美國預防雷電和靜電及雜散電流引燃技術標準發展趨勢探討

郭霄杰，姜垣良，白曉航，李彬，閆曉晨，蔣玉卓

(1. 中國石油天然氣股份有限公司 管道分公司，河北 廊坊 065000；2. 中油國際管道公司，北京 100029；3. 中國石油天然氣股份有限公司 管道沈陽輸油氣分公司，遼寧 沈陽 113001；4. 中國石油天然氣股份有限公司 管道濟南輸油氣分公司，山東 濟南 250000；5. 中國石油青海油田分公司 管道處，青海 格爾木 816000)

雷電屬于一種自然現象。油品儲運過程中可能產生靜電積聚，油氣站場存在油氣泄漏可能性，易發生火災爆炸事故[1]。2007年5月至6月期間，上海金山國家儲備庫連續發生3起原油儲罐雷擊著火事故。2006年中國石油23起重大事故中，由靜電導致的有6起，占比26%[2]。油氣站場雷電和靜電防御是一項復雜的系統性工程。管道企業應按照相關標準規范，對防雷、防靜電設施進行檢查檢測，及時發現安全隱患，為油氣站場安全運行提供可靠的技術保障[3]。本文研究了美國石油行業防雷、防靜電的技術進展，跟蹤美國管道行業標準的制修訂動態信息，對于提高中國管道行業標準技術水平具有指導意義。

1 美國防雷和防靜電標準簡介

防雷、防靜電領域具有代表性和權威性的技術標準是美國石油協會標準API RP2003： 2015《防止靜電、雷電和雜散電流引燃的推薦做法》(簡稱2015版)[4]。中石油標準Q/SY 1651—2013《防止靜電、雷電和雜散電流引燃技術導則》等同API RP2003： 2008(簡稱2008版)。在一定程度上代表了美國石油行業防雷、防靜電的技術水平。限于篇幅，本文重點研究了API RP2003： 2015新修訂的重要技術條款，供國內標準制修訂機構和安全管理技術人員借鑒參考。

2 范 圍

API RP2003： 2015新增一項防止靜電、雷電和雜散電流引燃的基本原則，即確認采用靜電引燃的限制措施后，在保證不發生靜電引燃條件下，應盡快查找真正的引燃源。

API RP2003： 2015以靜電為例，探討了危害和風險的概念。危害指材料的特性或狀態造成傷害的能力，例如可燃性、毒性、腐蝕性、電能、化學能屬于工業材料和狀態范疇內的危險源，電荷分離和靜電積聚是低電導率烴類流體的固有特性。風險指危害因素造成的后果。靜電積聚成為引燃源的條件是可燃油品油氣混合物中存在靜電且發生放電作用，任何一個條件不滿足時，靜電積聚、可燃油氣混合物和火花放電都不存在風險。

3 規范性引用文件

API RP2003： 2015新增美國石油協會標準API RP545： 2009《儲存可燃和易燃液體地上儲罐雷電保護推薦做法》等3項；美國化學工程師學會研究報告《靜電引燃導致的火災和爆炸》和《化學工業預防靜電引燃危害》；美國材料與試驗協會標準ASTM D2624： 2015《航空燃料和餾出燃料電導率試驗方法》；美國消防協會標準NFPA 407： 2003《航空燃油設施標準》。

4 靜電危害

4.1 靜電產生機理

針對產生靜電荷、靜電積聚產生引燃火花、存在火花間隙、火花間隙中存在可燃蒸氣-空氣混合物等靜電荷成為點火源應具備的條件，油品電導率、容器導電能力、容器向大地消散電荷的能力等靜電荷在液體中消散能力的影響因素，以及火花放電和刷形放電的靜電放電機理，API RP2003： 2015無變更。

針對石油操作過程中分離或摩擦產生靜電的例子，API RP2003： 2015新增以下兩種情形：

1)不相容液體或者液體中的懸浮固體顆粒的分離，例如儲罐中分散水分的沉降。

2)感應充電指當接地導體靠近高電量表面且與地面接觸失效時，接地導體會被充電。

4.2 靜電防護措施

API RP2003： 2015針對降低靜電放電的風險，將2008版中規定的18項防護措施分為四類，即防止電荷產生的措施、防止靜電積聚的措施、避免可燃性放電的措施和避免形成易燃氣體的措施，提高了靜電防護措施的適用性和可操作性。

為正確評估油品輸送過程的靜電危害，API RP2003： 2015新增油品電導率評估結果的影響因素：

1)靜電危害評價必須選擇輸送溫度下的油品電導率，溫度降低時，油品電導率顯著降低。

2)應考慮測量誤差對油品電導率的影響，例如儀器精度和重復性。

3)檢測試樣應具有代表性，例如儲罐內油品可能存在分層現象。

4)檢測試樣中含有水或其他污染物，或者油品成分變化，導致電導率顯著增加。

4.3 汽車罐車的裝卸作業

1)針對汽車罐車灌裝。API RP2003： 2015規定在鶴管被浸沒前，灌裝液體線速不大于1 m/s，以防止噴濺，使液體表面湍流最小化。管線入口被浸沒前，管線內流速和管口排放速度應小于1 m/s。相對2008版，油品流速由3 m/s降低為1 m/s，且采用鶴管裝卸和管線充裝均執行該值，主要考慮油品不同相在隔艙的沉淀，以及液體中含有水分的可能、夾帶水滴等因素。

2)針對跨接和接地。API RP2003： 2015規定在對棧臺、鶴管、管線進行跨接和電氣連接時，跨接線應采用帶絕緣套的導線，應定期測試或檢查跨接導線的電氣連續性，跨接電路電阻應小于1 Ω。在2008版中認為電阻值在10 Ω以下可以防止靜電積聚，API RP2003： 2015中電阻值由10 Ω降低為1 Ω，針對跨界和接地要求更高。

3)針對采樣和檢尺。API RP2003： 2015規定為對隔艙進行檢尺或采樣前，應有 2 min的靜置時間。電導率極低的液體，例如純凈的溶劑和化學級烴類或多相混合物，需要較長的靜置時間。針對電導率極低的液體采樣的靜置時間要求為新增要求。

4.4 鐵路罐車的裝卸作業

由于鐵路罐車的幾何形狀和尺寸可以減少靜電場，使鐵路罐車允許的流速v與鶴管直徑D的乘積值高于汽車罐車。鐵路罐車的跨接和接地、管線電氣連續性、頂部/底部灌裝作業、采樣和檢尺可參考汽車罐車的做法。

4.5 儲 罐

4.5.1API RP2003： 2015新增的儲罐靜電防護措施

API RP2003： 2015新增有關儲罐靜電防護有以下幾方面：

1)物料屬于靜電積聚體并含有分散相(例如夾帶水滴)時，整個灌裝操作中應將入口流速限制在1 m/s。

2)檢查儲罐中是否存在松動的檢尺浮子和采樣器等未接地的自由物或飄浮物，并將其清除掉。

3)向儲罐內泵送液體時，避免夾帶大量的空氣或其他的氣體。輸送溫度接近閃點8.5～11 ℃的易燃液體或可燃液體的管線，禁止用風吹掃。

4.5.2采樣和檢尺的靜置時間

對于儲罐采樣及檢尺有以下幾方面：

1)容積大于 37.85 m3的大型儲罐，檢尺或采樣作業前，應有30 min的靜置時間,API RP2003： 2015和2008版無變更。

2)API RP2003： 2015規定： 容積為18.925～37.85 m3的儲罐的靜置時間為5 min；容積低于18.93 m3的儲罐的靜置時間為1 min。非常純凈的溶劑和化學級烴類等超低電導率的液體應延長靜置時間。在2008版中容積低于18.93 m3的儲罐的靜置時間為2 min。

3)針對儲罐吹掃和清洗，API RP2003： 2015無具體技術條款的變更，在執行標準方面指出儲罐清洗和吹掃作業方法與規程執行API Std 2015： 2018《石油儲罐的安全進入和清理要求》、API RP 2016： 2001《進入和清理儲油罐指南與程序》和NFPA 69： 2019《防爆系統標準》，儲罐清洗和吹掃過程中靜電危害及指導執行API RP2003： 2015。

4)關于靜電其他危害，包括飛機加油、傳送帶和皮帶輪、過濾器、分離器、便攜式金屬儲油罐、噴砂和噴漆、加油站等，與長輸管道行業關系不完全相關，2015版變更內容不再贅述。

5 雷電危害

5.1 雷電產生機理

關于直擊雷和感性雷的產生機理，API RP2003： 2015內容無變更。在執行標準方面指出雷電防護接地規程執行NFPA 70： 2017《國家電氣規范》和NFPA 780： 2014《防雷系統安裝標準》。

5.2 拱頂儲罐和臥式儲罐

針對拱頂儲罐和臥式儲罐因雷擊引發的爆炸事故的因素，API RP2003： 2015內容無變更。針對拱頂儲罐和臥式儲罐減少雷擊危險的預防措施，API RP2003： 2015增加以下幾項內容：

1)所有呼吸孔應安裝和使用真空呼吸閥或回火保護設施。

2)發生雷暴時，應停止對儲罐的灌裝作業或排空作業。

3)必須提供和維護惰化緩沖層或氣體覆蓋層。

5.3 外浮頂儲罐

API RP2003： 2015刪除了外浮頂儲罐采用分路器設計防止雷電引燃的措施，保留了緊密密封防止雷電的方法，以及采用浮船操作維護檢測程序降低雷擊危險性的措施。在執行標準方面指出： 外浮頂儲罐防止雷擊引燃或火災的有效預防措施是按照API 545： 2009對罐頂和罐壁進行有效連接。

5.4 內浮頂儲罐

帶有鋼質導電罐頂的內浮頂儲罐由于其結構特點可以防止雷擊感應，內浮頂不需要與管壁連接進行雷電防護。API RP2003： 2015新增了內浮頂儲罐一般性防護措施，使得固定頂與浮頂間易燃氣體的濃度最小化，包括： 在浮頂周圍安裝緊密密封，適當通風，避免正常操作時浮頂落地，雷暴時避免儲罐灌裝作業，定期檢測蒸氣空間可燃氣體濃度。

關于雷電對其他裝置的危害，包括： 便攜式金屬儲罐、油船和駁船、汽車罐車和鐵路油罐車等，與長輸管道行業關系不完全相關，API RP2003： 2015變更內容不再贅述。

6 雜散電流危害

近年來，隨著中國長輸管道的快速發展，長輸管道與高壓輸電線路、鐵路并行和交叉敷設的安全問題日益突出，會對埋地金屬管道產生較強的交流干擾腐蝕[5]。關于交流干擾腐蝕的檢測、評估和減緩措施方法也是目前管道腐蝕防護的重要研究領域。國內外制定了一系列相關標準，例如： 加拿大國家標準CAN/CSA C22.3 No.6： 2013《管道和輸電線路的協調原則與做法》、歐洲標準EN 15280∶2013《埋地陰極保護管道交流腐蝕可能性評估》、美國標準NACE SP0177∶2014《減緩交流電和雷電對金屬構筑物和腐蝕控制系統影響的標準規程》。鑒于相關技術標準較全面，API RP2003： 2015在雜散電流危害方面進行了簡略和弱化處理，僅規定了一些原則性要求。其中API RP2003： 2015中規定要嚴格限制電化作用所產生的電壓在任何情況下不得超過 15 V。上述標準中則詳細規定了基于陰極保護電位、交流干擾電壓、交流電流密度以及交流電流密度與陰極保護直流電流密度比值準則的適用條件。鑒于此，關于雜散電流的危險防護建議執行相應技術標準。

關于雜散電流其他危害，包括岔道(支路)、碼頭管線等，與長輸管道行業關系不完全相關，API RP2003： 2015變更內容，不再贅述。

7 結束語

API RP2003： 2015集中反映了近十年美國石油行業防雷防靜電方面的技術進展，重點針對汽車罐車的裝卸作業的靜電防護措施、儲罐靜電防護措施、拱頂儲罐和臥式儲罐的雷電防護措施進行了修訂，體現在以下方面：

1)為正確評估油品輸送過程的靜電危害，新增油品電導率評估結果的影響因素。

2)針對汽車罐車裝卸作業，油品充裝速度由3 m/s降低為1 m/s；檢測跨接電路電阻由10 Ω降低為1 Ω；新增隔艙進行檢尺或采樣前，應有2 min的靜置時間。

3)針對儲罐靜電防護措施，含分散相水滴的油品充裝速度低于1 m/s；檢查并清除儲罐內未接地的物體；儲罐充裝易燃液體禁止夾帶空氣。

4)針對拱頂儲罐和臥式儲罐的雷電防護措施，使用真空呼吸閥和應用回火保護措施；雷暴天氣禁止儲罐充裝作業；油氣空間應用惰性氣體保護。

建立嚴格細致的防御雷電和靜電工作是提高油氣站場安全等級的重要舉措。國內石油行業標準Q/SY 1651—2013等同API RP2003： 2015。美國石油行業防雷防靜電技術發展很快，通過跟蹤美國管道標準的修訂信息，針對國內標準Q/SY 1651—2013開展標準技術更新工作，提高國內管道行業安全管理水平。