铝穹顶储罐雷击损伤及燃爆风险研究*

毕晓蕾，王林峰，许延贺，张长秀，陶 彬，姜 辉，刘全桢，刘宝全，高 剑，张英杰

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104) 2.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司，陕西西安 71000) 3.中国石化销售股份有限公司重庆石油分公司，重庆 400010)

0 前言

大型浮顶储罐是常用的原油储备设施，直径一般为60～100 m，容积最大可达15×10m。大型浮顶储罐由于浮盘面积大，且直接暴露于大气中，有机气体排放量高、易受环境因素影响、且极易遭受雷击而引起火灾爆炸事故。近几年，国内外开始将结构支撑型铝穹顶应用到大型外浮顶储罐上，API 650《Welded Tanks for Oil Storage》中推荐的穹顶的铝蒙皮板的厚度为1.2 mm，但GB/T 21714.3—2015《雷电防护 第三部分 建筑物的实体损害和生命危险》中指出：为防止雷电击穿，铝合金板最小厚度为7 mm。由于国内外的标准不统一，而且缺乏相应的试验数据，铝穹顶储罐的雷击及防护问题成为学术界争论的焦点。

雷电直击易导致金属穹顶发生熔化、穿孔等烧蚀损伤，进而引燃储罐内部的可燃气体，从而造成储罐火灾、爆炸等事故。2015年某油库内浮顶储罐发生闪爆，现场勘查发现罐顶中央通气孔顶部盖型螺母顶端及防雨罩侧面共有4处灼蚀点穿孔，灼蚀点孔径约1 cm，金属板厚度0.8 mm。

金属材料在直接雷击下烧蚀损伤特性的研究是雷电防护的基础。SAE-ARP5412根据雷电发展的多次回击过程提出的A、B、C、D 4种电流分量被广泛应用于金属的烧蚀研究中，A、B、C、D电流分别对应首次短时回击电流分量、回击间长持续时间电流分量、末次回击后长持续时间电流分量以及后续短持续时间回击电流分量。储罐穹顶金属材料在直接雷击下的烧蚀损伤、温升特性试验研究是研究铝穹顶储罐雷防护的基础，储罐的直击雷防护最关心的问题是金属板能否被雷电击穿以及雷击后的金属材料温升能否引燃储罐可燃气体。单分量模拟雷电流下金属损伤试验结论表明，雷电波中的直流分量(即C分量，末次回击后续长时间雷电流)对金属的烧蚀及温升起到主要作用。因此本文选取C分量作为雷击试验波形。采用3003铝合金为样品，分别进行铝合金板在不同幅值电流下的模拟雷击损伤实验，测量铝合金板烧蚀损伤和表面温升等关键参数，为储罐的直击雷防护提供数据支撑。

1 实验方法

考虑电极材料需要耐高温抗烧蚀，本实验选用Wu80合金作为电极材料。电极头部为曲率半径3 mm、高度5 mm的半椭球体，身部为直径8 mm、高度20 mm的圆柱。为防止冲击过程中试品移动，将试品夹在固定装置的两扇绝缘框之间，并保持电极与试品间距离为4 mm，试品与固定装置中的2条铜条紧密接触保证接地。采用皮尔逊线圈以及分压器测量冲击回路电流和电压。实验设计如图1所示。

图1 实验设计示意

用FLIR P630红外热像仪持续采集C波作用过程中金属板背面的温度序列(采集频率30 Hz，持续时间6 s)，并测量金属板背面温度最高值

T

。

2 损伤及燃爆风险分析

IEC62305及SAE ARP 5412B针对后续长时间雷电流分量(C分量)的极限模拟数值给出了推荐值，均为200 C。因此，试验中C分量电流最大电荷量不高于200 C。

表1为2，4，6 mm铝合板(3003)在不同C分量电流下的损伤试验数据(表中×表示未穿孔，Ο表示穿孔，[ ]内为背温℃，( )内为穿孔孔径mm)。

2.1 2 mm金属板C波下损伤情况

由表1可知，当C分量电流幅值为116 A、转移电荷量为59.4 C时，2 mm铝合金板未被熔穿，铝合金板背面最高温度达到257.3 ℃，铝合金板的背面温度随时间变化曲线如图2所示。随着电流的增大，铝合金板背面温度快速增加，当C分量电流幅值为306 A转移电荷量为157 C时，背面温度最高达到480℃。根据GB50493—2019《石油化工可燃和有毒气体检测报警设计》附录A可知，原油所有可能组分(气体、蒸气状态下)的最低引燃温度为205 ℃。因此，即使雷电流未造成铝合金板熔穿，雷电流引起的铝合金板温升也可能引燃储罐内部的油气。

当C分量电流幅值为320 A、转移电荷量为164 C时，铝合金板发生熔穿，穿孔最大直径达7.45 mm。当C分量电流幅值为380 A转移电荷量为196 C时，铝合金板发生熔穿，穿孔最大直径达到12.39 mm, 铝合金板熔穿后正面和背面形貌图如图3所示。电流作用时电弧附着点处温度高达2 600 ℃， 而3003铝合金的熔点在643～654 ℃之间，长时间电流作用下，铝合金板表面电弧附着点处温度迅速升高导致铝合金板熔化，正面形成较规则的圆孔，熔融的液态铝，则在背面形成熔滴状的凝固物。由此可见，当铝穹顶遭受320 A及以上C分量雷电电流轰击时，无论是电流或者熔融的高温铝都可以引燃储罐内部的油气。

表1 C分量下铝合金板损伤试验结果

图2 116 A电流下铝合金板背面最高温度随时间变化曲线

图3 380 A电流下2 mm铝合金板熔穿后正面和背面形貌

2.2 4 mm金属板C波下损伤情况

当C分量电流幅值为116 A、转移电荷量为59.4 C时，4 mm铝合金板未被熔穿，铝合金板背面最高温度为64 ℃，明显小于2 mm铝合金板的背面温升。随着电流的增加，铝合金板背面温升缓慢上升，升温速度明显小于2 mm铝合金板(如图4)。当电流幅值为320 A、转移电荷量为164 C时，4 mm铝合金板未熔穿，铝合金板背面最高温度为168 ℃，未超过原油的最低引燃温度205 ℃，说明铝合金板未被雷电击穿时，引燃油气的风险较小。

C分量电流幅值为380 A、转移电荷量为196 C时，铝合金板发生熔穿现象，穿孔最大直径达到9.96 mm, 铝合金板熔穿后正面形貌图如图5所示，穿孔直径明显小于相同电流作用下2 mm铝合金板的穿孔，穿孔周围出现了较明显的喷溅状的黑色氧化层。

由于4 mm铝合金板在电流幅值为320 A、转移电荷量为164 C下未发生穿孔，且背面温升小于油气引燃温度，所以相同条件下6 mm铝合金板更不足以引燃油气。因此，针对6 mm铝合金板只进行了380 A转移电荷量为196 C的雷击试验，结果表明在该电流作用下，6 mm铝合金板未发生穿孔，背面温升为25 ℃，因此不存在油气引燃风险。由于电弧的作用金属板表面形成凹陷，熔融的液态铝合金在凹陷边缘重新凝固形成表面较光滑的滴状凝固物，凹陷周边出现了较明显的喷溅状的黑黄相间的氧化层(图6)。

图4 不同C波下2 mm和4 mm铝合金板背面最高温度曲线

图5 380 A电流下4 mm铝合金板损伤形貌 图6 380 A电流下6 mm铝合金板损伤形貌

3 结论

a) 当铝合金板为2 mm，雷电流C分量转移电荷达到164 C时，铝合金板直接发生穿孔，雷电流或熔化的高温液态铝可直接引燃储罐内部的油气。当C分量转移电荷小于157 C时，铝合金板虽然未发生穿孔现象，但是通过红外热像仪探测的铝合金板背面温度最高为480 ℃，远大于原油气体、蒸气状态下的最低引燃温度205 ℃，同样存在雷击油气燃爆风险，因此2 mm的铝穹顶结构不能满足储罐的防雷要求。

b) 当铝合金板为4 mm，雷电流C分量转移电荷达到196 C时，铝合金板直接发生穿孔，雷电流或熔化的高温液态铝可直接引燃储罐内部的油气。当C分量转移电荷小于164 C时，铝合金板未发生穿孔现象，通过红外热像仪探测的铝合金板背面温度最高为168 ℃，小于原油气体、蒸气状态下的最低引燃温度205℃，无法直接引燃储罐内的油气。因此，4 mm铝穹顶无法抵御极端情况下的雷击(电荷量196 C)，但是当雷电流C分量转移电荷小于164 C时，4 mm铝穹顶可满足储罐的防雷要求。

c) 当铝合金板为6 mm，雷电流C分量转移电荷达到196 C时，铝合金板未发生穿孔，雷电流或熔化的高温液态铝可直接引燃储罐内部的可燃油气。当C分量转移电荷小于164 C时，铝合金板虽然未发生穿孔现象，背面温升为125 ℃，小于原油气体、蒸气状态下的最低引燃温度205 ℃，无法直接引燃储罐内的油气，因此6 mm的铝穹顶结构可满足储罐的防雷要求。