)的海洋區(qū)域落雷密度并不高，從雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測到“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO作業(yè)區(qū)域2010年1～9月份的雷電資料可以看出，與猜想相符。

圖1 來自美國宇航局OTD和LIS聯(lián)合觀測的1995-04～2003-02全球雷電地閃密度分布

將“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO及其周圍8個海上采油平臺的經(jīng)緯度分別在Google 衛(wèi)星地圖上定位，見圖2。

圖2 “南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO及其周圍8個海上采油平臺衛(wèi)星定位

從圖2可見，HZ21-1A和HZ21-1B平臺離“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO比較近，三者組成的區(qū)域可能吸引更多的雷電發(fā)生。

查詢國家雷電監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)2010年1～9月份“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO周圍3 km的雷電活動資料，5月份開始出現(xiàn)雷暴天氣，其中，5月份發(fā)生地閃3次，平均雷電流為105.7 kA，均為負(fù)地閃；6月份發(fā)生地閃4次，平均雷電流為102.1 kA，2次正地閃，2次負(fù)地閃；7月份發(fā)生地閃5次，平均雷電流69.2 kA，其中4次負(fù)地閃，1次正地閃；8月份發(fā)生地閃2次，平均雷電流59.7 kA，均為負(fù)地閃；9月份發(fā)生地閃8次，平均雷電流為72.7 kA，均為負(fù)地閃。

分析上面數(shù)據(jù)，“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的雷暴活動主要集中在7、8、9月份。5、6月份的雷暴雖然少，但是能量非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雷暴活動頻繁的月份。從總地閃次數(shù)來看，海面上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陸地上的，但是雷電流的平均能量達(dá)到了80.6 kA，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地，這是因為在海洋上空，特別是熱帶海域的積雨云厚度可達(dá)兩萬米以上，其雷暴云所帶的電荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面雷暴云所帶電荷。因此，放電的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地。

因此，“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO遭受雷擊的概率很小，年雷擊次數(shù)只有0.78次/年，一旦遭受雷擊，后果卻是非常嚴(yán)重的，正如此前通往油艙的呼吸閥遭到雷擊一樣，呼吸閥旁邊的避雷針被雷擊歪，1/4的排氣管被燒焦，險些釀成大禍。

4 選擇性評估

鑒于“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO自身結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的特殊性，影響雷擊選擇性的因素如下。

1)與“南海發(fā)現(xiàn)號”上的設(shè)施情況有關(guān)。凡是有利于雷云與“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO建立良好放電通道者易受雷擊，這是影響雷擊選擇性的重要因素。在空曠的海面上，突出、孤立的構(gòu)筑物更加容易遭受直接雷擊。

突出甲板的氣體排放口、火炬燃燒塔等排放的氣體中會含有導(dǎo)電粒子和游離氣團(tuán)，它們比一般的空氣易于導(dǎo)電，這就等于加高了排氣管的高度，這也是排氣管、放散管、呼吸閥等容易遭受雷擊的重要原因之一。

2)與“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的結(jié)構(gòu)及其附屬構(gòu)件條件有關(guān)。由于“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO本身是全鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的船體，相對于廣闊的海面，在靜電感應(yīng)的作用下可以感應(yīng)出更多的電荷，從而建立起很強(qiáng)的電場，而附屬在上面突出的金屬構(gòu)件附近的電場畸變更嚴(yán)重，因此更容易遭受雷擊。

綜上所述，“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO駕駛艙平臺上很多孤立分置的通信、導(dǎo)航、雷達(dá)天線，生產(chǎn)作業(yè)區(qū)很多高聳的排放燃燒廢氣和爆炸混合物的放散管、排氣管和呼吸閥，這些區(qū)域的雷擊風(fēng)險級別要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它區(qū)域，因此，這些部位是雷擊防護(hù)的重點部位，應(yīng)特別注意，見圖3。

圖3 “南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO存在潛在雷擊風(fēng)險的區(qū)域(圓圈所在的區(qū)域)

5 破壞形式評估計算

“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO相當(dāng)于一個小型的化工廠，位于生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域的各種系統(tǒng)包含了石化工藝裝置所具有的一切特征，雷雨天氣時可能遭受來自雷電兩方面的破壞。

1)直擊雷。可能對生產(chǎn)作業(yè)區(qū)的油氣處理系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、排放易燃易爆混合氣體的放空管、呼吸閥等造成爆炸和火災(zāi)。

2)雷電感應(yīng)。雖然船體屬于鋼制結(jié)構(gòu)，各種線纜均穿金屬管敷設(shè)，但是由于雷電感覺的作用，雷電流產(chǎn)生的瞬間雷電電磁脈沖仍然會通過空間耦合對“南海發(fā)現(xiàn)號”上的儀器儀表等造成破壞。

因此，必須對上述存在潛在雷擊危險的區(qū)域采取重點的雷電防護(hù)措施，將雷電對“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的破壞降到最低點。

5.1 直擊雷

雷電直接擊在“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO上時產(chǎn)生的熱破壞效應(yīng)和電動力效應(yīng)均會對其造成破壞。

1)熱效應(yīng)。遭受直擊雷時，強(qiáng)大的雷電流從雷擊點注人被擊物體，所產(chǎn)生的熱量能夠在雷擊點局部范圍及電流通路附近引起很高的溫升，可以造成此處金屬物體熔化或非金屬物體燒毀。

雷擊金屬物產(chǎn)生的熱量Wm可以采用在雷電流作用時間t內(nèi)的積分來估算[2]：

(1)

式中：Uar——金屬物體上雷擊點處電弧壓降，其經(jīng)驗值取20～30 V；

i——從雷擊點注入的雷電流，kA。

電荷量Q與雷電流i之間存在下列關(guān)系：

(2)

因此，式(1)可以簡化為Wm=103QUar，取Uar=30 V，Q取一類防雷首次雷擊的電荷量100 C，則Uar=3×106J。

雷擊非金屬物體(主要指位于駕駛艙頂部的玻璃鋼材質(zhì)的通信天線和雷達(dá))后，雷電流將強(qiáng)行從雷擊點注入非金屬內(nèi)部，在其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量Wn可以用下式估算。

(3)

式中：R——非金屬物體內(nèi)部電流路徑的視在電阻，Ω；

i——從雷擊點注入的雷電流，kA。

由于雷電流作用的時間很短，在計算雷擊對金屬或非金屬物體所造成的溫升Δθ時，可以忽略散熱的影響。

(4)

式中：m——質(zhì)量；

c——比熱容。

2)電動力效應(yīng)。雷電流通過直立金屬棒時，會在其周圍產(chǎn)生電磁場，處在該電磁場中的金屬棒內(nèi)由于存在電流，會受到安培力的作用，該安培力可能導(dǎo)致一些金屬構(gòu)件發(fā)生扭曲，對船體上工藝裝置的結(jié)構(gòu)造成破壞。

5.2 雷電感應(yīng)

雷電感應(yīng)對“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的破壞主要體現(xiàn)在雷電波沿通信天線侵入到設(shè)備、雷電電磁脈沖(LEMP)在開口環(huán)上感應(yīng)出電動勢，從而導(dǎo)致電火花的產(chǎn)生，對于爆炸危險氣體的環(huán)境存在極大的爆炸和火災(zāi)風(fēng)險。

1)雷電波侵入。該種破壞途徑主要集中在駕駛艙頂部外圍的天線部分，通訊天線和雷達(dá)處于直擊雷非防護(hù)區(qū)域，一旦發(fā)生雷擊，雷電流可能沿通訊線路侵入到內(nèi)部設(shè)備，從而導(dǎo)致通訊設(shè)備損壞。

假設(shè)開口環(huán)的尺寸為5 m×5 m，波頭時間2.5 μs，雷電流峰值100 kA，在距離雷擊點200 m時也可以感應(yīng)到1 kV左右的電壓，在海面潮濕的環(huán)境下，零點幾毫米的氣隙可能被擊穿，產(chǎn)生有害的火花，從而對易燃易爆環(huán)境構(gòu)成威脅。

6 風(fēng)險計算

對“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO進(jìn)行風(fēng)險計算的目的是為了評價現(xiàn)有狀態(tài)下是否存在雷擊風(fēng)險，一旦發(fā)生雷擊，產(chǎn)生的風(fēng)險是否在“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO可接受的風(fēng)險范圍之內(nèi)，如果超出了風(fēng)險容許值的范圍，應(yīng)該采取相應(yīng)的防雷措施來降低這種風(fēng)險，確保安全。本評估參考了GB/T 21714.2 介紹的方法，并結(jié)合油船的特殊性，對一些因子和風(fēng)險容許值做了調(diào)整，使其更加客觀。

6.1 風(fēng)險組成

雷電流是造成損壞的主要原因，按雷擊點的位置可以分為下列兩種：①雷擊船體S1；②雷擊船體附近S2。

雷擊過程中，雷擊引起的損害類型分為三種。人員傷害D1；物理傷害D2；電氣和電子系統(tǒng)故障D3。

每類損害，不論是單獨出現(xiàn)還是與其它損害共同出現(xiàn)，會在被保護(hù)對象中產(chǎn)生不同的損失，可能出現(xiàn)的損失類型取決于需要保護(hù)對象本身的特性及其內(nèi)存物，因此，南海發(fā)現(xiàn)號應(yīng)考慮以下幾種類型的損失：人身傷亡損失L1；船體服務(wù)設(shè)施損失L2；經(jīng)濟(jì)損失L3。

風(fēng)險是雷電造成的年平均可能損失(人和物)與需要保護(hù)對象(人和物)的總價值之比，南海發(fā)現(xiàn)號可能出現(xiàn)的損失應(yīng)計算其對應(yīng)的風(fēng)險。

6.2 “南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO需估算的風(fēng)險

人身傷亡損失風(fēng)險R1；服務(wù)設(shè)施損失風(fēng)險R2；經(jīng)濟(jì)損失R3。

6.2.1 直接雷擊船體引起的船體的風(fēng)險分量

RA：雷擊點附近3 m范圍內(nèi)，因接觸電壓和跨步電壓造成船上工作人員傷害的風(fēng)險。

RB：“南海發(fā)現(xiàn)號”上因危險電火花觸發(fā)火災(zāi)或爆炸引起物理損害的風(fēng)險分量。

RC：因LEMP造成內(nèi)部系統(tǒng)故障的風(fēng)險。會產(chǎn)生L2和L3類的損失，在具有爆炸危險場所的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)還可以產(chǎn)生L1類的損失。

6.2.2 雷擊船體附近時引起的船體風(fēng)險分量

RM：因LEMP引起內(nèi)部系統(tǒng)故障的風(fēng)險分量。會產(chǎn)生L2和L3類的損失，在具有爆炸危險場所的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)還可以產(chǎn)生L1類的損失。

6.3 雷擊風(fēng)險及其分量組成

人身傷害風(fēng)險的分量[3]為RA=ND×PA×LA；

物理損害的風(fēng)險分量為RB=ND×PB×LB；

內(nèi)部系統(tǒng)故障的風(fēng)險分量為RC=ND×PC×LC；

人身傷亡損失風(fēng)險為R1=RA+RB+RC+RM；

服務(wù)設(shè)施損失風(fēng)險為R2=RB+RC+RM；

經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險為R3=RA+RB+RC+RM。

雷擊產(chǎn)生的風(fēng)險分量如下。

內(nèi)部系統(tǒng)故障的風(fēng)險分量RM=NM×PM×LM;

雷擊“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的危險次數(shù)ND為

ND=Ng×Ad×Cd×10-6

(5)

式中：Ng——雷擊“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的密度；

Ad——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的截收面積;

Cd——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的位置因子。

年平均危險事件次數(shù)NM為

NM=Ng×(Am-Ad×Cd)×10-6

(6)

式中：Am——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO附近的截收面積。

6.4 采取防護(hù)措施成本效益的估算

為減小“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的經(jīng)濟(jì)損失R3，估算采取防護(hù)措施時的成本效益是有用的。R3的評估對象可以是“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的整體，也可以是一部分;可以是內(nèi)部系統(tǒng)的整體，也可以是內(nèi)部系統(tǒng)的一部分。

按下列公式分別計算采取防護(hù)措施之前及之后所造成的損失代價CL及CRL

C=RA×CA+RB×(CA+CB+CS+CC)+
(RC+RM)×CS

(7)

式中：CA——人員的價值;

CS——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO內(nèi)部系統(tǒng)的價值;

CB——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的價值;

CC——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO內(nèi)存物的價值。

通過以下公式計算防護(hù)措施的年均花費。

CPM=CP×(i+a+m)

(8)

式中：CP——防護(hù)措施的成本；

i——利率；

a——防護(hù)措施的折舊率；

m——維護(hù)費用。

若CL-(CPM+CRL)>0，采取防護(hù)措施時經(jīng)濟(jì)是合理的。

每年因此而減小的費用支出S為

S=CL-(CPM+CRL)

(9)

所有參與計算的因子應(yīng)由“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的擁有者給出。

6.5 風(fēng)險容許值

風(fēng)險容許值是指“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO可以接受的雷擊風(fēng)險值，在該值范圍內(nèi)認(rèn)為是安全的，評估結(jié)果超過此值時應(yīng)采用相應(yīng)的措施來降低相應(yīng)的風(fēng)險。

容許值與存在的風(fēng)險值是對應(yīng)的，其容許值也包括人身傷亡損失風(fēng)險，服務(wù)設(shè)施損失風(fēng)險，經(jīng)濟(jì)損失等，用RT表示容許值。

容許值同防護(hù)措施的成本效益一樣，由“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的擁有者給出。

7 結(jié)論

本文通過分析影響“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO雷擊風(fēng)險的各種因素，試圖對其做出全面的分析，找出影響風(fēng)險的每類因子，為海上船只的雷擊風(fēng)險評估提供參考。

[1] 梅衛(wèi)群，江如燕．建筑防雷工程與設(shè)計[M].2版.北京：氣象出版社，2006.

[2] 張小青．風(fēng)電機(jī)組防雷與接地[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3] 全國雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．GB/T 21714．2—2008雷電防護(hù)第二部分：風(fēng)險管理[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．