海洋石油工程防雷設計的探索與實踐

郝 明，孔凡旭

海洋石油工程防雷設計的探索與實踐

郝 明，孔凡旭

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

探索有效防雷方法并合理設置獨立接閃器，可避免海上石油設施雷擊災害。本文對比分析了國內(nèi)外標準的防雷要求，結合海洋石油工程實例，提出了海洋石油設施防雷設計系統(tǒng)方法及配置獨立接閃器的推薦做法。對海洋石油工程防雷設計中，如何完成既降低工程投資成本又保障防雷效果可靠的方案提供參考。

海洋平臺 FPSO 防雷

0 引言

近年來，海上石油平臺及FPSO（浮式生產(chǎn)儲油裝置）等海上石油設施發(fā)生多起雷擊事故，雖然沒有造成嚴重后果，但人們對海洋石油工程防雷設計已日益關注。

每秒大約有2000 多個雷暴在地球上發(fā)生，并伴隨大量雷電，海洋石油平臺及FPSO等海上石油設施一般長期固定在空曠的海面上進行油氣生產(chǎn)作業(yè)，其裝置規(guī)模大、露天化布置，且通常都存在爆炸危險區(qū)域，一旦遭受雷擊，將造成非常嚴重的人員及財產(chǎn)損失，有必要在工程設計中對海上石油設施進行專業(yè)的雷擊風險評估及防雷設計，降低雷擊風險。

1 海上雷電活動的特點[1]

劇烈的對流云（雷暴云）產(chǎn)生的放電現(xiàn)象稱為雷電，亦稱閃電。美國宇航局OTD 資料顯示海洋和陸地的閃電平均密度約為1：10，全球78% 的雷電發(fā)生在30°N～30°S之間的熱帶、亞熱帶地區(qū)，北半球雷電發(fā)生總數(shù)大于南半球。

2 雷電對海洋石油平臺及FPSO的破壞形式

直擊雷、電磁脈沖、球形雷和云閃是雷電的四種形式。其中對人和建筑造成危害的多為直擊雷和球形雷，而電磁雷和云閃對人類影響最小。雷電的危害主要包括直擊雷的危害和感應雷的危害。

2.1 直擊雷的危害[2,3]

直擊雷可能使海上石油設施的石油天然氣處理系統(tǒng)、含易燃易爆氣體的放空設備等發(fā)生爆炸和火災，或者導致通信設備、儀表等弱電系統(tǒng)設備嚴重損壞。

1）熱效應。遭受直擊雷時，雷電流峰值可以高達幾萬～幾十萬安培，雷電流從雷擊點注入被擊物體，所產(chǎn)生的熱量使被擊物體產(chǎn)生很高的溫升，造成被擊物體損毀。

2）電動力效應。雷電流流過金屬物體時，會在其周圍產(chǎn)生電磁場，由于電磁感應作用可能導致一些金屬構件發(fā)生扭曲，對具有金屬構件的裝置造成結構損毀。

2.2 雷電感應的危害

海上石油設施的電氣及控制設備主要布置在封閉的鋼制房間內(nèi)，理論上形成一個“法拉第籠”，但與其連接的室外天線、安裝在高處儀表、燈具等往往通過電纜與其連接，由于雷電感應效應，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其造成破壞。主要破壞途徑體現(xiàn)在雷電波沿通信天線、儀表等侵入到設備，雷電電磁脈沖在開口環(huán)上感應出電動勢，從而導致電火花的產(chǎn)生，對于含有爆炸危險性氣體的環(huán)境存在極大的爆炸和火災風險。

3 現(xiàn)行海洋工程規(guī)范中的防雷要求

3.1 IEC標準

IEC 61892系列標準是海洋石油工程設計及施工中的常用標準，IEC 61892-6對直接損傷的雷電防護（直擊雷）及間接損傷的雷電防護（雷電感應）做了詳細的規(guī)定。

對直擊雷防護，該標準明確從最高點至接地均通過跨界和焊接提供低阻通路的金屬結構設施無需提供保護系統(tǒng)，金屬桅桿或金屬結構件應組成部分或全部保護系統(tǒng)；對于非金屬結構設施或有足夠數(shù)量的非金屬設備的設施應提供保護系統(tǒng)。

船舶電氣裝置設計規(guī)范IEC60092-401中也有類似的規(guī)定。

3.2 美國石油學會（API）標準

美國石油學會標準API 14F（海上固定和浮式石油生產(chǎn)設施電氣系統(tǒng)的設計、安裝和維護推薦做法）在海洋石油工程電氣設計中應用廣泛，但API 14F本身并沒有與海上設施的防雷做具體規(guī)定，而是引用了API RP 2003（靜電、閃電及雜閃電流引起火花的防護的推薦做法）和NFPA 780（美國雷電保護系統(tǒng)的安裝標準）規(guī)范。

API RP 2003明確規(guī)定接地良好的金屬罐體、設備和結構可以作為雷電流的泄放通路；桅桿及其他突出物接地良好的鋼制海船認為已可以防止直擊雷的破壞；并強調(diào)應注意放空口的保護。

NFPA 780規(guī)定對于船舶，桅桿、扶手吊艇架及懸臂梁等金屬部件可作為接閃器使用，并推薦采用滾球法進行防雷設計與校核。

3.3 船級社標準

挪威船級社標準DNV OS-D201僅對非金屬船舶及具有非金屬桅桿的船舶要求配置雷電保護系統(tǒng)。

中國船級社《移動平臺入籍規(guī)范》中規(guī)定：對于金屬結構平臺，其金屬桅桿及構件和船體構成固有的對地低電阻通路，所以無需另設避雷系統(tǒng)。

3.4 國內(nèi)標準

1）海上固定平臺安全規(guī)則/FPSO安全規(guī)則

海上固定平臺安全規(guī)則和FPSO安全規(guī)則均未對防雷設計做具體規(guī)定，僅要求“應按所用規(guī)范、標準的要求確定平臺上需要避雷的設施和處所，并采取有效的避雷措施”。

2）GB 50057建筑物防雷設計規(guī)范

GB 50057為國家強制性標準，適用于國內(nèi)所有新建、擴建及改建（構）筑物的防雷設計。

根據(jù)GB 50057規(guī)定，海上石油設施應屬于第一類防雷建（構）筑物。對于第一類防雷建（構）筑物的直擊雷防護，應裝設獨立接閃桿或架空接閃線或網(wǎng)，使被保護的建筑物及風帽、放散管等突出屋面的物體均處于接閃器的保護范圍內(nèi)。當建筑物太高或其他原因難以裝設獨立的外部防雷裝置時，可將接閃桿或接閃網(wǎng)或由其混合組成的接閃器直接裝在建筑物上。

4 海洋工程中雷電防護措施

海上石油設施的防雷是一個綜合系統(tǒng)工程，外部和內(nèi)部防雷設計應進行整體綜合考慮。外部防雷主要是防直擊雷，通過接閃器、引下線和接地裝置，將強大的雷電流導入大地；內(nèi)部防雷主要是防感應雷及雷電侵入波，設計中要綜合考慮接地、屏蔽、等電位連接、電纜布線及浪涌保護器（SPD）的配置[12]，詳見圖1所示。

4.1 外部防雷設計

外部防雷裝置主要包括接閃器、引下線和接地裝置。

1）接閃器。海上石油設施往往孤立于海面上，周圍很難設置獨立的接閃器使整個設施處于其保護范圍內(nèi)，即使可以設置，經(jīng)濟上也不合理。此時可參考GB 50057標準4.2.4節(jié)條文：“第一類防雷建筑物由于太高或其它原因，難以裝設獨立的外部防雷裝置時，可將接閃桿或網(wǎng)格不大于5 m×5 m或6 m×4 m的接閃網(wǎng)或由二者混合組成的接閃器直接裝在建筑物上”。

石油化工裝置防雷設計規(guī)范GB50650中，也明確規(guī)定宜利用符合規(guī)定的生產(chǎn)設備的金屬實體作為防直擊雷的接閃器，對于海上石油設施，通常為鋼制結構物，整體形成了固有的對地低電阻通路，無需另設避雷系統(tǒng)。但對于一些通信設備、冷放空口、航空障礙燈、布置在高處的儀表等，可能不在鋼結構的保護范圍之內(nèi)，工程設計中應給予特別重視，根據(jù)需要設置專門的防雷裝置。

2）引下線。陸地建筑物防雷的常規(guī)做法一般都專設引下線。海上石油設施一般為鋼結構焊接型式，鋼結構規(guī)格尺寸遠遠大于防雷引下線規(guī)格要求，可以利用鋼結構作為引下線。

3）接地裝置。海上石油設施普遍采用的固定式導管架平臺或浮式結構，樁腿及結構浮體與海水接觸良好，接地電阻很低，可認為是可靠的接地裝置。

4.2 內(nèi)部防雷設計

海上石油設施的內(nèi)部防雷設計主要從等電位、屏蔽與合理布線、浪涌保護器的配置三個方面考慮[12]。

1）等電位連接。海上石油設施通常為鋼制結構物，鋼結構主要采用焊接連接，整體形成固有的低電阻通路，本身即為一個等電位體，并且按照施工規(guī)范要求，設備外殼以及電纜鎧裝層等均已有效接地。

2）屏蔽與合理布線。海上石油設施電氣及儀表控制系統(tǒng)的主要設備均布置在設備房間內(nèi)，設備房間整體為鋼制，理論上是一個完美的“法拉第籠”；海上石油設施的動力電纜一般均采用鎧裝電纜，鎧裝層有效接地，儀表控制電纜通常也均采用屏蔽電纜。這些設計對電磁屏蔽起到良好的效果，對雷電電磁脈沖也可起到良好的抑制效果。

3）浪涌保護器（SPD）的配置。浪涌保護器是一種限制瞬時過電壓及分走尖峰電流的器件，對各種弱電系統(tǒng)提供安全防護。但從經(jīng)濟性考慮，也不可能為所有I/O和控制設備都配置浪涌保護器，工程設計中應對雷擊風險進行識別，對關鍵設備及易受雷擊的高風險設備配置浪涌保護器。

圖1 海上石油設施防雷措施

5 工程案例分析

PETROBRAS-67是服役于巴西海域2100米水深的30萬噸級FPSO，采用多點固定系泊的方式，包含原油處理系統(tǒng)、天然氣處理系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、原油艙、機艙、生活樓等設施。本項目主要從外部防雷和內(nèi)部防雷兩個方面進行防雷設計。

5.1 外部防雷設計

本項目外部防雷設計按照NFPA 780標準，采用滾球法，接閃器在h高度xx’平面上的保護半徑計算公式為：

式中：為接閃器高度；h為被保護物高度；h為滾球半徑；r為被保護高度上保護半徑范圍截面半徑。

選用30 m滾球半徑，已有結構設施對直擊雷的保護范圍見圖2。

由于油艙放空塔靠近火炬塔布置，利用火炬塔作為接閃器，同時在防空塔頂端設置單獨接閃器，對油艙放空塔的防直擊雷保護校核見圖3。

由于通信塔周圍沒有其他結構物保護，在通信塔頂部設計了單獨接閃器，其保護范圍見圖4所示。

5.2 內(nèi)部防雷設計

由于整個FPSO可以看做一個大型的“法拉第籠”，大部分的設備和電纜都布置和敷設在“法拉第籠”內(nèi)，在做好等電位連接的情況下，已可以起到較好的防感應雷作用。除此之外，又通過以下三個措施進行了防感應雷設計：

1）隔離，對于重要設備，采用隔離變壓器對動力電源與控制電源進行隔離；

2）屏蔽，對于信號回路采用屏蔽電纜，室外電纜采用鎧裝電纜，對非鎧裝動力電纜采用金屬托架。減少外部對信號的干擾。

3）采用浪涌保護器（SPD），對于關鍵設備及安裝位置易受雷擊的設備，配置浪涌保護器。

圖2 使用滾球法進行防直擊雷設計與校核

圖3 油艙放空塔防直擊雷保護校核

圖4 通信塔接閃器設計

6 結論

海洋石油工程防雷保護是一項系統(tǒng)性強綜合性高的工程，其防雷設計要求采取全面綜合措施結合通盤考慮以應對復雜多樣的情況。任何微小的疏忽都可能導致雷擊災害，給人身安全和安全生產(chǎn)埋下嚴重隱患。本文依據(jù)本國及國際標準同時結合實際工程案例，對海上石油設施的防雷設計提出了切實可行的措施，既考慮經(jīng)濟性，又考慮可靠性及滿足標準要求，為海上石油設施防雷設計提供借鑒和參考：

1）海上石油設施本身為鋼結構，且接地良好，按照目前常規(guī)設計，設備及管線接地完整，無需專門設計整體防直擊雷措施；

2）對于突出整體平臺結構的放空口、通信天線、航空障礙燈、高處的儀表等設施要對其防雷進行特殊考慮；

3）重視浪涌保護器（SPD）的正確合理使用。

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Exploration and Practice of Lightning Protection Design of Offshore Oil Engineering

Hao Ming, Kong Fanxu

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

TE41

A

1003-4862（2019）02-030-04

2018-02-20

郝明（1986-），男，工程師。研究方向：海洋石油及天然氣開發(fā)工程中電氣設計及研究工作。E-mail: haoming@cooec.com.cn