張志華，吳奇兵，肖軍詩(shī)，李東杰

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459；2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450）

1 引言

冷放空系統(tǒng)是海上平臺(tái)生產(chǎn)設(shè)施中非常重要的安全系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響平臺(tái)的生產(chǎn)和安全[1]。目前海上平臺(tái)冷放空口容易被雷擊中起火，對(duì)海上油氣生產(chǎn)造成重大安全隱患，如果產(chǎn)生回火，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致平臺(tái)火災(zāi)爆炸。前期學(xué)者[2-5]已經(jīng)對(duì)天然氣運(yùn)輸管線及其他石油設(shè)備的防雷擊問(wèn)題進(jìn)行了系列研究：董紅軍對(duì)輸氣管道閥室進(jìn)行了技術(shù)改造，并介紹了干線管道對(duì)閥室接地網(wǎng)絕緣性的檢測(cè)方法[6]；吳曉偉對(duì)PNG分輸清管站進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定了其風(fēng)險(xiǎn)水平[7]；施銳對(duì)天然氣井站安裝的放空火炬發(fā)生雷擊原因進(jìn)行了分析，并提出了防雷安裝規(guī)范要求及建議[8]。但針對(duì)海上平臺(tái)冷放空口的防雷擊起火研究還較為少見。因此，本文對(duì)海上平臺(tái)冷放空管進(jìn)行了技術(shù)改造，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了改造前后冷放空口被雷擊中的概率，對(duì)改造效果進(jìn)行了驗(yàn)證。本文的研究成果可以為海上平臺(tái)冷放空管的改造設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)，有助于海上平臺(tái)防雷電安全運(yùn)行水平的提高。

2 冷放空管防雷擊分析及改造

海上生產(chǎn)設(shè)施冷放空為低壓天然氣密封氣的排放口，處于平臺(tái)較高位置，斷續(xù)有天然氣排放出來(lái)，當(dāng)遇到雷電惡劣天氣時(shí)，若雷電正好擊中正在排氣的冷放空口，瞬間數(shù)千攝氏度的高溫，足以使冷放空排出的天然氣被引燃。即使冷放空管處在井架和火炬的保護(hù)范圍內(nèi)，由于雷電向下延伸路徑方向受很多偶然因素的影響，也不能保證冷放空管絕對(duì)不遭受雷擊，冷放空管仍有可能受到雷擊（在此情況下遭受雷擊的概率稱為繞擊率）。而且冷放空管排放的氣體不一定只有正好擊中放空管才能引燃，若氣體濃度達(dá)到一定濃度，雷電即使落在冷放空管附近，流光也可能引燃冷放空管排放的氣體。

為防止冷放空口雷擊后起火，通過(guò)分析防雷標(biāo)準(zhǔn)、雷擊起火案例和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，提出了將海上平臺(tái)冷放空直管口垂直結(jié)構(gòu)改造成水平結(jié)構(gòu)再加裝避雷針的設(shè)想，并通過(guò)室內(nèi)物模實(shí)驗(yàn)對(duì)改造效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用的冷放空管為鍍鋅鋼管，規(guī)格為DN125（5英寸管）。在垂直結(jié)構(gòu)中，冷放空管高度為3m。在水平+避雷針結(jié)構(gòu)中，冷放空管的垂直部分高度為2m，水平部分長(zhǎng)度為1m。連接彎頭采用鋼材質(zhì)，角度為90°，通過(guò)焊接將冷放空管的垂直部分與水平部分相連。實(shí)驗(yàn)采用的避雷針為不銹鋼鋼管，規(guī)格為DN15，高度為4.25m，頂部為針尖結(jié)構(gòu)。

用來(lái)模擬平臺(tái)火炬臂的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用與地面成45°斜角的金屬樓梯，最高處的臺(tái)階距離地高度為3m，兩邊裝有金屬扶手高度為0.5m，扶手之間寬度為1m。

（1）垂直結(jié)構(gòu)雷擊模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備

垂直結(jié)構(gòu)雷擊模擬實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。冷放空管垂直架設(shè)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)離地高度為1m處的臺(tái)階上。甲烷罐經(jīng)過(guò)10m長(zhǎng)的氣管與冷放空管底部相連。通氣時(shí)，罐體出口處壓強(qiáng)維持在0.24MPa。高壓棒狀放電電極懸掛于冷放空直管口斜上方，到地面垂直距離5m，到冷放空管軸心的水平距離為1m。沖擊電壓發(fā)生器的輸出接到高壓棒狀放電電極，冷放空管及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接地。

圖1 垂直結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)布置圖

（2）水平+避雷針結(jié)構(gòu)雷擊模擬實(shí)驗(yàn)

水平+避雷針結(jié)構(gòu)雷擊模擬實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示。冷放空管的垂直部分架設(shè)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)離地高度為1m處的臺(tái)階上，水平部分管口朝向?qū)嶒?yàn)平臺(tái)。避雷針高度為4.25m，架設(shè)在距離冷放空管垂直部分0.5m處。甲烷罐經(jīng)過(guò)10m長(zhǎng)的氣管與冷放空管底部相連。通氣時(shí)，罐體出口處壓強(qiáng)維持在0.24MPa。高壓棒狀放電電極懸掛于冷放空直管口斜上方，到地面垂直距離6.25m，到避雷針頂端的水平距離為1m。沖擊電壓發(fā)生器的輸出接到高壓棒狀放電電極，冷放空管及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接地。

圖2 水平+避雷針結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)布置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用3 000kV沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)極性1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形來(lái)模擬雷擊。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)沖擊電壓發(fā)生器確保每次放電都能將空氣間隙擊穿。

對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)的雷擊模擬實(shí)驗(yàn)，考慮到試品布置的特殊性及實(shí)際的天氣情況，實(shí)驗(yàn)分為在無(wú)風(fēng)及有風(fēng)2種情況。每種情況實(shí)際下進(jìn)行30次放電，記錄冷放空管被雷電擊中的次數(shù)和著火次數(shù)。

在進(jìn)行水平+避雷針結(jié)構(gòu)雷擊模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，考慮到試品布置的特殊性及實(shí)際的天氣情況，實(shí)驗(yàn)分為放電電極在平臺(tái)側(cè)（無(wú)風(fēng)）、放電電極在平臺(tái)側(cè)（有風(fēng)）、放電電極在火炬?zhèn)龋o(wú)風(fēng)）和放電電極在火炬?zhèn)龋ㄓ酗L(fēng)）共4種情況下進(jìn)行。每種情況實(shí)際下進(jìn)行15次放電，記錄冷放空管被雷電擊中的次數(shù)和著火次數(shù)。

每次放電實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）按實(shí)驗(yàn)布置圖進(jìn)行接線；

（2）根據(jù)無(wú)風(fēng)/有風(fēng)條件關(guān)閉/打開鼓風(fēng)機(jī)；

（3）如是有風(fēng)條件，則測(cè)量并記錄冷放空口附近的風(fēng)速；

（4）檢查接線正確性后取下接地棒；

患者出血以后，醫(yī)生需要及時(shí)取冷凍血漿為患者輸入治療。取患者2 mL靜脈血待檢，完成離心操作以后，使用分析儀展開凝血檢測(cè)，完成輸血治療以后需要檢查患者的凝血功能指標(biāo)，并且對(duì)患者的不良反應(yīng)發(fā)生情況進(jìn)行記錄與觀察。

（5）警鈴示警，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人后打開沖擊電壓發(fā)生器控制臺(tái)電源；

（6）操作沖擊電壓發(fā)生器緩慢進(jìn)行充電，等電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓時(shí)，打開甲烷氣瓶開關(guān)對(duì)冷放空管進(jìn)行通氣，通氣約為10s；

（7）打開攝影及錄像設(shè)備，觸發(fā)沖擊電壓發(fā)生器進(jìn)行放電；

（8）記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（9）重復(fù)步驟6）～8），直至全部實(shí)驗(yàn)完成；

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 垂直結(jié)構(gòu)雷擊模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在無(wú)風(fēng)的情況下，對(duì)于負(fù)極性1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形，現(xiàn)有垂直結(jié)構(gòu)中冷放空口的擊中次數(shù)為30次（概率100%）（見圖3），引燃次數(shù)為29次（概率96.7%）；在有風(fēng)的情況下，實(shí)測(cè)冷放空口附近風(fēng)速約為3.5m/s。對(duì)于負(fù)極性1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形，現(xiàn)有垂直結(jié)構(gòu)中冷放空口的擊中次數(shù)為30次（概率100%），引燃次數(shù)為28次（概率93.3%）。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，對(duì)于負(fù)極性1.2/50s標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形，無(wú)論無(wú)風(fēng)還是有微風(fēng)，現(xiàn)有垂直結(jié)構(gòu)中冷放空口的擊中概率為100%，引燃概率均大于90%。

圖3 冷放空口被擊中且被引燃

4.2 水平+避雷針結(jié)構(gòu)雷擊模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)放電電極在平臺(tái)側(cè)時(shí)，如果無(wú)風(fēng)，對(duì)于負(fù)極性1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形，冷放空彎管的擊中次數(shù)為0次（概率0），全部都落在彎管頂部，引燃次數(shù)為0次（概率0）；如果有風(fēng)，實(shí)測(cè)冷放空口附近風(fēng)速約為3.5m/s。對(duì)于負(fù)極性1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形，冷放空彎管的擊中次數(shù)為0次（概率0），全部都落在彎管頂部，引燃次數(shù)為0次（概率0）。

當(dāng)放電電極在火炬?zhèn)葧r(shí)，如果無(wú)風(fēng)，對(duì)于負(fù)極性1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形，冷放空彎管的擊中次數(shù)為0次（概率0），全部都落在彎管頂部，引燃次數(shù)為0次（概率0）；如果有風(fēng)且實(shí)測(cè)冷放空口附近風(fēng)速約為3.5m/s。對(duì)于負(fù)極性1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形，冷放空彎管的擊中次數(shù)為0次（概率0），全部都落在彎管頂部，引燃次數(shù)為0次（概率0）。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果看以看到，對(duì)于負(fù)極性1.2/50s標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波形，無(wú)論放電電極是在平臺(tái)側(cè)還是在火炬?zhèn)?，無(wú)論無(wú)風(fēng)還是有微風(fēng)，改造后的水平+避雷針結(jié)構(gòu)中冷放空口的擊中概率為0，引燃概率也為0。

5 結(jié)論

1）將海上平臺(tái)冷放空直管口垂直結(jié)構(gòu)改造成水平結(jié)構(gòu)再加裝避雷針之后，被雷擊的概率從100%降低到0%，擊中后起火的概率也從大于90%降到0%，使得冷放空口改造很好的起到了防雷擊起火的效果。

2）實(shí)現(xiàn)了對(duì)海上平臺(tái)冷放空口的雷擊起火實(shí)驗(yàn)?zāi)M，所建立的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法可用于分析不同的冷放空管結(jié)構(gòu)對(duì)冷放空口被擊中引燃的影響，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)冷放空管的改造設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義，有助于海上平臺(tái)防雷電安全運(yùn)行水平的提高。