沈寰 石烜 苑世寧

摘 要：筆者依據(jù)GB/T21714.2-2008有關(guān)建筑物雷擊風(fēng)險評估的理論，結(jié)合海上自升式鉆井平臺的現(xiàn)場調(diào)研情況，提出了適用于自升式鉆井平臺的雷擊風(fēng)險評估方法。這套方法對其他鉆井平臺、油氣生產(chǎn)平臺、FPSO等海上油氣設(shè)施也具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：鉆井平臺 雷擊 風(fēng)險評估 防護(hù)措施

中圖分類號：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（c）-0040-03

隨著我國海洋石油勘探開發(fā)事業(yè)的快速發(fā)展，海上設(shè)施不斷增多，各種弱電設(shè)備也被大量投入使用。近年來，隨著全球氣候變化影響，雷暴天氣增多，導(dǎo)致這些海上設(shè)備設(shè)施頻繁遭受雷電災(zāi)害，已威脅到人員和設(shè)備安全，對正常生產(chǎn)作業(yè)帶來一定的影響。

自升式海上鉆井平臺是一種用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物，由平臺、樁腿和升降機(jī)構(gòu)組成，并裝備鉆井、動力、通訊、導(dǎo)航等設(shè)備。據(jù)不完全統(tǒng)計，近十年來，中國海油已有十多座自升式鉆井平臺遭受不同程度的雷電災(zāi)害，造成頂驅(qū)編碼器、電子司鉆服務(wù)器、頂驅(qū)變頻器內(nèi)部電路板、鉆井儀表主機(jī)、視頻監(jiān)控設(shè)備、氣體監(jiān)測裝置等關(guān)鍵設(shè)備損壞，造成數(shù)十小時的故障停機(jī)以及一定的直接經(jīng)濟(jì)損失。

為了有效減少自升式鉆井平臺遭受的雷災(zāi)損失，應(yīng)正確開展防雷設(shè)計和施工工作。而防雷設(shè)計施工的前提，就是通過開展雷電災(zāi)害風(fēng)險評估，確定平臺是否需要防雷以及需要怎樣的防雷措施，確保防雷設(shè)計施工安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。該文中，筆者結(jié)合自升式鉆井平臺的現(xiàn)場調(diào)研情況以及GB/T21714.2-2008針對建筑物的雷擊風(fēng)險評估理論，提出了海上自升式鉆井平臺的雷擊風(fēng)險評估方法。

1 調(diào)研平臺簡介

實(shí)地調(diào)研的是一座典型的自升式鉆井平臺——中海油服所屬的BH10平臺，由新加坡馬拉松船廠制造。該平臺注冊于由美國船級社（ABS），主要在我國渤海海域開展鉆探井作業(yè)。

該平臺如圖1所示，由一個焊接的鋼質(zhì)單層船體組成，船殼外形大致為三角形，具有三根橇架式樁腿，每根樁腿端有一個樁靴。該平臺總長64.72 m，寬53.65 m，型深6.10 m，井架長度44.2 m，樁腿總長109.83 m，平臺凹槽12.19 m×15.8 m，樁靴直徑12.19 m，樁靴高度6.52 m，樁靴面積147.25 m2，直升飛機(jī)平臺直徑21.34 m，最大懸臂長度12.19 m，轉(zhuǎn)盤面至船底16.67 m。

2 調(diào)研平臺現(xiàn)有防雷措施及缺陷

BH10平臺現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，平臺井架、船身和樁腿可作為優(yōu)良的直擊雷接閃和泄放裝置；（1）發(fā)電機(jī)輸出端配有高壓防浪涌裝置，然而弱電系統(tǒng)的防雷措施還很不完善：平臺線路大多露天布設(shè)或走半開放式橋架，屏蔽措施不符合防雷要求；（2）頂驅(qū)電磁閥和編碼器、頂驅(qū)變頻器、司鉆控制臺、鉆井儀表、鉆井儀表控制設(shè)備、各現(xiàn)場傳感器、視頻監(jiān)控等均未采取浪涌抑制措施，等等。

3 風(fēng)險評估

對自升式鉆井平臺進(jìn)行雷擊風(fēng)險評估，是為了評估平臺在現(xiàn)有防雷措施下的雷災(zāi)風(fēng)險是否超出可接受的風(fēng)險范圍。如果雷災(zāi)風(fēng)險超出風(fēng)險允許值，應(yīng)采取相應(yīng)的防雷措施降低該風(fēng)險。

3.1 風(fēng)險組成

雷電流是引起自升式鉆井平臺雷電災(zāi)害的主要原因，損害成因根據(jù)雷擊點(diǎn)位置的不同可分為以下兩種。

（1） S1，雷擊平臺自身；

（2） S2，雷擊平臺附近區(qū)域。

上述形式的雷電影響可對自升式鉆井平臺產(chǎn)生以下?lián)p害。

（1） D1，雷擊對作業(yè)人員造成的傷害；

（2） D2，雷擊對平臺設(shè)備設(shè)施造成的物理傷害；

（3） D3，雷擊對電氣電子設(shè)備造成的誤動作或損壞。

每種損害，不論單獨(dú)出現(xiàn)或與其他損害共同作用，會在自升式鉆井平臺產(chǎn)生以下各種損失。

（1） L1，人員傷亡損失；

（2） L2，平臺供電、信號傳輸?shù)戎袛嗟膿p失；

（3） L4，經(jīng)濟(jì)損失（設(shè)備設(shè)施失效或永久損壞）。

雷電風(fēng)險是由雷擊造成的年均可能損失與需要保護(hù)對象總價值的比值，為了評估自升式鉆井平臺遭受雷電影響時可能出現(xiàn)的各種損失的概率，應(yīng)計算人員傷亡損失風(fēng)險R1、平臺供電及信號傳輸?shù)戎袛嗟娘L(fēng)險R2以及經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險R4。

3.2 風(fēng)險分量

對于自升式鉆井平臺來說，應(yīng)加以考慮取決于雷擊點(diǎn)位置的下列風(fēng)險分量：

（1） 雷擊平臺自身。

RA：在平臺外部甲板上，由接觸和跨步電壓導(dǎo)致對人員傷害的風(fēng)險分量?？赡軙霈F(xiàn)L1的損失類型；

RB：在平臺上由危險火花引發(fā)的火災(zāi)或爆炸引起設(shè)備設(shè)施物理損害的風(fēng)險分量?？赡軙霈F(xiàn)L1，L2，L4的損失類型；

RC：因雷電電磁脈沖引起的平臺電氣電子設(shè)備失效的風(fēng)險分量。在任何情況下都會涉及L2和L4的損失，對于有爆炸危險的區(qū)域，L1損失也要加以考慮；

RU：平臺內(nèi)部由于接觸和跨步電壓導(dǎo)致的對人員傷害的風(fēng)險分量。這是由于雷電流注入電力、信號等線路引起的，可能會出現(xiàn)L1損失；

RV：因雷電流通過或沿著電力、信號等線路導(dǎo)入所致的平臺設(shè)備設(shè)施物理損害的風(fēng)險分量，可能會出現(xiàn)L1，L2，L4損失；

RW：因電力、信號等線路中感應(yīng)產(chǎn)生并導(dǎo)入平臺內(nèi)部的感應(yīng)過電壓引起電氣電子設(shè)備失效的風(fēng)險分量。在任何情況下，L2和L4損失都會涉及，對于有爆炸危險的區(qū)域，L1損失也要加以考慮。

（2）雷擊平臺附近區(qū)域。

RM：因雷電電磁脈沖引起的平臺電氣電子設(shè)備失效的風(fēng)險分量。在任何情況下都會涉及L2和L4損失，對于有爆炸危險的區(qū)域，L1損失也要加以考慮；

RZ：因電力、信號等線路中感應(yīng)產(chǎn)生并導(dǎo)入平臺內(nèi)部的感應(yīng)過電壓引起的電氣電子設(shè)備失效的風(fēng)險分量。在任何情況下，L2和L4損失都會涉及。對于有爆炸危險的區(qū)域，L1損失也要加以考慮。

3.3 風(fēng)險計算

各個風(fēng)險分量可用以下通用表達(dá)式來表示（3）：

RX=NXPXLX（X=A，B…）

式中，Nx為年均危險雷擊次數(shù)，Px表示年均雷擊損害概率，Lx表示每次雷擊損害導(dǎo)致的損失率。

（1） 雷擊平臺自身產(chǎn)生的各個風(fēng)險分量計算：

RA=NDPALA= NDPAraLt

RB=NDPBLB=NDPBrhrfLf

RC=NDPCLC= NDPCLO

RU=（NL+NDa）PULU=（NL+NDa）PUraLt

RV=（NL+NDa）PVLV=（NL+NDa）PVrhrfLf

RW=（NL+NDa）PWLW=（NL+NDa）PWLO

（2） 雷擊平臺附近區(qū)域產(chǎn)生的的各個風(fēng)險分量計算

RM=NMPMLM=NMPMLO

RZ=（NI+NL）PZLZ=（NI-NL）PZLO

3.4 風(fēng)險評估步驟

（1） 評估自升式鉆井平臺是否需要防雷的具體步驟。

評估自升式鉆井平臺是否需要防雷時，應(yīng)考慮風(fēng)險R1、R2并采取以下步驟（圖2）：

（2） 評估自升式鉆井平臺采取保護(hù)措施成本效益的步驟。

除了對自升式鉆井平臺是否需防雷的評估外，也有必要對減少經(jīng)濟(jì)損失L4而采取防雷措施的成本效益做出評估（圖3）。

（3） 防雷措施的選取。

依據(jù)GB/T21714.3、GB/T21714.4、GB/T21714.5，按照雷電損害類型選擇防護(hù)措施以相應(yīng)地降低風(fēng)險。對自升式鉆井平臺進(jìn)行防雷設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)每一風(fēng)險分量在總風(fēng)險中所占比例并考慮各種不同保護(hù)措施的技術(shù)可行性及造價，單獨(dú)或組合采用最合適的防護(hù)措施。（圖4）。

4 結(jié)語

為了確保海上自升式鉆井平臺防雷設(shè)計施工安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，筆者根據(jù)鉆井平臺調(diào)研的實(shí)際情況并結(jié)合GB/T21714.2-2008的理論，制定了一套切實(shí)可行的自升式鉆井平臺雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法，為類似海上設(shè)施的雷電災(zāi)害風(fēng)險評估提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國船級社.海上移動平臺入級規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2] SH/T3164-2012 石油化工儀表系統(tǒng)防雷工程設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[3] GB/T21714.2-2008雷電防護(hù) 第2部分：風(fēng)險管理[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.