油罐雷击爆炸着火事故分析与防雷措施

油罐雷击爆炸着火事故分析与防雷措施

 

中石化镇海炼化分公司储运部    蒋晓武 

 

[摘要]近年来，油罐雷击着火事故频繁发生，产生的社会影响、后果及经济损失都十分严重。文章通过某公司G403雷击爆炸着火事故原因分析与防雷措施的探讨，旨在储油罐运行安全方面提出更全面、更有效的防雷技术措施与预防管理方法。

[关键词]油罐  雷击  石脑油  避雷针

 

在石油化工行业中，油品储存设施基本采用钢质金属油罐，具有一定高度，比一般建筑物更易引雷电，而它所储存的油品、化工原料绝大多数为易燃、易爆物质，一旦遭雷击，势必引发爆炸和火灾事故的发生，后果不堪设想。特别在我国东南沿海部分地区春夏季节多为雷雨天气，遭受雷击的可能性更大，采取有效的技术措施，预防雷击事故这一自然灾害的发生成了石化企业的必修课。

油罐遭雷击主要有两种基本形式：一是雷电直接击中油罐，强电流通过油罐放电入地，产生破坏力极强的热效应，并伴随着强烈放电，放电温度能高达2000℃，直接破坏物体，叫“直击雷”。另一种叫“感应雷”，它的形成过程是由带电云层接近地面，在油罐等凸出顶部感应出大量异性电荷。

当雷电击中油罐，高电压火放电产生火花直接引爆油罐内油气体并产生巨大的轰炸声，引燃罐内油品，瞬间造成油罐上方浓烟密布，火光冲天，毫无征兆可言，热幅射将进一步引爆邻近多个油罐，更有甚至如其中有一油罐的中、底部炸裂，油品大量泄出，短时间内能将整个罐区变成一片火海，后果不可想象。可见在石油化工行业中，一旦油罐遭雷击，所产生的火灾危害，其扩散速度极快、破坏力极大、危害性极强。

1  事故描述

2007年某日，某公司储运部G403罐突遭雷电，当时油罐正在收Ⅰ加氢汽油、Ⅲ加氢汽油、Ⅳ加氢汽油、Ⅱ非芳汽油、轻烃回收T1102底石脑油，收油量为105t/h，罐内油温35.4℃，15:54罐内液位9.53m。15:55左右，雷电突发，几乎与此同时G403罐发生爆炸并着火，油罐上方顿时浓烟滚滚，迅速升腾起七、八米高的火焰，岗位操作人员立即开启G403罐喷淋降温冷却，采取停止G403罐收油改进G309罐等相应的工艺措施，同时有关人员迅速组织应急抢险工作。

消防大队听到雷击油罐爆炸声后，以第一时间、最快的速度，紧急出动一、二中队消防车辆共14辆，于15:58到达事故现场，同时G403罐又相继发生第二、第三次闪爆。公司领导及有关处室人员接到报警后立即赶赴现场，成立现场应急指挥部，对消防扑救和工艺处理实施了统一指挥，采取“以固为主、固移结合、四面合击、重点突破”的战术，迅速展开扑救，大火在持续了20分钟后于16:15基本扑灭，无一人员伤亡。

在此事故之前，离该公司不远处的某油库也发生了类似雷击事故，2007年5月24日、6月24日油库的10万立油罐（外浮顶罐）竟连续两次被雷击着火，所幸的只是浮盘密封处起火，消防系统启动迅速及时，当即扑灭了火情，无任何损失，而后于7月7日管道公司杭州白沙湾中转站10万立原油罐也发生了雷击着火。

2  事故原因分析

G403罐为石脑油罐，石脑油的闪点为-58～10 ℃，爆炸极限为0.76%～6.9%。主要成份为C₅～C₁₂，组份轻，极易挥发，加上在油罐收石脑油时浮盘通气孔会发生喷油现象（外浮顶罐经常发生可以观察到），由此得知，油罐浮盘上方空间很可能充满着易燃易爆油气，并通过阻火器、呼吸口等处排放至大气中。

事故发生后，对其它轻质油罐罐顶采样口可燃气的检测（见表1），可推测当时G403浮顶上方已聚集大量挥发油气并形成爆炸气体。

表1  轻质油罐罐顶采样口可燃气含量

经调查确认，G403现场周围无施工或检维修作业。从事故现场分析可推测爆炸点火源可能为雷击、静电火花、仪表电气火花、硫化亚铁自燃等因素造成。

2.1  当地气象情况

公司地处属亚热带季风气候，年平均雷暴天数一般有31.1天，最长有47天，最早出现在1月29日，最晚11月4日结束，属典型的南方多雷雨天气。４月至９月，尤其是６月到８月，是雷雨和暴雨的高发季节。6月29日，最高气温37℃，午后有雷阵雨。

2.2  储罐设施情况

G403罐为石脑油罐系内浮顶结构，有效容积5 000 m³，罐高14.5 m，直径22.2 m，安全高度12.5 m，罐壁厚度6～10 mm。2000年，该罐在原地重建，2006年6月大修时增设固定式消防冷却水喷淋系统。事故后进入罐体检查发现，浮盘东侧支架烧塌，浮盘向下倾斜，东侧浮盘局部烧损，数只浮筒爆裂，罐内壁未过火处防腐层完好，未发现明显腐蚀现象，罐壁表面基本没有硫化亚铁铁锈，排除因硫化亚铁自燃引爆油罐因素。

2.3  罐体防雷防静电设施情况

油罐未装设防直击雷的避雷针（网）设置，符合国家规范GB 50074-2002 《石油库设计规范》第14.2章“防雷”的要求可不装设避雷针，油罐每月检查浮盘与罐体间连接导线完好，并对G403罐体防雷设施进行全面检测如下：

（1）罐体接地点四处：罐体共设4组接地引下线，沿罐壁圆周基本呈对称分布。引下线之间的间距分别为：19.5 m、18.5 m、13.5 m、19 m。满足国家标准接地不少于2点及间距不大于30 m的要求。

（2）接地电阻的检测：分别为0.30 Ω、0.32 Ω、0.24 Ω、0.24 Ω；满足国家标准不大于10 Ω的要求。

上述检测表明排除静电火花为点火源的可能性。

2.4  仪表、电气等线路情况

油罐附属仪表、电气等设施，均采用防爆器材，因该罐为2006年进行过大修，仪表电气均完好，油罐爆炸着火事故发生前控制室及现场未发生仪表及电气等方面的异常，事故发生后现场查看也未发现仪表电气线路老化、短路等现象，可排除仪表电气产生火花的可能。

通过以上分析，结论该罐着火爆炸的点火源为雷电且系直击雷所致，确定事故原因为雷击引爆G403罐罐壁通气孔挥发油气，进一步引爆储罐内浮盘上方油气与空气的混合物，撕裂罐顶钢板后，罐内油品剧烈燃烧形成火灾事故。

3  防雷技术措施

公司建厂30余年，在炼油化工行业中，无论是生产综合管理，还是设施维护管理方面都经验丰富，专业技术一流，从建厂起就严格按国家标准、行业标准等有关规定对厂区内所有的生产设备、储存设施、电气、仪表等设施都采取了必需的防雷技术与措施。其雷电防护已达到标准化、系统化，形成了综合治理、层层设防、立体防御、系统保护的现代雷电防护总体原则，应用接闪、分流、屏蔽、等电位连接、共用接地系统、合理布线等综合措施进行全方位系统防护。

事故前该公司油罐所采取的相关防雷措施：

（1）设置避雷针（网）。目前避雷针安装有两种方法，一种是在罐区油罐旁一定距离处设置若干避雷针，如1#原油罐区、2#渣油罐区、5#加氢柴油罐区等炼油老罐区；另一种是直接在油罐本体顶部边沿装设避雷针，如G302-308等拱顶油罐。避雷针、引下线与接地网络形成构成一个完整的电气通道，能将绝大部分雷电流直接引入地下泄散。避雷针的防雷原理可以用滚球法理论解释，即：半径为R的球与避雷针和地面相切绕避雷针滚动一般所形成的阴影区域即为避雷针的保护范围。R越小，进入保护范围的雷击能量越小，避雷针防雷效果越好。它主要用于防直击雷，因直击雷概率虽小，但对设施破坏极大。

（2）罐体安装防雷接地。油罐接地点根据罐容积量大小，不同设计安装，如5000立油罐基本罐体接地点4处，但油罐防雷接地点均不少于2处；接地点沿油罐周长的间距在设计建造时均小于30m，接地电阻小于10Ω，因接地点可能会因外界大气、环境等因素腐蚀产生接地不良情况，由电气专业人员定期检测其电阻值。保证油罐的良好接地，可有效降低雷击产生的危害。

（3）罐顶钢板厚度大于4 mm且安装阻火器。因装有阻火器的油罐在导电性能上是连续的，当罐顶钢板厚度大于或等于4mm时，对雷电有自身保护能力，可无需装避雷针保护。中国科学院电工研究所与相关专业组曾进行过石油储罐雷击模拟试验。模拟雷电流的幅值为146.6～220kA(能量为133.4～201.8 J)，钢板熔化深度为0.076～0.352mm。考虑到实际上的各种不利因素（如材料的不均匀性、使用后钢板腐蚀等）及富裕量，规定钢板厚度大于或等于4mm，对防雷要求来说是足够安全的。

（4）对（内）浮顶罐的浮顶与罐体处装设2根以上的连接导线。浮顶罐装设横截面为25 mm²的软铜复绞线，内浮顶罐装设横截面为16 mm²的软铜复绞线。其目的是导走浮盘上的感应雷电荷和油品传到金属浮盘上的静电荷，防止浮盘上产生大最感应电荷与罐体间形成高电压差出现火花。

（5）其它用于防护电气、仪表等系统防雷措施，如采用屏蔽电缆、安装浪涌保护器等。

事故后，从管理上采取的一系列措施：

（1）制订夏季雷暴期间储罐收付油品防范措施，减少油气呼吸量，杜绝储罐浮顶喷油现象。进一步强化对收、付油品等相关操作和作业进行危害识别和风险评价，针对风险评价结果，制定和落实相应的安全预防措施。①控制好石脑油的切割和进罐温度，在暴雨期间要控制进罐量、分散进料；②严格执行工艺纪律，上游装置保持平衡操作，油品外放量要相对稳定；要采取措施确保出装置油品温度不超工艺卡片、不夹带轻组份，尽量减少罐内油气挥发；③当气温较高或雷雨来临前，有喷淋设施的油罐要及时启动喷淋进行降温。

（2）抓好炼油装置的源头管理，减少操作波动，稳定石脑油生产组份蒸汽压，同时减少装置出石脑油中C₅等轻质组份，增加石脑油罐容，缓和油罐的油气挥发。

（3）开展对设备防雷接地设施全面排查工作。按要求每年分两次进行接电测试，确保接地电阻值在国家规范要求范围内。

（4）对部分无消防喷淋设施的轻质油罐增设消防喷淋，一旦油罐发生火灾，可快速开启水喷淋冷却自身和邻近周围油罐，保护油罐设施，可有效抑制事故的扩散。

4  油罐频遭雷击分析

为什么在按国家标准规范要求采取了众多防雷技术措施条件下，还是相继出现油罐雷击爆炸火灾事故？针对目前雷电现象、储油罐防雷措施方面，我们共同作如下分析：

（1）雷电为自然现象，根本无法消除也无法预测，只能采取相关防范措施。它的出现只与地区有关，雷电活动的强度是因地区的不同而不同的，有的地区强，有的地区弱。虽说雷电击中油罐发生火灾机率相对较小，但人为根本无法100%预防。

（2）目前一些大型储罐浮盘与罐体间的连接导线导电性能不佳。雷云接近储油罐时，浮盘的雷电荷无法快速消除之间产生的电压差。对大型储油罐而言，如某油库10万，直径达80米，于2007年5月24日、6月24日连续两次发生雷击，分析原因很可能是感应雷引起。云层中电荷累积到一定程度就形成高电压，当雷云接近油罐时，直径80米之大的浮盘上感应出大量异性电荷，而此时浮盘与罐体间只有两根截面积为25 mm²接地铜绞线，浮盘上的大量电荷无法迅速导走消除，浮盘与罐壁间形成电压差，导致机械密封处铁板与罐壁间瞬间放电，产生火花引爆一次密封与二次密封间的爆炸气体，发生火灾。事故发生后，油库相关技术专家马上提出整改方案，在浮盘与罐体间又增设四根50mm²接地软铜绞线。

（3）大多油罐（库）未装设避雷针（网）。油罐遭雷击大多为浮顶储油罐，采用浮盘密封，罐钢板厚度均大于4mm，且装有阻火器，接地良好，按国家规范要求可不装设避雷针（网）保护。油罐不设避雷针（网）防护，其中有一重要因素是认为由于浮顶罐储存油品采用浮盘密封，通常密封比较严密，理论来说浮顶上的油气较少，一般达不到爆炸下限，也就是说即使雷电击中油罐，其着火也只发生在密封圈不严处，容易扑灭。再者避雷针实际是引雷的，当雷电引至避雷针经引下线至接地网络，其流入地处的地电位升高，引下线周围空间形成强烈的电磁脉冲。雷击点附近的通讯线路、信号控制线路、射频传输线路会通过反击和电磁耦合的方式，形成暂态过电压，并以雷电波的形式沿线路传播，危害电子设备。其实不然，储存易挥发的轻质油罐的浮盘密封不管是机械密封、橡胶密封都不可能达到100%严密，对于密封性能很好的二次机械密封来讲，其一次密封与二次密封间也存在爆炸气体。实际上对外浮顶罐，浮盘上方直接与大气相通，密封处所逃逸出的少量易燃易爆油气很容易散开，一般情况可能达不到爆炸下限；但对内浮顶罐则在浮盘上方是封闭空间，密封不严所产生少量易燃易爆油气很容易聚积在一起，久而久之便形成达到爆炸下限的爆炸气体（如表1），一旦遭雷击，即瞬间爆炸。显然可见，油罐既然储存易燃易爆介质，若无可靠、有效的防雷设施，安全隐患不小。

有人可能会认为，储存易燃易爆的油罐无论如何都必须装设避雷针。我们则认为就算装设避雷针也不能全面防护油罐不受雷击。有关防雷专家曾对避雷针保护范围做了大量实验，实验表明避雷针只能保护一定范围内的建筑物，如单支避雷针所能防护范围见表2（注：当侧方袭来的下行雷电先导被避雷针引近而未能在针端接闪时，会出现闪电击中避雷针附近地面的情况，使得高架避雷针附近的地面落雷密度较该处平均落雷密度大，该地面称为散击区）。多支避雷针防护范围计算详见GB50057 94（2000版）《建筑物防雷设计规范》。如对于南京输油处仪征输油站16号15万方原油储罐容量15万吨、直径约100米、高22米来说，理论上可能需安装五六十米且多支避雷针方可，而装设了以后是否真正能起到防雷效果，也可以说是个未知数，毕竟理论应立足实际现象来解决问题。

表2  避雷针的高度对其保护区和散击区的影响

5  油罐防雷措施探讨

从目前现状来看，油罐的防雷已引起地方企业及业内专家的高度重视。对于油罐来说，按照设计规范做好防雷、防静电接地设施以外，还需要加强日常对防雷接地的测试，保证防雷设施有效。根据石油化工储罐实际运行状况分析及多年的工作经验，我们认为应进一步对目前规范要求之外防雷措施与管理办法方面的研究与探讨：

（1）针对大型储油罐防雷措施，一方面可通过加大浮盘与罐体间连接导线的截面积来加快电荷流动，以平衡浮盘与罐体间的电压；另一方面可利用油罐浮盘本体连接的设施中央排水管（因浮盘上下大幅度升降，需一根根密封相连可伸缩叠拢放置，俗称叠管），通过排水管连接至罐体将电荷导入地面，可在排水管法兰连接绝缘处安装截面积足够大的连接导线，并保证整根叠管的电气通道良好。通过此法可有效防止浮盘上感应雷电荷的积累，避免浮盘边缘与罐体间产生火花，引爆一、二次密封间的爆炸气体。

（2）在中雷区以上区域（一般认为年平均雷暴日不超过25天的地区为少雷区；年平均雷暴日在26～40天的地区为中雷区；年平均雷暴日在41～90天的地区为多雷区；年平均雷暴日超过90天的地区称为强雷区），对于大面积分布的易燃、易爆、易挥发性轻质油品的中小型储罐，条件许可的情况下建议装设避雷针（网），装设这种常规避雷设施可有效防范直雷击，以降低雷击事故的发生机率。

（3）对东南沿海地区的石油化工企业管理中，应加强防雷措施方面的应急生产管理，特别在雷暴多发季节里，应严格控制装置出来油品组份，及时调整生产工艺、储罐收付状态等各类管理措施来预防雷电危害。

防雷始终是石化企业必须面临的一个问题，如何能切实有效地防止雷电灾害，可否采取一些更好的防雷手段，比如区域防雷是在防雷领域内的一个新思路，但是目前国内外涉及并取得良好效果的实例还不多；又如其它所谓的新型防雷设施：消雷器、限流避雷针、脉冲避雷针等各式非标准防雷装置，应作严格而科学、客观的调研及分析，不宜轻易地推广和应用这些技术。我们应在严格按国家规范、标准防雷技术的基础上作更进一步深入的学习、研究与探讨，以保障人民、企业、国家的财产不受雷害损失。

 

 

参考文献

1  GB 50074-2002，石油库设计规范

2  GB50057 94（2000版），建筑物防雷设计规范

3  中国石油化工集团公司，大型浮顶储罐安全设计、施工、管理暂行规定，2007

4  GB 15599-95，石油与石油设施雷电安全规范

5  马宏达.避雷针保护范围的理论与实验.防雷世界,2004

6  刘继.黄岛油库特大雷电火灾分析与防雷研究.雷电与静电，1991．4

7  马宏达，张适昌，楮宗兰．高效避雷针保护范围的确定［J］．电工电能新技术，1995

8  桑建平,苏淼,刘志强.浅谈低压防雷及检测应注意的几个问题.电瓷避雷器，2007.1

9  周道刚.特殊环境防雷措施.贵州气象，2004.3

 

 来自：《安全生产》2014年第1期