油气化工码头电气设计

章 峥，顾恩波

(1.中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海 200032；2.宁波中交水运设计研究有限公司，浙江 宁波 315100)

油气化工码头(简称油品码头)电气设计一直是比较复杂的问题，设计一旦出现问题，建设方案将无法通过项目安全评价。如果项目实施，不仅有可能造成重大安全事故及人员伤亡，还会给业主带来巨大的经济损失。随着国家对建设安全的重视，越来越多的国家和行业规范进行了更新或替换，规范的适用性、差异性及合理性等在港口设计行业引起了一定的争议。故此，本行业规范迫切需要及时修订。

新版JTS 158—2019《油气化工码头设计防火规范》[1]于2020年1月起正式实施，规范对油品码头设计上的几个争议做法进行了明确的规定，具有重要的指导意义。本文以国家和行业出版的规范为基础(其中包括一些已经废止的旧规)，就油品码头电气设计上存在的一些问题进行探讨。

1 爆炸危险区域划分

防爆危险区域划分需要从释放源的性质、释放源的泄出量、释放速度、释放源的爆炸下限、环境的通风量及输送压力等方面进行综合考量，故防爆危险区域的划分并没有一个固定的模式。GB 50058—1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》[2](简称92版爆规)是第1本与国际接轨的国家强制性规范，其中关于防爆区域的划分是以当时IEC标准为原则，等效采用了国际上广泛使用的美国石油协会标准API RP500—1997《石油设施电气设备安装一级一类和二类区域划分的推荐方法》中的有关规定及例图，在最新版GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》[3](简称14版爆规)中又引入API RP 505—2002《石油设施电气设备安装一级0区、1区和2区划分的推荐方法》中的有关规定及图例，并且这两本规范分别转化为我国石化行业标准SYT 10041—2002《石油设施电气设备安装一级一类和二类区域划分的推荐做法》[4]和SYT 6671—2017《石油设施电气设备场所Ⅰ级0区、1区和2区的分类推荐做法》[5]。

由于“92版爆规”中并没有关于油品码头爆炸危险区域的推荐做法，在当年执行的行业标准JTJ 237—1999《装卸油品码头防火设计规范》[6](简称99版码头火规)中规定油品码头爆炸危险区域划分应执行当年的GB 50074—2002《石油库设计规范》[7](简称石油库规范)，在“石油库规范”中关于油船、油驳装卸易燃油品时参考做法为B.0.16、B.0.17及B.0.18(图1)。从图1可知，其划分的主体为油船、油驳而非码头，故设计院对于油品码头危险区域的划分曾经有2种不同的观点。

图1 油船、油驳爆炸危险区域划分

一种观点认为依据“99版码头火规”的相关条文，理应参照“石油库规范”，划分主体为油船、油驳罐装口，辅以油品码头装卸区域前沿管道阀门及法兰。当工艺为敞口灌装时，以油船罐装口作为中心，1区、2区的划分半径分别为3 m和15 m；当工艺为密闭灌装，则分别以油船、油驳罐装口和通气口为中心，其中油船、油驳罐装口处1区、2区的划分半径分别为1.5 m和4.5 m，通气口处1区、2区的划分半径分别为1.5 m和3 m；在操作压力一般不大于1.6 MPa时，码头上管道阀门及法兰大多划分半径仅为3 m。

另一种观点认为可以参考更为严格的“92版爆规”中的图2.3.3-1及图2.3.3-2(图2)，以油品码头作为划分主体，辅以油船罐装口，将油品码头前沿挡油坎整体区域作为1区，无论是重于还是轻于空气的释放源，均以半径为15 m的范围作为2区，并以半径为30 m且在2区以外的范围作为附加2区。此外，在油品码头上的管道阀门也以此半径进行划分。

图2 “92版爆规”生产装置区域划分

在油品码头爆炸危险区域划分上，后者的划分范围显然较前者更为苛刻。对此争议，《油品码头爆炸危险区域划分的探讨》[8]一文以“石油库规范”及“92版爆规”的适用范围进行定性讨论，文中明确了应以“石油库规范”为划分依据。因为油品码头并不在“92版爆规”的适用范围内，并且“92版爆规”中第2.3.2条指出规范中提供的典型示例不适用于石油库爆炸危险区域范围的确定。在一段时间内，虽然新修订的“14版爆规”中去除了原2.3.2条的描述并加入了码头防爆区域划分的相关内容，但国内部分油品码头的设计及审查仍以“石油库规范”作为爆炸危险区域划分依据，造成电气设计人员的的困扰。此外，在笔者参与过的海外油品码头设计项目中，国外审查咨询单位的观点更倾向后者，赞成以更为严苛的划分条件，最大程度地保证油品码头装卸时的安全性。

油品码头不同于后方库区，虽然也属于石油库的附属设施，但专业性更强。笔者认为“92版爆规”及“石油库规范”两者关于油品码头的爆炸危险区域的划分都有不足之处。从划分主体来讲，码头前沿可能的泄漏点主要为装卸区域内的管道阀门、法兰，停靠油船的集油口法兰及连接两者的装卸船工艺设备(输油臂、软管等)的接口法兰。管道阀门和法兰的破裂是比较罕见的，从管道阀门和法兰装置中释放出易燃物质的机会稀少，并且释放速率也很小，仅仅是在异常或非正常的条件下才可能发生，而装卸船工艺设备(输油臂、软管等)作业时需要不断进行拆接，其作业范围和存储位置应视为一个潜在的释放源。“石油库规范”的典型示例并没有考虑到装卸船工艺设备(输油臂、软管)这个潜在的释放源，而对于油品码头装卸区域，其只考虑了前沿管道阀门处的泄漏点。在实际装卸过程中，码头前沿挡油坎处可能会有多种组合的危险气态物流释放，而挡油坎处的混凝土结构(墙)又限制危险区域范围，当可能会有危险气体在泊位平台下面聚集时，应考虑将其划分为1区。相比前者，后者的划分考虑到了装卸船工艺设备(输油臂、软管等)及装卸区域的复杂环境。

从爆炸危险范围讲，释放速率是非常重要的因素之一。通过扩散试验形成的计算结果得知，以危险半径来确定的防爆范围能够适应除高释放速率以外的大多数场所。码头前沿管道阀门及法兰为固定密封状态，为规范中所定义的二类释放源，释放源的释放速度是很低的。在通风良好的状态下，如果没有其他因素使释放增加，可以认为在低释放速率下，其危险半径最大不会超过3 m(10 ft)。相比管道阀门及法兰，码头前沿的装卸船工艺设备(输油臂、软管等)情况就比较复杂，在装卸设备处可能会有多种组合的危险气态物流存在；可能会发生输油臂旋转接头损坏等事故；停泊时水位的变化也可能导致危险气体在挡油坎处集聚；并且在有风的条件下又可能会增加危险气态物流向某一方向的扩散，“危险半径”方法假定各种组合情况下危险气态物流均为自由散发，以此得出危险半径是相当保守的。当油品码头输送LNG这类高挥发性物料时，如工艺输送采用密闭灌装，则前者以油船灌装口4.5 m范围，码头前沿阀门及法兰的3 m范围可能无法完全覆盖码头前沿装卸区域，但后者采用一个相对保守的15 m(50 ft)及30 m(100 ft)划分半径显然更安全。然而，“92版爆规”中并没有关于阀门及法兰的典型示例，故后者对此仍以15 m(50 ft)及30 m(100 ft)来进行划分显然不合理，反而应参考前者。

随着原“99版码头火规”废止以及JTS 158—2019《油气化工码头设计防火规范》)的实施，此部分争议从规范上得到了一定的合理解释。规范在“14版爆规”的基础上借鉴美国防火规范的划分原则，加入油品码头爆炸危险区域划分的推荐做法(图3)，规范附录A中第A.0.1、A.0.2及A.0.3明确了输油臂、工艺阀门及码头其他位置的划分范围，供设计人员参考执行。其中，规范A.0.2条关于工艺管道阀门的划分范围与“石油库规范”略有差异，新规范规定：“未封闭区域的阀门周围0.5 m范围内可划为2区”，其主要依据了“14版爆规”附录B中第22条第(4)款关于通风良好而未封闭区域内的工艺程序控制阀的危险区域划定。就此问题，笔者认为目前油品码头的自动化程度很高，工艺阀门均会接入自动控制系统中，可通过程序及时切断阀门，危险程度相对更低，可按照新规范来执行。

图3 码头装卸臂或软管爆炸危险区域划分

2 防静电及杂散电流接地设计

在考虑油品码头装卸作业安全时，除了船上和岸上的静电现象外，更需要注意船岸之间各种电气通路而流过大量杂散电流，造成爆炸危害。这些杂散电流的主要来源为码头与船体防腐采用的阴极保护以及某些电源设备造成的泄露电流。防止杂散电流主要有电气绝缘和电缆跨接2种不同的做法：一种利用船岸之间形成电气回路将杂散电流导通至接地网络，另一种利用绝缘来防止船岸之间形成电气通路。

国内通常采用第1种做法。“99版码头火规”第7.3.4条规定：“当油品码头采用船、岸间跨接电缆防止静电及杂散电流时，码头应设置为油船跨接的防静电接地装置”。在装卸之前先将油船通过接地装置与码头接地网络电气连接，以使船岸之间形成等电位，保证作业安全。此外，为了防止小概率产生危险较大的电弧，规范规定在防静电接地装置上必须串接一个防爆开关，并且船岸防静电接地装置应避开装卸区域内的挡油坎等危险区域。

船岸之间跨接方式不仅是审查单位非常重视的问题，更是现场作业人员一直关注的安全问题。在很多海外项目中，采用国际上推荐的电气绝缘的做法，会引起国内审查单位和现场作业人员的异议。故在最新实施的JTS 158—2019《油气化工码头设计防火规范》中对于船岸之间接地方式做出了明确的规定：“油品码头与泊船之间应采取电气绝缘措施，即不允许船岸之间进行跨接，保证两者之间的电气绝缘”。此条文是新规中比较重要的一点变化，采用了国际上一致认可的做法，禁止任何船岸之间电气电流通路，间接提高油品码头的安全标准。在今后的设计中，笔者认为码头前沿无须再设置船岸间跨接的防静电接地装置，并且可能存在的船岸连接(如输油臂及登船梯等)均已参照国际海运标准采用了船岸电气绝缘措施，取消防静电接地装置便能够保证船岸之间的电气隔离，以策安全。

3 岸电设计

随着环保意识的增强，港口行业内已颁布诸多有关码头岸电建设的技术规范和利好政策。在此背景下，国内集装箱、散货和件杂货等各功能性码头都在进行升级和改造，增加了岸电设施。交通运输部最新颁布的《港口和船舶岸电管理办法》[9]第十一条明确了具备受电设施的船舶停靠时应使用岸电，但不包括液货船。从适用范围来讲，规范认为油品码头并不在强制建设岸电设施的范围内。可见，对于在油品码头上是否应设置船舶岸电，并未获得业内的统一意见。

对于设计责任方，行业内设计院均认为在油品装卸的工况下，使用岸电是非常危险的行为，国外虽有先例，但未在国际上普及。对于业主和岸电厂家来说，与日俱增的需求是其主要考虑的内容，部分岸电厂家已经与运营单位合作，依托某些码头项目进行岸电试验，目前嘉兴港石化码头已建成首个并网岸电系统并已投入使用中。对此，笔者认为两者之间的差异是对油品码头防爆如何理解的问题。

笔者曾经接触过的运营单位或厂家认为只要采用满足码头防爆等级的合格产品、符合国内外的相关标准，并采用智能化的控制系统就能够投入使用。从工程经验看，即便使用了防爆产品也不意味码头安全得到保证，在码头上依然要设置火灾报警、消防及安全控制系统。从设计上讲，油品码头上设置岸电的安全隐患并不在一些防爆的节点(防爆箱体、铠装电缆等)上，笔者认为可能会有如下几个问题：

1)油品码头的安全风险较大。在项目后评价的过程中，码头岸电设施在运营中并非完全按照规章制度进行操作。在船岸连接时必然需要有人在爆炸危险区域内，人为的不确定因素比较多。排除人为因素，移动式的船岸连接方式需要采用与码头防爆等级相适应的电气连接设备，即使是完全按照计划进行操作的情况下，采用隔爆型电气设备并不能阻止船岸连接时点燃火花的产生[10]。

2)油品码头的防爆要求很高。在实际工程中，岸电并没有相应的防爆产品，岸电商须从防爆厂家处买入防爆产品进行集成，而国内防爆厂家普遍没有针对防爆岸电的产品，比如常规的防爆插头最大规格只有125A，市场上并没有专门防止火花结构的电缆管理装置等。

3)油品码头设置岸电的实践经验不足。国内油码头并没有设置岸电的先例，即便是编制油品码头岸电操作守则也是一个从无到有的过程，需要一定的时间积累。此外，国内岸电规范JTS 155—2019《码头岸电设施建设技术规范》[11]规定，码头岸电设施若采用高压，应在船岸之间设置等电位连接，而在JTS 158—2019《油气化工码头设计防火规范》中规定船岸之间需要电气绝缘以保证码头作业安全。可见，不同规范之间也有差异，需要从业者在今后的工程项目中进一步摸索和探讨。

综上所述，油品码头的岸电并没有真正具备普及的条件，但考虑到岸电在今后应用的可能，新建、改建、扩建的油品码头可在爆炸危险区域外预留岸电设施的空间和通路。

4 结语

1)油品码头的爆炸危险区域划分今后应严格执行新版JTS 158—2019《油气化工码头设计防火规范》的规定，同时新规范明确 “14版爆规”是适用于油品码头的。当然，对于海上作业平台这类场所，其可能会产生释放速率高的高挥发物质，危险半径也会相应增大，因此对于这类场所的防爆区域划分，应选用石化行业内的相关规范。

2)使用单位在施工图交底时，出于对自身安全的考虑，经常会询问码头前沿是否已设计了防静电接地装置。在防静电接地上须严格保证船岸之间的电气隔离，码头前沿不应设置供船岸跨接的防静电接地装置。

3)设计人员应了解到油品码头本身存在的危险性，以保证现场作业人员生命安全为首要前提。虽然国家倡导绿色环保港口，大力推动码头岸电实施，但贸然增加油品码头的防爆岸电设施显然不符合防爆电气设计原则。随着自动化及岸电技术的不断进步以及相关法律及规范的完善，在各方不断努力下，未来一定会有在油品码头上使用的成熟、安全及稳定的岸电产品出现。