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(1.廣東省興寧市氣象局,廣東 深圳 514000;2.深圳市艾爾特通訊技術有限公司,廣東 深圳 518049)
浮式生產(chǎn)儲油卸油船(floating production storage and offloading,F(xiàn)PSO)作為長期工作在海面上的一個集水、氣、油的分離以及油船原油的裝卸的裝置,雷雨天氣時存在極大的雷擊風險。2008年10月份,根據(jù)CCS相關規(guī)范的要求,筆者對 “渤海長青號”FPSO通往油艙的呼吸閥做了直擊雷防護工程。時隔2年“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO通往油艙的呼吸閥和位于駕駛艙上的雷達遭到雷擊,損失嚴重。事實說明FPSO的防雷工作極為重要,有必要對存在爆炸氣體危險環(huán)境的區(qū)域采取雷擊風險評估,為實施防雷改造提供科學依據(jù),從而降低FPSO的雷擊風險。
“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO,是我國第一艘FPSO。作業(yè)在中海油與CACT集團合作開發(fā)的惠州21-1油田,這是一艘裝有快速解脫轉(zhuǎn)塔式系泊裝置的25萬t FPSO,由新加坡船廠改裝完成。注冊于美國船級社(ABS),作業(yè)者是CACT作業(yè)者集團,停泊于中國南海海域。
該船船長330.70 m;船寬51.81 m;型深25.60 m;載重量255 000 t。
“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO作業(yè)在惠州海域的8個油田包圍的海域之中,負責8個油田原油的水、氣、油的分離以及油輪原油的裝卸工作。
“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO于1990年下水,船體分為兩大部分,一部分是生產(chǎn)作業(yè)區(qū),一部分是生活作業(yè)區(qū)?,F(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)船上的防雷措施幾乎處于空白狀態(tài):電子信息系統(tǒng)除發(fā)電機輸出端裝有高壓避雷器以外,其余的低壓配電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等均沒有安裝相應的防雷設施;生產(chǎn)作業(yè)區(qū)通往油艙底部的呼吸閥雖然安裝了避雷針,已經(jīng)不符合現(xiàn)行規(guī)范要求,加之長時間沒有維護已經(jīng)嚴重腐蝕,其他高聳的金屬構件均沒有安裝避雷針進行保護;生活作業(yè)區(qū)頂部的雷達、高頻天線等通訊設備的天線也沒有安裝避雷針保護。
雷擊風險評估主要依據(jù)行業(yè)規(guī)范,即《NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems》、《ABS Guide for Building and Classing Facilities on Offshore Installations.2009》、《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》及《風險管理》GB/T 21714.2等。
對任何物體進行雷擊風險評估時,其附近的雷電活動規(guī)律都是影響雷擊風險的重要因子。該雷電活動規(guī)律包含了當?shù)氐穆淅赘怕?地閃次數(shù))、雷電流的能量分布、雷電活動頻繁的月份、時段等。美國宇航局OTD和LIS聯(lián)合觀測的1995-04~2003-02全球雷電地閃密度分布見力圖1。
由圖1可見,全球雷暴活動最頻繁的區(qū)域主要集中在北緯和南緯30°之間的陸地,雷電活動最少的區(qū)域則是海洋區(qū)域和極地區(qū)域。雷電探測器得到的全球閃電數(shù)為2.05×109/年,而且54%發(fā)生在北半球,平均的陸地總地閃密度為8.3/(km2·年),是海洋上總閃電密度的3.4倍[1]。這是由形成雷暴云的必要條件——具有強烈上升的暖濕空氣決定的。由于水的比熱容要遠大于陸地,在同樣日照的情況下,地面溫度上升要比海洋快速得多,從而使地表空氣迅速加熱,并在一定條件下急劇上升形成了雷暴云,產(chǎn)生更多的雷暴和閃電。因此,可以猜想到南海發(fā)現(xiàn)號作業(yè)的海洋區(qū)域落雷密度并不高,從雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)監(jiān)測到“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO作業(yè)區(qū)域2010年1~9月份的雷電資料可以看出,與猜想相符。
圖1 來自美國宇航局OTD和LIS聯(lián)合觀測的1995-04~2003-02全球雷電地閃密度分布
將“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO及其周圍8個海上采油平臺的經(jīng)緯度分別在Google 衛(wèi)星地圖上定位,見圖2。
圖2 “南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO及其周圍8個海上采油平臺衛(wèi)星定位
從圖2可見,HZ21-1A和HZ21-1B平臺離“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO比較近,三者組成的區(qū)域可能吸引更多的雷電發(fā)生。
查詢國家雷電監(jiān)測預警網(wǎng)2010年1~9月份“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO周圍3 km的雷電活動資料,5月份開始出現(xiàn)雷暴天氣,其中,5月份發(fā)生地閃3次,平均雷電流為105.7 kA,均為負地閃;6月份發(fā)生地閃4次,平均雷電流為102.1 kA,2次正地閃,2次負地閃;7月份發(fā)生地閃5次,平均雷電流69.2 kA,其中4次負地閃,1次正地閃;8月份發(fā)生地閃2次,平均雷電流59.7 kA,均為負地閃;9月份發(fā)生地閃8次,平均雷電流為72.7 kA,均為負地閃。
分析上面數(shù)據(jù),“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的雷暴活動主要集中在7、8、9月份。5、6月份的雷暴雖然少,但是能量非常大,遠遠高于雷暴活動頻繁的月份。從總地閃次數(shù)來看,海面上要遠遠小于陸地上的,但是雷電流的平均能量達到了80.6 kA,卻遠遠大于陸地,這是因為在海洋上空,特別是熱帶海域的積雨云厚度可達兩萬米以上,其雷暴云所帶的電荷要遠遠高于地面雷暴云所帶電荷。因此,放電的能量要遠遠高于陸地。
因此,“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO遭受雷擊的概率很小,年雷擊次數(shù)只有0.78次/年,一旦遭受雷擊,后果卻是非常嚴重的,正如此前通往油艙的呼吸閥遭到雷擊一樣,呼吸閥旁邊的避雷針被雷擊歪,1/4的排氣管被燒焦,險些釀成大禍。
鑒于“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO自身結構和工作環(huán)境的特殊性,影響雷擊選擇性的因素如下。
1)與“南海發(fā)現(xiàn)號”上的設施情況有關。凡是有利于雷云與“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO建立良好放電通道者易受雷擊,這是影響雷擊選擇性的重要因素。在空曠的海面上,突出、孤立的構筑物更加容易遭受直接雷擊。
突出甲板的氣體排放口、火炬燃燒塔等排放的氣體中會含有導電粒子和游離氣團,它們比一般的空氣易于導電,這就等于加高了排氣管的高度,這也是排氣管、放散管、呼吸閥等容易遭受雷擊的重要原因之一。
2)與“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的結構及其附屬構件條件有關。由于“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO本身是全鋼質(zhì)結構的船體,相對于廣闊的海面,在靜電感應的作用下可以感應出更多的電荷,從而建立起很強的電場,而附屬在上面突出的金屬構件附近的電場畸變更嚴重,因此更容易遭受雷擊。
綜上所述,“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO駕駛艙平臺上很多孤立分置的通信、導航、雷達天線,生產(chǎn)作業(yè)區(qū)很多高聳的排放燃燒廢氣和爆炸混合物的放散管、排氣管和呼吸閥,這些區(qū)域的雷擊風險級別要遠遠高于其它區(qū)域,因此,這些部位是雷擊防護的重點部位,應特別注意,見圖3。
圖3 “南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO存在潛在雷擊風險的區(qū)域(圓圈所在的區(qū)域)
“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO相當于一個小型的化工廠,位于生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域的各種系統(tǒng)包含了石化工藝裝置所具有的一切特征,雷雨天氣時可能遭受來自雷電兩方面的破壞。
1)直擊雷??赡軐ιa(chǎn)作業(yè)區(qū)的油氣處理系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、排放易燃易爆混合氣體的放空管、呼吸閥等造成爆炸和火災。
2)雷電感應。雖然船體屬于鋼制結構,各種線纜均穿金屬管敷設,但是由于雷電感覺的作用,雷電流產(chǎn)生的瞬間雷電電磁脈沖仍然會通過空間耦合對“南海發(fā)現(xiàn)號”上的儀器儀表等造成破壞。
因此,必須對上述存在潛在雷擊危險的區(qū)域采取重點的雷電防護措施,將雷電對“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的破壞降到最低點。
雷電直接擊在“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO上時產(chǎn)生的熱破壞效應和電動力效應均會對其造成破壞。
1)熱效應。遭受直擊雷時,強大的雷電流從雷擊點注人被擊物體,所產(chǎn)生的熱量能夠在雷擊點局部范圍及電流通路附近引起很高的溫升,可以造成此處金屬物體熔化或非金屬物體燒毀。
雷擊金屬物產(chǎn)生的熱量Wm可以采用在雷電流作用時間t內(nèi)的積分來估算[2]:
(1)
式中:Uar——金屬物體上雷擊點處電弧壓降,其經(jīng)驗值取20~30 V;
i——從雷擊點注入的雷電流,kA。
電荷量Q與雷電流i之間存在下列關系:
(2)
因此,式(1)可以簡化為Wm=103QUar,取Uar=30 V,Q取一類防雷首次雷擊的電荷量100 C,則Uar=3×106J。
雷擊非金屬物體(主要指位于駕駛艙頂部的玻璃鋼材質(zhì)的通信天線和雷達)后,雷電流將強行從雷擊點注入非金屬內(nèi)部,在其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量Wn可以用下式估算。
(3)
式中:R——非金屬物體內(nèi)部電流路徑的視在電阻,Ω;
i——從雷擊點注入的雷電流,kA。
由于雷電流作用的時間很短,在計算雷擊對金屬或非金屬物體所造成的溫升Δθ時,可以忽略散熱的影響。
(4)
式中:m——質(zhì)量;
c——比熱容。
2)電動力效應。雷電流通過直立金屬棒時,會在其周圍產(chǎn)生電磁場,處在該電磁場中的金屬棒內(nèi)由于存在電流,會受到安培力的作用,該安培力可能導致一些金屬構件發(fā)生扭曲,對船體上工藝裝置的結構造成破壞。
雷電感應對“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的破壞主要體現(xiàn)在雷電波沿通信天線侵入到設備、雷電電磁脈沖(LEMP)在開口環(huán)上感應出電動勢,從而導致電火花的產(chǎn)生,對于爆炸危險氣體的環(huán)境存在極大的爆炸和火災風險。
1)雷電波侵入。該種破壞途徑主要集中在駕駛艙頂部外圍的天線部分,通訊天線和雷達處于直擊雷非防護區(qū)域,一旦發(fā)生雷擊,雷電流可能沿通訊線路侵入到內(nèi)部設備,從而導致通訊設備損壞。
假設開口環(huán)的尺寸為5 m×5 m,波頭時間2.5 μs,雷電流峰值100 kA,在距離雷擊點200 m時也可以感應到1 kV左右的電壓,在海面潮濕的環(huán)境下,零點幾毫米的氣隙可能被擊穿,產(chǎn)生有害的火花,從而對易燃易爆環(huán)境構成威脅。
對“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO進行風險計算的目的是為了評價現(xiàn)有狀態(tài)下是否存在雷擊風險,一旦發(fā)生雷擊,產(chǎn)生的風險是否在“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO可接受的風險范圍之內(nèi),如果超出了風險容許值的范圍,應該采取相應的防雷措施來降低這種風險,確保安全。本評估參考了GB/T 21714.2 介紹的方法,并結合油船的特殊性,對一些因子和風險容許值做了調(diào)整,使其更加客觀。
雷電流是造成損壞的主要原因,按雷擊點的位置可以分為下列兩種:①雷擊船體S1;②雷擊船體附近S2。
雷擊過程中,雷擊引起的損害類型分為三種。人員傷害D1;物理傷害D2;電氣和電子系統(tǒng)故障D3。
每類損害,不論是單獨出現(xiàn)還是與其它損害共同出現(xiàn),會在被保護對象中產(chǎn)生不同的損失,可能出現(xiàn)的損失類型取決于需要保護對象本身的特性及其內(nèi)存物,因此,南海發(fā)現(xiàn)號應考慮以下幾種類型的損失:人身傷亡損失L1;船體服務設施損失L2;經(jīng)濟損失L3。
風險是雷電造成的年平均可能損失(人和物)與需要保護對象(人和物)的總價值之比,南海發(fā)現(xiàn)號可能出現(xiàn)的損失應計算其對應的風險。
人身傷亡損失風險R1;服務設施損失風險R2;經(jīng)濟損失R3。
6.2.1 直接雷擊船體引起的船體的風險分量
RA:雷擊點附近3 m范圍內(nèi),因接觸電壓和跨步電壓造成船上工作人員傷害的風險。
RB:“南海發(fā)現(xiàn)號”上因危險電火花觸發(fā)火災或爆炸引起物理損害的風險分量。
RC:因LEMP造成內(nèi)部系統(tǒng)故障的風險。會產(chǎn)生L2和L3類的損失,在具有爆炸危險場所的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)還可以產(chǎn)生L1類的損失。
6.2.2 雷擊船體附近時引起的船體風險分量
RM:因LEMP引起內(nèi)部系統(tǒng)故障的風險分量。會產(chǎn)生L2和L3類的損失,在具有爆炸危險場所的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)還可以產(chǎn)生L1類的損失。
人身傷害風險的分量[3]為RA=ND×PA×LA;
物理損害的風險分量為RB=ND×PB×LB;
內(nèi)部系統(tǒng)故障的風險分量為RC=ND×PC×LC;
人身傷亡損失風險為R1=RA+RB+RC+RM;
服務設施損失風險為R2=RB+RC+RM;
經(jīng)濟損失風險為R3=RA+RB+RC+RM。
雷擊產(chǎn)生的風險分量如下。
內(nèi)部系統(tǒng)故障的風險分量RM=NM×PM×LM;
雷擊“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的危險次數(shù)ND為
ND=Ng×Ad×Cd×10-6
(5)
式中:Ng——雷擊“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的密度;
Ad——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的截收面積;
Cd——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的位置因子。
年平均危險事件次數(shù)NM為
NM=Ng×(Am-Ad×Cd)×10-6
(6)
式中:Am——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO附近的截收面積。
為減小“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的經(jīng)濟損失R3,估算采取防護措施時的成本效益是有用的。R3的評估對象可以是“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的整體,也可以是一部分;可以是內(nèi)部系統(tǒng)的整體,也可以是內(nèi)部系統(tǒng)的一部分。
按下列公式分別計算采取防護措施之前及之后所造成的損失代價CL及CRL
C=RA×CA+RB×(CA+CB+CS+CC)+
(RC+RM)×CS
(7)
式中:CA——人員的價值;
CS——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO內(nèi)部系統(tǒng)的價值;
CB——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的價值;
CC——“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO內(nèi)存物的價值。
通過以下公式計算防護措施的年均花費。
CPM=CP×(i+a+m)
(8)
式中:CP——防護措施的成本;
i——利率;
a——防護措施的折舊率;
m——維護費用。
若CL-(CPM+CRL)>0,采取防護措施時經(jīng)濟是合理的。
每年因此而減小的費用支出S為
S=CL-(CPM+CRL)
(9)
所有參與計算的因子應由“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的擁有者給出。
風險容許值是指“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO可以接受的雷擊風險值,在該值范圍內(nèi)認為是安全的,評估結果超過此值時應采用相應的措施來降低相應的風險。
容許值與存在的風險值是對應的,其容許值也包括人身傷亡損失風險,服務設施損失風險,經(jīng)濟損失等,用RT表示容許值。
容許值同防護措施的成本效益一樣,由“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO的擁有者給出。
本文通過分析影響“南海發(fā)現(xiàn)號”FPSO雷擊風險的各種因素,試圖對其做出全面的分析,找出影響風險的每類因子,為海上船只的雷擊風險評估提供參考。
[1] 梅衛(wèi)群,江如燕.建筑防雷工程與設計[M].2版.北京:氣象出版社,2006.
[2] 張小青.風電機組防雷與接地[M].北京:中國電力出版社,2009.
[3] 全國雷電防護標準化技術委員會.GB/T 21714.2—2008雷電防護第二部分:風險管理[S].北京:中國標準出版社,2008.