外浮頂儲罐機械密封雷擊火花放電研究

畢曉蕾，劉全楨，劉寶全，高 劍，高 鑫，劉 娟，姜 輝

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島 2660712.化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

外浮頂儲罐機械密封雷擊火花放電研究

畢曉蕾1,2，劉全楨1,2，劉寶全1,2，高 劍1,2，高 鑫1,2，劉 娟1,2，姜 輝1,2

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島2660712.化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島266071)

為了深入研究外浮頂儲罐機械密封雷擊火花放電點和火花放電電流，加工制作了機械密封雷擊實驗裝置，采用10/350沖擊電流開展了機械密封雷擊火花放電實驗。當(dāng)機械密封的4個彈片與金屬密封板絕緣，沖擊電流達到2.12 kA時，密封板與罐壁接觸部位、伸縮架與密封板連接處都產(chǎn)生了火花放電現(xiàn)象。當(dāng)機械密封只有1個彈片與金屬密封板接觸，沖擊電流達到0.578 kA時，彈片與金屬密封板之間產(chǎn)生了火花放電。沖擊電流達到1.09 kA時，彈片貼合處、伸縮架與密封板連接處都產(chǎn)生了火花放電。由此可見，當(dāng)儲罐遭受雷擊時，機械密封存在多處放電點，嚴(yán)重危害著儲罐的安全運行。

外浮頂儲罐 機械密封 雷擊 火花放電

石油產(chǎn)業(yè)是我國經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，石油行業(yè)是雷電引發(fā)災(zāi)害事故的敏感行業(yè)之一。隨著石油消費量增長迅速，各國原油儲備以大型浮頂油罐為主，直徑一般在60～100 m，容量最大可達到15×104m3。由于其體積和浮盤面積大，且直接暴露于大氣中，因此外浮頂儲罐的雷擊火災(zāi)事故時有發(fā)生[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)外529起油罐火災(zāi)事故中，因雷擊所造成的火災(zāi)數(shù)占總數(shù)的32.5%[2]。自1972年以來，國內(nèi)發(fā)生了多起較大的外浮頂儲罐雷擊著火爆炸事故，造成了重大的經(jīng)濟損失、人員傷亡和較壞的社會影響[2]。鎮(zhèn)海國家石油儲備基地于2007年5月24日、2007年6月24日連續(xù)發(fā)生了2次雷擊火災(zāi)事故，2007年7月7日中國石化管道儲運分公司白沙灣輸油站發(fā)生雷擊火災(zāi)事故，2006年8月7日儀征輸油站1#電視監(jiān)控探頭遭雷擊損壞，浮頂與罐壁間的二次密封有5處著火點[2-5]。這幾起浮頂儲罐火災(zāi)事故都是由雷擊引起的，發(fā)生事故儲罐的共同特點是一次密封均采用機械式密封。

目前針對機械密封雷擊火花放電的研究相對較少，大多停留在隱患和事故分析的層面上。偶國富[6]，楊揚[7]等對外浮頂儲罐雷擊火災(zāi)事故進行了分析，指出了機械密封的雷擊危害，但是缺少相應(yīng)的實驗研究，未對機械密封的具體放電部位和起始放電電流進行深入的研究。高鑫等[8]對大型浮頂儲罐經(jīng)常的彈性機械密封裝置進行雷擊危險性研究，從沿面放電理論的角度分析了火花放電原因，并采用單個金屬片開展了雷擊火花放電實驗，實驗結(jié)果與外浮頂儲罐導(dǎo)電片試驗相類似，與真實機械密封結(jié)構(gòu)相差較遠(yuǎn)，且未能得出機械密封的具體放電部位。為此，本文對外浮頂儲罐機械密封的雷擊危害進行分析和實驗研究。

1 機械密封雷電危害分析

浮盤的外邊緣與罐壁板之間有約250 mm的環(huán)形間隙，此間隙是儲罐浮盤上下運行的需要，同時也是儲罐浮盤散發(fā)油氣的主要渠道。為阻止油氣蒸發(fā)，必須依靠密封裝置來減少油品的蒸發(fā)損失。目前國內(nèi)外廣泛使用的是“一次密封結(jié)構(gòu)+二次密封結(jié)構(gòu)”的密封方法。機械密封是一次密封的主要型式，位于油面上部空間，長期處在爆炸性氣體混合物的環(huán)境中[9,10]。

當(dāng)雷擊儲罐時，機械密封是雷電流的主要泄放通道之一，但是機械密封中的板式彈簧則是靠外界的彈力進行貼合的，并不是連續(xù)的可靠電氣連接，存在一定的縫隙，根據(jù)沿面放電的原理[11]，在雷電流流過時極易產(chǎn)生火花放電。機械密封在有雷電流流過的時候，可能會產(chǎn)生火花放電成為燃爆危險點?？赡馨l(fā)生火花放電的危險點有：密封板與罐壁之間；彈簧與密封板接觸部位；伸縮架中間連接部位；伸縮架與密封板連接處；伸縮架與浮盤連接處。

以上5處的連接都是非電氣連接，在雷電流流過的過程中，會產(chǎn)生火花放電，引燃油氣造成儲罐火災(zāi)。我國近幾年發(fā)生事故的10×104m3和15×104m3大型外浮頂儲罐一次密封均為機械密封。

2 機械密封雷電火花放電實驗

2.1 實驗波形與環(huán)境

本次試驗采用的沖擊電流波形為10/350 μs沖擊電流波(圖1)，波頭、波尾時間分別為：(10±10%)μs，(350±10%)μs。

在整個實驗過程中，采用空調(diào)、除濕機等手段維持穩(wěn)定的實驗室環(huán)境，溫度控制在20～25 ℃，相對濕度為55%～60%，氣壓為101.8 kPa。

圖1 10/350 μs沖擊電流波

2.2 實驗方案

圖2為機械密封雷擊火花放電實驗示意圖。圖3為機械密封實驗裝置圖，通過絕緣板保證機械密封與地面隔離，采用沖擊電壓發(fā)生器給機械密封施加10/350 μs沖擊電流波，電流通過罐壁泄放入地。采用高速攝像機記錄機械密封的火花放電過程。

圖2 機械密封雷擊火花放電實驗示意

圖3 機械密封實驗裝置

3 結(jié)果與討論

3.1 4個彈片與金屬密封板絕緣

為了分析金屬密封板與罐壁的雷擊火花放電現(xiàn)象，將機械密封的4個彈片與金屬密封板絕緣，對試驗裝置施加10/350μs沖擊電流，并觀察機械密封的打火現(xiàn)象和打火部位。實驗結(jié)果如表1所示，可以看出，當(dāng)沖擊電流達到2.12 kA時，密封板與罐壁之間、伸縮架與密封板連接處(圖4)都產(chǎn)生了火花放電現(xiàn)象。當(dāng)沖擊電流小于2.12 kA時，機械密封任何部位未發(fā)生火花放電。

圖4 機械密封雷擊火花放電

表1 4個彈片與金屬密封板絕緣時機械密封的雷擊火花放電結(jié)果

注：“√”表示有放電火花，“×”表示沒有放電火花

3.2 3個彈片與金屬密封板絕緣

為了分析彈片與金屬密封板之間的起始火花放電電流，將機械密封的3個彈片與金屬密封板絕緣，如圖5所示，對試驗裝置施加10/350 μs沖擊電流，觀察彈片是否產(chǎn)生火花放電。實驗結(jié)果如表2所示，可以看出，當(dāng)沖擊電流達到0.578 kA時，彈片與金屬密封板之間產(chǎn)生了火花放電現(xiàn)象。當(dāng)沖擊電流達到1.09 kA時，除彈片貼合處發(fā)生火花放電外，伸縮架與密封板連接處也發(fā)生了火花放電。

圖5 機械密封3個彈片與金屬密封板絕緣

表2 3個彈片與金屬密封板絕緣時機械密封的雷擊火花放電結(jié)果

注：“√”表示有放電火花，“×”表示沒有放電火花

4 結(jié)論與建議

通過對機械密封的理論分析和實驗研究可知，目前外浮頂儲罐安裝的機械密封依靠彈力與金屬滑板進行貼合，并非可靠的電氣連接，當(dāng)有電流通過機械密封時，密封板與罐壁接觸部位、彈片貼合處、中間旋轉(zhuǎn)軸連接處這3個部位都容易發(fā)生火花放電。而機械密封又位于儲罐0區(qū)，周圍存在大量可燃?xì)怏w，一旦因雷擊發(fā)生火花放電，勢必引燃周圍可燃?xì)怏w，造成儲罐燃爆。為此，提出了以下幾點建議。

a)采用等電位連接的方式，消除機械密封伸縮架與密封板之間的火花放電隱患。

b)增加浮盤和罐壁的雷電流泄放通道，降低機械密封雷電流的分流比例。

c)軟密封結(jié)構(gòu)與罐壁之間不存在火花放電間隙，不易產(chǎn)生火花放電，比機械密封更安全可靠，建議外浮頂儲罐的一次密封采用軟密封。

[1] 畢曉蕾，劉全楨，劉寶全，等. 浮頂儲罐導(dǎo)電片間隙放電危險性研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8(10)：24-27.

[2] Liu Quanzhen，Hu Haiyan，Liu Baoquan, et al. A Testing Research on Shunts Performance of the Large Floating Storage Tanks[C]. The Proceedings of the 6th International Conference on Applied Electrostatics，2008：206-209.

[3] 畢曉蕾，劉全楨，劉寶全，等. 罐區(qū)燈塔雷擊電磁輻射對儲罐的危害研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9(2)：101-104.

[4] 胡海燕，劉全楨，劉寶全，等. 可伸縮接地裝置在浮頂罐中的應(yīng)用[J]. 安全、健康和環(huán)境，2007，7(11): 17- 19.

[5] 劉寶全，劉全楨，高鑫，等. 浮頂儲罐二次密封裝置雷擊危險性分析[J]. 油氣儲運，2012，31(3)：193-195.

[6] 偶國富，徐如良，趙柏鑫，等. 沿海大型原油儲罐雷擊火災(zāi)成因分析及防護措施[J].石油化工安全環(huán)保技術(shù),2008, 24(1): 17- 19.

[7] 楊楊，楊常國，韓飛，等. 大型儲油罐一次機械密封改造的安全效果[J]. 儲運安全,2009, 9(10): 45- 50.

[8] 高鑫，劉全楨，劉寶全. 浮頂儲罐彈簧式機械密封裝置雷擊危險性分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2012, 38(6): 38- 40.

[9] 郎需慶，宮宏，劉全楨，等. 浮頂儲油罐密封泄漏機理與泄漏控制[J]. 安全、健康和環(huán)境，2007， 7(10): 17- 19.

[10] 宮宏，劉全楨，宋賢生，等. 大型浮頂儲罐浮盤密封圈雷擊起火事故分析[J]. 安全、健康和環(huán)境，2008，8(10)：7-8.

[11] 周澤存，沈其工，方瑜，等. 高電壓技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007.

ResearchonLightningStrokeDischargeofMechanicalSealofExternalFloatingRoofTank

Bi Xiaolei1,2, Liu Quanzhen1,2, Liu Baoquan1,2, Gao Jian1,2,Gao Xin1,2, Liu Juan1,2, Jiang Hui1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao 266071 2.State Key Laboratory of Chemical Safety, Shandong, Qingdao 266071)

In order to further study the spark discharge positions and currents of the mechanical seal of external floating roof tank, we processed lightning stroke experiment device of mechanical seal. Lightning stroke experiment of mechanical seal is carried on by 10/350μs impulse current. When it is insulated between four springs and metal sealing plate and impulse current reaches 2.12kA, the spark discharge is generated at contact portion of sealing plate and tank wall, joint of retractable frame and the sealing plate. When only one spring contacts with metal sealing plate, the impact current reaches 0.578 kA, the shrapnel and metal seal plate produced a spark discharge, and impulse current reached 1.09kA, the spark discharge is generated at contact portion of sealing plate and spring, joint of retractable frame and the sealing plate. These show that there are many discharge points on mechanical seal which seriously endanger safety of tank, when tanks struck by lightning.

external floating roof tank; mechanical seal; lightning stroke; spark discharge

2016-10-12

畢曉蕾，工程師，碩士研究生，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)物理學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在主要從事石化行業(yè)防雷防靜電技術(shù)研究。