我国目前有一千余座非金属油罐(钢筋混凝土或石材钢筋水泥补强结构、砖砌钢筋补强结构)在使用, 储油容量从几百吨到数万吨。据不完全统计, 这类油罐自1976年以来已发生20多起爆炸着火事故, 其原因均由雷击引起。其中最大一起是1989年8月12日发生在黄岛油库的两座半地下非金属油罐火灾事故, 造成19人死亡、70余人受伤, 直接经济损失数千万元。非金属油罐使用一定年限后, 水泥脱落, 钢筋外露。钢筋间形成的空气间隙, 在雷击时感应产生火花放电, 若周围有一定浓度的油气, 便会发生爆炸着火事故。黄岛油库事故发生后, 有关部门已决定停止再建非金属油罐, 逐步用钢罐代替非金属油罐, 中国石油天然气管道局在黄岛油库事故以后, 已停止使用并拆除了大部分非金属油罐, 对于暂时难以停用的部分非金属油罐, 加强防雷应急措施。为此, 与能源部电力科技开发中心、中国边缘科学研究会工程方法论研究会等单位共同合作开展专题研究, 很快提出了《非金属油罐防雷方法的研究》的报告。该方法经专家鉴定后, 在东北输油管理局、江汉油田等单位的非金属油罐上实际应用。例如东北输油管理局对前甸、昌图、牧羊、新庙4个泵站的1万m³半地下非金属油罐进行了防雷加固。从1990年投入运行以来, 经过了儿个雷雨季节, 具有明显的防雷效果。据悉, 1991年雷雨季节时, 地处相同地理位置的吉林省某单位一座非金属油罐遭雷击着了火, 而经过防雷加固过的上述4座油罐却安然无恙。实践证明此种防雷方法不失为非金属油罐一种有效的防雷措施。现将该防雷措施具体施工方法介绍如下。

非金属油罐发生雷害事故, 有的是由直击雷引起, 有的是由感应雷所致, 还有的是由球雷引起。其中大多数是由感应雷引起, 直击雷次之, 确属球雷引起的极少。为使防雷应急措施具有更强的针对性, 我们曾对油罐附近发生雷击时油罐的感应电压进行计算分析, 在油罐周围几百米处发生雷击, 非金属油罐都可能产生危险的感应过电压。本措施重点在于加强对感应雷防御的可靠性, 同时也兼顾对直击雷的防护。

1.   防感应雷的强化措施

1.1   钢筋混凝土屏蔽层

在紧贴于罐顶上面用ϕ6mm的钢筋扎成250mm×250mm网格, 覆盖全部罐顶, 并大于罐顶周边3~4m, 要按建筑结构扎钢筋的要求绑扎, 并要做好接地, 接地电阻不大于10Ω。然后浇注混凝土, 其配比为1:3:6, 混凝土层厚度为50mm, 这样既固定钢筋, 又防止钢筋锈蚀。

钢筋混凝土屏蔽层的主要作用是直接屏蔽罐体内金属部件的间隙和开口环路(例如, 罐顶盖板钢筋与横梁、立柱, 罐体钢筋裸露段的间隙), 防止感应电火花产生。

1.2   扁钢屏蔽层

在罐顶钢筋混凝土屏蔽层上面再加一层裸露扁钢屏蔽层, 扁钢为40mm×4mm, 组成网格为500mm×500mm。对安装在罐顶的呼吸阀、人孔等油罐附件, 均用扁钢网罩起来, 网格为250mm×250mm。扁钢网中的扁钢之间可采用螺栓连接, 但在实际施工中困难较大, 螺栓、螺母用量大, 扁钢打孔工作量大, 不容易保证施工质量, 工期长, 成本高。实际施工中, 现场采用了扁钢焊接分片组装法, 既节约了材料, 又保证了工期和施工质量。为了施工绝对安全, 万无一失, 要将油罐暂时停用, 罐体附件采取密闭措施, 经检测确无油气泄漏, 方可施工。

扁钢屏蔽层的作用, 是防止雷电感应产生电火花, 是防感应雷的又一道防线。它将把感应雷或直击雷产生的强大电流迅速地排放到大地之中, 避免雷击事故发生。

1.3   做好电气联接

各法兰、各管网连接处, 均必须敷设跨接导线。在一切可能产生火花的连接处和接口、缝隙等处, 在屏蔽网网结处, 均要涂上“防爆导电胶”(中国边缘科学研究会工程方法论研究会的专利产品)。对于特陡的电波, 例如波头为0.2~0.5μs的特殊雷击, 跨接线可能不足以将大尺寸法兰全部保护起来, 跨接线的阻抗造成的电位差, 也可能使法兰细缝处产生火花, 导致爆炸事故发生。此“防爆导电胶”可起到保护作用。

2.   防直击雷的强化措施

在油罐上方用ϕ35mm钢绞线纵向拉5根, 横向拉4根, 形成矩形网格, 其四角固定在ϕ108×6钢管立柱上, 网的高度距罐顶不小于6m。钢绞线用紧线器拉直, 网格交点用紧线夹夹紧, 保证网格几何尺寸, 并涂上“防爆导电胶”, 避雷网的边缘离罐顶边缘不小于5m。网的四个角立柱要用拉线拉直, 此拉线又做避雷网的接地线, 接地电阻不大于10Ω。避雷网的接地极与防感应雷屏蔽网的接地极要分别设置, 其埋地部分间距不小于4m。架空避雷屏蔽网的具体结构见图 1。

图  1  架空避雷屏蔽网示意图

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架空避雷屏蔽网的主要作用是防直击雷和防感应雷。对于无避雷针的油库, 它担负着防直击雷的作用。对于有避雷针的油库, 它加强屏蔽作用, 强化防感应雷措施, 同时也起到防止直击雷绕击的作用, 可杜绝绕击事故的发生。

3.   施工时应注意的事项

施工操作中特别是在焊接和组装屏蔽网时, 必须采取可靠的安全措施, 暂停使用油罐、密封呼吸阀、人孔等, 确保无油气泄漏; 加强通风, 吹散滞留在施工场地的油气; 严禁使用金属器具进行除锈(可使用防爆常温除锈剂)以及开挖罐顶, 以免产生火花; 电气联接处一定要接牢; 要保证钢筋混凝土施工质量。

4.   该措施的主要特点与经济效益

以上防雷措施的主要特点是, 采用多路分流、多重屏蔽、多点接地、罐体电气一体化等技术, 实现了半地下非金属油罐对直击雷和感应雷的有效保护。是一个多层次、多功能雷电防护系统。它的架空避雷屏蔽网是第一道屏蔽保护; 扁钢屏蔽网和钢筋混凝土屏蔽层是第二道屏蔽保护; 用导电材料实现全罐一体化电气联接后的罐顶预制钢筋混凝土拱板及罐壁, 已经形成一个五面体的钢筋法拉第笼(只是稚底无金属屏蔽, 而是油水层), 它一方面受到前两道屏蔽的保护, 使导电材料跨接处不致产生感应火花, 另一方面它又对罐体内金属部件的间隙和开口环路进行强有力的屏蔽, 这是第三道屏蔽保护。本防雷系统可将雷害事故率至少降低到原来的五分之一。经过实际施工证明, 方法简便易行, 投资少。

本防雷措施经济效益是非常显著的。东北输油管理局的4个半地下非金属油罐进行防雷加固, 总费用不到50万元人民币, 如果建新罐, 每座1万m³油罐按当时价格需200万元以上, 4座罐共需800多万元。另外, 新建油罐周期长, 还会影响输油生产。对于我国目前仍在使用的非金属油罐, 若采用此种防雷措施, 可以使雷害事故减少。对于那些处于雷电活动较少地区的油罐、发生过雷害事故但损失不严重的油罐、多年未发生险情或雷害事故的油罐以及容量较小的油罐, 通过采用本技术措施并且运行可靠, 则可暂缓改建为钢罐, 甚至某些油罐可以长期使用下去。若将现有的非金属油罐全部改建成钢雄, 需要几亿元的投资, 而采用本防雷措施, 所花费用不足改成钢罐所需费用的十分之一。