畢曉蕾，劉全楨，劉寶全，高 劍，高 鑫，劉 娟，姜 輝

(1.中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島 2660712.化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071)

外浮頂儲(chǔ)罐機(jī)械密封雷擊火花放電研究

畢曉蕾1,2，劉全楨1,2，劉寶全1,2，高 劍1,2，高 鑫1,2，劉 娟1,2，姜 輝1,2

(1.中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島2660712.化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266071)

為了深入研究外浮頂儲(chǔ)罐機(jī)械密封雷擊火花放電點(diǎn)和火花放電電流，加工制作了機(jī)械密封雷擊實(shí)驗(yàn)裝置，采用10/350沖擊電流開展了機(jī)械密封雷擊火花放電實(shí)驗(yàn)。當(dāng)機(jī)械密封的4個(gè)彈片與金屬密封板絕緣，沖擊電流達(dá)到2.12 kA時(shí)，密封板與罐壁接觸部位、伸縮架與密封板連接處都產(chǎn)生了火花放電現(xiàn)象。當(dāng)機(jī)械密封只有1個(gè)彈片與金屬密封板接觸，沖擊電流達(dá)到0.578 kA時(shí)，彈片與金屬密封板之間產(chǎn)生了火花放電。沖擊電流達(dá)到1.09 kA時(shí)，彈片貼合處、伸縮架與密封板連接處都產(chǎn)生了火花放電。由此可見，當(dāng)儲(chǔ)罐遭受雷擊時(shí)，機(jī)械密封存在多處放電點(diǎn)，嚴(yán)重危害著儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行。

外浮頂儲(chǔ)罐 機(jī)械密封 雷擊 火花放電

石油產(chǎn)業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，石油行業(yè)是雷電引發(fā)災(zāi)害事故的敏感行業(yè)之一。隨著石油消費(fèi)量增長(zhǎng)迅速，各國(guó)原油儲(chǔ)備以大型浮頂油罐為主，直徑一般在60～100 m，容量最大可達(dá)到15×104m3。由于其體積和浮盤面積大，且直接暴露于大氣中，因此外浮頂儲(chǔ)罐的雷擊火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外529起油罐火災(zāi)事故中，因雷擊所造成的火災(zāi)數(shù)占總數(shù)的32.5%[2]。自1972年以來，國(guó)內(nèi)發(fā)生了多起較大的外浮頂儲(chǔ)罐雷擊著火爆炸事故，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和較壞的社會(huì)影響[2]。鎮(zhèn)海國(guó)家石油儲(chǔ)備基地于2007年5月24日、2007年6月24日連續(xù)發(fā)生了2次雷擊火災(zāi)事故，2007年7月7日中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司白沙灣輸油站發(fā)生雷擊火災(zāi)事故，2006年8月7日儀征輸油站1#電視監(jiān)控探頭遭雷擊損壞，浮頂與罐壁間的二次密封有5處著火點(diǎn)[2-5]。這幾起浮頂儲(chǔ)罐火災(zāi)事故都是由雷擊引起的，發(fā)生事故儲(chǔ)罐的共同特點(diǎn)是一次密封均采用機(jī)械式密封。

目前針對(duì)機(jī)械密封雷擊火花放電的研究相對(duì)較少，大多停留在隱患和事故分析的層面上。偶國(guó)富[6]，楊揚(yáng)[7]等對(duì)外浮頂儲(chǔ)罐雷擊火災(zāi)事故進(jìn)行了分析，指出了機(jī)械密封的雷擊危害，但是缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，未對(duì)機(jī)械密封的具體放電部位和起始放電電流進(jìn)行深入的研究。高鑫等[8]對(duì)大型浮頂儲(chǔ)罐經(jīng)常的彈性機(jī)械密封裝置進(jìn)行雷擊危險(xiǎn)性研究，從沿面放電理論的角度分析了火花放電原因，并采用單個(gè)金屬片開展了雷擊火花放電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與外浮頂儲(chǔ)罐導(dǎo)電片試驗(yàn)相類似，與真實(shí)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)相差較遠(yuǎn)，且未能得出機(jī)械密封的具體放電部位。為此，本文對(duì)外浮頂儲(chǔ)罐機(jī)械密封的雷擊危害進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)研究。

1 機(jī)械密封雷電危害分析

浮盤的外邊緣與罐壁板之間有約250 mm的環(huán)形間隙，此間隙是儲(chǔ)罐浮盤上下運(yùn)行的需要，同時(shí)也是儲(chǔ)罐浮盤散發(fā)油氣的主要渠道。為阻止油氣蒸發(fā)，必須依靠密封裝置來減少油品的蒸發(fā)損失。目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的是“一次密封結(jié)構(gòu)+二次密封結(jié)構(gòu)”的密封方法。機(jī)械密封是一次密封的主要型式，位于油面上部空間，長(zhǎng)期處在爆炸性氣體混合物的環(huán)境中[9,10]。

當(dāng)雷擊儲(chǔ)罐時(shí)，機(jī)械密封是雷電流的主要泄放通道之一，但是機(jī)械密封中的板式彈簧則是靠外界的彈力進(jìn)行貼合的，并不是連續(xù)的可靠電氣連接，存在一定的縫隙，根據(jù)沿面放電的原理[11]，在雷電流流過時(shí)極易產(chǎn)生火花放電。機(jī)械密封在有雷電流流過的時(shí)候，可能會(huì)產(chǎn)生火花放電成為燃爆危險(xiǎn)點(diǎn)。可能發(fā)生火花放電的危險(xiǎn)點(diǎn)有：密封板與罐壁之間；彈簧與密封板接觸部位；伸縮架中間連接部位；伸縮架與密封板連接處；伸縮架與浮盤連接處。

以上5處的連接都是非電氣連接，在雷電流流過的過程中，會(huì)產(chǎn)生火花放電，引燃油氣造成儲(chǔ)罐火災(zāi)。我國(guó)近幾年發(fā)生事故的10×104m3和15×104m3大型外浮頂儲(chǔ)罐一次密封均為機(jī)械密封。

2 機(jī)械密封雷電火花放電實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)波形與環(huán)境

本次試驗(yàn)采用的沖擊電流波形為10/350 μs沖擊電流波(圖1)，波頭、波尾時(shí)間分別為：(10±10%)μs，(350±10%)μs。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，采用空調(diào)、除濕機(jī)等手段維持穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，溫度控制在20～25 ℃，相對(duì)濕度為55%～60%，氣壓為101.8 kPa。

圖1 10/350 μs沖擊電流波

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

圖2為機(jī)械密封雷擊火花放電實(shí)驗(yàn)示意圖。圖3為機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)裝置圖，通過絕緣板保證機(jī)械密封與地面隔離，采用沖擊電壓發(fā)生器給機(jī)械密封施加10/350 μs沖擊電流波，電流通過罐壁泄放入地。采用高速攝像機(jī)記錄機(jī)械密封的火花放電過程。

圖2 機(jī)械密封雷擊火花放電實(shí)驗(yàn)示意

圖3 機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)裝置

3 結(jié)果與討論

3.1 4個(gè)彈片與金屬密封板絕緣

為了分析金屬密封板與罐壁的雷擊火花放電現(xiàn)象，將機(jī)械密封的4個(gè)彈片與金屬密封板絕緣，對(duì)試驗(yàn)裝置施加10/350μs沖擊電流，并觀察機(jī)械密封的打火現(xiàn)象和打火部位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可以看出，當(dāng)沖擊電流達(dá)到2.12 kA時(shí)，密封板與罐壁之間、伸縮架與密封板連接處(圖4)都產(chǎn)生了火花放電現(xiàn)象。當(dāng)沖擊電流小于2.12 kA時(shí)，機(jī)械密封任何部位未發(fā)生火花放電。

圖4 機(jī)械密封雷擊火花放電

表1 4個(gè)彈片與金屬密封板絕緣時(shí)機(jī)械密封的雷擊火花放電結(jié)果

注：“√”表示有放電火花，“×”表示沒有放電火花

3.2 3個(gè)彈片與金屬密封板絕緣

為了分析彈片與金屬密封板之間的起始火花放電電流，將機(jī)械密封的3個(gè)彈片與金屬密封板絕緣，如圖5所示，對(duì)試驗(yàn)裝置施加10/350 μs沖擊電流，觀察彈片是否產(chǎn)生火花放電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可以看出，當(dāng)沖擊電流達(dá)到0.578 kA時(shí)，彈片與金屬密封板之間產(chǎn)生了火花放電現(xiàn)象。當(dāng)沖擊電流達(dá)到1.09 kA時(shí)，除彈片貼合處發(fā)生火花放電外，伸縮架與密封板連接處也發(fā)生了火花放電。

圖5 機(jī)械密封3個(gè)彈片與金屬密封板絕緣

表2 3個(gè)彈片與金屬密封板絕緣時(shí)機(jī)械密封的雷擊火花放電結(jié)果

注：“√”表示有放電火花，“×”表示沒有放電火花

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)機(jī)械密封的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究可知，目前外浮頂儲(chǔ)罐安裝的機(jī)械密封依靠彈力與金屬滑板進(jìn)行貼合，并非可靠的電氣連接，當(dāng)有電流通過機(jī)械密封時(shí)，密封板與罐壁接觸部位、彈片貼合處、中間旋轉(zhuǎn)軸連接處這3個(gè)部位都容易發(fā)生火花放電。而機(jī)械密封又位于儲(chǔ)罐0區(qū)，周圍存在大量可燃?xì)怏w，一旦因雷擊發(fā)生火花放電，勢(shì)必引燃周圍可燃?xì)怏w，造成儲(chǔ)罐燃爆。為此，提出了以下幾點(diǎn)建議。

a)采用等電位連接的方式，消除機(jī)械密封伸縮架與密封板之間的火花放電隱患。

b)增加浮盤和罐壁的雷電流泄放通道，降低機(jī)械密封雷電流的分流比例。

c)軟密封結(jié)構(gòu)與罐壁之間不存在火花放電間隙，不易產(chǎn)生火花放電，比機(jī)械密封更安全可靠，建議外浮頂儲(chǔ)罐的一次密封采用軟密封。

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ResearchonLightningStrokeDischargeofMechanicalSealofExternalFloatingRoofTank

Bi Xiaolei1,2, Liu Quanzhen1,2, Liu Baoquan1,2, Gao Jian1,2,Gao Xin1,2, Liu Juan1,2, Jiang Hui1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao 266071 2.State Key Laboratory of Chemical Safety, Shandong, Qingdao 266071)

In order to further study the spark discharge positions and currents of the mechanical seal of external floating roof tank, we processed lightning stroke experiment device of mechanical seal. Lightning stroke experiment of mechanical seal is carried on by 10/350μs impulse current. When it is insulated between four springs and metal sealing plate and impulse current reaches 2.12kA, the spark discharge is generated at contact portion of sealing plate and tank wall, joint of retractable frame and the sealing plate. When only one spring contacts with metal sealing plate, the impact current reaches 0.578 kA, the shrapnel and metal seal plate produced a spark discharge, and impulse current reached 1.09kA, the spark discharge is generated at contact portion of sealing plate and spring, joint of retractable frame and the sealing plate. These show that there are many discharge points on mechanical seal which seriously endanger safety of tank, when tanks struck by lightning.

external floating roof tank; mechanical seal; lightning stroke; spark discharge

2016-10-12

畢曉蕾，工程師，碩士研究生，2010年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)物理學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在主要從事石化行業(yè)防雷防靜電技術(shù)研究。