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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(shù)有限公司,廣東 深圳 518049)
浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船(floating production storage and offloading,F(xiàn)PSO)作為長(zhǎng)期工作在海面上的一個(gè)集水、氣、油的分離以及油船原油的裝卸的裝置,雷雨天氣時(shí)存在極大的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。2008年10月份,根據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范的要求,筆者對(duì) “渤海長(zhǎng)青號(hào)”FPSO通往油艙的呼吸閥做了直擊雷防護(hù)工程。時(shí)隔2年“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO通往油艙的呼吸閥和位于駕駛艙上的雷達(dá)遭到雷擊,損失嚴(yán)重。事實(shí)說(shuō)明FPSO的防雷工作極為重要,有必要對(duì)存在爆炸氣體危險(xiǎn)環(huán)境的區(qū)域采取雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為實(shí)施防雷改造提供科學(xué)依據(jù),從而降低FPSO的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。
“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO,是我國(guó)第一艘FPSO。作業(yè)在中海油與CACT集團(tuán)合作開(kāi)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(wàn)t FPSO,由新加坡船廠改裝完成。注冊(cè)于美國(guó)船級(jí)社(ABS),作業(yè)者是CACT作業(yè)者集團(tuán),停泊于中國(guó)南海海域。
該船船長(zhǎng)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(hào)”FPSO作業(yè)在惠州海域的8個(gè)油田包圍的海域之中,負(fù)責(zé)8個(gè)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(hào)”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(chǎng)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(jī)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(méi)有安裝相應(yīng)的防雷設(shè)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(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有維護(hù)已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕,其他高聳的金屬構(gòu)件均沒(méi)有安裝避雷針進(jìn)行保護(hù);生活作業(yè)區(qū)頂部的雷達(dá)、高頻天線等通訊設(shè)備的天線也沒(méi)有安裝避雷針保護(hù)。
雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jí)規(guī)范》及《風(fēng)險(xiǎn)管理》GB/T 21714.2等。
對(duì)任何物體進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí),其附近的雷電活動(dòng)規(guī)律都是影響雷擊風(fēng)險(xiǎn)的重要因子。該雷電活動(dòng)規(guī)律包含了當(dāng)?shù)氐穆淅赘怕?地閃次數(shù))、雷電流的能量分布、雷電活動(dòng)頻繁的月份、時(shí)段等。美國(guó)宇航局OTD和LIS聯(lián)合觀測(cè)的1995-04~2003-02全球雷電地閃密度分布見(jiàn)力圖1。
由圖1可見(jiàn),全球雷暴活動(dòng)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(dòng)最少的區(qū)域則是海洋區(qū)域和極地區(qū)域。雷電探測(cè)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(qiáng)烈上升的暖濕空氣決定的。由于水的比熱容要遠(yuǎn)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(hào)作業(yè)的海洋區(qū)域落雷密度并不高,從雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”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(lái)自美國(guó)宇航局OTD和LIS聯(lián)合觀測(cè)的1995-04~2003-02全球雷電地閃密度分布
將“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO及其周?chē)?個(gè)海上采油平臺(tái)的經(jīng)緯度分別在Google 衛(wèi)星地圖上定位,見(jiàn)圖2。
圖2 “南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO及其周?chē)?個(gè)海上采油平臺(tái)衛(wèi)星定位
從圖2可見(jiàn),HZ21-1A和HZ21-1B平臺(tái)離“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”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(guó)家雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)2010年1~9月份“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO周?chē)? km的雷電活動(dòng)資料,5月份開(kāi)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)地閃;9月份發(fā)生地閃8次,平均雷電流為72.7 kA,均為負(fù)地閃。
分析上面數(shù)據(jù),“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的雷暴活動(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于雷暴活動(dòng)頻繁的月份。從總地閃次數(shù)來(lái)看,海面上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陸地上的,但是雷電流的平均能量達(dá)到了80.6 kA,卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地,這是因?yàn)樵诤Q笊峡眨貏e是熱帶海域的積雨云厚度可達(dá)兩萬(wàn)米以上,其雷暴云所帶的電荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面雷暴云所帶電荷。因此,放電的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地。
因此,“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”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(yán)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(xiǎn)些釀成大禍。
鑒于“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO自身結(jié)構(gòu)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(hào)”上的設(shè)施情況有關(guān)。凡是有利于雷云與“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”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(gòu)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(huì)含有導(dǎo)電粒子和游離氣團(tuán),它們比一般的空氣易于導(dǎo)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(hào)”FPSO的結(jié)構(gòu)及其附屬構(gòu)件條件有關(guān)。由于“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO本身是全鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的船體,相對(duì)于廣闊的海面,在靜電感應(yīng)的作用下可以感應(yīng)出更多的電荷,從而建立起很強(qiáng)的電場(chǎng),而附屬在上面突出的金屬構(gòu)件附近的電場(chǎng)畸變更嚴(yán)重,因此更容易遭受雷擊。
綜上所述,“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO駕駛艙平臺(tái)上很多孤立分置的通信、導(dǎo)航、雷達(dá)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(fēng)險(xiǎn)級(jí)別要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它區(qū)域,因此,這些部位是雷擊防護(hù)的重點(diǎn)部位,應(yīng)特別注意,見(jiàn)圖3。
圖3 “南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO存在潛在雷擊風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域(圓圈所在的區(qū)域)
“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO相當(dāng)于一個(gè)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(shí)可能遭受來(lái)自雷電兩方面的破壞。
1)直擊雷。可能對(duì)生產(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(zāi)。
2)雷電感應(yīng)。雖然船體屬于鋼制結(jié)構(gòu),各種線纜均穿金屬管敷設(shè),但是由于雷電感覺(jué)的作用,雷電流產(chǎn)生的瞬間雷電電磁脈沖仍然會(huì)通過(guò)空間耦合對(duì)“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”上的儀器儀表等造成破壞。
因此,必須對(duì)上述存在潛在雷擊危險(xiǎn)的區(qū)域采取重點(diǎn)的雷電防護(hù)措施,將雷電對(duì)“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的破壞降到最低點(diǎn)。
雷電直接擊在“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO上時(shí)產(chǎn)生的熱破壞效應(yīng)和電動(dòng)力效應(yīng)均會(huì)對(duì)其造成破壞。
1)熱效應(yīng)。遭受直擊雷時(shí),強(qiáng)大的雷電流從雷擊點(diǎn)注人被擊物體,所產(chǎn)生的熱量能夠在雷擊點(diǎn)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(shí)間t內(nèi)的積分來(lái)估算[2]:
(1)
式中:Uar——金屬物體上雷擊點(diǎn)處電弧壓降,其經(jīng)驗(yàn)值取20~30 V;
i——從雷擊點(diǎn)注入的雷電流,kA。
電荷量Q與雷電流i之間存在下列關(guān)系:
(2)
因此,式(1)可以簡(jiǎn)化為Wm=103QUar,取Uar=30 V,Q取一類(lèi)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(dá))后,雷電流將強(qiáng)行從雷擊點(diǎn)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(diǎn)注入的雷電流,kA。
由于雷電流作用的時(shí)間很短,在計(jì)算雷擊對(duì)金屬或非金屬物體所造成的溫升Δθ時(shí),可以忽略散熱的影響。
(4)
式中:m——質(zhì)量;
c——比熱容。
2)電動(dòng)力效應(yīng)。雷電流通過(guò)直立金屬棒時(shí),會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng),處在該電磁場(chǎng)中的金屬棒內(nèi)由于存在電流,會(huì)受到安培力的作用,該安培力可能導(dǎo)致一些金屬構(gòu)件發(fā)生扭曲,對(duì)船體上工藝裝置的結(jié)構(gòu)造成破壞。
雷電感應(yīng)對(duì)“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的破壞主要體現(xiàn)在雷電波沿通信天線侵入到設(shè)備、雷電電磁脈沖(LEMP)在開(kāi)口環(huán)上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),從而導(dǎo)致電火花的產(chǎn)生,對(duì)于爆炸危險(xiǎn)氣體的環(huán)境存在極大的爆炸和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。
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(dá)處于直擊雷非防護(hù)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(shè)備,從而導(dǎo)致通訊設(shè)備損壞。
假設(shè)開(kāi)口環(huán)的尺寸為5 m×5 m,波頭時(shí)間2.5 μs,雷電流峰值100 kA,在距離雷擊點(diǎn)200 m時(shí)也可以感應(yīng)到1 kV左右的電壓,在海面潮濕的環(huán)境下,零點(diǎn)幾毫米的氣隙可能被擊穿,產(chǎn)生有害的火花,從而對(duì)易燃易爆環(huán)境構(gòu)成威脅。
對(duì)“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的目的是為了評(píng)價(jià)現(xiàn)有狀態(tài)下是否存在雷擊風(fēng)險(xiǎn),一旦發(fā)生雷擊,產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)是否在“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO可接受的風(fēng)險(xiǎn)范圍之內(nèi),如果超出了風(fēng)險(xiǎn)容許值的范圍,應(yīng)該采取相應(yīng)的防雷措施來(lái)降低這種風(fēng)險(xiǎn),確保安全。本評(píng)估參考了GB/T 21714.2 介紹的方法,并結(jié)合油船的特殊性,對(duì)一些因子和風(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)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(guò)程中,雷擊引起的損害類(lèi)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(lèi)損害,不論是單獨(dú)出現(xiàn)還是與其它損害共同出現(xiàn),會(huì)在被保護(hù)對(duì)象中產(chǎn)生不同的損失,可能出現(xiàn)的損失類(lèi)型取決于需要保護(hù)對(duì)象本身的特性及其內(nèi)存物,因此,南海發(fā)現(xiàn)號(hào)應(yīng)考慮以下幾種類(lèi)型的損失:人身傷亡損失L1;船體服務(wù)設(shè)施損失L2;經(jīng)濟(jì)損失L3。
風(fēng)險(xiǎn)是雷電造成的年平均可能損失(人和物)與需要保護(hù)對(duì)象(人和物)的總價(jià)值之比,南海發(fā)現(xiàn)號(hào)可能出現(xiàn)的損失應(yīng)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。
人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)R1;服務(wù)設(shè)施損失風(fēng)險(xiǎn)R2;經(jīng)濟(jì)損失R3。
6.2.1 直接雷擊船體引起的船體的風(fēng)險(xiǎn)分量
RA:雷擊點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)。
RB:“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”上因危險(xiǎn)電火花觸發(fā)火災(zāi)或爆炸引起物理?yè)p害的風(fēng)險(xiǎn)分量。
RC:因LEMP造成內(nèi)部系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。會(huì)產(chǎn)生L2和L3類(lèi)的損失,在具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)還可以產(chǎn)生L1類(lèi)的損失。
6.2.2 雷擊船體附近時(shí)引起的船體風(fēng)險(xiǎn)分量
RM:因LEMP引起內(nèi)部系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)分量。會(huì)產(chǎn)生L2和L3類(lèi)的損失,在具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)還可以產(chǎn)生L1類(lèi)的損失。
人身傷害風(fēng)險(xiǎn)的分量[3]為RA=ND×PA×LA;
物理?yè)p害的風(fēng)險(xiǎn)分量為RB=ND×PB×LB;
內(nèi)部系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)分量為RC=ND×PC×LC;
人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)為R1=RA+RB+RC+RM;
服務(wù)設(shè)施損失風(fēng)險(xiǎn)為R2=RB+RC+RM;
經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)為R3=RA+RB+RC+RM。
雷擊產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)分量如下。
內(nèi)部系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)分量RM=NM×PM×LM;
雷擊“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的危險(xiǎn)次數(shù)ND為
ND=Ng×Ad×Cd×10-6
(5)
式中:Ng——雷擊“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的密度;
Ad——“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的截收面積;
Cd——“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的位置因子。
年平均危險(xiǎn)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(hào)”FPSO附近的截收面積。
為減小“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的經(jīng)濟(jì)損失R3,估算采取防護(hù)措施時(shí)的成本效益是有用的。R3的評(píng)估對(duì)象可以是“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”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(jì)算采取防護(hù)措施之前及之后所造成的損失代價(jià)CL及CRL
C=RA×CA+RB×(CA+CB+CS+CC)+
(RC+RM)×CS
(7)
式中:CA——人員的價(jià)值;
CS——“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO內(nèi)部系統(tǒng)的價(jià)值;
CB——“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的價(jià)值;
CC——“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO內(nèi)存物的價(jià)值。
通過(guò)以下公式計(jì)算防護(hù)措施的年均花費(fèi)。
CPM=CP×(i+a+m)
(8)
式中:CP——防護(hù)措施的成本;
i——利率;
a——防護(hù)措施的折舊率;
m——維護(hù)費(fèi)用。
若CL-(CPM+CRL)>0,采取防護(hù)措施時(shí)經(jīng)濟(jì)是合理的。
每年因此而減小的費(fèi)用支出S為
S=CL-(CPM+CRL)
(9)
所有參與計(jì)算的因子應(yīng)由“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的擁有者給出。
風(fēng)險(xiǎn)容許值是指“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO可以接受的雷擊風(fēng)險(xiǎn)值,在該值范圍內(nèi)認(rèn)為是安全的,評(píng)估結(jié)果超過(guò)此值時(shí)應(yīng)采用相應(yīng)的措施來(lái)降低相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。
容許值與存在的風(fēng)險(xiǎn)值是對(duì)應(yīng)的,其容許值也包括人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn),服務(wù)設(shè)施損失風(fēng)險(xiǎn),經(jīng)濟(jì)損失等,用RT表示容許值。
容許值同防護(hù)措施的成本效益一樣,由“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的擁有者給出。
本文通過(guò)分析影響“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO雷擊風(fēng)險(xiǎn)的各種因素,試圖對(duì)其做出全面的分析,找出影響風(fēng)險(xiǎn)的每類(lèi)因子,為海上船只的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。
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