消除转绕设备静电(安全生产管理之油气储运安全技术的油库防雷防静电技术)

Posted 2023-06-01

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消除转绕设备静电(安全生产管理之油气储运安全技术的油库防雷防静电技术)

油库防雷防静电技术

1　油库建（构）筑物的防雷设计

油库建（构）筑物可分为三类：

第一类建（构）筑物，是指因电火花引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡的建（构）筑物，如0区和1区爆炸危险环境的建（构）筑物；

第二类建(构)筑物，是指电火花不引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡的建(构)筑物，如1区和2区爆炸危险环境中的建(构)筑物；

第三类建(构)筑物，是指确定需要防雷的21区、22区、23区火灾危险环境中的建(构)筑物。

对于第一、二类建(构)筑物应有防直击雷、防感应雷和防雷电波侵入的措施；第三类建(构)筑物应有防直击雷和防雷电波侵入的措施。

（1）防直击雷的措施　为了防止直击雷害，常采用避雷针、避雷线和避雷网等装置。这些装置必须满足以下要求。

①装设独立避雷针或架空避雷线时，所有被保护的建筑物和构筑物均应在保护范围以内。对排放有爆炸危险物质的管道，其保护范围应高出管顶2m以上。

②独立避雷针至被保护的建筑物和构筑物及与其有联系的金属物(如管道、电缆)的距离，应符合下式要求，并保证不得小于3m。

地上部分：

S≥0.3Rch+0.1hₓ　　（3-1）

地下部分：

S≥0.3Rch　　（3-2）

式中　Rch——冲击接地电阻，Ω；

hₓ——被保护建（构）筑物或计算点的高度，m。

③架空避雷线的支柱和接地装置至被保护建(构)筑物及与其有联系的金属物的距离与上一项相同，至屋面和突出屋面的物体的距离应符合下式要求，但不得小于3m：

（3-3）

式中　S——避雷线的支柱高度，m；

L——避雷线的水平长度，m。

④独立避雷针或架空避雷线应有独立的接地装置，其冲击接地电阻不应大于10Ω。

（2）防感应雷的措施　感应雷也能产生很高的冲击电压，为防止它的危害，应采取以下措施。

①建筑物内的所有较大的金属物和构件以及突出屋面的金属物均应接地。金属屋面周边每隔18～24m应使用引下线接地一次。现场浇制的或由预制构件组成的钢筋混凝土屋面，其钢筋宜绑扎或焊接成电气闭合回路，同样应每隔18～24m用引下线接地一次。

②平行敷设的长金属物，如管道、电缆外皮等，其净距小于100mm时，应每隔20～30m，用金属线跨接。交叉净距小于100mm时，交叉处也应用金属线跨接。此外，当管道连接处不能保持良好的金属接触时，也应在连接处用金属跨接。

③防感应雷的接地装置的接地电阻不应大于10Ω，一般应与电气设备共用接地装置，室内接地干线与防感应雷的接地装置的连接不应少于两处。

（3）防雷电波侵入的措施　防雷电波侵入的保护装置一般分为阀型避雷器、管型避雷器和保护间隙，具体保护设施有以下几项。

①低压线路最好采用电缆直埋敷设，并在进户端将电缆外皮与接地装置相接。当采用架空线时，在进入建筑物处应采用一段长度不小于50m的金属铠装电缆直埋引入，在架空线与电缆连接处应装设阀型避雷器，电缆外皮与绝缘子铁脚应连在一起接地，冲击接地电阻不应大于10Ω。

②架空金属管道在进入建(构)筑物处，应与防感应雷的接地装置相连，距离建(构)筑物100m以内的一段管道应每隔25m左右接地一次，其冲击接地电阻不应大于20Ω。埋地或在地沟内敷设的金属管道在进入建(构)筑物处，也应与防感应雷的接地装置相连。所有上述接地应尽可能利用建(构)筑物的钢筋混凝土或金属基础作为接地装置，并和其他接地共用这一接地装置。

（4）油罐的防雷设计

①地面油罐的防雷设计

a.固定顶金属油罐　固定顶金属油罐是目前使用较多的油罐类型，对于这类油罐，国家标准GB 50074—2014《石油库设计规范》中规定“对于装有阻火器的固定顶钢油罐，当顶板厚度大于或等于4mm时可不装设避雷针(线)”，但油罐要有良好的接地装置，因为油罐都是焊接的，罐体本身处于电气连接，雷电直击在油罐上时，雷电流能沿罐体通过接地装置导入大地。即使是在遭受感应雷时，罐体产生的感应电流也不会因其不连续而产生火花。

对于钢板厚度小于4mm的油罐，为了防止直击雷击穿油罐钢板引起事故，应装设避雷针(线)。避雷针(线)的保护范围应包括整个油罐。值得注意的是，油罐的呼吸阀和阻火器是油罐防雷设备中的关键设备。从调查来看，很多油库的雷击着火事故都是由于没有安装呼吸阀和阻火器而造成的。因此，平时要注意阻火器的维护与保养，使其能正常发挥阻火作用。过去在油罐防雷设计上，总认为油罐有避雷针就可以不遭受雷击，实际上避雷针的保护范围是一定的，对球形雷和雷电绕击不起作用，所以只有维护好油罐附件，使其处于完好状态，才不致遭受雷电损害。

b.浮顶油罐　浮顶油罐在正常情况下很少有油气逸出，因此浮顶上面的油气很少，一般都达不到爆炸极限。即使雷击着火，也只发生在密封装置损坏之处，故着火范围有限，易于扑灭，不致造成重大事故，因此可以不装设避雷针，但为了防止感应雷并导走油品传到金属罐顶上的静电荷，外浮顶储罐应利用浮顶排水管将罐体与浮顶做电气连接，每条排水管的跨接导线应采用一根横截面不小于50mm²扁平镀锡软铜复绞线。

c.非金属油罐　非金属油罐罐体内部的钢筋很难做到电气的可靠闭合，当遭受雷击时，由于雷电机械力的作用，油罐会遭到破坏，故应装设独立避雷针(线)来防止直击雷。同时，当发生感应雷时，由于钢筋很难全部做到电气上的连接，这样在钢筋上产生强大的感应电动势和感应电流，在不连续的钢筋间会产生放电火花，点燃油蒸气，引起爆炸着火事故。因此，这种油罐可用ϕ8mm圆钢做成不大于6m×6m的网格铺盖在罐顶上并接地。对于油罐的金属附件和罐体外裸露的金属件，应做好电气连接并接地。

②地下油罐和洞库油罐的防雷设计

a.地下油罐的防雷设计　地下覆土油罐是将油罐置于覆土的保护体内，由于受到土壤的屏蔽作用，当雷电击中罐顶土层时，土壤可将雷电流疏散导入大地。因此，国内外有关规范规定“凡覆土厚度在0.5m以上的油罐，都可不考虑防雷措施”。由于地下覆土油罐的呼吸阀、阻火器、量油孔、采光孔等附件一般都没有覆土层保护，所以对这些附件应做好电气连接并接地。

b.洞库油罐的防雷设计　洞库油罐被设置在人工开挖的罐室内，要求罐室顶部自然防护层厚度应有30m，所以其自然防护能力强，对罐体不存在防雷要求。但是，洞库油罐的金属呼吸管与金属通风管通过坑道引出，暴露在洞外，当直击雷或感应雷的高电位通过这些管线引到洞内时，有可能就在某一间隙处放电引燃油气而造成火灾、爆炸事故。因此，露在洞外的金属呼吸管与金属通风管应装设独立避雷针，其保护范围应高出管口2m以上，避雷针的尖端应设在爆炸危险空间以外(尖端高出油气管顶4m)，避雷针的位置应距管道3m以上。

除了采用上述避雷针防雷外，还应采取下列防高电位引入洞内的措施。

（a）进入洞内的金属管线，从洞口算起，当其洞外埋地长度超过50m时，可不设接地装置；当其洞外部分不埋或埋地长度小于50m时，应在洞外做两次接地，接地点间距小于100m，接地电阻小于20Ω。这样可使地面和管沟管线受到雷击或雷电感应产生的高电位在引入洞内之前大大降低，避免在洞内引起雷害事故。

（b）雷击时，雷电还可能沿低压架空线路将高电位引入洞库造成事故，因此要求电力和通信线路采用铠装电缆埋地引入洞内。由架空线路转换为电缆埋地引入洞内时，由洞口至转换处的距离不应小于50m，电缆与架空线的连接处应装设阀型避雷器。避雷器、电缆外皮和瓷铁脚应做电气连接并接地，接地电阻不宜大于10Ω。

2　油库的防静电技术

（1）静电产生原理　所有物质的带电都可以用双电层理论进行解释。油库中，油料因流动、喷射、沉降、过滤、冲击等产生的静电也不例外。所谓双电层理论，是指当两种不同属性的物体相接触时，由于不同物质的原子得失电子的能力不同，不同原子、原子团或分子的外层电子的能级不同，在接触面处各自的电荷将发生新的排列，并发生电子转移，使界面两侧出现大小相等、极性相反的两层电子，同时在接触面形成电位差。

①静电积聚　油料在管道内流动时便产生流动电流，随着油料经管线送入油罐或注入油罐车，油料中的电荷也注入了油罐或油罐车。进入油罐或油罐车的带电油料越多，其所带静电荷量越大。

②静电泄漏　油料中的静电荷随着油料的注入而增加，当油罐停止注油后，若不考虑由于油料中杂质的沉降所引起的带电，则罐内的静电荷量由于存在泄漏而逐渐减少。

③油料带电　在装卸油过程中，油料因流动、喷射、冲击和沉降而带电，这四种带电形式均可用双电层理论进行解释。这些带电油料不断地流入罐内而使罐内油料的电荷积聚，产生一定的电场强度和电位。

a.流动带电　流动带电是油料储运中常见的带电形式，如油料在管道内流动时，连续发生接触与分离的现象而使被输送的油料带电。当油料处于静止状态时，在油料与金属管壁的分界面上存在着一个双电层。在管壁表面的电荷层称为固定层，该层厚度只有一个分子直径大小且不随液体流动，另一层电荷与界面上金属管壁一侧的电荷符号相反，分布在靠油料的一边，这部分电荷的密度随着与金属管壁的距离加大而减小，处于一种扩散状态。当管道内的油料流动时，靠管壁的负电荷被束缚着，不易流动，而呈扩散状态的正电荷则随油料一起流动，形成电流。这种因流体流动冲走电荷而形成的电流称为流动电流。在工程上经常用这个物理量来衡量油料中带有静电的程度。由于油料的流动使原来的双电层发生了变化，油料中的正电荷被冲走时，原在管壁内侧被束缚的负电荷由于相反电荷的离去而有条件聚集到管壁外侧成为自由电荷。同时，带电油料离去后，又有中性油料分子进行补充，即刻又出现新的双电层。若金属管线接地，则除去管线内侧双电层所束缚的负电荷外，管壁外侧多余的负电荷被导入大地，同时，正电荷随着油料的流动移向前方。

b.喷射带电　当带有压力的油料从喷嘴或管口以束状喷出后，这种束状的油料便与空气连续发生接触与分离现象，使油料带电。由于喷出的油料与空气接触时，部分油料被分裂成许许多多的小油滴，其中比较大的油滴很快沉降，其他微小的油滴停滞在空气中形成雾状小油滴，这些小油滴云带有大量电荷，形成电荷云。

c.冲击带电　油料从管道上喷出后遇到壁或板时，油料与壁或板不断地发生接触与分离现象，与壁、板分离后的油料向上飞溅，形成许多带电的油滴，并在其间形成电荷云。这种带电类型在油料的储运过程中经常发生，如轻质油料经过顶部注入口向储油罐或油罐车装油，当油柱下落时与罐壁或油面发生冲突，引起飞沫、气泡和雾滴而带电。

d.沉降带电　油料由于不同程度地含有杂质，如固体颗粒杂质和水分等，这些颗粒杂质聚集成的大水滴向下沉降也会发生静电带电现象。当油料的静电与罐壁的感应电荷所产生的电场不足以引起放电时，油料的部分电荷仅通过罐壁泄漏，当其产生的场强超过罐内气体所能承受的场强时，气体则被击穿而放电。通过罐壁泄漏，当其产生的场强超过罐内气体所能承受的场强时，气体则被击穿而放电。不同气体的击穿强度不同，如空气的击穿场强为35.5kV/cm，罐内油蒸气的击穿场强为4～5kV/cm。

（2）静电放电　静电放电通常是一种电位较高、能量较小、处于常温常压下的气体击穿。按放电形式的不同，主要分为电晕放电、扇形放电和火花放电三种形式。

①电晕放电　电晕放电一般发生在电极相距较远、带电体表面有突出部分或棱角的地方，如罐壁的突出物、鹤管等。因突出物或棱角处的曲率半径较小，其尖端积累了很大的电荷量，因此这些地方电场强度较大，能将混合气体局部电离，并出现微弱的辉光和“嘶嘶”声。此种形式的放电能量小而分散，一般放电能量为0.012～0.03mJ，不能点燃轻油混合气体(可燃气体点燃的最小放电能量为0.25mJ)。因此其危险性小，引起灾害的概率较小。

②扇形放电　扇形放电一般发生在油面与平板或球形电极之间，其特点是两极间因气体击穿而形成放电通路，其击穿通路在金属端较集中，其后分出很多分叉，散落在油面上。因此，此种放电不集中在某一点上，而是分布在一定的空气范围内。该放电在单位空间内释放的能量较小，但具有一定的危险性，比电晕放电引起灾害的概率高。

③火花放电　火花放电是两电极间的气体被击穿而形成放电通路，但该通路没有分叉，其放电在电极上有明显的集中点，放电时伴有短爆裂声，在瞬间内能量集中释放，因而危险性最大。当两极均为导体且相距又较近时，往往发生火花放电，如油罐内供测量用的金属浮子在接地线断掉时，落入罐内而又漂浮在油面上的金属浮子、系在绝缘绳上的金属测量取样器等均可能引起火花放电。

（3）油库设备静电分布的特点

①储油罐的静电分布　油库中储油罐的形式多种多样，静电荷在其中的分布也各不相同。对于立式圆柱形拱顶油罐和锥顶桁架油罐，其电位分布相同，最高电位均在油罐中心处。对于无力矩悬链曲线顶油罐，由于罐顶有中心支柱支撑，因此油罐中的最高电位不在油罐中心，而在罐中心与罐壁1/2处的圆线上。对于浮顶油罐，基本上不存在静电火灾危险。

油罐在装油过程中，油面电位的最大值有时发生在停止装油后。从注油结束的时刻到最大电位值出现的时刻，称为延迟时间。油罐进油到罐容的90%时停止作业后实测的电位变化曲线中，延迟时间是23.6s，一般78s之后电位才有显著下降。因此，为了安全起见，当需要直接测量液位或油温时，应该躲过罐内静电荷的泄漏时间(也称静置时间)。日本的《静电安全指南》中是按油罐的容积和油料的电导率来确定静置时间，如表3-4所示。原中国石油化工总公司制定试行的《石油化工企业易燃、可燃液体静电安全规定》中规定的静电静置时间与日本相同，中国人民解放军总后勤部物资油料部根据军用轻质油料品种少和电导率差异不大的实际情况，为使用方便，对轻质油料静置时间做出了规定，如表3-5所示。

表3-4　油料静置时间

表3-5　轻质油料静置时间

②管路系统的静电分布　油库的收发油管路系统主要包括管线、泵和过滤器。卸油时，一般为泵式卸油管路系统。装油时，一般为自流式装油管路系统。管路系统主要包括管线和过滤器。从图3-3中可以看出，泵式卸油管路系统产生的静电荷，从过滤器开始大量产生，并达到高峰，经泵后也产生大量的静电荷，最后经管线进入油罐。

图3-3 泵式卸油管路系统电荷产生情况分析图

③铁路油罐车的静电分布　目前，给铁路油罐车装油一般都为自流式装油，其静电的产生受管路系统、装油方式和鹤管分流头形状的影响。铁路油罐车在装卸油及运输的过程中会产生静电，静电分布情况如图3-4所示。自流式装油管路系统与泵式卸油管路系统的不同之处是没有泵的作用而使静电荷急剧增加的环节。

图3-4 自流式装油管路系统电荷产生情况分析图

对于自流式装油管路系统，由于没有泵的作用而使静电荷急剧增加的环节，进入过滤器的初值较小，但为了避免进入油罐车的电荷过大，一般要求过滤器离装卸油栈台在100m以外，以便有足够的时间使静电荷逸散。

油罐车内油面电位的分布，主要取决于电荷所在位置和电容数值的大小。一般来说，在鹤管油柱下落处的电荷密度较大，在车内中部位置电容较小(有爬梯时稍有增加)，所以油罐车中心部位的电位较高。油面电位的大小随油面的上升而变化，最高电位出现在1/3～1/2容积处。

（4）油库防静电的技术措施　工艺控制法就是在工艺流程、设备结构、材料选择和操作管理等方面采取措施，以限制静电的产生或控制静电的积累，从而保证油库安全。

①限制输送速度　降低物料移动中的摩擦速度或液体物料在管道中的流速等工作参数，可限制静电的产生。装轻质油料时初始流速要慢，不得大于1m/s，直到鹤管管口完全浸入油料中才可逐渐提高流速。给铁路油罐车灌装时，油料在鹤管内的允许流速按下式计算：

V²D≤0.8　　（3-4）

式中　V——油料流速，m/s；

D——鹤管内径，m。

对于汽车油罐车，灌装时油料在鹤管内的允许流速按下式计算：

V²D≤0.5　　（3-5）

②采用合理的装油方式　装油方式可分为上部装油方式和底部装油方式，不同的装油方式对油面电位的影响相差很大。对轻质油料而言，铁路油罐车的装油方式为上装式。当鹤管伸至油罐底部时，实现了暗流装油，避免了因喷射、冲击而引起的静电。但在实际操作中，由于鹤管头部伸入油品中，会造成鹤管内阻力增加，油料从套管间溢出，所以往往鹤管头部与油罐底部留有一定的距离。因此，在装油的初始阶段，油料必然要冲击罐底，搅动罐内油料，产生大量的冲击电荷，使罐内油料的静电荷量急剧增加，尤其是在鹤管口附近的油面上会集聚更多的电荷，使电位梯度增大，容易引起放电。

使用不同的鹤管分流头能降低油品喷溅带电。目前主要使用的分流头有圆筒形、T形、锥形和45°斜口等数种。除圆筒形外，其他各种分流头都能使油料分散下落，避免局部电荷过多，其中T形分流头降低油面电位的效果最为显著。

③采取合理的操作方式　为了防止静电危害，在操作上应遵守如下原则。

a.避免由顶部喷溅装油，应使鹤管接近罐底，并采用T形或45°斜口分流头，以减少底部的水和沉淀物的搅动。

b.检尺、测温和取样要等罐内油料静置到规定时间后方可进行，严禁在装油过程中进行检尺、测温和取样。检测用的吊绳必须采用导电性能良好的绳索，并与罐体进行可靠接地。

c.过滤器与容器之间要有足够的管段，以便通过过滤器的油料有30s以上的电荷泄漏时间。

d.不允许用压缩气体搅拌。

e.应打捞出浮在油面上的金属。

f.油罐进油时，顶盖不允许有人。

g.浮顶油罐的浮顶浮起前，进油速度应限制在1m/s以下。

h.车、油船换装油品前，必须洗罐（舱）。

④加快静电荷的逸散　在产生静电的任何工艺过程中，总是包含着产生和逸散两个区域。逸散就是指电荷从带电体上泄漏消散。可采取如下措施加快静电荷逸散。

a.在输送液体物料时，利用流速减慢时消散显著的特点，使带电的液体在通过管道进入储罐之前，先进入缓冲器内“缓冲”一段时间，这样就可使大部分电荷在这段时间里逸散，从而大大减少了进入储罐的电荷。

b.经输油管注入储罐的液体会带入一定的静电荷，由于同性相斥，液体内的电荷将向器壁、液面集中并泄入大地，此过程需一定时间，所以石油产品送入储罐后应静置一定时间，才能进行检尺、采样等工作。

c.降低爆炸性混合物浓度可消除或减轻爆炸性混合物的危险，可以在危险场所充填惰性气体，如二氧化碳和氮气等，用以隔绝空气或稀释爆炸性混合物，以达到防火、防爆的目的。

d.油罐或管道内混有杂质时，有类似粉体起电的作用，静电产生量将增大。油品采用空气调和也是很不安全的。石油产品在生产输送中要避免水、空气及其他杂质与油品之间以及不同油品之间相互混合。

⑤消除产生静电的附加源　产生静电的附加源包括液流的喷溅、容器底部积水受到注入液流的搅拌、在液体或粉体内夹入空气或气泡、粉尘在料斗或料仓内冲击、液体或粉体的混合搅动等。只要采取相应的措施，就可以减少静电的产生，这些措施如下。

a.从底部注油或将油管延伸至容器底部液面下，从而避免液体在容器内喷溅。

b.改变注油管出口处的几何形状，主要是为了减轻从油罐车顶部注油时的冲击，从而减少注油时产生的静电。这样做对降低油罐内油面的电位有一定的效果。

⑥接地与跨接　接地与跨接是最常见的消除静电的方法。静电接地是指将设备、容器及管线通过金属导线和接地体与大地相连而形成等电位。跨接是指将金属设备以及各管线之间用金属导线相连接，形成等电位。接地与跨接的目的：一是人为地使设备与大地形成等电位体，避免因静电电位差造成火花而引起灾害；二是当有杂散电流时，形成一个良好的通路，以防止在断路处产生火花而造成事故。

在油库中，应进行静电接地的设备可分为两大类：一类是固定设备，包括储油罐、输油管线、铁路装卸油场、码头装卸油设施设备和自动化计量设备等；另一类为移动设备，包括铁路油罐车、汽车油罐车、油船和油桶等。下面仅介绍储油罐和输油管线的接地与跨接。

a.储油罐的接地与跨接　油库中，油罐的种类繁多。对于一般金属油罐，通过外壁进行良好的接地即可。洞库内的油罐、油管、油气呼吸管、金属通风管和管件都应用导静电引线连接。在主引道内设导静电干线(一般用40×4扁钢)，引线和干线连接形成导静电系统，干线引至洞外，在适当的位置设静电接地体。对于非金属油罐，应在罐内设置防静电导体引至罐外接地，并与油罐的金属管线连接。除外壁良好的接地外，浮顶油罐还需要将浮顶与罐体、挡雨板与罐顶、活动爬梯与罐顶进行跨接，跨接线用截面积不小于25mm²的钢绞线。为了保证接地可靠，油罐接地应不少于两点，若油罐已有防雷接地装置，可不必再设防静电装置。

b.输油管线的接地与跨接　地下、地上或管沟敷设的输油管和集油管等管线，其始端、末端、分支处以及直线段每隔200～300m处，应设防静电接地和防感应雷接地装置，接地电阻不宜大于30Ω，接地点宜设在固定墩(架)处。对于不长于200m的管线，应在始端、末端各设一个接地装置。

管线用法兰连接的阀门、流量计、过滤器、泵、储油罐等设备，每一个连接处都应设导静电跨接，其接触电阻不应大于0.03Ω，用金属螺栓一般都能满足要求，若不满足要求，两法兰间应采用连接极或钢线跨接，每处至少装两根。

在平行敷设的管线之间的管道支架(固定座)处应做跨接，输油管线已装阴极保护区段不应再做静电接地。平行敷设的地上管线之间间距小于1m时，每隔50m左右应用40×4扁钢相互跨接。

文章摘编自本书