李文凱

摘 要：浮頂儲(chǔ)罐作為石油存儲(chǔ)的主要裝置，常年暴露于空氣下，容易遭到雷電襲擊，從而導(dǎo)致火災(zāi)事故發(fā)生，必然會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，所以浮頂儲(chǔ)罐的危險(xiǎn)性非常大，需要做好安全評(píng)價(jià)，從而避免浮頂儲(chǔ)罐受到雷擊的嚴(yán)重影響。文章首先對(duì)浮頂儲(chǔ)罐雷擊火災(zāi)分析，分析其油氣泄漏原因，主要原因在于浮頂儲(chǔ)罐的密封存在問題，雷電擊中后更容易發(fā)生火災(zāi)事故。然后還對(duì)浮頂儲(chǔ)罐遭受雷擊之后發(fā)生火災(zāi)事故的原理進(jìn)行了分析。最后對(duì)浮頂儲(chǔ)罐的安全評(píng)價(jià)進(jìn)行分析，使用的方式為模糊綜合評(píng)判方法，能夠更準(zhǔn)確的計(jì)算出各種指標(biāo)對(duì)浮頂儲(chǔ)罐安全性的影響程度，在后續(xù)浮頂儲(chǔ)罐的管理中可以根據(jù)安全評(píng)價(jià)作出更加合理的解決方案。

關(guān)鍵詞：浮頂儲(chǔ)罐;雷擊;火災(zāi);安全評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TE88 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）07-0149-04

Analysis and Safety Evaluation of Lightning Strike Fire of Floating Roof Tank

Li Wenkai

（Qinghai? Province Chemical Design and Research Institute Co.， Ltd.， Xining 810000， China）

Abstract：As the main device for oil storage， floating roof storage tanks are exposed to the air all year round and are easily attacked by lightning， which will lead to fire accidents and will inevitably cause a lot of economic losses and casualties. Therefore， the risk of floating roof storage tanks is very high， and safety evaluation needs to be done to prevent floating roof storage tanks from being seriously affected by lightning strikes. The paper first analyzes the lightning fire of floating roof storage tanks and analyzes the causes of oil and gas leakage. The main reason is that there are problems with the sealing of floating roof storage tanks. Fire accidents are more likely to occur after lightning strikes. Then it analyzes the principle of fire accidents after the floating roof tank is struck by lightning. Finally， the safety evaluation of floating roof storage tanks is analyzed， and the method used is fuzzy comprehensive evaluation method， which can more accurately calculate the degree of influence of various indicators on the safety of floating roof storage tanks. In the follow-up management of floating roof storage tanks， more reasonable solutions can be made based on safety evaluation.

Key words：floating roof storage tank; lightning strike; fire; safety evaluation

石油儲(chǔ)備具有重要意義，任何國家和社會(huì)都需要對(duì)石油進(jìn)行儲(chǔ)備，從而保證石油能夠順利供應(yīng)。然而石油在存儲(chǔ)過程中容易發(fā)生各種安全事故，所以安全存儲(chǔ)石油相當(dāng)重要。當(dāng)前，存儲(chǔ)石油的裝置主要以浮頂儲(chǔ)罐為主，該裝置會(huì)直接建在室外，浮盤面積較大，這樣長期暴露于室外，其安全性會(huì)受到各種因素的影響，尤其是常年受到雷擊，浮頂儲(chǔ)罐如果存在泄漏情況，遇到雷擊之后容易引起浮頂儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)事故[1-3]。在有關(guān)記載中表明儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)事故，其中60%是因?yàn)槔纂娝l(fā)[3]。所以有必要對(duì)浮頂儲(chǔ)罐雷擊火災(zāi)進(jìn)行分析，對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而提高浮頂儲(chǔ)罐的安全性。

1 浮頂儲(chǔ)罐雷擊火災(zāi)分析

1.1 浮頂儲(chǔ)罐油氣泄漏分析

浮頂儲(chǔ)罐作為大型的油氣存儲(chǔ)裝置，具有非常大的危險(xiǎn)性，容易受到雷電影響而引起火災(zāi)事故，將會(huì)造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。保證浮頂儲(chǔ)罐油氣不會(huì)發(fā)生泄漏能夠降低其火災(zāi)事故發(fā)生，但是當(dāng)前使用的浮頂儲(chǔ)罐很多都是外浮頂結(jié)構(gòu)，于是在設(shè)計(jì)過程中浮盤和灌體之間需要使用密封裝置進(jìn)行密封。在進(jìn)行密封操作時(shí)，如果存在疏忽、操作不當(dāng)?shù)牡胤?，可能就?huì)存在油氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，或者在對(duì)浮頂儲(chǔ)罐進(jìn)行維護(hù)時(shí)，沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，也可能導(dǎo)致油氣泄漏;而且也存在某些介質(zhì)會(huì)腐蝕浮盤和灌壁，從而導(dǎo)致其形狀出現(xiàn)變化，所以很多原因都有可能造成油氣泄漏。當(dāng)雷電正好擊中泄漏部位時(shí)，就非常容易引發(fā)火災(zāi)。

1.2 雷擊放電對(duì)浮頂儲(chǔ)罐的影響分析

防止浮頂儲(chǔ)罐受到雷擊使用傳統(tǒng)的方式是設(shè)置接閃桿，雖然能夠?qū)⒗纂娨浇娱W桿上，但是雷電經(jīng)過時(shí)，接閃桿周圍會(huì)存在很強(qiáng)的電場(chǎng)分布，有學(xué)者對(duì)其周圍10m的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得到如圖1和圖2所示電場(chǎng)分布，表明其電場(chǎng)強(qiáng)度還比較大，而且還會(huì)存在感應(yīng)過電壓，會(huì)引起金屬間隙之間火花放電[5]。當(dāng)油氣灌存在泄漏情況時(shí)，就會(huì)引發(fā)火災(zāi)事故;而且浮頂儲(chǔ)罐的面積較大，接閃桿可能無法覆蓋所有面積，還會(huì)存在引雷風(fēng)險(xiǎn)，甚至有的雷電會(huì)繞過接閃桿，直接之中浮頂儲(chǔ)罐。所以使用接閃桿的防護(hù)效果并不好。有研究表明，如果浮頂儲(chǔ)罐的厚度超過4mm，將會(huì)具有承擔(dān)雷擊的效果，使得浮頂儲(chǔ)罐表面不會(huì)受到損傷，所以可以不用安裝接閃桿，安裝反而會(huì)造成更多問題。

浮頂儲(chǔ)罐受到雷擊時(shí)可能會(huì)因?yàn)榻娱W桿而將雷電直接擊中接閃桿，其造成的影響如上所示。但是對(duì)于某些沒有安裝接閃桿的浮頂儲(chǔ)罐，雷電擊中的位置存在變化性，不同的擊中位置，其危險(xiǎn)性也會(huì)存在差別。雷電可能會(huì)擊中浮頂儲(chǔ)罐的灌頂、浮盤或者附近較高的建筑物，下面將對(duì)這3種擊中位置的危險(xiǎn)程度進(jìn)行分析。

（1）雷電擊中浮頂儲(chǔ)罐的灌頂。浮頂儲(chǔ)罐的高度比較高，高達(dá)20多米，所以更容易受到雷電襲擊，但是這種情況下管壁等通道可以將電流直接傳遞到地下，或者是電流會(huì)經(jīng)過內(nèi)測(cè)罐壁，然后經(jīng)過分流器、密封圈等最后沿著罐壁排入到地下，如圖3所示。即灌頂對(duì)于整個(gè)浮頂儲(chǔ)罐來講屬于一個(gè)保護(hù)裝置，能夠?qū)⒗纂娫斐傻碾娏鲗?dǎo)入到地下進(jìn)行泄放[6]。雖然灌頂容易受到雷擊，但是其危害程度并不是很大。除非此時(shí)罐頂正好出現(xiàn)了油氣泄漏，產(chǎn)生了火花等危險(xiǎn)情況，不然此時(shí)的雷擊不會(huì)造成非常大的火災(zāi)事故。

（2）雷電擊中浮頂儲(chǔ)罐的浮盤。浮頂儲(chǔ)罐中存在很大一部分浮盤不在罐頂?shù)谋Ｗo(hù)范圍內(nèi)，所以當(dāng)雷電擊中沒有受保護(hù)的浮盤之后，電流會(huì)經(jīng)過浮盤，然后傳遞到罐臂或者其他相連接的物體上，即電流會(huì)沿著各個(gè)方面進(jìn)行蔓延，最后將其導(dǎo)入到地下進(jìn)行放電，如圖4所示。雖然擊中浮盤之后，也會(huì)將電流導(dǎo)入到地下泄放，但是這種情況下，雷擊造成的危害是最大的。因?yàn)樵诟”P上的二次密封導(dǎo)電片是粘合在管壁上，其主要負(fù)責(zé)將電流引入到地下進(jìn)行泄放，但是該高點(diǎn)片只粘合在罐壁上，會(huì)因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致其粘合不穩(wěn)定，就會(huì)出現(xiàn)放電間隙，此時(shí)只需要比較小的電流就會(huì)引發(fā)火花放電，所以當(dāng)雷電擊中浮盤時(shí)，浮頂儲(chǔ)罐雷擊火災(zāi)發(fā)生的概率較大，危險(xiǎn)性較高[7-8]。

（3）雷電擊中浮頂儲(chǔ)罐附近的高物。在浮頂儲(chǔ)罐的附近可能會(huì)存在比較高的高塔、建筑物、避雷針等，這些高物會(huì)引發(fā)雷電的襲擊，當(dāng)雷電擊中這些高物之后，雖然沒有直接擊中浮頂儲(chǔ)罐，但是浮頂儲(chǔ)罐周圍會(huì)存在大量和雷電相反的電荷，這些電荷就會(huì)被失去束縛，從而傳遞到大地中。

2 浮頂儲(chǔ)罐雷擊火災(zāi)原理

浮頂儲(chǔ)罐一旦發(fā)生泄漏風(fēng)險(xiǎn)，加之雷電對(duì)浮頂儲(chǔ)罐的影響程度比較大，當(dāng)電流經(jīng)過時(shí)正好與油氣發(fā)生碰撞，極有可能就會(huì)發(fā)生火災(zāi)事故。尤其在浮頂儲(chǔ)罐二次密封的地方，因?yàn)樵撐恢谜么嬖谟蜌獍l(fā)生爆炸的空間，所以如果雷電正好擊中該位置，然后引起打火現(xiàn)象，會(huì)發(fā)生爆炸事故，于是就會(huì)造成密封圈火災(zāi)事故。并且這幾年來雷電造成儲(chǔ)罐火災(zāi)事故之中，很多就是密封圈火災(zāi)事故。然后在浮頂儲(chǔ)罐的一次密封處，密封靴板和罐壁接觸的地方也比較容易出現(xiàn)放電間隙。對(duì)于這些容易發(fā)生火災(zāi)的重點(diǎn)區(qū)域，需要對(duì)其進(jìn)行格外重視，從而降低其火災(zāi)事故發(fā)生頻率。

通過上述分析之后，可知當(dāng)浮頂儲(chǔ)罐被雷電擊中之后，可能會(huì)引起機(jī)械密封金屬連接件之間或者儲(chǔ)罐導(dǎo)電片發(fā)生火花放電，這幾個(gè)地方屬于危險(xiǎn)區(qū)域，很可能成為點(diǎn)火源。因?yàn)楦№攦?chǔ)罐的密封裝置效果比較差，于是二次密封的內(nèi)部就會(huì)進(jìn)入空氣，與油氣進(jìn)行混合，這種情況下就會(huì)造成爆炸下限，一旦存在雷擊引發(fā)火花就會(huì)引爆。當(dāng)浮頂儲(chǔ)罐密封效果更差時(shí)，在二次密封上部空間中甚至都可能形成燃爆空間，何況是一二次密封之間更容易發(fā)生燃爆現(xiàn)象，從而引發(fā)火災(zāi)事故?？梢哉f浮頂儲(chǔ)罐發(fā)生雷電火災(zāi)非常重要的原因就是浮頂儲(chǔ)罐密封效果不好。

浮頂儲(chǔ)罐中的油氣屬于可燃物質(zhì)，當(dāng)雷電火花與其相遇時(shí)，在適合的空間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)閃爆現(xiàn)象，于是該空間的密封設(shè)施就會(huì)出現(xiàn)損壞，使得浮頂儲(chǔ)罐中的石油直接暴露出來，此時(shí)石油與空氣接觸，就會(huì)生成更多的可燃?xì)猓绻麤]能對(duì)其進(jìn)行及時(shí)處理，火災(zāi)情況將會(huì)變得更加嚴(yán)重，造成的損失將會(huì)更到。因?yàn)殚_始燃燒之后，浮頂儲(chǔ)罐中的石油會(huì)變熱，然后該熱量會(huì)不斷傳遞直至將整個(gè)浮頂儲(chǔ)罐中的石油加熱，當(dāng)溫度上升之后，就會(huì)促使蒸發(fā)加快，浮頂儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力就會(huì)更大，當(dāng)其達(dá)到一定值之后，就會(huì)引發(fā)浮頂儲(chǔ)罐爆炸和燃燒，此時(shí)的火災(zāi)事故波及范圍將會(huì)非常大。所以浮頂儲(chǔ)罐作為一個(gè)極其危險(xiǎn)的石油裝置，保障其安全性非常重要，并且很多學(xué)者對(duì)其安全性的控制和預(yù)測(cè)也有了較大研究，從而能夠降低浮頂儲(chǔ)罐雷電火災(zāi)事故的發(fā)生。

3 浮頂儲(chǔ)罐雷擊安全評(píng)價(jià)分析

浮頂儲(chǔ)罐作為重要的儲(chǔ)油裝置，雷電會(huì)對(duì)其造成嚴(yán)重的火災(zāi)事故，為了降低該事故的發(fā)生頻率，需要對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。因?yàn)樵撛O(shè)備比較復(fù)雜，所以評(píng)價(jià)也會(huì)比較復(fù)雜，需要考慮到不同方面和因素，往往還會(huì)出現(xiàn)模糊現(xiàn)象，使用模糊綜合評(píng)判方法能夠有效對(duì)浮頂儲(chǔ)罐雷擊安全評(píng)價(jià)，該方法不僅能夠定量分析，而且還可以對(duì)模糊的現(xiàn)象進(jìn)行定性分析，能夠?qū)崿F(xiàn)客觀評(píng)價(jià)事物的效果[9]。將其應(yīng)用到浮頂儲(chǔ)罐雷擊安全評(píng)價(jià)中的具體步驟如下。

3.1 建立安全評(píng)價(jià)層次模型

浮頂儲(chǔ)罐雷擊安全評(píng)價(jià)層次模型如圖5所示。在建立過程中參考了普通建筑物雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，然后結(jié)合浮頂儲(chǔ)罐自身的特點(diǎn)，一共將雷擊安全評(píng)價(jià)分為了4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，然后每個(gè)一級(jí)指標(biāo)下又分別包含4個(gè)二級(jí)指標(biāo)。圖中的一級(jí)指標(biāo)從左往右分別使用符號(hào)u1、u2、u3、u4進(jìn)行表示，圖中的二級(jí)指標(biāo)從左往右分別使用符號(hào)v1、v2、v3…v16進(jìn)行表示，該符號(hào)的表述為后續(xù)計(jì)算做鋪墊，圖中的承災(zāi)體指的是浮頂儲(chǔ)罐。建立好安全評(píng)價(jià)層次模型之后，在后續(xù)的計(jì)算中只需要以該層次模型作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，即可對(duì)浮頂儲(chǔ)罐的安全性進(jìn)行分析。

3.2 確定指標(biāo)因素權(quán)重

完成安全評(píng)價(jià)層次模型的建立之后，其中眾多指標(biāo)雖然都會(huì)對(duì)浮頂儲(chǔ)罐安全性造成影響，但是每個(gè)指標(biāo)的影響程度存在差別，于是為了得到精確度較高的安全評(píng)價(jià)結(jié)果，需要對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。本文確定權(quán)重的方式采用的專家打分方法，首先對(duì)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行打分，得到下面的判斷矩陣A：

于是通過計(jì)算之后可以得到u1、u2、u3、u4的權(quán)重分別為0.507、0.264、0.143、0.086。然后還需要對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行判斷，進(jìn)行一致性檢測(cè)，檢測(cè)的方法為首先計(jì)算出矩陣A的最大特征值為4.0211，然后一致性指標(biāo)CI的公式和隨機(jī)一致性比率CR的公式如下。

于是最終可以計(jì)算出CR=0.00543，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.01，于是可以判斷該矩陣符合要求，那么上面所得到的4個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重值能夠用于后續(xù)安全評(píng)價(jià)計(jì)算中。

然后使用這種方式對(duì)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，最后得到如表1所示的權(quán)重結(jié)果。

采用專家打分的方式確定權(quán)重，不同的專業(yè)可能得到的權(quán)重不一樣，所以文章為了得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，選擇多維經(jīng)驗(yàn)豐富的專家進(jìn)行打分，從而提高指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性和合理性。從表1中得到的指標(biāo)權(quán)重可知，其中一二次密封裝置占有的權(quán)重最大，然后就是雷電分流分路器、雷電流強(qiáng)度，所以這幾個(gè)指標(biāo)對(duì)浮頂儲(chǔ)罐雷電安全性的影響比較大，于是這幾個(gè)指標(biāo)在浮頂儲(chǔ)罐檢查過程中需要作為重點(diǎn)檢查部位，需要對(duì)密封裝置內(nèi)部的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行測(cè)試，看其是否超過規(guī)定，從而降低雷電對(duì)浮頂儲(chǔ)罐的安全影響。

4 結(jié)語

通過上文對(duì)浮頂儲(chǔ)罐雷擊火災(zāi)的分析，并且使用模糊綜合評(píng)價(jià)的方式對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，從結(jié)果可以看出浮頂儲(chǔ)罐的危險(xiǎn)性很大，雷擊造成的火災(zāi)后果非常嚴(yán)重。其中一二次密封裝置和電流分路裝置的隱患最大，所以需要對(duì)其進(jìn)行格外重視。為了提高浮頂儲(chǔ)罐的安全性，需要對(duì)一二次密封裝置中的混合物進(jìn)行濃度監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)濃度超標(biāo)，從而快速對(duì)其進(jìn)行解決;浮頂儲(chǔ)罐屬于危險(xiǎn)性裝置，需要加強(qiáng)其維護(hù)程度;還可以使用其他雷電分流分路裝置替代導(dǎo)電片，能夠提高雷電電流的有效排放，從而可以降低雷電對(duì)浮頂儲(chǔ)罐的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]陳冬芳.超大型浮頂儲(chǔ)罐多體力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2010.

[2]郎需慶，宮宏，劉全楨，等.浮頂儲(chǔ)油罐密封泄漏機(jī)理與泄漏控制[J].安全健康和環(huán)境，2007（10）：17-19.

[3]李文秀，茍俊杰，汪保華，等.浮頂儲(chǔ)罐泄漏事故數(shù)值模擬計(jì)算[J].油氣田地面工程，2016， 35（07）：32-34.

[4]林暉，解維斌.儲(chǔ)油罐雷電防護(hù)措施研究[C].//中國石油學(xué)會(huì)，2012年石油天然氣及石化裝備管理與技術(shù)研討會(huì)論文集，2012：23-26.

[5]陳永健.基于數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)研究接閃桿的高度對(duì)雷擊點(diǎn)的影響[J].電瓷避雷器，2018（2）：145-149.

[6]柏利果，胡玲玲，柏丹.大型浮頂儲(chǔ)罐防雷電技術(shù)研究與應(yīng)用[C].//中國石油化工集團(tuán)公司，2014油氣儲(chǔ)運(yùn)安全消防技術(shù)研討會(huì)論文集，2014：82-84.

[7]許桂敏，劉全楨，劉寶全，等.直擊雷作用下浮頂儲(chǔ)罐的電壓分布[C].//中國物理學(xué)會(huì)，中國物理學(xué)會(huì)第十六屆靜電學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2010：499-503.

[8]胡海燕，劉寶全，劉全楨，等.浮頂儲(chǔ)罐等電位連接裝置的雷擊阻抗性能探討[C].//中國物理學(xué)會(huì)，中國物理學(xué)會(huì)第十五屆靜電學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2009：280-282.

[9]王琳.油田聯(lián)合站儲(chǔ)罐健康狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.