海上平臺冷放空管防雷擊改造實驗研究

張志華，吳奇兵，肖軍詩，李東杰

（1.中海石油（中國）有限公司蓬勃作業公司，天津 300459；2.中海油安全技術服務有限公司，天津 300450）

1 引言

冷放空系統是海上平臺生產設施中非常重要的安全系統，其設計是否合理，將直接影響平臺的生產和安全[1]。目前海上平臺冷放空口容易被雷擊中起火，對海上油氣生產造成重大安全隱患，如果產生回火，嚴重的可能導致平臺火災爆炸。前期學者[2-5]已經對天然氣運輸管線及其他石油設備的防雷擊問題進行了系列研究：董紅軍對輸氣管道閥室進行了技術改造，并介紹了干線管道對閥室接地網絕緣性的檢測方法[6]；吳曉偉對PNG分輸清管站進行雷擊風險評估，確定了其風險水平[7]；施銳對天然氣井站安裝的放空火炬發生雷擊原因進行了分析，并提出了防雷安裝規范要求及建議[8]。但針對海上平臺冷放空口的防雷擊起火研究還較為少見。因此，本文對海上平臺冷放空管進行了技術改造，并通過實驗分析了改造前后冷放空口被雷擊中的概率，對改造效果進行了驗證。本文的研究成果可以為海上平臺冷放空管的改造設計提供技術指導，有助于海上平臺防雷電安全運行水平的提高。

2 冷放空管防雷擊分析及改造

海上生產設施冷放空為低壓天然氣密封氣的排放口，處于平臺較高位置，斷續有天然氣排放出來，當遇到雷電惡劣天氣時，若雷電正好擊中正在排氣的冷放空口，瞬間數千攝氏度的高溫，足以使冷放空排出的天然氣被引燃。即使冷放空管處在井架和火炬的保護范圍內，由于雷電向下延伸路徑方向受很多偶然因素的影響，也不能保證冷放空管絕對不遭受雷擊，冷放空管仍有可能受到雷擊（在此情況下遭受雷擊的概率稱為繞擊率）。而且冷放空管排放的氣體不一定只有正好擊中放空管才能引燃，若氣體濃度達到一定濃度，雷電即使落在冷放空管附近，流光也可能引燃冷放空管排放的氣體。

為防止冷放空口雷擊后起火，通過分析防雷標準、雷擊起火案例和現場調研情況，提出了將海上平臺冷放空直管口垂直結構改造成水平結構再加裝避雷針的設想，并通過室內物模實驗對改造效果進行驗證。

3 實驗方法

3.1 實驗設備

實驗采用的冷放空管為鍍鋅鋼管，規格為DN125（5英寸管）。在垂直結構中，冷放空管高度為3m。在水平+避雷針結構中，冷放空管的垂直部分高度為2m，水平部分長度為1m。連接彎頭采用鋼材質，角度為90°，通過焊接將冷放空管的垂直部分與水平部分相連。實驗采用的避雷針為不銹鋼鋼管，規格為DN15，高度為4.25m，頂部為針尖結構。

用來模擬平臺火炬臂的實驗平臺采用與地面成45°斜角的金屬樓梯，最高處的臺階距離地高度為3m，兩邊裝有金屬扶手高度為0.5m，扶手之間寬度為1m。

（1）垂直結構雷擊模擬實驗設備

垂直結構雷擊模擬實驗布置如圖1所示。冷放空管垂直架設在實驗平臺離地高度為1m處的臺階上。甲烷罐經過10m長的氣管與冷放空管底部相連。通氣時，罐體出口處壓強維持在0.24MPa。高壓棒狀放電電極懸掛于冷放空直管口斜上方，到地面垂直距離5m，到冷放空管軸心的水平距離為1m。沖擊電壓發生器的輸出接到高壓棒狀放電電極，冷放空管及實驗平臺接地。

圖1 垂直結構實驗布置圖

（2）水平+避雷針結構雷擊模擬實驗

水平+避雷針結構雷擊模擬實驗布置如圖2所示。冷放空管的垂直部分架設在實驗平臺離地高度為1m處的臺階上，水平部分管口朝向實驗平臺。避雷針高度為4.25m，架設在距離冷放空管垂直部分0.5m處。甲烷罐經過10m長的氣管與冷放空管底部相連。通氣時，罐體出口處壓強維持在0.24MPa。高壓棒狀放電電極懸掛于冷放空直管口斜上方，到地面垂直距離6.25m，到避雷針頂端的水平距離為1m。沖擊電壓發生器的輸出接到高壓棒狀放電電極，冷放空管及實驗平臺接地。

圖2 水平+避雷針結構實驗布置圖

3.2 實驗方案

實驗采用3 000kV沖擊電壓發生器產生的負極性1.2/50μs標準雷電壓波形來模擬雷擊。每次實驗時，調節沖擊電壓發生器確保每次放電都能將空氣間隙擊穿。

對于垂直結構的雷擊模擬實驗，考慮到試品布置的特殊性及實際的天氣情況，實驗分為在無風及有風2種情況。每種情況實際下進行30次放電，記錄冷放空管被雷電擊中的次數和著火次數。

在進行水平+避雷針結構雷擊模擬實驗時，考慮到試品布置的特殊性及實際的天氣情況，實驗分為放電電極在平臺側（無風）、放電電極在平臺側（有風）、放電電極在火炬側（無風）和放電電極在火炬側（有風）共4種情況下進行。每種情況實際下進行15次放電，記錄冷放空管被雷電擊中的次數和著火次數。

每次放電實驗實驗步驟如下：

（1）按實驗布置圖進行接線；

（2）根據無風/有風條件關閉/打開鼓風機；

（3）如是有風條件，則測量并記錄冷放空口附近的風速；

（4）檢查接線正確性后取下接地棒；

患者出血以后，醫生需要及時取冷凍血漿為患者輸入治療。取患者2 mL靜脈血待檢，完成離心操作以后，使用分析儀展開凝血檢測，完成輸血治療以后需要檢查患者的凝血功能指標，并且對患者的不良反應發生情況進行記錄與觀察。

（5）警鈴示警，確認實驗現場無人后打開沖擊電壓發生器控制臺電源；

（6）操作沖擊電壓發生器緩慢進行充電，等電壓達到預設電壓時，打開甲烷氣瓶開關對冷放空管進行通氣，通氣約為10s；

（7）打開攝影及錄像設備，觸發沖擊電壓發生器進行放電；

（8）記錄相關實驗數據；

（9）重復步驟6）～8），直至全部實驗完成；

4 實驗結果與分析

4.1 垂直結構雷擊模擬實驗結果分析

在無風的情況下，對于負極性1.2/50μs標準雷電壓波形，現有垂直結構中冷放空口的擊中次數為30次（概率100%）（見圖3），引燃次數為29次（概率96.7%）；在有風的情況下，實測冷放空口附近風速約為3.5m/s。對于負極性1.2/50μs標準雷電壓波形，現有垂直結構中冷放空口的擊中次數為30次（概率100%），引燃次數為28次（概率93.3%）。

通過實驗結果可以看到，對于負極性1.2/50s標準雷電壓波形，無論無風還是有微風，現有垂直結構中冷放空口的擊中概率為100%，引燃概率均大于90%。

圖3 冷放空口被擊中且被引燃

4.2 水平+避雷針結構雷擊模擬實驗結果分析

當放電電極在平臺側時，如果無風，對于負極性1.2/50μs標準雷電壓波形，冷放空彎管的擊中次數為0次（概率0），全部都落在彎管頂部，引燃次數為0次（概率0）；如果有風，實測冷放空口附近風速約為3.5m/s。對于負極性1.2/50μs標準雷電壓波形，冷放空彎管的擊中次數為0次（概率0），全部都落在彎管頂部，引燃次數為0次（概率0）。

當放電電極在火炬側時，如果無風，對于負極性1.2/50μs標準雷電壓波形，冷放空彎管的擊中次數為0次（概率0），全部都落在彎管頂部，引燃次數為0次（概率0）；如果有風且實測冷放空口附近風速約為3.5m/s。對于負極性1.2/50μs標準雷電壓波形，冷放空彎管的擊中次數為0次（概率0），全部都落在彎管頂部，引燃次數為0次（概率0）。

通過實驗結果看以看到，對于負極性1.2/50s標準雷電壓波形，無論放電電極是在平臺側還是在火炬側，無論無風還是有微風，改造后的水平+避雷針結構中冷放空口的擊中概率為0，引燃概率也為0。

5 結論

1）將海上平臺冷放空直管口垂直結構改造成水平結構再加裝避雷針之后，被雷擊的概率從100%降低到0%，擊中后起火的概率也從大于90%降到0%，使得冷放空口改造很好的起到了防雷擊起火的效果。

2）實現了對海上平臺冷放空口的雷擊起火實驗模擬，所建立的實驗模擬方法可用于分析不同的冷放空管結構對冷放空口被擊中引燃的影響，對于現場冷放空管的改造設計具有重要的指導意義，有助于海上平臺防雷電安全運行水平的提高。