15万立方米原油储罐雷击火灾事故分析

　　【摘 要】 根据雷云静电感应机理及油罐的结构与运营情况，分析某金属外浮顶油罐雷击着火成因，提出减少或消除这类油罐雷击火灾事故的方法。

　　【关键词】 外浮顶油罐 爆炸性混合物 爆炸极限 静电感应 电气联接 二次密封

　　引 言

　　2006 年8 月当某15 万立方米原油储罐雷击着火时，按照部领导指示，与中石化有关领导第一时间到现场调查研究，与管道公司领导及输油站有关人员在现场座谈交流，对该罐雷击着火原因进行了初步分析。2007 年1月根据中石化领导要求，参加了大型储罐安全整改会议。

　　1 概述

　　2006 年8 月份，某地储量15×104m3 金属外浮顶油罐遭雷击起火，值班人员同时发现该油罐区距着火罐100m左右的1#电视监控探头被雷击坏，立即报警通知消防队启动火警预案：（1）启动消防水泵,对着火罐罐壁进行灭冷却；（2）站调度向输油调度汇报，切换供油流程。随后6 名消防队员勇敢地登上着火罐，用罐顶配置的消防器材进行距离的辅助灭火，油罐大火燃烧约20 分钟，罐顶明火全部扑灭（见图1、图2、图3）

图1 某储罐事故现场照片之一

  图2 某储罐事故现场照片之二

图3 某储罐事故现场照片之三

　　2 原油罐雷击着火前的基本情况

　　该油罐是储存原油的金属外浮顶油罐,容量为15×104m3,直径100m，罐壁高21.8m,设计液位20.2m,罐壁与浮顶之间采用了二次密封装置，第一次采用弹簧机械密封，第二次采用带橡胶带的软密封，在二次密封周边的浮顶与罐壁之间固定有导静电的铜质刮板（每隔3～4m 设置一块）见图4、图5，这些刮板与罐体之间存在大小不等的间隙，小的0.5mm 左右，大的可达1.5cm，雷击起火时油罐液位为16.16m，储油量为12.58×104m3，当时该罐正以2000 m3/h 速度向外输油，从现场检查情况看，油罐的防雷接地符合《石油库设计规范》要求，油罐设有环形接地装置，並有12 个接地点与其相连，每个接地点的接地电阻均小于10Ω（实测为0.3～1.2Ω 不等），罐体与浮顶之间设置有2 根横截面不小于25mm2 的软铜复绞线连接，符合规范有关要求。

　　3 事故原因分析

　　（1）油罐雷击火灾发生的条件。油罐的雷击火灾事故，必须同时存在以下三个条件：

　　1）存在油气与空气形成的爆炸性混合物，油气与空气的体积浓度比在爆炸或火灾危险极限内（1.4%～7.6%左右），浓度比小于下限1.4%时，油气既不会燃烧，也不会爆炸。当油气浓度比大于上限7.6%时，油气只会燃烧不会爆炸。油气浓度在爆炸极限的下限与上限之间，就会产生爆炸燃烧事故。

　　2）存在雷击火花（直击雷或感应雷），且此雷击火花发生在有油气与空气形成的爆炸性混物的环境内。

　　3）雷击火花的能量大于油气的引燃能量，即0.02mJ/g。

　　现将三个条件详述如下：

　　①油罐浮顶周围存在油气与空气混合物的原因：

　　在当地发生雷雨天气时，该油罐正以2000m3/h 的速度输出原油，浮顶缓慢下降，罐体内壁上不可避免地会悬挂少量原油，其挥发出的油气与空气混合形成爆炸性混合物，此爆炸性混合物存在于浮顶与罐体之间的四周。当油罐密封装置不严密，存在少量油气泄漏现象时，也会在浮顶与罐体之间的四周存在油气与空气的爆炸性混合物，以上两种情况存在的爆炸混合物，均存在于浮顶与罐体交界的周围。由于风的负压作用，上风向较下风向严重，由此可见，在当地发生雷击时，根据油罐的运营情况，油罐的密封情况，在油罐浮顶与罐体之间的周边上风向，存在油气与空气的爆炸性混合物，且油气浓度在爆炸极限范围内是完全可能的。

　　②雷击火花存在的原因：

图4 油罐结构示意图

图5 油罐密封结构剖示图

　　当雷云到达罐区上空时，由于静电感应的原理，会使罐体及浮盘上感应与雷云极性相反的电荷，当发生雷云对雷云；雷云对大地的雷击时，由于正、负电荷的中和作用，雷云电荷迅速消除，罐体与浮盘电荷也要随雷云电荷的消除而迅速消散。由于罐体电荷与浮盘电荷所处的位置不同,电荷的消散就有快慢之分.罐体电荷途经罐体波阻,接地装置波阻泄入大地。而浮盘电荷途经浮盘波阻,连线波阻, 罐体波阻,接地装置波阻泄入大地,其二者之间必然存在电位差。当罐体与浮盘的某一间隙产生的电位差大于间隙所能承受的击穿强度时，就会发生电弧火花引燃油气与空气的混合物.依据美国API RP545《地上储罐防雷保护》执行小组实验，显示这些导静电片在雷击时会大量产生火花。经现场检查此火花可能存在于：①罐体与浮顶相连接的软铜复绞线的连接点，此接点经检查有松动现象，但没有电弧烧伤痕迹；②浮盘周边上固定的导静电铜刮板处（每隔3～4m1 块）。现场检查发现，这些导静电刮板与罐壁间存在大小不等的间隙，应是引起该罐发生爆燃的点火处。

　　图6 云层对大地上油罐的静电感应示意图

　　③此种雷击火花能量一般均高于油气点火能量。

　　根据上述分析，2006 年8 月份，该地区突降雷暴雨，某储罐浮顶边缘存在油气与空气的混合物，其体积浓度处于爆炸极限之内，当雷击发生时，浮顶上固定的众多静电铜刮板只要有一块与罐壁的间隙达到电击穿条件就会发生爆燃，此时若一、二次密封无油气泄露现象，火焰立即熄灭，由于存在泄露，在泄露点会产生明火火苗，进而导致密封圈烧坏，油气蒸发加大而产生大火苗。据现场观察及观看监控录像发现有5 处着火点，证明油罐共有五处泄露点,着火点在油罐浮顶二次密封与罐壁间，根据现场人员观察火焰最高达约10m。

　　4 外浮顶油罐的防雷措施

　　（1）根据《石油库设计规范》要求，罐体与浮顶的2 根软铜复绞线连接处，要进行电气连接处理（钢板除锈、铜鼻子镀锡或加导电胶泥），使连接电阻达到不大于0.03Ω的要求，当时该储罐的连接处只是简单的固定和连接（存在松动现象），且连线两端存在3 圈以上的缠绕现象，缠绕会产生电感，影响浮盘上的电荷导走。增加浮顶与罐体之间的电位差，增加了浮顶与罐体之间间隙的放电几率，这是不安全的。因此，软铜复绞线应尽可能保持自然伸展状态，不能出现互相缠绕的现象。

　　对金属外浮顶储罐由于雷电感应作用在浮盘上产生的电荷导出有两种情况：

　　1）雷击罐体或与罐体有连续的物体（管线、有管线相联接的相邻储罐）时，浮盘上产生的电荷以行进波的形式向外传播。此时，电荷的导出与连接线的波阻值00CL大小（通常，在雷电概念中波阻是指雷电波传播时所受到的阻力）有关。波阻大导通慢，波阻小导通快。而25mm2 软铜复绞线波阻，与单芯电缆波阻相当，约有30～40Ω，两根並联只有15～20Ω。

　　2）发生空中雷击，或在油罐区其他地方发生雷击，浮盘的电荷以静电的形式向外泄放，Q=Q0•exp-T/RC 或Q=Q0•exp-LT/R〕

　　RC 及L/R 为时间常数τ，当τ 小时，浮盘电荷泄走快，反之慢。而25mm2 软铜复绞线,30m 长电阻只有27.3mΩ

　　两根並联只有13.7mΩ。由此可见用2 根25mm2 软铜复绞线，连接浮顶与罐体来导走浮雷电感应的静电荷是没问题的。

　　（2）罐体与浮顶之间应避免存在小间隙，应取消导静电铜刮板：

　　因为输送原油作业过程中不会产生静电，故在《石油库设计规范》无此要求。取消静电铜刮板可消除罐体与浮顶之间众多的大小不等的放电间隙。美国API RP545《地上储罐防雷保护，最新实验的更新情况》一文中指出：“ NFPA 780（雷电防护规范）中，导静电片每隔3m 安装在浮顶罐上部密封处。安装导静电片的目的是建立浮盘与罐壁的导通，通过对API RP545《地上储罐防雷保护》的试验，工作组认为，这些导静电片在雷击时会大量产生火花。如果在雷击时密封和罐壁之间存有间隙，而且达到爆炸混合比，储罐可能发生火灾。” 所以，我提出取消导静电刮板的观点是正确的。

　　（3）储罐的防雷接地应作成闭环，接地线、接地体应按规范要求施工和连接，保证接地电阻不大于10Ω；同一接地体装置各点的接地电阻应基本相等，如发现某一点的接地电阻明显偏大，达1.5 倍以上,应认真分析原因，消除缺陷。

　　5 结束语

　　根据《石油库设计规范》的规定，储存甲类和乙A 类油品的地上立式油罐，应采用浮顶油罐。浮顶油罐应采用2 次密封装置，避免油气泄漏。浮顶油罐的防雷，应作到油罐的罐体与浮顶之间用二根横截面不小于25mm2的软铜复绞线做电气连接（钢板除锈、铜鼻子镀锡或加导电胶泥、连接点要有防松措施），使连接点的接触电阻不大于0.03Ω 的要求，同时二根铜复绞线应保持自然伸展状态，不要在两端出现相互缠绕的现象，使雷电有一个泄入大地的畅快通道。减少或消除浮顶与罐体之间的电位差，才能避免发生雷电火花。原油在输送过程中，由于原油内含有一定的杂质与水份，电阻率不会大于1010Ω•cm，因此不会产生静电，此类油罐的导静电刮板是毫无用处的，应拆除。此类油罐在我国发生过几次雷击火灾事件，但都是在浮顶四周密封圈处燃烧，容易扑灭，我国这类油罐的雷击事故率不到万分之一罐年，因此采用了二次密封的此类油罐，按照《石油库设计规范》进行雷电防护，还是比较安全的。