畢曉蕾，王林峰，許延賀，張長秀，陶 彬，姜 輝，劉全楨，劉寶全，高 劍，張英杰

(1.中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104) 2.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司，陜西西安 71000) 3.中國石化銷售股份有限公司重慶石油分公司，重慶 400010)

0 前言

大型浮頂儲罐是常用的原油儲備設(shè)施，直徑一般為60～100 m，容積最大可達(dá)15×10m。大型浮頂儲罐由于浮盤面積大，且直接暴露于大氣中，有機氣體排放量高、易受環(huán)境因素影響、且極易遭受雷擊而引起火災(zāi)爆炸事故。近幾年，國內(nèi)外開始將結(jié)構(gòu)支撐型鋁穹頂應(yīng)用到大型外浮頂儲罐上，API 650《Welded Tanks for Oil Storage》中推薦的穹頂?shù)匿X蒙皮板的厚度為1.2 mm，但GB/T 21714.3—2015《雷電防護 第三部分 建筑物的實體損害和生命危險》中指出：為防止雷電擊穿，鋁合金板最小厚度為7 mm。由于國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，而且缺乏相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，鋁穹頂儲罐的雷擊及防護問題成為學(xué)術(shù)界爭論的焦點。

雷電直擊易導(dǎo)致金屬穹頂發(fā)生熔化、穿孔等燒蝕損傷，進(jìn)而引燃儲罐內(nèi)部的可燃?xì)怏w，從而造成儲罐火災(zāi)、爆炸等事故。2015年某油庫內(nèi)浮頂儲罐發(fā)生閃爆，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)罐頂中央通氣孔頂部蓋型螺母頂端及防雨罩側(cè)面共有4處灼蝕點穿孔，灼蝕點孔徑約1 cm，金屬板厚度0.8 mm。

金屬材料在直接雷擊下燒蝕損傷特性的研究是雷電防護的基礎(chǔ)。SAE-ARP5412根據(jù)雷電發(fā)展的多次回?fù)暨^程提出的A、B、C、D 4種電流分量被廣泛應(yīng)用于金屬的燒蝕研究中，A、B、C、D電流分別對應(yīng)首次短時回?fù)綦娏鞣至?、回?fù)糸g長持續(xù)時間電流分量、末次回?fù)艉箝L持續(xù)時間電流分量以及后續(xù)短持續(xù)時間回?fù)綦娏鞣至?。儲罐穹頂金屬材料在直接雷擊下的燒蝕損傷、溫升特性試驗研究是研究鋁穹頂儲罐雷防護的基礎(chǔ)，儲罐的直擊雷防護最關(guān)心的問題是金屬板能否被雷電擊穿以及雷擊后的金屬材料溫升能否引燃儲罐可燃?xì)怏w。單分量模擬雷電流下金屬損傷試驗結(jié)論表明，雷電波中的直流分量(即C分量，末次回?fù)艉罄m(xù)長時間雷電流)對金屬的燒蝕及溫升起到主要作用。因此本文選取C分量作為雷擊試驗波形。采用3003鋁合金為樣品，分別進(jìn)行鋁合金板在不同幅值電流下的模擬雷擊損傷實驗，測量鋁合金板燒蝕損傷和表面溫升等關(guān)鍵參數(shù)，為儲罐的直擊雷防護提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗方法

考慮電極材料需要耐高溫抗燒蝕，本實驗選用Wu80合金作為電極材料。電極頭部為曲率半徑3 mm、高度5 mm的半橢球體，身部為直徑8 mm、高度20 mm的圓柱。為防止沖擊過程中試品移動，將試品夾在固定裝置的兩扇絕緣框之間，并保持電極與試品間距離為4 mm，試品與固定裝置中的2條銅條緊密接觸保證接地。采用皮爾遜線圈以及分壓器測量沖擊回路電流和電壓。實驗設(shè)計如圖1所示。

圖1 實驗設(shè)計示意

用FLIR P630紅外熱像儀持續(xù)采集C波作用過程中金屬板背面的溫度序列(采集頻率30 Hz，持續(xù)時間6 s)，并測量金屬板背面溫度最高值

T

。

2 損傷及燃爆風(fēng)險分析

IEC62305及SAE ARP 5412B針對后續(xù)長時間雷電流分量(C分量)的極限模擬數(shù)值給出了推薦值，均為200 C。因此，試驗中C分量電流最大電荷量不高于200 C。

表1為2，4，6 mm鋁合板(3003)在不同C分量電流下的損傷試驗數(shù)據(jù)(表中×表示未穿孔，Ο表示穿孔，[ ]內(nèi)為背溫℃，( )內(nèi)為穿孔孔徑mm)。

2.1 2 mm金屬板C波下?lián)p傷情況

由表1可知，當(dāng)C分量電流幅值為116 A、轉(zhuǎn)移電荷量為59.4 C時，2 mm鋁合金板未被熔穿，鋁合金板背面最高溫度達(dá)到257.3 ℃，鋁合金板的背面溫度隨時間變化曲線如圖2所示。隨著電流的增大，鋁合金板背面溫度快速增加，當(dāng)C分量電流幅值為306 A轉(zhuǎn)移電荷量為157 C時，背面溫度最高達(dá)到480℃。根據(jù)GB50493—2019《石油化工可燃和有毒氣體檢測報警設(shè)計》附錄A可知，原油所有可能組分(氣體、蒸氣狀態(tài)下)的最低引燃溫度為205 ℃。因此，即使雷電流未造成鋁合金板熔穿，雷電流引起的鋁合金板溫升也可能引燃儲罐內(nèi)部的油氣。

當(dāng)C分量電流幅值為320 A、轉(zhuǎn)移電荷量為164 C時，鋁合金板發(fā)生熔穿，穿孔最大直徑達(dá)7.45 mm。當(dāng)C分量電流幅值為380 A轉(zhuǎn)移電荷量為196 C時，鋁合金板發(fā)生熔穿，穿孔最大直徑達(dá)到12.39 mm, 鋁合金板熔穿后正面和背面形貌圖如圖3所示。電流作用時電弧附著點處溫度高達(dá)2 600 ℃， 而3003鋁合金的熔點在643～654 ℃之間，長時間電流作用下，鋁合金板表面電弧附著點處溫度迅速升高導(dǎo)致鋁合金板熔化，正面形成較規(guī)則的圓孔，熔融的液態(tài)鋁，則在背面形成熔滴狀的凝固物。由此可見，當(dāng)鋁穹頂遭受320 A及以上C分量雷電電流轟擊時，無論是電流或者熔融的高溫鋁都可以引燃儲罐內(nèi)部的油氣。

表1 C分量下鋁合金板損傷試驗結(jié)果

圖2 116 A電流下鋁合金板背面最高溫度隨時間變化曲線

圖3 380 A電流下2 mm鋁合金板熔穿后正面和背面形貌

2.2 4 mm金屬板C波下?lián)p傷情況

當(dāng)C分量電流幅值為116 A、轉(zhuǎn)移電荷量為59.4 C時，4 mm鋁合金板未被熔穿，鋁合金板背面最高溫度為64 ℃，明顯小于2 mm鋁合金板的背面溫升。隨著電流的增加，鋁合金板背面溫升緩慢上升，升溫速度明顯小于2 mm鋁合金板(如圖4)。當(dāng)電流幅值為320 A、轉(zhuǎn)移電荷量為164 C時，4 mm鋁合金板未熔穿，鋁合金板背面最高溫度為168 ℃，未超過原油的最低引燃溫度205 ℃，說明鋁合金板未被雷電擊穿時，引燃油氣的風(fēng)險較小。

C分量電流幅值為380 A、轉(zhuǎn)移電荷量為196 C時，鋁合金板發(fā)生熔穿現(xiàn)象，穿孔最大直徑達(dá)到9.96 mm, 鋁合金板熔穿后正面形貌圖如圖5所示，穿孔直徑明顯小于相同電流作用下2 mm鋁合金板的穿孔，穿孔周圍出現(xiàn)了較明顯的噴濺狀的黑色氧化層。

由于4 mm鋁合金板在電流幅值為320 A、轉(zhuǎn)移電荷量為164 C下未發(fā)生穿孔，且背面溫升小于油氣引燃溫度，所以相同條件下6 mm鋁合金板更不足以引燃油氣。因此，針對6 mm鋁合金板只進(jìn)行了380 A轉(zhuǎn)移電荷量為196 C的雷擊試驗，結(jié)果表明在該電流作用下，6 mm鋁合金板未發(fā)生穿孔，背面溫升為25 ℃，因此不存在油氣引燃風(fēng)險。由于電弧的作用金屬板表面形成凹陷，熔融的液態(tài)鋁合金在凹陷邊緣重新凝固形成表面較光滑的滴狀凝固物，凹陷周邊出現(xiàn)了較明顯的噴濺狀的黑黃相間的氧化層(圖6)。

圖4 不同C波下2 mm和4 mm鋁合金板背面最高溫度曲線

圖5 380 A電流下4 mm鋁合金板損傷形貌 圖6 380 A電流下6 mm鋁合金板損傷形貌

3 結(jié)論

a) 當(dāng)鋁合金板為2 mm，雷電流C分量轉(zhuǎn)移電荷達(dá)到164 C時，鋁合金板直接發(fā)生穿孔，雷電流或熔化的高溫液態(tài)鋁可直接引燃儲罐內(nèi)部的油氣。當(dāng)C分量轉(zhuǎn)移電荷小于157 C時，鋁合金板雖然未發(fā)生穿孔現(xiàn)象，但是通過紅外熱像儀探測的鋁合金板背面溫度最高為480 ℃，遠(yuǎn)大于原油氣體、蒸氣狀態(tài)下的最低引燃溫度205 ℃，同樣存在雷擊油氣燃爆風(fēng)險，因此2 mm的鋁穹頂結(jié)構(gòu)不能滿足儲罐的防雷要求。

b) 當(dāng)鋁合金板為4 mm，雷電流C分量轉(zhuǎn)移電荷達(dá)到196 C時，鋁合金板直接發(fā)生穿孔，雷電流或熔化的高溫液態(tài)鋁可直接引燃儲罐內(nèi)部的油氣。當(dāng)C分量轉(zhuǎn)移電荷小于164 C時，鋁合金板未發(fā)生穿孔現(xiàn)象，通過紅外熱像儀探測的鋁合金板背面溫度最高為168 ℃，小于原油氣體、蒸氣狀態(tài)下的最低引燃溫度205℃，無法直接引燃儲罐內(nèi)的油氣。因此，4 mm鋁穹頂無法抵御極端情況下的雷擊(電荷量196 C)，但是當(dāng)雷電流C分量轉(zhuǎn)移電荷小于164 C時，4 mm鋁穹頂可滿足儲罐的防雷要求。

c) 當(dāng)鋁合金板為6 mm，雷電流C分量轉(zhuǎn)移電荷達(dá)到196 C時，鋁合金板未發(fā)生穿孔，雷電流或熔化的高溫液態(tài)鋁可直接引燃儲罐內(nèi)部的可燃油氣。當(dāng)C分量轉(zhuǎn)移電荷小于164 C時，鋁合金板雖然未發(fā)生穿孔現(xiàn)象，背面溫升為125 ℃，小于原油氣體、蒸氣狀態(tài)下的最低引燃溫度205 ℃，無法直接引燃儲罐內(nèi)的油氣，因此6 mm的鋁穹頂結(jié)構(gòu)可滿足儲罐的防雷要求。