宗文瑜,張?jiān)丛?劉 釗,劉 瑞,李豐江

(青島市氣象局，山東青島 266003)

0 前言

大型化工園區(qū)內(nèi)的重大危險(xiǎn)源眾多，雷電是電壓、電流和頻率瞬變的電磁場(chǎng)[1]，一旦發(fā)生雷擊，很可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸或毒性危險(xiǎn)化學(xué)品大量泄漏擴(kuò)散等事故。

雷電擊中物體所造成的損害主要決定于兩個(gè)要素：雷電流波形特征以及物體自身的特性。因此，將雷電的損害機(jī)理與大型化工園區(qū)內(nèi)的各類建(構(gòu))筑物及設(shè)施進(jìn)行安全相關(guān)性分析[2]，掌握雷電危害作用的途徑及其變化規(guī)律，采取有針對(duì)性的措施，能夠有效防控雷電風(fēng)險(xiǎn)。

大型化工園區(qū)一般會(huì)選擇空曠或者沿海等地區(qū)建設(shè),這些區(qū)域的雷電風(fēng)險(xiǎn)很高,極易造成雷擊火災(zāi)甚至爆炸事故，且各類新型化工裝置層出不窮，研究各類化工裝置的雷擊耦合致災(zāi)機(jī)理及有針對(duì)性的防范對(duì)策具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。袁杰，等[3]從爆炸性混合物、雷擊火花形成因素及罐區(qū)自然條件等方面剖析了我國(guó)罐區(qū)防雷現(xiàn)狀及存在的主要問題。銀峰，等[4]以大型外浮頂原油儲(chǔ)罐為例,給出雷擊儲(chǔ)罐導(dǎo)致多米諾火災(zāi)效應(yīng)的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法,提出適用于油品儲(chǔ)罐的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。程玉龍[5]建立了油罐在雷電、溫度、風(fēng)等復(fù)雜條件下的泄漏擴(kuò)散及致災(zāi)因果規(guī)律,創(chuàng)建了可提高雷擊火災(zāi)熱輻射預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的權(quán)重Mudan模型,構(gòu)建了雷擊火災(zāi)環(huán)境下鄰近目標(biāo)儲(chǔ)罐失效判定方法。林溪猛，等[6]利用歷史雷暴日觀測(cè)數(shù)據(jù),采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等分析方法,對(duì)古雷石化基地所在區(qū)域的雷電活動(dòng)特征進(jìn)行分析,并根據(jù)特征提出具體的防護(hù)對(duì)策。以上研究主要是對(duì)單一化工裝置的雷擊致災(zāi)機(jī)理，但是對(duì)于一個(gè)化工企業(yè)或者化工園區(qū)來說，承災(zāi)體種類繁多，承災(zāi)機(jī)理差異性較大，受區(qū)域雷電孕災(zāi)環(huán)境影響較高。因此，通過分析雷電孕災(zāi)環(huán)境，進(jìn)一步研究各類化工裝置以及建(構(gòu))筑物的雷擊耦合致災(zāi)機(jī)理，給出更有針對(duì)性的防御方法和措施是十分必要的。

本文通過分析地閃活動(dòng)及雷電災(zāi)害的時(shí)空分布特征,探討針對(duì)大型化工園區(qū)內(nèi)不同建(構(gòu))筑物，雷電災(zāi)害與致災(zāi)因子、承災(zāi)體以及孕災(zāi)環(huán)境的相關(guān)性，分析不同孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)條件下雷電災(zāi)害的損失類型和分布特征,確定雷擊防護(hù)重點(diǎn),提出相應(yīng)的雷電災(zāi)害防御措施及建議。

1 大型化工園區(qū)雷電孕災(zāi)環(huán)境分析

目前監(jiān)測(cè)雷電技術(shù)采用較多的是閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用閃電回?fù)糨椛涞穆暋⒐?、電磁?chǎng)特性來遙測(cè)閃電回?fù)簟⒎烹妳?shù)，將監(jiān)測(cè)到的閃電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到中心數(shù)據(jù)處理站進(jìn)行交匯處理，可實(shí)現(xiàn)全天候、長(zhǎng)期、連續(xù)運(yùn)行并記錄雷電發(fā)生的時(shí)間、位置、強(qiáng)度和極性等指標(biāo)[7，8]。閃電定位系統(tǒng)測(cè)得的雷電發(fā)生位置及雷電流強(qiáng)度等信息，結(jié)合大型化工園區(qū)的地理位置、地形地貌、承災(zāi)體特征等，對(duì)承災(zāi)體和孕災(zāi)環(huán)境的相關(guān)性進(jìn)行分析,可以準(zhǔn)確地反映大型化工園區(qū)的雷電孕災(zāi)環(huán)境[9-14]。

利用2011—2020年閃電定位系統(tǒng)探測(cè)的閃電發(fā)生位置、雷電流強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，對(duì)大型化工園區(qū)的雷電孕災(zāi)環(huán)境進(jìn)行分析。該大型化工園區(qū)位于山東半島地區(qū)北部，緊鄰渤海海域。園區(qū)分為港口作業(yè)區(qū)、物流倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)、臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)3大功能板塊，分布有多個(gè)石化及化工新材料產(chǎn)業(yè)鏈項(xiàng)目，以化學(xué)為主的異氰酸酯(MDI)一體化和環(huán)氧丙烷及丙烯酸酯(PO/AE)一體化主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，主要包含有機(jī)化工、光氣化工、氯堿化工、化工新材料以及高端精細(xì)化工等。園區(qū)北部為大型港口，主要為液化油品、通用散貨、大宗散貨、原油和液化天然氣(LNG)作業(yè)區(qū)，以及集裝箱作業(yè)區(qū)和鐵路輪渡服務(wù)區(qū)。

通過分析大型化工園區(qū)的雷電活動(dòng)特征、雷擊大地密度、雷電流強(qiáng)度和雷暴來向，同時(shí)結(jié)合區(qū)域內(nèi)建(構(gòu))筑物的地理位置，能夠準(zhǔn)確得到區(qū)域內(nèi)建(構(gòu))筑物遭受雷電災(zāi)害的危害程度[15，16]。

雷擊大地密度反映的是一個(gè)區(qū)域內(nèi)的雷電發(fā)生頻次大小，雷擊大地密度越高，表示雷電發(fā)生頻次較多；雷電流強(qiáng)度反映的是雷電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)度大小，雷電流強(qiáng)度越高，表示雷電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的破壞作用更強(qiáng)；雷暴來向反映的是區(qū)域雷暴的移動(dòng)軌跡。

圖1～圖4分別給出了2011—2020年大型化工園區(qū)及周邊地閃活動(dòng)的月份分布和時(shí)刻分布，以及雷擊大地密度的遙感分布情況和地理空間分布?？梢钥闯觯瑘@區(qū)6～8月為地閃的頻發(fā)期，8月最高，占比49.6%；6月和7月次之。晚上是雷電的多發(fā)時(shí)段，20時(shí)地閃發(fā)生最多，占比20.8%。結(jié)合大型化工園區(qū)的地形可以看出，雷擊大地密度整體為東高西低，雷擊大地密度主要集中在0～1.2次/(km2·a)，最大值為2次/(km2·a)，平均雷擊大地密度約為0.53次/(km2·a)。

圖1 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)地閃月分布

圖2 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)地閃時(shí)刻分布

圖3 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷擊大地密度遙感分布(東南方向)

圖4 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷擊大地密度地理空間分布

該區(qū)域?qū)俚蜕角鹆陞^(qū)，山丘海拔高度不高，地勢(shì)比較平坦，園區(qū)內(nèi)雷擊大地密度隨山地和丘陵海拔增高而逐漸增強(qiáng)，園區(qū)東北部的山地地區(qū)是雷擊大地密度的高值區(qū)。山地地形對(duì)低層氣流的強(qiáng)迫抬升作用是此區(qū)域雷暴多發(fā)的主要原因。山前近地面地形輻合產(chǎn)生的擾動(dòng)向上傳播引發(fā)邊界層擾動(dòng)，是對(duì)流和雷暴形成的主要?jiǎng)恿υ础＠妆┰谙律竭^程中，冷池出流對(duì)觸發(fā)雷暴單體新生和增強(qiáng)有重要影響，強(qiáng)烈的輻合抬升使新生的雷暴單體在下山過程中，得到爆發(fā)性增強(qiáng)[17]。

圖5和圖6分別給出了2011—2020年大型化工園區(qū)及周邊雷電流強(qiáng)度的概率分布和地理空間分布?？梢缘贸觯笮突@區(qū)雷電流強(qiáng)度主要集中在2～60 kA，占比91.8%。其中，2～10 kA的占14.9%；10～20 kA的雷電流占39.7%；20～40 kA的雷電流占29.9%；40～60 kA的雷電流占7.3%；60～200 kA的雷電流占8.2%，雷電流強(qiáng)度較高的區(qū)域分布比較分散，主要位于區(qū)域中部偏北、東北部和西部等區(qū)域，雷電流強(qiáng)度最高值達(dá)150.5 kA。

圖5 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷電流強(qiáng)度概率分布

圖6 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷電流強(qiáng)度空間分布

圖7為大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷暴路徑圖。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，雷暴的東部來向占比為12.4%，東東南部(SEE)來向占比為11.0%，東南部來向占比為10.1%?？偟膩碚f，偏東來向占比為33.5%。大型化工園區(qū)的雷電路徑以偏東方來向?yàn)橹饕较颍瑓^(qū)域內(nèi)建筑宜在偏東方向增設(shè)接閃桿，更有效地接閃，從而提高防雷裝置保護(hù)的效率。

圖7 大型化工園區(qū)及周邊地區(qū)雷暴路徑玫瑰圖

2 大型化工園區(qū)承災(zāi)體的雷擊易損性分析

易損性是指雷電災(zāi)害發(fā)生時(shí)所造成的傷害或損失程度，承災(zāi)體的易損性大小，與其物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般承災(zāi)體的易損性越低，災(zāi)害損失越小[18]。雷電災(zāi)害分為直接雷擊災(zāi)害和閃電電涌侵入危害(又稱“間接雷擊災(zāi)害”)。直擊雷的危害主要在雷電流通道內(nèi)造成的人畜傷亡以及因雷擊引起的爆炸、著火。閃電電涌侵入危害主要是通過雷電的靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓，損壞電子信息系統(tǒng)和電氣設(shè)備，甚至造成人員傷亡。通過分析雷電災(zāi)害產(chǎn)生的危險(xiǎn)途徑及其變化規(guī)律，可以采取有針對(duì)性的措施，有效防控雷電風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 危險(xiǎn)化學(xué)品

大型化工園區(qū)一般涉及的危險(xiǎn)化學(xué)品較多。危險(xiǎn)化學(xué)品中可燃物品受雷擊危害的風(fēng)險(xiǎn)性最大。

對(duì)涉及危險(xiǎn)化學(xué)品的生產(chǎn)、儲(chǔ)存裝置，應(yīng)對(duì)其自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行直擊雷和間接感應(yīng)雷雷電防護(hù)，防止控制系統(tǒng)的失效和損壞。

危險(xiǎn)化學(xué)品的儲(chǔ)罐、管道、塔器、庫(kù)房等應(yīng)滿足防止直擊雷的要求，以免雷電擊穿導(dǎo)致的事故發(fā)生。雷電天氣來臨前，應(yīng)禁止易燃易爆品物料的裝卸作業(yè)。避免因物料裝卸作業(yè)操作失誤導(dǎo)致冒頂外溢和跑料事故，避免因雷電引發(fā)火災(zāi)而導(dǎo)致的二次事故。

2.2 危險(xiǎn)化工工藝

大型化工園區(qū)內(nèi)工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)眾多，存在自動(dòng)化程度高、電壓等級(jí)低的特點(diǎn)。各種儀表、傳感器的位置分散、暴露，線路較長(zhǎng)且環(huán)境復(fù)雜，因而遭受直接或者間接雷擊的可能性較大。雷電波侵入化工工藝控制系統(tǒng)是雷擊事故發(fā)生的主要原因。因此，大型化工園區(qū)內(nèi)危險(xiǎn)化工工藝設(shè)備的防雷裝置應(yīng)滿足雷電防護(hù)的要求。

2.3 過境危險(xiǎn)化學(xué)品管道

過境危險(xiǎn)化學(xué)品管道主要有埋地輸油管道和埋地天然氣管道。埋地金屬管道和電纜能將水平10～20 m內(nèi)自然閃電吸引來。當(dāng)雷擊發(fā)生在危險(xiǎn)化學(xué)品管道附近，雷電沖擊電流對(duì)土壤擊穿放電并伴有弧光現(xiàn)象。在土壤電阻率為1 000 Ω·m的土壤中，峰值電流為30 kA的雷電流的擊穿半徑為4 m。對(duì)于埋地金屬管道，土壤中不均勻的電場(chǎng)更容易在更長(zhǎng)的間隔上對(duì)導(dǎo)體產(chǎn)生弧光。當(dāng)管道周圍有可燃?xì)怏w和液體泄漏，電火花會(huì)導(dǎo)致其大面積的燃燒和爆炸。因此，應(yīng)做好過境危險(xiǎn)化學(xué)品管道的接地和相鄰管道之間的等電位連接。

2.4 危險(xiǎn)品管廊

大型化工園內(nèi)一般有較多的管廊設(shè)置，工藝及供熱外管道除部分采暖管道埋地敷設(shè)外，其余管道采用架空敷設(shè)，架空敷設(shè)的管架凈空高度超過4 m，管架的縱、橫梁及管架柱均采用鋼結(jié)構(gòu)，管架外表面有防腐處理。因此，應(yīng)做好管道與管架的接地，并與相鄰金屬管道進(jìn)行等電位連接，防止閃絡(luò)擊穿。

2.5 移動(dòng)危險(xiǎn)源

大型化工園區(qū)內(nèi)移動(dòng)危險(xiǎn)源主要包括公路上從事危險(xiǎn)物品運(yùn)輸?shù)能囕v，既有一般危險(xiǎn)源的易燃、易爆、有毒有害等特點(diǎn)，又有移動(dòng)的特點(diǎn)。遇到雷雨天氣，若危險(xiǎn)品運(yùn)載裝置發(fā)生事故，會(huì)引發(fā)火災(zāi)中毒等，影響道路通行和周邊企業(yè)、居民的安全。同時(shí)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)危險(xiǎn)源發(fā)生火災(zāi)爆炸事故還可能殃及周邊的企業(yè)，形成多米諾效應(yīng)，造成更大的火災(zāi)爆炸事故。

3 大型化工園區(qū)雷電災(zāi)害防范措施及建議

根據(jù)大型化工園區(qū)雷電孕災(zāi)環(huán)境的特點(diǎn)，結(jié)合化工園區(qū)各類承災(zāi)體的雷電災(zāi)害易損性分析,確定不同區(qū)域的雷擊防護(hù)重點(diǎn),提出相應(yīng)的雷電災(zāi)害防御措施及建議。

3.1 雷擊大地密度較高區(qū)域

對(duì)于處于雷擊大地密度較高的區(qū)域(圖4中的紅色區(qū)域)，此區(qū)域的雷電發(fā)生概率較高，雷擊造成的雷電災(zāi)害影響較大。因此，此區(qū)域不宜規(guī)劃易燃易爆場(chǎng)所、大型數(shù)據(jù)中心、對(duì)閃電感應(yīng)較敏感的科研機(jī)構(gòu)及使用較多電子精密儀器企業(yè)；在防雷工程設(shè)計(jì)時(shí)，為防止雷電繞擊，應(yīng)適當(dāng)降低滾球半徑，電氣系統(tǒng)電涌保護(hù)器(SPD)宜進(jìn)行三級(jí)保護(hù)；電子系統(tǒng)在ITE接口處，宜選擇沖擊電流參數(shù)較大的電涌保護(hù)器；宜考慮升溫和機(jī)械受力對(duì)接閃器的影響，適當(dāng)加大接閃器材料的截面積。

3.2 雷電流強(qiáng)度較高區(qū)域

對(duì)于處于雷電流強(qiáng)度較高的區(qū)域(圖6中的藍(lán)色區(qū)域)，此區(qū)域的雷電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的破壞作用更強(qiáng)。因此，此區(qū)域不宜規(guī)劃易燃易爆及危化品場(chǎng)所；一般建筑物、公共建筑物和一般性工業(yè)建筑物進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，宜升級(jí)采用第二類防雷建筑物防雷措施。

3.3 安全距離較近區(qū)域

大型?；泛鸵兹家妆瑘?chǎng)所周圍1 km范圍內(nèi)，因雷擊引起災(zāi)害事故后，會(huì)對(duì)周圍區(qū)域造成二次災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響。因此，此區(qū)域內(nèi)不宜規(guī)劃為易燃易爆危化品和人員密集場(chǎng)所。對(duì)于已建成的設(shè)施，應(yīng)做好防雷裝置定期檢測(cè)與日常維護(hù)。

3.4 移動(dòng)危險(xiǎn)源

當(dāng)化工園區(qū)及周邊有雷電發(fā)生時(shí)，危險(xiǎn)物品運(yùn)輸車輛應(yīng)停止運(yùn)輸，并進(jìn)行雷電躲避。危險(xiǎn)物品運(yùn)輸車輛的行駛線路應(yīng)在其它危險(xiǎn)品的防火間距之外，車輛應(yīng)集中停放在有防雷裝置保護(hù)的停車場(chǎng)內(nèi)，危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)當(dāng)制定危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)運(yùn)專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，配備應(yīng)急救援人員和必要的應(yīng)急救援器材、設(shè)備，并定期組織演練。

3.5 戶外裝置防雷

對(duì)于整個(gè)化工園區(qū)的裝置，戶外相對(duì)高度較高的設(shè)備和具有敏感電子器件的設(shè)備易遭雷擊，應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，使之符合國(guó)家規(guī)范。戶外設(shè)備設(shè)施包括：①安置在地面上高大、聳立的生產(chǎn)設(shè)備；②通過框架或支架安置在高處的生產(chǎn)設(shè)備和引向火炬的主管道等；③安置在地面上的大型壓縮機(jī)、成群布置的機(jī)泵等設(shè)備；④在空曠地區(qū)的火炬、煙囪和排氣筒等；⑤安置在高處易遭受直擊雷的照明設(shè)施。

3.6 化工裝置防雷

化工園區(qū)內(nèi)化工裝置主要包括：各類排放設(shè)施、爐區(qū)、塔區(qū)、化工靜設(shè)備、化工機(jī)器、電氣設(shè)備、罐區(qū)、裝卸站、金屬粉、粒料桶倉(cāng)、管廊、冷卻塔、煙囪和火炬、戶外電器和燈具、工控系統(tǒng)等，應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。同時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照法律法規(guī)、國(guó)家防雷技術(shù)規(guī)范要求做好日常維護(hù)和安全檢測(cè)工作，對(duì)發(fā)現(xiàn)的防雷安全隱患及時(shí)進(jìn)行整改。

4 結(jié)語

利用2011—2020年閃電定位系統(tǒng)探測(cè)的雷電數(shù)據(jù)，對(duì)大型化工園區(qū)的雷電孕災(zāi)環(huán)境進(jìn)行研究。通過分析大型化工園區(qū)的地閃活動(dòng)特征、雷擊大地密度、雷電流強(qiáng)度和雷暴來向，結(jié)合區(qū)域內(nèi)地形地貌和建(構(gòu))筑物的地理位置，得到區(qū)域內(nèi)建(構(gòu))筑物遭受雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。在分析大型化工園區(qū)雷電孕災(zāi)環(huán)境以及承災(zāi)體的相關(guān)性時(shí)有較好的指導(dǎo)意義。

通過對(duì)雷電的損害機(jī)理與大型化工園區(qū)內(nèi)的各類建(構(gòu))筑物及設(shè)施進(jìn)行安全相關(guān)性分析，評(píng)估大型化工園區(qū)承災(zāi)體的雷擊易損性，同時(shí)結(jié)合大型化工園區(qū)雷電孕災(zāi)環(huán)境，掌握危險(xiǎn)有害因素作用的途徑及其變化規(guī)律，提出具體的防雷措施，為有效防控大型化工園區(qū)的雷電災(zāi)害提供技術(shù)參考。