LNG储罐的防雷装置分析

LNG储罐的防雷装置分析

牛军锋

广东大鹏液化天然气有限公司

摘要：本文主要对LNG储罐顶部装置防雷及接地设置进行简要分析，以供业内参考。

关键词：LNG储罐防雷设置

1储罐顶部设置避雷针

设置避雷针时，采用滚球法对避雷针进行了保护范围计算。以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器(包括被利用作为接闪器的金属物)或接闪器和地面(包括与大地接触能承受雷击的金属物)而不触及需要保护的部位时，该部分就是接闪器的保护范围。

LNG罐按第二类防雷构筑物设计。第二类防雷构筑物的滚球半径hr为45m，放空阀高度1m，距放空阀5m处设置一支h为10m高的避雷针。避雷针保护范围的具体确定方法如下(如图1所示)：

(1)距地面hr处作一平行于地面的平行线；

(2)以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点；

(3)以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切，从该弧线起到地面止就是保护范围。保护范围是一个对称的锥体。从图1中可以看出，放空阀安装点距避雷针的距离接近5m，而放空阀的高度只有1m，所以图1避雷针保护范围放空阀完全在避雷针的保护范围内。避雷针采用钢管制作，顶部是实心钢棒，并用3条钢绞线固定在储罐顶部。

2储罐顶部设置避雷网

LNG罐按第二类防雷构筑物设计。GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.1条规定，第二类防雷构筑物外部防雷的措施，宜采用装设在构筑物上的避雷网、避雷带，在整个屋面组成不大于10m×10m或12m×8m的网格，接闪器之间应互相连接。LNG罐顶平面直径80.6m，分为5个圆周，半径分别为R1=5.75(m)、R2=14(m)、R3=23(m)、R4=32(m)、R5=40(m)。其中，R1圆周内区域已由避雷针覆盖，该区域不再设置避雷网，其他4个圆周内设置避雷网。储罐防雷接地结构如图2所示。

4个圆周长分别为：L2=2π×R2=87.96(m)、L3=144．51(m)、L4=201．06(m)、L5=256.35(m)。每一圆周内相邻两个避雷带之间的距离设计为5m，分别需要避雷带网格的个数是:N2=L2/5=17．6≈18(个)、N3=28．9≈29(个)、N4=40.2≈41(个)、N5=51.3≈52(个)。

避雷带采用12×4镀锌扁钢制作。按照上述方法组成如图2所示的罐顶避雷网，每一个区域面积符合防雷要求。

3防雷引下线设置

GB50057—2010第4.3.3条规定，建(构)筑物专设引下线不应少于2根，并应沿建筑物四周均匀对称布置，其间距沿周长计算不宜大于18m。

储罐圆周L5=256.35(m)，引下线数量N=L5/18=14.24(根)，取15根引下线采用12×4镀锌扁钢，在高度1m处设断接卡，如图2(b)所示。要测量每一个接地点的接地电阻，需拆开断接卡，分别测量15个接地点的接地电阻。引下线在地面下700mm处通过120mm2的绝缘铜芯导线连接成一个接地干线网，并与接地极连接。

4接地极设置

GB50057—2010第4.3.10条规定，有爆炸危险的露天钢质封闭气罐，当其高度小于或等于60m、罐顶壁厚不小于4mm时，或其高度大于60m、罐顶壁厚和侧壁壁厚均不小于4mm时，可不装设接闪器，但应接地，且接地点不应少于2处，两接地点间距离不宜大于30m。

LNG储罐地面基础直径D为85m，储罐接地干线网与接地极连接点数量为N=D×π/30=8.89(个)。为保证储罐有更加良好的接地效果，取N为12。

LNG储罐位于填海区域，沙石电阻率较大，故选用电解离子接地极。

电解离子接地极由先进的陶瓷合金化合物组成，电极外表为紫铜合金，以确保最高导电性能及较长使用寿命，并配以内外两大种类填充剂。实验证明，土壤电阻率过高的直接原因是因为缺乏自由离子的辅助导电作用。接地导体外部的回填料以具有强吸水力、强吸附力和阳离子交换性能高的材料为主体，配以长效、降阻、防腐功能强、膨胀系数高、不受温度变化影响、耐高电压冲击的多种化学材料为辅料，具有保湿、离子缓释、潜深接地、长效降阻的功效和特点。电解离子接地极结构如图3所示。

电解离子接地极长3m，不适合垂直安装。根据现场的实际情况，将接地极平放于沟槽中，具体施工过程如下(见图4)。

(1)在储罐基础1．5m处挖—深60cm、长330cm、宽20cm的沟槽。

(2)用干布将接地极擦拭干净，不能有油污；在接地极上部、中部、下部的离子释放孔处注入清水。

(3)将GAF粉末状接地改良剂加水搅拌，放置于沟底。

(4)将接地极保持一定倾斜度放置于沟底，上部用改良剂覆盖。

(5)用绝缘胶带将接地极引线包好，采用热熔焊方式与接地干线连接。

5静电接地设置

当LNG注入储罐时，液体流发生电荷分离，当电荷积聚到一定程度时就会产生静电放电。由于静电放电是在纳秒级的时间内完成的，其峰值电流可达几十安，所以瞬间的功率十分巨大，静电放电具有严重的破坏力避免静电危害的方法:一是限制可燃液体流动的速度，大大减少静电的产生和积聚;二是做好静电接地。静电接地就是用接地的办法提供一条静电荷释放的通道。接地回路必须连接可靠，否则会在接触不良处产生火花放电。具体做法是：在储罐内壁焊接接地螺栓，通过70mm2绝缘铜芯导线连接至外壁金属体，以释放静电。静电接地连接如图5所示。

6接地检测结果

GB50057—2010第4.3.10条还规定，每处接地点的冲击接地电阻值不应大于30Ω。GB12158—2006《防止静电事故通用导则》第6.1.2条规定，要使静电荷尽快地消散在静电危险场所，所有属于静电导体的物体必须接地，每组专设的静电接地体的接地电阻值一般不应大于100Ω，在山区等土壤电阻率较高的地区，其接地电阻值也不应大于1000Ω。防雷接地工程结束后，实测接地电阻值为0.8Ω，各接地引下线与接地干线连接良好，满足防雷接地要求。

7防雷装置的维护与运行

保证储罐的防雷装置在雷击事故中起到应有的作用，是一个十分重要的问题。要做到这一点，关键是对防雷装置进行安全检测，及时发现问题，及时整改。

储罐防雷装置安全检测应包括以下内容:

(1)接地电阻应符合要求，应该用专用接地冲击电阻测试仪进行接地电阻的测量；

(2)接闪器与引下线应采用焊接法连接；

(3)引下线的材料与尺寸应满足规定要求；

(4)断接卡应该无锈蚀；

(5)定期进行防雷设施的防腐处理。

在日常维护和运行中，还应注意以下问题。

(1)接地电阻的年度检测不能用政府部门的年度抽检代替。这是两个完全不同的测试方法，前者能够保证每个接地点的接地电阻和接地系统是完好的，而后者只能保证整个接地系统符合要求。当雷击发生时，必须将雷电流迅速传导到地下，前提就是每个接地点都是完好的。所以，接地电阻年度检测是必须进行的，不能用政府抽检代替。

(2)电解离子接地极与储罐基础钢结构的电池腐蚀问题。铁和铜在海水中的电偶序分别是－0.5V、－0.1V，两种金属之间存在电位差，当通过导体连接在一起时，就组成了原电池，作为阳极的铁被腐蚀，保护了阴极的铜。埋地电缆的钢铠被腐蚀也是这种现象，必须经常检查腐蚀的速度和程度。

(3)储罐阴极保护与接地装置的设置。储罐安装阴极保护装置时，如果设置不当，将近99%的阴极保护电流会通过接地装置流入储罐，只有不到1%的阴极保护电流通过土壤流入储罐底板，使储罐底板几乎没有阴极保护效果。必须进行全面的检测评估，采取正确的安装方法，使防雷接地和阴极保护两种保护系统合理存在，各自发挥作用。