二次密封装置的雷电防护研究

二次密封装置的雷电防护研究

大型浮顶储水池是原油的一般储水池。储水池通常为60.100m，高度为20m，体积最大为15.14m。大型浮顶储罐由于浮盘面积大,而且直接暴露于大气中,因此遭受雷击概率大,储罐因雷击火花放电引发的火灾事故频繁发生。对近年发生的几起雷击火灾事故进行分析,结果表明:发生火灾事故的储罐均采用了带油气隔膜的二次密封结构,放电火花基本形成于此。以下对大型浮顶储罐常用的二次密封装置的雷击危险性进行理论分析和试验验证。1次密封结构高聚物联接法浮顶储罐浮盘的外边缘与罐壁板之间有约为250mm的环形间隙,此间隙是储罐浮盘上下运行的必备空间,也是其散发油气的主要渠道,通常使用密封装置对此间隙进行密封,以减少油品的蒸发损失。密封装置的形式很多,常见机械密封和弹性密封两大类。为了进一步减少储罐向大气排放油气,降低环境污染,国内外广泛使用“一次密封结构+二次密封结构”的双重密封方法,即在单密封的基础上增加一套密封装置。国家规定储存甲类和乙A类油品的地上油罐,应当选用浮顶油罐或者内浮顶油罐,浮顶油罐采用二次密封装置。二次密封具有对油罐内壁防腐层无损害、对罐内壁的要求不高等优点。二次密封由防蒸发隔膜、支撑板、密封刮板、导电片及紧固连接件(图1、图2)组合而成。支撑板采用1.5~2.0mm厚的镀锌板或不锈钢板制成,沿罐壁周围搭接,对防蒸发隔膜起保护作用,防止外力划伤和阳光照射引起老化。防蒸发隔膜采用涂有聚氨酯的尼龙布制作,具有良好的防油气渗透性,其环绕在浮盘外壁与罐壁间的环形区域,阻隔一次密封泄漏的油气,降低油气损耗。橡胶刮板密封以螺栓固定在支撑板顶端,依靠支撑板的压紧作用贴紧罐壁,防止油气泄漏和雨水进入罐内。导静电片通过螺栓固定在支撑板上,依靠弹力与罐壁相连。2形式上的组合储油罐受施工质量和制造误差的影响,存在罐壁不规则的问题,在浮顶升降过程中易发生一次密封密封不严,导致一次密封下部空间与一二次密封间的空间相通,油气上行至一二次密封间,使一二次密封之间、一次密封下部空间形成互相连通的爆炸危险区域。根据浮盘密封圈内油气含量的检测结果,采用软密封和机械密封的浮盘密封圈内均存在处于爆炸范围内的可燃气,而且采用机械密封时油气含量到达爆炸极限的测量点较多。二次密封在运行的过程中,阳光照射引起橡胶刮板老化变形,使二次密封失去隔绝外界空气的性能,因此,在橡胶刮板上方一定范围内存在达到爆炸下限的油气空间。二次密封所处位置存在燃爆油气空间,如果雷电流泄放过程中在该位置发生打火现象,则极可能引起爆炸,导致密封圈火灾事故。当雷击储罐时,浮盘上的电荷通过罐壁与之相连的各个通道进行泄放,主要通道包括导静电线、二次密封的导电片、滑动扶梯、机械密封金属件、刮蜡器等(图3)。根据气隙沿面放电的原理,固体介质与电极接触不很紧密,沿面闪络电压将大幅降低,因此较低的电压即可产生放电。这是因为固体介质的介电常数比气体介质大几倍,固体介质的电导率比气体介质大几个数量级,故不论作用的电压波形如何,紧贴电极的薄层气隙中的场强总是远大于其他部分的场强,这里的气体首先电离,产生自由电子,为放电提供了有利条件。作为雷电流的泄放通道应该具备连续的电气连接,即通过钎接、焊接、夹接、弯折、螺栓等方式连接。处于危险区域的建筑物,如果条件允许,LPS(LigtningProtectionSystem,雷击防护系统)的所有部件至少远离危险区域1m;否则,在距危险区域0.5m范围内经过的导线应采用牢固焊接或压接的方法保证连续。而二次密封装置的导电片依靠外界弹力进行贴合,并非连续的可靠电气连接,在运行过程中,一旦密封橡胶老化、浮盘移动等将会造成接触减弱,甚至产生短距离的空气间隙等情况,因此,二次密封装置的导电片在雷电流流过时,存在产生火花放电的可能性。3探测雷氏风险3.1ds冲击下应力h实验采用冲击电流波形为8/20uf06ds冲击电流波进行感应雷击模拟(图4),其波头时间tf约为8uf06ds,波尾时间tt约为20uf06ds。3.2初始电流值的测量(1)不同宽度导电片打火电流实验:分别将宽度为15mm、25mm、38mm的导电片与一块300mm(长)×200mm(宽)金属平板利用弹力紧密贴合,用8/20uf06ds冲击电流波冲击,测量不同尺寸导电片产生火花放电的起始电流值。(2)油污阻隔情况下导电片打火电流实验:将与上述尺寸相同的导电片和金属平板(涂有原油)利用弹力紧密贴合,用8/20uf06ds冲击电流波冲击,测量导电片产生火花放电的起始电流值。3.3浮顶储罐引起热毒攻击的危险性在整个实验过程中,通过空调、除湿机等设施维持实验室环境条件基本恒定,温度控制在20~22℃,相对湿度控制在50%~55%,气压控制在101~102kPa。通过高速摄像机记录导电片的雷击打火过程(图5)。根据实验结果(表1),导电片与金属板的接触面积越大,引起雷击打火的起始电流值越大,说明导电片与罐壁接触越可靠,越不易雷击打火;相比未涂原油的导电片,涂有原油导电片的雷击打火起始电流值略有增大,说明油污能够在一定程度上抑制火花;油污无法起到绝缘作用,表明即使有油污存在,雷电流仍然会通过,产生火花放电现象;雷电流通过导电片时,电流只需达到几百安培即可能产生火花放电。综上所述,目前大型浮顶储罐安装的二次密封装置,导电片依靠弹力与罐壁贴合,在流过雷电流时可能发生雷击打火现象,而二次密封所处空间极易达到爆炸下限,因此,一旦浮顶储罐遭受雷击,发生火灾事故的概率相当大。建议采取以下改善措施