儲(chǔ)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(chǔ)罐的防雷保護(hù)

儲(chǔ)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(jiǎn)要介紹了雷擊基本類型的基礎(chǔ)上，論述了避雷針的防雷計(jì)算，重點(diǎn)對(duì)某海上原油儲(chǔ)罐的避雷裝置進(jìn)行校核計(jì)算。校核計(jì)算發(fā)現(xiàn)該儲(chǔ)罐呼吸閥等附件不在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)，因此提出了改進(jìn)措施并進(jìn)行防雷計(jì)算，完善了該原油儲(chǔ)罐的防雷保護(hù)。

原油儲(chǔ)罐；防雷；避雷針；校核計(jì)算；防雷保護(hù)

0 引言

進(jìn)入夏季雷雨季節(jié)，雷電常發(fā)，雷擊危險(xiǎn)性增大，海上石油生產(chǎn)作業(yè)安全受到一定影響，其中儲(chǔ)油罐等重點(diǎn)設(shè)施的安全保障工作形勢(shì)嚴(yán)峻。本文作者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)某海上原油儲(chǔ)罐的避雷裝置進(jìn)行了校核計(jì)算，全面檢驗(yàn)該避雷針的保護(hù)范圍是否滿足安全要求。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該避雷裝置僅能對(duì)原油儲(chǔ)罐罐體進(jìn)行保護(hù)，但對(duì)呼吸閥等儲(chǔ)罐附件起不到保護(hù)作用。因此，對(duì)避雷針提出改進(jìn)措施，并進(jìn)行計(jì)算，確保該避雷針的保護(hù)范圍能夠覆蓋整個(gè)原油儲(chǔ)罐及其附件。

1 雷電及防雷裝置的保護(hù)

1.1 雷電及防雷裝置簡(jiǎn)介

雷電是常見的、無法控制的一種自然現(xiàn)象。它是雷云在一定條件下對(duì)大地或大地上物體發(fā)生放電，或者雷云與雷云之間相互放電。雷云內(nèi)部的放電一般不會(huì)造成危害，雷云對(duì)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(duì)建筑物的反擊作用。

防雷裝置能防止直接雷擊或?qū)⒗纂娏饕氪蟮兀员ＷC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(wǎng)、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(hù)范圍計(jì)算方法

受到避雷針某種程度保護(hù)的空間稱為避雷針的保護(hù)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(hù)范圍計(jì)算方法。

1.2.1 單支避雷針的保護(hù)范圍

單支避雷針的保護(hù)范圍是一個(gè)以避雷針為軸的旋轉(zhuǎn)體，邊界線為一雙曲線，如圖1（a）所示。在工程設(shè)計(jì)中，為了作圖和計(jì)算方便，把單支避雷針的保護(hù)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(diǎn)向下作45°斜線，構(gòu)成圓錐形的上半部；從水平距避雷針腳，長(zhǎng)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(diǎn)以下構(gòu)成圓錐形的下半部。由這一折線所構(gòu)成的組合圓錐體，即為避雷針的保護(hù)范圍。

如避雷針高為h，則避雷針在地面上的保護(hù)半徑r0=1.5 h，其在任一高度hx水平面上的保護(hù)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(hù)建 （構(gòu)）筑物的高度/m；

rx——高度為hx處避雷針的保護(hù)半徑/m；

P——保護(hù)范圍受高度影響的系數(shù)。當(dāng)h≤30 m時(shí)，P=1；當(dāng)30＜h＜120 m時(shí)，

1.2.2 兩支等高避雷針的保護(hù)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(hù)范圍的最小寬度2bx位于兩避雷針的中點(diǎn)處，其數(shù)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(cè)的保護(hù)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(dāng)a=7haP時(shí)，bx=0。即兩避雷針之間的最低保護(hù)高度h0可按下式計(jì)算：

1.2.3 三支等高避雷針的保護(hù)范圍

三支等高避雷針在高度為hx平面上的保護(hù)范圍的形狀如圖3所示。其所形成的三角形、外側(cè)保護(hù)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(hù)寬度bx＞0時(shí)，則在三角形面積以內(nèi)范圍均可受到保護(hù)。

保護(hù)全部面積所需條件為：

式中D——圖3中△123外接圓的直徑。

2 儲(chǔ)罐避雷實(shí)例

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某海上移動(dòng)試采平臺(tái)的原油儲(chǔ)罐為鋼質(zhì)拱頂罐，容積1 300 m3，儲(chǔ)罐直徑D=16 m，拱頂高度hg=1.62 m。在儲(chǔ)罐頂部罐體邊緣裝設(shè)有三支等高避雷針1、2、3，高度h均為4 m，其相對(duì)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?biāo)纬伞?23的外接圓直徑即為儲(chǔ)罐直徑。因h=4 m，故取P=1。

2.2 儲(chǔ)罐本身校核計(jì)算

儲(chǔ)罐頂部最高點(diǎn)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(hù)范圍內(nèi)

在拱頂最高點(diǎn)平面上，當(dāng)各相鄰避雷針間的最小保護(hù)寬度bx＞0時(shí)，三角形面積以內(nèi)范圍均可受到保護(hù)。

根據(jù) （1）式，高度為hx=H=1.62 m處避雷針的保護(hù)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(jù) （3）式，避雷針2和3形成的保護(hù)區(qū)在H=1.62 m平面中心線兩側(cè)的保護(hù)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(hù)寬度為bx2、bx3。由于a2=a3，故 bx2=bx3； 得 bx2=bx3=0.63>0。

綜上，儲(chǔ)罐拱頂頂部處于避雷針構(gòu)成的三角形的保護(hù)范圍內(nèi)。

2.2.2 校核儲(chǔ)罐橫截面是否在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)

避雷針設(shè)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(hù)寬度取較小值bx2計(jì)算：

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

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

由以上校核計(jì)算結(jié)果可知，該平臺(tái)原油儲(chǔ)罐所裝設(shè)避雷針可對(duì)儲(chǔ)罐本身進(jìn)行保護(hù)。但由于儲(chǔ)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(duì)呼吸閥最高點(diǎn)平面進(jìn)行校核計(jì)算，以驗(yàn)證呼吸閥是否在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)。

2.3 儲(chǔ)罐呼吸閥校核計(jì)算

呼吸閥及阻火器高度hz=0.80 m?？紤]呼吸閥后，受保護(hù)的最高點(diǎn)高度變?yōu)椋篐′=hg+hz=1.62+0.80=2.42 m。

根據(jù) （4）式，計(jì)算兩避雷針間的最低保護(hù)高度為：

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

下面計(jì)算在H′高度平面上避雷針2、3中心線兩側(cè)的保護(hù)寬度bx1′：

根據(jù) （1） 式， 高度為 hx′=H′=2.42 m處避雷針的保護(hù)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(jì)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(diǎn)平面上，避雷針的保護(hù)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(hù)范圍之內(nèi)，存在雷擊危險(xiǎn)。

2.4 改進(jìn)措施

為使避雷針能完全保護(hù)整個(gè)儲(chǔ)罐 （包括呼吸閥），則必須增加避雷針的高度 （注：此處只對(duì)現(xiàn)有避雷針的高度改變進(jìn)行計(jì)算，而不改變避雷針數(shù)量和位置）。

為滿足儲(chǔ)罐整體保護(hù)要求，需要將避雷針高度增至h″，此時(shí)任意兩個(gè)避雷針之間的最低保護(hù)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(shí)滿足以上兩個(gè)條件，取較大值，h″>4.56 m。

故在不改變避雷針數(shù)量和位置的條件下，為確保呼吸閥處于避雷針保護(hù)范圍之內(nèi)，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(shè)計(jì)與管理[M].山東：中國石油大學(xué)出版社，1994.

[2]GB 50074-2002，石油庫設(shè)計(jì)規(guī)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(chǔ)培麟 （1986-），男，安徽池州人，助理工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué) （華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)從事海上試油試采與技術(shù)管理工作。

2011-08-23