浮頂儲(chǔ)罐雷擊致災(zāi)機(jī)理與安全評(píng)價(jià)方法研究

李昊岑 馬端祝 婁仁杰 戴麗平

〔1 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院 北京 102249；2 中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司 北京 102206〕

隨著石油行業(yè)的迅速發(fā)展，原油儲(chǔ)罐的安全問(wèn)題已成為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。目前，大型原油儲(chǔ)罐大部分采用浮頂儲(chǔ)罐的形式，因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的原因，浮盤(pán)的面積較大且直接暴露在空氣中，容易造成因雷擊火花放電引起的火災(zāi)爆炸事故[1-3]。分析雷擊浮頂儲(chǔ)罐的火災(zāi)爆炸事故機(jī)理，采用合理的方法對(duì)其進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)的安全評(píng)價(jià)，對(duì)預(yù)防浮頂儲(chǔ)罐雷擊事故具有重要意義。

目前針對(duì)儲(chǔ)罐雷擊風(fēng)險(xiǎn)的研究，宮宏等人對(duì)浮盤(pán)的密封形式與儲(chǔ)罐雷擊起火之間的關(guān)系進(jìn)行了研究[1]。蓋程程、Amos Necci等人采用QRA定量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法進(jìn)行了研究[4-6]。銀鋒等人基于火災(zāi)事故的多米諾效應(yīng)分析了雷擊造成火災(zāi)連鎖事故的場(chǎng)景[7]。劉寶全、劉健等人提出取消二次密封上的導(dǎo)電片，在浮盤(pán)與罐壁之間采用多個(gè)可伸縮的接地裝置來(lái)代替[8-9]。也有學(xué)者在基于國(guó)際防雷標(biāo)準(zhǔn)IEC 62305[10-12]和蒙特卡洛法[13]，對(duì)油庫(kù)的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了研究。目前對(duì)儲(chǔ)罐的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估大部分采用IEC 62305-2 (Protection against Lightning Part 2: Risk Management )中單體建筑物的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法[14]，運(yùn)算過(guò)程中缺乏對(duì)儲(chǔ)罐特性的考慮，且儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素多，綜合評(píng)價(jià)較困難。模糊綜合評(píng)判法能在充分考慮浮頂儲(chǔ)罐雷擊風(fēng)險(xiǎn)因素的情況下，從層次性角度分析儲(chǔ)罐雷擊事故，可最大限度地客觀評(píng)價(jià)儲(chǔ)罐雷擊事故。

1 浮頂儲(chǔ)罐雷擊事故機(jī)理分析

1.1 油氣泄漏原因分析

由于原油儲(chǔ)罐的高危性，一旦遭受到雷擊極有可能造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，尤其是浮頂儲(chǔ)罐。目前，絕大多數(shù)的大型原油儲(chǔ)罐都采用外浮頂結(jié)構(gòu)，在浮盤(pán)與罐體之間會(huì)有一定的間隙，為保證浮盤(pán)的靈活性并防止油氣泄漏，浮盤(pán)與罐體之間需要安裝密封裝置。

現(xiàn)有的外浮頂儲(chǔ)罐大多采用的是“一次密封結(jié)構(gòu)+二次密封”的密封方法，但由于操作不當(dāng)或維護(hù)不利，導(dǎo)致密封失效的狀況時(shí)有發(fā)生[15,16]，如：在實(shí)際操作中，浮盤(pán)的沉降、油品等介質(zhì)的腐蝕會(huì)造成罐壁和浮盤(pán)的形狀出現(xiàn)變化，導(dǎo)致密封失效；陽(yáng)光和風(fēng)蝕也會(huì)導(dǎo)致密封橡膠老化變型，引起密封失效。而且因?yàn)槎蚊芊庋b置無(wú)法徹底隔絕外部空氣進(jìn)入密封裝置內(nèi)，故外界進(jìn)入的空氣與散發(fā)的油氣必在一、二次密封裝置之間混合，形成油氣混合物。經(jīng)上述分析，一、二次密封裝置之間可能存在處于爆炸極限范圍內(nèi)的可燃?xì)怏w，倘若雷擊造成該部位發(fā)生點(diǎn)火放電，將會(huì)造成嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故。

1.2 雷擊危險(xiǎn)性分析

儲(chǔ)罐雷擊事故的著火源是罐體上的金屬設(shè)施

間存在的放電間隙。雷擊浮頂儲(chǔ)罐有以下兩種形式：

(1)雷擊罐壁頂。因?yàn)殡娏鲿?huì)選擇最小電阻最小的電路通過(guò)，所以罐壁頂位置易受到直接雷擊，雷擊后的雷電流會(huì)通過(guò)兩種渠道導(dǎo)出，如圖1所示。一種是直接經(jīng)過(guò)罐壁導(dǎo)出，一種則是經(jīng)過(guò)內(nèi)側(cè)罐壁、分流器、密封圈、浮盤(pán)、分流器后再沿著罐壁導(dǎo)出。

圖1 雷擊罐壁雷電流途徑

(2)雷擊浮盤(pán)。根據(jù)滾球法計(jì)算，浮盤(pán)有一部分區(qū)域沒(méi)有在罐頂?shù)谋Ｗo(hù)區(qū)域內(nèi)，特別是當(dāng)罐內(nèi)液位較高，浮盤(pán)的絕大部分區(qū)域都易受到雷擊。雷擊后雷電流會(huì)沿各個(gè)方向蔓延，或經(jīng)過(guò)滑動(dòng)扶梯，或依次通過(guò)密封圈、分流器和罐壁向大地放電，如圖2所示。

圖2 雷擊浮盤(pán)雷電流途徑

其中第二種雷擊方式是較危險(xiǎn)的。電流的泄放必須具備連續(xù)的電氣連接，常見(jiàn)的雷電分流分路裝置是浮盤(pán)上的二次密封導(dǎo)電片，它是由外界的彈力貼合在罐壁上，貼合會(huì)由于一些原因?qū)е沦N合不穩(wěn)，存在放電間隙，而電流產(chǎn)生火花放電只需要達(dá)到幾百安培[17,18]，一旦有雷電流通過(guò)就會(huì)出現(xiàn)放電打火的可能，這也是出現(xiàn)浮頂儲(chǔ)罐雷擊火災(zāi)爆炸的重要原因之一。

除此之外，倘若防雷接地、罐體上的金屬附件等電位連接等防雷措施不合格，存在放電間隙，當(dāng)有雷電流通過(guò)或者存在感應(yīng)電壓時(shí)，也極易在間隙處出現(xiàn)放電打火現(xiàn)象，從而形成點(diǎn)火源；罐體上的液位系統(tǒng)、感溫系統(tǒng)、自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)等信息系統(tǒng)出現(xiàn)失效，進(jìn)而引起的反饋不及時(shí)或反饋失效，也有可能導(dǎo)致事故的發(fā)生[19]。

2 浮頂儲(chǔ)罐雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在對(duì)浮頂儲(chǔ)罐這類(lèi)復(fù)雜事物進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，需要兼顧同時(shí)多種屬性、多種方面。模糊綜合評(píng)判法既能夠進(jìn)行嚴(yán)格的定量刻畫(huà)，也可以對(duì)一些模糊、難以定量分析的模糊現(xiàn)象進(jìn)行定性描述，可以最大限度地客觀評(píng)價(jià)事物[20]。

2.1 評(píng)估層次模型的建立

因需要，在普通建筑物雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，建立了結(jié)合浮頂儲(chǔ)罐特性的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次模型，如圖3所示。參考浮頂儲(chǔ)罐實(shí)際安全管理現(xiàn)狀的層次結(jié)構(gòu)，可以將儲(chǔ)罐雷擊風(fēng)險(xiǎn)體系分為4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，包括承災(zāi)體(浮頂儲(chǔ)罐)風(fēng)險(xiǎn)u1、雷擊風(fēng)險(xiǎn)u2、防御風(fēng)險(xiǎn)u3、地域風(fēng)險(xiǎn)u4，各因素又包括4個(gè)二級(jí)指標(biāo)：一、二次密封裝置v1、雷電分流分路器v2、防雷接地等防雷設(shè)施v3、儲(chǔ)罐信息系統(tǒng)v4、雷電流強(qiáng)度v5、年雷暴日v6、雷擊密度v7、雷暴途徑v8、防雷設(shè)施維護(hù)v9、防雷檢測(cè)v10、應(yīng)急救援v11、安全教育v12、地形地貌v13、土壤條件v14、周邊環(huán)境v15、交通通訊條件v16。

圖3 浮頂儲(chǔ)罐的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次模型

2.2 指標(biāo)因素權(quán)重確定

使用層次分析法確定各指標(biāo)因素的權(quán)重，以一級(jí)指標(biāo)為例，根據(jù)劃分的承災(zāi)體(浮頂儲(chǔ)罐)風(fēng)險(xiǎn)u1、雷擊風(fēng)險(xiǎn)u2、防御風(fēng)險(xiǎn)u3、地域風(fēng)險(xiǎn)u4這4個(gè)指標(biāo)，根據(jù)專(zhuān)家打分法確定判斷矩陣A為：

然后通過(guò)按列規(guī)范化再對(duì)其行平均，得到權(quán)重值A(chǔ)0為:

A0=(0.506 7 0.264 0 0.142 8 0.086 4)

得到最大特征值為4.021 1，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

查看一致性指標(biāo)，當(dāng)n=4時(shí)，C.R.=0.89，則

式中：CI為判斷矩陣一致性指標(biāo)，RI為引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，CR為隨機(jī)一致性比率。當(dāng)CR大于0.01時(shí)需要對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)CR小于0.01時(shí)表示構(gòu)建的判斷矩陣可以接受[21]。

所以，判斷矩陣可以接受，所得的權(quán)重值可以使用。

同理，可求得各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，得到浮頂儲(chǔ)罐的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)因素的權(quán)重大小及其排序，詳見(jiàn)表1。

表1 各級(jí)指標(biāo)因素對(duì)其目標(biāo)層的權(quán)重及排序

續(xù)表1

在進(jìn)行權(quán)重確定時(shí)，不同專(zhuān)家的觀點(diǎn)會(huì)造成權(quán)重系數(shù)間的差異，這具有一定的主觀性，所以充分分析并合理選取指標(biāo)因素，由多位經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)家判斷來(lái)確定權(quán)重是評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)合理的保障。根據(jù)所得的權(quán)重分析結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，一、二次密封裝置v1、雷電分流分路器v2、雷電流強(qiáng)度v5、防雷設(shè)施維護(hù)v9這幾個(gè)因素對(duì)儲(chǔ)罐的雷擊安全性影響較大，應(yīng)當(dāng)定期檢查密封裝置內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度，做好防雷設(shè)施設(shè)備的維護(hù)。

2.3 某浮頂儲(chǔ)罐的雷擊模糊綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 建立浮頂儲(chǔ)罐雷擊安全的評(píng)語(yǔ)集

以某地區(qū)10萬(wàn)m3外浮頂儲(chǔ)罐為例，建立了5個(gè)等級(jí)的浮頂儲(chǔ)罐雷擊安全的評(píng)語(yǔ)集(表2)。

表2 安全評(píng)價(jià)等級(jí)及分?jǐn)?shù)

2.3.2 某浮頂儲(chǔ)罐的雷擊模糊評(píng)價(jià)分析

根據(jù)專(zhuān)家評(píng)定，得出各個(gè)因素對(duì)評(píng)語(yǔ)集中每個(gè)等級(jí)的隸屬度,再將各因素的隸屬度為行構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣R。

得出v1～v4構(gòu)成的承災(zāi)體風(fēng)險(xiǎn)層隸屬度矩陣R1：

得出v5～v8構(gòu)成的雷擊風(fēng)險(xiǎn)層隸屬度矩陣R2：

得出v9～v12構(gòu)成的防御風(fēng)險(xiǎn)層隸屬度矩陣R3：

得出v13～v16構(gòu)成的防御風(fēng)險(xiǎn)層隸屬度矩陣R4：

采用M(∧,∨)算子，用“·”表示，計(jì)算各二級(jí)因素層的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果：

承災(zāi)體風(fēng)險(xiǎn)層：

V1=(v1,v2,v3,v4)·R1=(0.3,0.2,0.27,0.2,0)

雷擊風(fēng)險(xiǎn)層：

V2=(v5,v6,v7,v8)·R2=(0.48,0.26,0.12,0,0)

防御風(fēng)險(xiǎn)層：

V3=(v9,v10,v11,v12)·R3=(0.5,0.3,0.19,0.1,0)

地域風(fēng)險(xiǎn)層：

V4=(v13,v14,v15,v16)·R4=(0.51,0.3,0.1,0,0)

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二級(jí)評(píng)估，歸一化建立總評(píng)價(jià)矩陣B：

進(jìn)而再采用M算子進(jìn)行模糊分析處理并歸一化，得出系統(tǒng)評(píng)價(jià)矩陣C：

C=(u1,u2,u3,u4)·B=(0.293,0.247,0.265,0.195,0)

根據(jù)安全評(píng)價(jià)的評(píng)語(yǔ)集(表1)及歸一化得出的C值，計(jì)算出系統(tǒng)的總得分為：

f=95×0.293+80×0.247+65×0.265+50×0.195=74.57

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析及預(yù)防對(duì)策

文章在考慮了浮頂儲(chǔ)罐特性和雷擊風(fēng)險(xiǎn)因素基礎(chǔ)上，研究了浮頂儲(chǔ)罐雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)層次評(píng)估的結(jié)構(gòu)并采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行了評(píng)價(jià)。從整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程來(lái)看，建立的浮頂儲(chǔ)罐雷擊風(fēng)險(xiǎn)綜合模糊評(píng)估模型可以較為客觀地進(jìn)行評(píng)估，所采用的層次分析法確定權(quán)重，其操作簡(jiǎn)易并具有良好的實(shí)用性和擴(kuò)充性。從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，與實(shí)際情況基本一致，該儲(chǔ)罐的安全等級(jí)為較安全，但在雷電分流分路裝置和一、二次密封裝置處仍存在一定的安全隱患，因此給出了相應(yīng)的預(yù)防對(duì)策：

(1)采用其他雷電分流分路裝置代替導(dǎo)電片。在實(shí)際操作中，難以保證導(dǎo)電片與罐壁能夠緊密貼合，當(dāng)雷擊浮頂儲(chǔ)罐時(shí)，倘若導(dǎo)電片與罐壁存在間隙，極易發(fā)生火花放電，進(jìn)而引起一、二次密封裝置內(nèi)的油氣混合物燃燒爆炸。采用可伸縮式接地裝置，實(shí)現(xiàn)分流器與罐壁的低阻抗電氣連接，能夠有效、安全地泄放雷電流。

(2)對(duì)一、二次密封裝置內(nèi)的油氣混合物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。大部分雷擊儲(chǔ)罐時(shí)造成的火災(zāi)爆炸事故都是因一、二次密封裝置內(nèi)可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)引起的。在現(xiàn)實(shí)操作中盡管對(duì)其進(jìn)行了定期濃度檢測(cè)，但難免由于人員疏忽、罐壁腐蝕等原因，出現(xiàn)油氣泄漏并超標(biāo)的現(xiàn)象，這是極大的安全隱患。對(duì)一、二次密封裝置內(nèi)的油氣混合物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可在出現(xiàn)濃度超標(biāo)的情況時(shí)及時(shí)采取措施，保證可燃?xì)怏w濃度在爆炸極限以下。

(3)加強(qiáng)防雷設(shè)施設(shè)備維護(hù)。增強(qiáng)各金屬設(shè)備之間的等電位連接，認(rèn)真完成日常的檢查工作，尤其是在雷雨季節(jié)更要加強(qiáng)防范意識(shí)，做好罐體防雷設(shè)備的維護(hù)工作。