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防雷科普
输油输气管道防雷防静电关键技术研究
2018-12-27发布
  

输油输气管道防雷防静电关键技术研究

(甘肃无为防雷技术有限责任公司

摘要:输油输气管道的雷电和静电防御是一项复杂的系统工作,涉及直击雷防护、电涌防护、接地及等电位等防护措施,通过对雷电和静电的成因与所造成的后果进行细致地分析研究,并结合输油输气管道的地域和气候特点,提出经济有效地隐患整改方案。近三年兰郑长管道(甘肃段)无任何雷电与静电事故发生,实践证明,完善的整改措施最大限度地避免了此类灾害的发生,为管道的安全生产提供的可靠的技术保障。

关键词:输油输气管道;防雷;防静电;接地装置

KEY TECHNOLOGY RESEARCH OF LIGHTNING AND STATIC ELECTRICITY PROTECTION

 ON OIL AND GAS TRANSMISSION PIPELINE

LI Lei1DENG Yong2YANG Ju-mei1

(1. Gansu Meteorological Bureau,Lanzhou 730020;2. Lanzhou Oil and Gas Transmission Pipeline Branch of CNPC Pipeline Company,Lanzhou 730050;)

Abstracts: The lightning and static electricity protection of oil and gas pipelines is a complex system work, involving direct lightning flash protection, lightning surge protection, earthing system, equipotential bonding and other protective measures. Analysis of causes and results of lightning and electrostatic, combined with the pipelines’s geographical and climate characteristics, we put forward economic and effective risky rectification plan. In the past three years, Lanzhou-Zhenzhou-Changsha oil Pipeline (Gansu section) didn’t occure any lightning and electrostatic accidents, which proved that the perfect reform measures can avoid the accidents, and provided reliable technical support in safe production.

Keywords: Oil and Gas Pipeline; Lightning Protection; Static Electricity Protection; Earthing system


0 引言

雷电和静电均是自然界一种常见的物理现象。雷电伴随着强烈的声、光、电等现象,然而静电的表现形式要弱小的多,往往只有在特殊情况下才可被肉眼识别。雷电和静电的防护在很多情况下可以采用相同或类似的手段,这是因为雷电和静电形成的机理和危害形式是类同的。输油输气管道的场站和阀室属于易燃易爆的重点场所,存在可燃气体泄漏的可能,雷电和静电一旦在装置上产生火花,火灾和爆炸的风险必将增大。此外由于管道设施的自动化程度越来越高,弱电设施的防护也更加迫切。

防雷防静电检测旨在最大限度地避免或减少雷电、静电对人民生命和财产造成损失,严格按照相关技术要求对设备的防雷防静电状况进行检查与检测,及时发现存在的隐患,针对隐患提出经济合理的整改方案,以指导隐患的整改工作,有效地避免或减轻雷电、静电事故。

近三年,通过对兰郑长输油管道(甘肃段)的防雷防静电检测,发现了一些典型的安全隐患。通过对这些潜在的事故隐患进行分析、研究和总结,以保障管道的防雷防静电安全。

1 输油输气管道的特点与隐患分析

1.1输油输气管道具有以下特点:1)由于管道地理跨度较大,场站和阀室所处的地理位置大多处于空旷偏僻地带,且场站内的金属装置较多,从雷击的选择性来讲,遭受雷击的概率相对较大;2)管道输送的均属于易燃易爆物质,生产区绝大部分是Ⅰ级爆炸危险区,少数属于Ⅱ级爆炸危险区,一旦发生雷电、静电事故,将会带来巨大的经济损失,且恢复生产难度高[1] 3)场站和阀室的自动化水平越来越高,如传感系统、自动化管理控制系统、监控系统等,在雷电环境下,电缆、电线等金属导体上产生的过电压和过电流超过设备耐受水平时就会损害设备;4)管道的流速较高、压力较大,极易由于输送物质和管壁摩擦产生静电。

1.2 输油输气管道防雷防静电隐患结构分析

通过对兰郑长输油管道近三年的检测,对发现的雷电与静电隐患进行结构分析,如表1所示,得出了如下的结论:1)在竣工检测时(2009年)发现的隐患相对常规检测(2009年以后)的要多50%以上;2)竣工检测时直击雷防护装置及接地网的隐患相对较多,但通过整改,隐患点数量大大降低;3)常规检测时发现的大多是电气装置与金属穿线管接地方面的隐患,这是由于在设备维护、维修时造成的;4)常规检测发现的隐患数量逐年降低,但仍存在隐患,每年隐患的部位均不同。

1 兰郑长管道近三年隐患结构表(单位:点)

年份

电气装置

穿线管

接地排

接闪器

屋面装置

SPD安装

接地网

2009

74

66

23

12

8

6

2

2010

42

59

9

0

1

2

1

2011

21

17

2

0

3

1

0

    通过对上述隐患进行归纳分析,从防护方法上其大致可分为直击雷隐患、电磁感应隐患、浪涌隐患、等电位隐患、接地隐患及静电泄放隐患6大类。

2 直击雷防护

2.1建筑物的直击雷防护。

在场站办公区内,建筑物是直击雷防护的主要对象之一,其直击雷防护的接闪器一般为接闪带。根据有关规范技术要求接闪带使用圆钢其最小直径要求为8mm,但为了预留富余量,一般会使用10mm12mm的圆钢,圆钢之间的焊接要使用搭接焊,搭接焊工艺要求为:其搭接长度要不小于圆钢直径的6倍(双面施焊)或12倍(单面施焊)[2],且焊接面应与地面垂直,以防焊接部位积聚雨水而腐蚀。接闪带的拐角部位一定要呈规则的圆弧状,在其接闪时,拐角处会产生很强的机械力,若是呈直角形状,就会有崩断的危险。接闪带一般利用建筑物立柱主筋作为引下线,焊接要求同上。通过对兰郑长输油管道近3年的检测资料进行分析,接闪带的隐患常见的有断裂、锈蚀、焊接不规范、引下线偏少等,其中焊接长度达不到要求等焊接不规范问题较为突出,数量占直击雷隐患的80%以上

2.2突出屋面的金属装置雷电防护。

突出屋面的金属烟囱、天线、通风管等金属设施应以最短的距离与接闪带连接,连接材料要能承受雷击冲击电流,一般采用4×40mm的扁钢为宜,焊接要规范可靠。当金属物不能承载接闪任务时,应为其单独设立接闪杆,接闪杆与金属物体均需与接地装置做电气连通,连接材质的截面积应胜任泄流任务。

2.3生产区高耸构筑体雷电防护。

高杆灯、放空管、油罐顶防护栏、工艺设备的顶端等装置其实就是接闪器的不同表现形式,由于设备顶端的壁厚一般都超过4mm,足以承受雷击而不至于被击穿,所以可以不用单独设立避雷针[3],但每台设备底端应可靠接地以就近泄流。

很多生产工艺区的设备,应和罐体区别对待,这类设备的外表特征极易形成雷电接闪,无法承载接闪任务,且附着一些电子设备,这些区域的直击雷防护,应该引起足够的重视。

3 电磁感应防护

3.1电磁感应的成因分析

3.1.1接闪带接闪感应

直击雷防护装置上绑扎或在反击距离内布设电气线路是一种往往被人忽视的隐患,一旦接闪器接闪,在电气线路上会瞬间产生极高的瞬态感应电压,感应的高电压沿着线路向两端传递,必然会造成线路两端的电子设备受损。

3.1.2间接接闪感应

即便该建筑物不接闪,当临近建筑物发生雷击接闪,或是雷云较低时,也同样会通过闪电感应或静电感应的形式在线路上产生过电压。在屋檐或是室外其它部位架空布设的线路就也存在此类隐患。

3.2感应过电压的防护措施

防止线路电磁感应最有效的方法就是屏蔽、等电位连接和接地。

3.2.1屏蔽和接地

将线路处于金属穿线管的保护之下,可有效降低感应过电压。如图1所示,当线路在金属穿线管的保护之下时,线路所处的雷电防护分区从LPZ0区(非直击雷防护区)变为LPZ1(第一屏蔽防护区)区,管壁由于自身被感应会在内侧产生与外侧极性相反的电磁场,从而相互抵消,使线路中的感应电流得到衰减。

1 线缆电磁感应防护示意图

屏蔽效果的好坏一般用屏蔽效能来衡量,屏蔽效能(SE)的定义是:在电磁场中同一地点无屏蔽时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比。常用分贝数(dB)表示。

屏蔽效能表达式为:

:屏蔽前的电场强度,:屏蔽后的电场强度;

:屏蔽前的磁场强度,:屏蔽后的磁场强度;

可用专业仪器测量其数值。

通过实际测量和计算,金属管接地与不接地,其屏蔽效能相差1倍。所以在具体的施工中架空线路最有效的保护方式就是屏蔽和接地,且金属管应两端可靠接地,并在入户处加装相应的电涌保护装置,使雷电流得以泄放,此外线路与接闪器或引下线的距离不应小于3m,以防止旁侧闪络。在青海省某场站就曾发生由于监控线路未屏蔽入户导致雷云在线路上感应出过电压,从而造成击穿监控主机键盘起火的事故。

3.2.2 等电位连接和接地

生产区的电气传感设备较多,如温度变送器、压力变送器等,这些装置直接和站控室设备通过通信电缆连接,如果这些传感设备等电位连接状况不良,感应电流会沿着线路串入站控室烧毁设备。具体的做法是将传感器的接地点分别与穿线管、电缆铠装层和接地排做等电位连接,连接的多股铜线线径不小于6mm2 ,这样不但实现了设备的电气接地,还利用金属穿线管对里面的线路起到了很好的电磁屏蔽作用。

4 电涌保护器(SPD

当场站遭到雷击或遭受雷电电磁感应时,雷电流会窜入电源和弱电系统。虽进行了直击雷和电磁感应防护,但雷电流仍然未消失殆尽,会形成电涌沿线路窜入设备,造成设备损坏,所以需要在设备前端加装电涌防护装置(SPD,SPD用于限制瞬态过电压和分泄电涌电流,以保护后续设备。SPD的选型和安装方法直接影响到对设备的保护效果。

4.1浪涌保护器的选型

电源系统SPD承担了雷击能量45%的泄流任务,但电源系统SPD的选型要求却往往被混淆。第一级电源SPD处于LPZ0区(非直击雷防护区)与LPZ1(直击雷防护区)区的交接部位,场站总配电室由于架空线路的引入,使得总配电室SPD成为第一级,其标称放电电流(In)不应小于80KAUPS前端的SPD成为第二级,In不小于40KA;用电设备前端为第三极,In不小于20KA[4]。但在高杆灯内安装的SPD往往被设计单位误认为是第三极SPD,因为它是用来保护终端用电设备的,但高杆灯内的线路处于LPZ0区与LPZ1区的交接部位,此外高杆灯一般在场站内是至高点,遭到雷击的概率相对较高,雷电流通过照明设施窜入电源系统的概率和强度也最大,所以高杆灯内安装的SPD应按照第一级SPD的参数进行选型,也就是说In不应小于80KARTU阀室由于年预计雷击次数相对较低,SPD的标称放电电流不小于20KA即可。

由于受雷击感应的风险较大,架空引入室内的通信、天馈、监控线路在入户处的端口上应安装与之传输信号相匹配的SPD。一旦线路上有过电压,SPD可以迅速泄放雷电流,而不至于击毁后续设备,当然将此类线路穿金属管埋地,并将屏蔽管两端可靠接地,可以大大削弱感应雷电流的强度[7,8]

4.2浪涌保护器安装的技术要求及隐患分析

2  SPD连接示意图

SPD的连接线的规格和长度会严重影响到保护效果。如图2所示,在SPD泄流过程中,电子设备两端的电压UeSPD连接线上产生的压降与SPD的残压Ures之和,Ue=Ua+Ures+Ub,因此,在SPD泄放雷电流时电子设备两端的电压Ue可表示为:

UresSPD的残压,h为连接线路总长度,L为连接线路分布电感,di/dt为冲击电流波上升率。

一般来说,连接线的分布电感为1μH/m左右,8/20μs波形雷电流为例,如果保护保护端的电子设备耐压为4kV,选用Up3.6kVSPD保护设备。当SPD流过的雷电流峰值为20kAUres约为2KV),SPD连接为1m时,Ue4. 5kV超过了电子设备的耐压值;但当连接线的长度为0.5m时,Ue3.25kV则可以保护电子设备的安全运行。可见SPD两端连接线的长度对SPD的保护性能有很大影响。

由此可知,导线的压降与线路长度、线路分布电感及电流变化率成正比,线路分布电感又与导线的长度成正比,与导线截面积成反比,所以SPD连接线宜短,线径宜大。此外由于在交流情况下,如将线路螺旋缠绕,感应回路面积会成倍增长,其感抗也随之增长,这样会大大抬高了设备两端的瞬态过电压,这是施工过程中常见的安装隐患。综上所述各级SPD的连接导线应平直,其相线和地线的长度和不应超过0.5m,其线径可参照表2的要求。

2  SPD连接线最小截面积[4]

SPD

级别

SPD类型

SPD连接导线截面积(mm2

相线铜导线

接地端铜导线

电源

第一级

开关型或限压型

16

25

电源

第二级

限压型

10

16

电源

第三级

限压型

6

10

电源

第四级

限压型

4

6

天馈线路SPD

6

信号线路SPD

1.5

当连接线路不能满足0.5m的要求时,还有一种降低SPD两端电压的方法就是采用凯文接法,如图3所示,这样在用电设备两端的电压就剩UresUb的和了,加在用电设备端的电压也自然得到降低。但这种方法在在使用铝排的大型配电柜中施工中有一定难度。

3  SPD凯文接法示意图

5 接地装置

接地装置是上述防护措施的基本条件,无论是直击雷、电磁感应还是浪涌防护都离不开接地装置,是过电流最终的泄放区域。场站和阀室的接地一般都为联合接地系统,垂直接地体选用铜包钢、锌包钢材料的较多,其耐腐蚀性和导电性较好,水平接地体将接地网与设备相连。一般垂直接地体的间距不小于其长度的2倍,埋设深度不小于0.5m,应埋设在土壤湿度较稳定的土层(冻土层)下,以使地网接地性能不随季节变化,焊接部位应做良好的防腐处理。此外考虑到雷击泄流时可能会对地面上的工作人员造成反击,所以接地装置要避免布设在建筑物的入口或人行道下方,其间的水平间距应不小于3m[5]。由于高杆灯的接闪概率较大,所以其接地装置的一定要独立布设,以防止雷电流反串入其它设备,造成一些等电位连接状况不良的设备只间产生火花。

此外,接地装置的接地电阻与该地域的土壤电阻率成正比,所以使用等量的接地体在不同地域的接地电阻是大大不同的。接地电阻与土壤电阻率的关系可简化表示为R=ρ/2πa,R为接地电阻,ρ为土壤电阻率,a为接地体布设系数,与接地体的材质、深度、数量及布设方法关联,阀室的接地系统的设计往往相同,故a的值相等,当土壤电阻率相差1倍时接地电阻也相差1倍,所以在阀室接地装置设计时要根据阀室所在区域的土壤电阻率来设计接地装置的数量,而不是将各阀室的接地设计一概而论,这样会导致高土壤电阻率地区的阀室接地电阻达不到设计要求。

6 等电位连接

    等电位连接是防止电磁感应和电位反击的有效措施,即便相邻的设备均接地良好,但由于接地线路阻抗的不同,在相等的雷电流下两设备会产生不同的电位,从而造成击穿放电。

6.1等电位连接的目的

工艺设备的等电位连接是一项重要而又繁琐的工作,其目的是让相邻的设备间用金属材料将其实现电气连通,在一端瞬态电位抬高时,两个设备间的电位差仍为零,从而避免火花导致火灾或爆炸[9,10]。,通过防雷防静电检测,从发现的隐患中等电位连接隐患所占的比例超过90%,工艺区设备的等电位连接容易处理,但金属储油罐则具有相对的特殊性。

6.2金属储油罐的防护特点

金属储油罐的等电位连接可谓至关重要,由于油罐产生的油气极易起火,微弱的电火花就会造成事故,不管是雷电还是静电均会产生火花。在油罐内部,浮船与金属罐壁的等电位连接尤为重要,浮船由于上下活动以及密封装置的存在,静电在浮船上聚集,当达到放电临界电压时,就会对罐壁进行放电,从而点燃油气造成火灾;在雷电环境下,遭到雷击或是受到雷云的感应,罐壁上电位抬升,若浮船未与罐壁连通或连接不可靠,罐壁电压会击穿与浮船间的缝隙造成火花放电[5]

6.3金属储油罐等电位连接操作实践

浮船与罐壁的等电位连接要兼顾雷电和静电要求,用截面积不小25mm2的铜芯软绞线进行连接,连接点不应小于两处[5],最好对称布设,且连接部位要定期进行紧固和除污。在金属储罐外部,呼吸阀、阻火器等装置处于相对的高点,若阀门或法兰盘的螺栓小于5根,就要用金属导体对其进行等电位连接,但不同于一般的法兰盘跨接,此处的跨接线由于可能作为直击雷引下线,所以线径应按照引下线的规格要求来选取,其它电气设备、金属穿线管等均需和罐壁做可靠的等电位连接,如电气设备未处于灌顶护栏的防护之下,应做避雷短针对其进行直击雷防护。

7 静电泄放装置

    静电是是一种处于静止状态的电荷,是由于物体间的接触与分离而产生。日常生活中在干燥季节里,人们相互握手,手指刚一接触到对方,会突然感到指尖针刺般刺痛,这就是静电的放电现象。

7.1人体静电的防护

    人体静电可达到数千伏特,在与设备的接触过程中放电,足以点燃泄露的油气酿成事故。

7.1.1人体静电泄放装置及其技术要求

为了泄放身体所携带的电荷,在进入生产场所前应触摸一些接地的金属部件对其进行静电泄放,这些场地的入口处均要求布设人体静电泄放装置,按有关技术规范要求,人体静电泄放装置的接地电阻要小于100Ω

7.1.2人体静电泄放装置可能产生的问题及处理方法

许多施工单位直接将静电泄放球的立柱固定于需安装的位置,并未设立接地装置,单从接地电阻检测数据上来看,在土壤较湿润的季节,似乎达到了要求,然而北方一般少雨干旱,尤其在秋冬季节,气候干燥,土壤含水量很少,其接地电阻超过100Ω,且由于基础易松动,从而数值极不稳定,所以在这一问题上建议此类静电泄放装置要单独设立一根垂直接地体与其相连,如与基础地网距离较近,直接将静电泄放装置与基础地网相连那是首选的方法,这样不但静电泄放效果理想,从施工成本上来讲也更经济。

7.2装卸区域的静电防护

在油品的装卸区域,由于车辆在装卸时油品的高速流动会产生较大的静电以及车辆运行本身也会产生静电,静电泄放夹是这一区域必备装置,但许多单位单独设立静电泄放接地装置,这样由于静电泄放地网与基础地网之间的接地电阻存在差异,在静电泄放时,车辆和输油管路之间就存在电位差,这种电位差极易产生静电火花,最好的处理措施是将静电夹的连接端直接接至管道法兰或阀门的螺栓上,静电夹再与车辆可靠连接,这样车辆和管路均处于同一电位水平上,在装卸油品时就不会有电位差的存在,当然使用能检测接地状况的静电接地仪器更为理想。

8 接地电阻的数值要求

接地电阻值是衡量一个接地装置优劣的重要指标,根据作用的不同,对其接地电阻的要求也不同。在各种技术规范中,输油输气管道中常见的接地电阻的要求一般有如下几种:

防雷接地:不大于10Ω

电气接地:不大于

防静电接地:不小于100Ω

通信天线接地:不大于

但考虑到场站大多为联合接地,其接地电阻应不大于其中要求的最小值,也就是,但避雷针等采用独立接地体的装置,其接地电阻不应大于10Ω,高杆灯由于内部存在电气线路,其接地电阻不应大于

9 结束语

输油输气管道是一个地域跨度大、电子设备与精密仪器仪表密集的综合系统。只有将油气管道所处地域的地理环境、气象条件与综合的防雷防静电防护技术相结合才能有效地保护油气管道系统的安全运行。本文在分析解决油气管道一些防雷防静电隐患的基础上,对油气管道的电磁感应防护、过电压防护及静电防护等问题进行了详细的分析和计算,提出了油气管道防雷防静电的设计与整改方法,为管道场站和阀室的防雷防静电工作提供了技术参考。

参考文献:

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[9] 王祥,王朝晖. 石油化工行业电力电子系统防雷要点. 石油化工自动化[J].2008(3):89-90.

[10] 苗济国. 石油化工厂控制室防雷设计的探讨. 石油化工自动化[J].2002(3):5-6.
作者简介:

李磊(1979),男,甘肃省武威人,工程师,硕士,主要研究方向为雷电防御。

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